鄭祥盤　陳凱峰　陳淑梅

福州大學(xué)，福州，350116

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曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的溫度特性研究

鄭祥盤陳凱峰陳淑梅

福州大學(xué)，福州，350116

針對(duì)現(xiàn)有曳引電梯使用的機(jī)械式制動(dòng)器存在的運(yùn)行沖擊大、噪聲大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型磁流變制動(dòng)裝置。該裝置具有雙線圈結(jié)構(gòu)，且考慮了有利于整體散熱的冷卻液流道，滿足電梯制動(dòng)應(yīng)具有的較大的制動(dòng)力矩和良好散熱功能的要求?；谘b置的熱傳導(dǎo)過程數(shù)學(xué)模型，采用有限元法對(duì)裝置空載運(yùn)行和緊急制動(dòng)典型工況的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究采用水冷卻提高裝置散熱性能的有效性，揭示典型工況下裝置關(guān)鍵部位的溫度變化規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證其是否處于合理的工作溫度范圍。仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在典型工況下，溫度對(duì)曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的制動(dòng)力學(xué)性能有較大影響，所設(shè)計(jì)的有效冷卻條件使裝置能滿足電梯運(yùn)行工況要求。

曳引電梯；磁流變；制動(dòng)器；溫度

0　引言

磁流變液是一種新型智能材料，主要由金屬軟磁性顆粒、基液和包覆在顆粒表面的穩(wěn)定劑構(gòu)成[1]。由于具有反應(yīng)迅速、變化可逆、易于控制等特點(diǎn)，磁流變液在機(jī)械傳動(dòng)、阻尼振動(dòng)控制等領(lǐng)域得到越來越廣泛的研究與應(yīng)用[2-3]。

現(xiàn)有曳引電梯制動(dòng)裝置采用的是機(jī)電接觸式抱閘制動(dòng)器，裝置存在振動(dòng)沖擊大、噪聲大及安全保護(hù)不足的缺點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)更高的乘運(yùn)舒適性和安全要求，是電梯噪聲投訴、電梯故障與事故的主要根源之一[4]。采用基于磁流變技術(shù)的制動(dòng)裝置具有工作噪聲小、制動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，故若將基于磁流變效應(yīng)產(chǎn)生制動(dòng)力矩的制動(dòng)裝置應(yīng)用于曳引電梯，可望解決曳引電梯制動(dòng)存在的上述問題。

然而，在高溫環(huán)境條件下磁流變液的流變效應(yīng)下降、剪切應(yīng)力變化不可控，甚至?xí)虼藢?dǎo)致裝置失效，這些因素限制了磁流變制動(dòng)裝置的工程化與產(chǎn)業(yè)化。溫升問題對(duì)磁流變技術(shù)工程應(yīng)用的影響研究越來越受到關(guān)注。Kavlicoglu等[5]設(shè)計(jì)了最大制動(dòng)力矩為200Nm的多盤式磁流變制動(dòng)器，并建立溫度模型通過仿真和實(shí)驗(yàn)手段研究溫度對(duì)制動(dòng)力矩的影響；Park等[6]采用以磁場(chǎng)、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了雙盤式結(jié)構(gòu)磁流變制動(dòng)器，并聯(lián)合滑?？刂破鲗?duì)汽車模型的制動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該制動(dòng)器能快速地實(shí)現(xiàn)汽車防抱死功能；Jedryczka等[7]利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)研制的一種混合激勵(lì)的磁流變制動(dòng)器進(jìn)行了磁場(chǎng)、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合分析；田祖織[8]采用數(shù)值計(jì)算方法研究了磁流變傳動(dòng)裝置的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及其對(duì)制動(dòng)力矩的影響，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度過高將減小磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，從而導(dǎo)致其傳動(dòng)性能下降；陳松等[9]分析了溫度對(duì)磁流變液及其剪切應(yīng)力的影響，并采用有限元法對(duì)傳動(dòng)裝置工作時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析；王程[10]采用有限元方法對(duì)用于汽車的磁流變緩速器溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，并采用實(shí)驗(yàn)方法分析了溫升對(duì)裝置緩速性能的影響規(guī)律。

