基于磁流变技术的下井电梯缓冲器磁路设计及分析

石鑫，胡林华，陈智渊，王忠建

(1.中航工业江西洪都航空工业股份有限公司 技术部，江西 南昌 330001；2.青海师范大学 民族师范学院,青海 海南藏族自治州 813000)

0 引 言

在现代电梯系统中，缓冲器通常被看作是电梯的最后一道保护装置，是新型电梯中必不可少的重要组成部分.随着采矿作业下井深度不断提高，电梯的运行速度也要求加快.当电梯快速下降时，缓冲器就需要在很短的时间内吸收或者消耗轿厢的动能，以避免意外事故发生.由于电梯速度的加快，缓冲器所占用的空间将增大，随之缓冲器所在的深坑也要增大，部分井道空间会浪费.在高速情况下，怎样使安装空间变小并要保证优质的缓冲效果将是一项重要课题，而电梯技术必将向高速、小尺寸、浅底坑技术发展.本研究着力于具有磁流变技术的缓冲器设计方案，与传统的缓冲器相比，所设计的缓冲器结构更为紧凑，能够实现高速缓冲，又可很大程度上缩短缓冲器总高度，提高底坑的空间利用率[1].

目前，磁流变技术已在飞机、桥梁、汽车、采矿等多个领域得到应用，然而把磁流变技术应用到电梯上，还是很少见的.之所以磁流变技术被广泛应用，这是因为其可以在外界载荷变化的情况下，控制外加电压，来改变系统阻尼.正是由于磁流变效应具有连续性、可逆性、反应时间短等优点，将磁流变技术应用到电梯缓冲器上势必具有良好的发展前景[2～4].

1 磁流变液的工作原理

磁流变技术的关键环节是磁流变液，磁流变液是一种在外部磁场影响下，其各种流体性能会快速产生变化的智能材料.磁流变液的基本特征是：在磁场作用下，瞬间就会产生变化，其屈服特性也随之改变，并且这种改变是可逆的，其粘度会发生较大的变化.上述现象业界称作磁流变液的磁流变效应[5]，工作原理如图1所示.

由图1所示，在未受磁场影响时，颗粒会无规则排序.当受磁场影响时，颗粒就会有序的排列，相对于磁场方向排列成链，进而改变了磁流变液的特性.

2 缓冲器工作原理和磁路设计

2.1 工作原理

把磁流变技术应用到电梯缓冲器上，通常要把传统的液压油液换成磁流变液，这样就需要对已有的结构进行改进设计.对该缓冲器进行设计，不仅仅要使其满足传统电梯缓冲器的设计要求，同时还要满足磁流变液本身正常工作时的各种特性.图2为所设计的磁流变液电梯缓冲器结构示意图.

由图2可知，电梯缓冲器包含空气腔、磁流变液腔、蓄能气腔还有励磁线圈，缓冲器在工作时可以分为正、反两个行程.当正行程时，活塞杆受到外部激励产生运动，活塞迫使磁流变液沿着阻尼间隙向上运动，当流经活塞杆与励磁线圈之间的环形径向通道时，线圈由于通电会生成磁场，发生磁流变效应，进而控制磁流变液的剪切屈服强度，从而增大油液阻尼力，将缓冲系统的动能转化成热能，通过调节电流，可迅速调节阻尼力大小，有效地控制电梯在缓冲过程中能量的消耗过程.伴随着运动空气腔被压缩，将动能转化成压缩能，并产生反作用力，当活塞杆到达可允许的最低点时，空气被压缩会储存大量压缩能.当反行程时，空气腔开始膨胀，蓄能气腔和空气腔中的气体储存的能量得到释放，磁流变液会随着活塞杆的运动继续运动，耗散缓冲过程中的能量，实现对轿厢内人员的保护和舒适性，从而达到缓冲效果.

图1 磁流变液在磁场中的变化

图2 磁流变液电梯缓冲器结构示意图

2.2 缓冲器的磁路设计

图3 磁路设计简图

磁流变液要产生流变效应的理论基础是必须处于磁场环境中，而磁场的产生则需要有磁路，因此磁路设计的好坏，直接影响到磁流变缓冲器的工作状态.磁路的设计是在满足工作尺寸状态下，使磁路产生的磁场达到本研究的要求，并且使所选择材料的各种性能得到有效的利用，确定磁路符合要求的其余尺寸.

图3为电梯缓冲器的磁路设计简图.只有当磁路产生的磁场方向相对于磁流变液的流动方向相垂直时，磁流变液将会充分地发挥作用，以便于更好地产生磁流变效应，来控制缓冲器的缓冲效果[6～7].