本文針對(duì)現(xiàn)有電梯使用的機(jī)械式制動(dòng)器存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型磁流變制動(dòng)裝置應(yīng)用于曳引電梯。

1　曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

1.1曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的工作原理

曳引電梯制動(dòng)裝置具有“零速抱閘”的特點(diǎn)，即在正常工作中，減速過程由電梯的速度控制系統(tǒng)來控制，而不是依賴制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，但要保證緊急工況時(shí)制動(dòng)電梯停止運(yùn)行。

圖1為用于曳引電梯的圓柱式磁流變制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。制動(dòng)器的外殼體和轉(zhuǎn)盤作為極板，它們中間充滿磁流變液[6-8]。當(dāng)線圈不通電時(shí)，在外殼體和轉(zhuǎn)盤中間的磁流變液保持其流動(dòng)性能，不影響主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電梯正常運(yùn)行；當(dāng)線圈通電后，在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁流變液發(fā)生流變效應(yīng)，鐵磁顆粒被磁化連接成鏈，磁流變液變成類固體。這時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)就要剪切這些“鐵鏈”，因而加大了轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，起到了制動(dòng)的作用，保證電梯可靠制停(即緊急制動(dòng))。

圖1　磁流變制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

用于曳引電梯的磁流變制動(dòng)器不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)裝置(依靠機(jī)械部件剛性摩擦消耗制動(dòng)能量)，它以磁流變液作為制動(dòng)工作介質(zhì)，利用磁流變液在磁場(chǎng)下產(chǎn)生的黏度和剪切屈服應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，電梯所需制動(dòng)力矩的大小可以根據(jù)磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行快速“柔和”控制。

1.2曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)模型

設(shè)計(jì)用于曳引電梯的磁流變制動(dòng)裝置主要由磁流變液、磁軛、線圈、隔磁環(huán)、制動(dòng)軸、制動(dòng)輪等組成，其特點(diǎn)是采用雙線圈結(jié)構(gòu)保證磁流變液間隙具有較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)更大制動(dòng)力矩，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在電梯制動(dòng)過程中磁流變制動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這會(huì)影響到它的持續(xù)工作。因此，除了選擇熱導(dǎo)率高的材料外，有必要采取一定的散熱措施。由于電梯工作時(shí)制動(dòng)裝置功率較高，發(fā)熱量較大，選擇水冷的方式設(shè)計(jì)冷卻流道，建立簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)，以保證制動(dòng)裝置處于良好可持續(xù)的工作狀態(tài)。

1.軸　2.軸承　3.擋圈　4.外側(cè)板　5.磁軛側(cè)板6.隔磁環(huán)　7.線圈　8.磁軛　9.轉(zhuǎn)子筒　10.轉(zhuǎn)子側(cè)板11.內(nèi)側(cè)板　12.轉(zhuǎn)子套筒　13.唇形密封圈　14.軸承擋圈圖2　曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

裝置的冷卻流道如圖3所示，在定子轉(zhuǎn)子容腔兩側(cè)均設(shè)置兩塊鋁擋板，內(nèi)側(cè)板密封磁流變液，外側(cè)板在起到固定軸承外圈作用的同時(shí)與內(nèi)側(cè)板形成空腔結(jié)構(gòu)，這樣在接近磁流變液的軸向兩側(cè)，就有空間容納較多的冷卻水。另外，冷卻水需流動(dòng)起來以循環(huán)帶走熱量，在貼近磁流變液間隙的定子磁軛中，軸向開6個(gè)貫通孔，將兩側(cè)的空腔連接起來，一側(cè)作為進(jìn)水腔，另一側(cè)作為出水腔。冷卻水通過水泵從一側(cè)進(jìn)入進(jìn)水腔，經(jīng)過磁軛中的6個(gè)貫穿孔從出水腔流出，在冷卻水流動(dòng)時(shí)把磁流變制動(dòng)器工作產(chǎn)生的熱量帶走，確保制動(dòng)器處于良好可持續(xù)的工作狀態(tài)。

圖3　冷卻流道示意圖

2　數(shù)值仿真計(jì)算

2.1計(jì)算參數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》，選擇某型額定載重量為320kg的電梯制動(dòng)器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，磁流變制動(dòng)裝置圓盤內(nèi)外徑分別為98.5mm、100mm，有效工作間隙長(zhǎng)度為100mm，磁流變間距厚度為1.5mm。該裝置所用的材料物理屬性如表1所示。

表1　材料物理屬性

2.2有限元計(jì)算模型

2.2.1邊界條件

(1)初始條件為磁流變制動(dòng)裝置在t=0時(shí)刻各點(diǎn)溫度θ0，取θ0=25 ℃。

(2)工作間隙內(nèi)的熱傳遞。制動(dòng)過程中磁流變液產(chǎn)生的制動(dòng)熱量直接傳遞給外殼體。磁流變液與外殼體之間的熱通過傳動(dòng)軸、軸承和端蓋散發(fā)給空氣。

(3)線圈的熱傳遞。勵(lì)磁線圈損耗功率產(chǎn)生的熱量由線圈的外表面散發(fā)到傳動(dòng)裝置殼體中，通過線圈發(fā)熱功率計(jì)算公式，可以計(jì)算出線圈發(fā)熱功率:

Pc=I2Rc=44.5 W

(1)

式中，I為線圈通電電流；Rc為線圈電阻。

(4)外殼體的熱傳遞。外殼體表面與空氣之間的熱傳遞方式為自然對(duì)流換熱和輻射換熱[8]?？諝獾淖匀粚?duì)流傳熱系數(shù)α=3～10 W/(m2K)。對(duì)于大空間自然對(duì)流換熱，有

(2)

根據(jù)式(2)，可求得外殼體自然傳熱系數(shù)：

其中，kp為流體熱傳導(dǎo)率，L為特征長(zhǎng)度。

(5)傳動(dòng)軸的熱傳遞。傳動(dòng)軸與空氣之間的對(duì)流傳熱受傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的影響。轉(zhuǎn)速越快，傳動(dòng)軸表面與空氣的換熱越劇烈，其傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算得到：

(3)

式中，ns為軸的轉(zhuǎn)速；ds為換熱面的直徑。

(6)軸承表面的熱傳遞。一般情況下，內(nèi)部零件間的熱輻射很小，可以忽略。軸承工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此和周圍介質(zhì)的對(duì)流換熱屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱類型，其對(duì)流傳熱系數(shù)采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中，u為軸承的旋轉(zhuǎn)線速度。

(7)冷卻水道壁面的熱傳遞。由于水道拐角、折彎等原因，冷卻水在環(huán)形管道中的流動(dòng)很復(fù)雜，導(dǎo)致拐角處的局部散熱系數(shù)計(jì)算很復(fù)雜。本文忽略這些因素，認(rèn)為冷卻水道內(nèi)的散熱是均勻的。冷卻水道壁面平均散熱系數(shù)為

(5)

式中，vw為水流速度；θw為水的平均溫度；d為管徑。

由式(5)計(jì)算可得，冷卻水道壁面的平均散熱系數(shù)α3=8502.01 W/(m2K)。

2.2.2裝置生熱率計(jì)算

假設(shè)該磁流變制動(dòng)裝置材料物理屬性不隨溫度變化，邊界條件保持恒定，計(jì)算線圈通電發(fā)熱功率以及磁流變液制動(dòng)過程中的發(fā)熱功率。

勵(lì)磁線圈的功率損耗為

Pcoil=UI

(6)

式中，U為加載電壓。

所對(duì)應(yīng)的生熱率為

(7)

式中，rc1、rc2分別為線圈內(nèi)外半徑；Vc為勵(lì)磁線圈體積；Lc為磁流變液軸向長(zhǎng)度。

在緊急制動(dòng)工況下，曳引電梯磁流變制動(dòng)的熱載荷除了有空載運(yùn)行工況的功率損耗外，還有磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的制動(dòng)功率損耗。此時(shí)，算出磁流變制動(dòng)裝置的生熱率為[8]

(8)