当进行磁路设计时，为了满足流动方向与磁场方向相垂直的要求，需满足公式：

(1)

(2)

本研究选取硅油充当磁流变液中的母液，密度为3.45 g/cm3，工作温度在-70～45 ℃，20 ℃下的表观粘度为8.5 Pa·s，剪切应力为40～100 kPa，真空磁导率μ0=4πe-7m·kg/(s2A2)，磁流变液相对磁导率μr=7.其中圈采用0.5 mm的漆包线，磁导率为1，活塞与外筒分别采用磁导率较大的材料，分别是电工纯铁和45号钢，线匝数为300匝.

活塞直径D=40 mm，外筒直径D1=50 mm，活塞高度为H=30 mm，线圈内径d=12 mm，缝隙h=1～2 mm，在尺寸空间满足的情况下，应尽量使用多段线圈，图4和图5分别表示45号钢与电工纯铁的B-H曲线.

3 Ansys有限元分析

拥有磁流变技术的电梯缓冲器产生的磁场对磁流变液的影响比较明显，进而对缓冲效果也有很大的影响.为避免出现磁饱和现象，应该对所设计的磁路进行分析，对其中工作位置进行必要的有限元电磁场强度分析，建立有限元模型.本次研究的磁流变缓冲器为轴对称结构，可以根据轴线对其中的1/2区域进行分析.由于所设计的磁流变缓冲器中的活塞、外筒选材都是磁导率较高的材料，所以忽略磁漏，且所设计的活塞具有两段线圈，利用ansys软件对其进行单元属性的定义，材料属性的赋予，模型建立，网格划分，通过加载激励和求解，电磁场中的磁场分析，进行后处理分析[8～9].图6为相关有限元分析结果.

图4 45号钢的B-H曲线

图5 电工纯铁的B-H曲线

通过图6(a)可知缓冲器的磁力线方向垂直于磁流变液的流动方向，满足本次研究的要求，能很好地产生磁流变效应.图6(d)看到活塞杆内部磁感应强度比较大，活塞杆磁通密度比缝隙的磁通密度大很多，图6(c)可以知道在这两部分缝隙产生的磁场强度是相同的，只有在接近励磁线圈的地方有些偏高，证明这种结构设计是合理的.

图6(a) 磁力线分布图

图6(b) 磁通密度分布图

图6(c) 磁场强度分布图

图6(d) 磁感应强度分布图

4 阻尼力计算

根据磁流变液Bingham的本构方程，磁流变缓冲器的阻尼力表示为：

Fd=Fn+Fk

(3)

式中：Fd是油腔的磁流变液阻尼力，Fn是粘滞阻尼力，即是在无磁场情况下磁流变液的粘滞特性，Fk是库伦阻尼力，与磁流变液在磁场下的屈服强度有关[10].

(4)

τy=1.43×10-6B2+4.473×10-3B-1

(5)

由于本研究的励磁线圈施加的电流是变化的，范围是0～2A，通过分析与计算，求出不同电流下的磁场强度与电流之间的关系曲线，如图7所示：

由图7可知，当电流低于2 A时，磁场强度增长快速，无磁饱和现象发生；当电流高于2 A时，在工作间隙处所产生的磁场增长趋于平缓，说明已经接近磁饱和状态.而本研究的线圈所施加电流范围为0～2 A，未超过2 A，表明所选择的几何尺寸和基本参数是合理的.由于电梯在下降时起始高度的不同，在接触缓冲器时的初始速度也不同，所以本文选取其缓冲速度为0～3 m/s，图8为速度与阻尼力之间的关系曲线.

图7 电流与磁场强度的关系

图8 速度与阻尼力的关系

由图8可知，阻尼力与速度基本呈正比线性关系变化，当速度增大时，缓冲器的阻尼力也相应增加.图7和图8反映电流和速度与阻尼力之间的关系，表明缓冲器阻尼间隙的磁场强度是由设计的磁路和电流决定的，阻尼力是由电流和速度决定的，这进一步确定了缓冲器的缓冲性能.

5 结 语

通过对基于磁流变技术的电梯缓冲器设计及有限元分析与缓冲能耗，得到以下主要结论：

(1)通过ansys软件进行分析，得到磁场强度变化关系，输入电流的变化会影响到磁场强度的变化，进而分析缓冲器阻尼力变化.

(2)根据模拟分析与计算证明，基于磁流变技术的缓冲器磁路设计是合理的，有助于其它领域内磁流变阻尼器的研究.

(3)可有效地促进新型智能材料在实际当中的应用.