式中，Tb為磁流變制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩；n為轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)速；ω為制動(dòng)轉(zhuǎn)子的角速度；r1為轉(zhuǎn)子外圓半徑；δ為磁流變液間隙寬度；τM為磁流變液的磁致剪切應(yīng)力。

2.3計(jì)算仿真分析

2.3.1空載運(yùn)行工況

曳引電梯轎廂與對(duì)重能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)是靠曳引繩和曳引輪間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)力即為曳引力。電梯空載運(yùn)行時(shí)轎廂內(nèi)無載荷，曳引繩與曳引輪繩槽間的摩擦力較小，此時(shí)是曳引電梯較為不利的工況。根據(jù)曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合生熱率和邊界條件，采用有限元軟件ANSYS分別仿真自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷以及循環(huán)水冷三種散熱狀態(tài)下裝置空載運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。

在自然風(fēng)冷散熱條件下，空載運(yùn)行時(shí)裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可看出，在自然風(fēng)冷散熱條件下裝置的整體溫度高，散熱效果不理想。其中，最高溫度點(diǎn)位于磁流變液內(nèi)，最高溫度為424 ℃；最低溫度點(diǎn)位于傳動(dòng)軸兩端，最低溫度為397 ℃。由于磁流變液的工作溫度范圍為-30～150 ℃，勵(lì)磁線圈的工作溫度為0～155 ℃。顯然，磁流變液和勵(lì)磁線圈的溫度已大幅超過其正常的工作溫度范圍。因此，自然風(fēng)冷散熱條件下裝置不符合電梯運(yùn)行的工作要求。

圖4　自然風(fēng)冷條件下裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

圖5　強(qiáng)制風(fēng)冷條件下裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，空載運(yùn)行時(shí)裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖5所示。由圖5可知，在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，裝置的散熱稍有改善，但是最高溫度依然達(dá)到122 ℃。最高溫度點(diǎn)位于磁流變液內(nèi)；最低溫度點(diǎn)為傳動(dòng)軸兩端，最低溫度為97 ℃。雖然磁流變液和勵(lì)磁線圈的溫度均處于正常溫度范圍內(nèi)，但是在空載條件下，磁流變液材料的溫度就已超過110 ℃。由于磁流變裝置的制動(dòng)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空轉(zhuǎn)損耗功率，因此，在制動(dòng)工況下磁流變液的溫度將會(huì)超過其正常的工作溫度范圍。所以，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下的磁流變制動(dòng)裝置也難以滿足電梯的工作要求。

在水冷散熱條件下，空載運(yùn)行裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖6所示。由圖6可知，靠近冷卻水道的隔磁殼體外側(cè)的溫度較低，而轉(zhuǎn)子筒外側(cè)的溫度較高；最高溫度為34.3 ℃，位于磁流變液內(nèi)；最低溫度為25.0 ℃，位于外殼等地方；而勵(lì)磁線圈的溫度為28 ℃左右。顯然，與自然風(fēng)冷或強(qiáng)制風(fēng)冷相比，水冷散熱時(shí)磁流變液和勵(lì)磁線圈的工作溫度都有大幅度的降低，且距磁流變液和勵(lì)磁線圈的最高許可工作溫度有較大的余量，能確保電梯在運(yùn)行過程中裝置具有足夠的制動(dòng)熱冗余量。

圖6　水冷散熱條件下裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

綜合對(duì)比上述三種散熱方式發(fā)現(xiàn)，對(duì)于制動(dòng)裝置的發(fā)熱狀態(tài)，水冷散熱是非常必要的，且水冷卻后的磁流變制動(dòng)裝置能夠滿足曳引電梯持續(xù)運(yùn)行工作要求。

2.3.2緊急制動(dòng)工況

為了觀察裝置緊急制動(dòng)過程中磁流變制動(dòng)裝置的溫度場(chǎng)變化，取緊急制動(dòng)過程5.6 s內(nèi)裝置的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的曳引主機(jī)以正常額定速度運(yùn)行，突然實(shí)施制停。圖7顯示了在緊急制動(dòng)后5.6 s時(shí)間內(nèi)磁流變最高溫度和勵(lì)磁線圈的溫度變化規(guī)律。從圖7可知，制動(dòng)開始時(shí)刻磁流變液溫度迅速升高，在1.25 s左右達(dá)到最高溫度116 ℃；隨著制動(dòng)功率的下降，溫度開始下降；至2 s左右制動(dòng)完成后，裝置處于散熱狀態(tài)，溫度繼續(xù)下降，到5.6 s左右溫度已降到52 ℃以下。開始制動(dòng)后，線圈溫度緩慢上升，在2.25 s后，上升趨勢(shì)趨于平緩，穩(wěn)定在32 ℃左右。

圖7　緊急制動(dòng)后磁流變液材料與裝置最高溫度變化圖

圖8為裝置瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布圖，由圖可知：①磁流變液體剪切產(chǎn)生的熱量朝兩側(cè)的磁軛、轉(zhuǎn)子筒和側(cè)板散發(fā)；②1.25 s時(shí)，等溫線較密集，熱量有所聚集，裝置內(nèi)最高溫度達(dá)到116 ℃左右；③隨著時(shí)間推移，熱量進(jìn)而向四周散發(fā)，等溫線逐漸拉開距離；④隨著轉(zhuǎn)速、制動(dòng)功率的下降以及熱量的散發(fā)，在6 s時(shí)裝置內(nèi)最高溫度約54 ℃左右。

(a)t=1.25 s

(b)t=6 s圖8　裝置瞬態(tài)熱分析二維結(jié)果圖

綜上所述，電梯緊急制動(dòng)時(shí)初始階段裝置的制動(dòng)功率全施加在磁流變液材料上，因此磁流變液材料溫度迅速升高，之后隨著散熱過程進(jìn)行，熱量由裝置往外擴(kuò)散，裝置溫度分布區(qū)域均勻并趨于穩(wěn)定。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)磁流變制動(dòng)裝置的溫度特性仿真分析結(jié)果和電梯工作特點(diǎn)，搭建永磁同步曳引機(jī)共直流母線互饋對(duì)拖測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖9所示，主要由曳引主機(jī)、負(fù)載曳引機(jī)、磁流變制動(dòng)裝置、扭矩傳感器、電梯井道信息仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)、變頻器及相關(guān)測(cè)試儀器等組成。

圖9　測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

裝置測(cè)試平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖10所示。磁流變制動(dòng)裝置的溫度信號(hào)由紅外熱成像儀和熱電阻溫度傳感器測(cè)得，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行采集。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)磁流變制動(dòng)裝置的制動(dòng)功能及溫度、轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

圖10　裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2溫升特性測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)過程中，使用紅外熱成像儀(型號(hào)為testo 885-2)記錄裝置的整體外部溫度，且分別在兩個(gè)外側(cè)殼體上端安裝熱電阻溫度傳感器以記錄工作間隙內(nèi)磁流變液的溫度變化。

3.2.1空載運(yùn)行工況的溫度變化

在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，電梯以額定轉(zhuǎn)速60 r/min空載運(yùn)行20 min，用紅外熱成像儀拍攝的裝置整體溫度變化如圖11所示。由圖11可知：裝置的整體溫度分布均勻；最高溫度點(diǎn)位于外側(cè)殼體與冷卻水套安裝的內(nèi)外邊緣，這兩處地方為冷卻水流道的密封位置，由于密封膠散熱系數(shù)低，因此導(dǎo)致此處熱量聚集，難以散發(fā)；運(yùn)行20 min后裝置外殼最高溫度達(dá)到67.7 ℃，難以滿足電梯長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行工況要求。

圖11　強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下空載運(yùn)行裝置的整體溫度變化

圖12所示為強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下磁流變液材料與裝置外部最高溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖12可看出，磁流變液的溫度隨運(yùn)行時(shí)間增加而升高。由于外部最高溫度點(diǎn)位于密封磁流變液的外部殼體，因此兩者溫度相近，趨勢(shì)相同。在20 min內(nèi)，磁流變液的溫度由26 ℃升高至76 ℃，且增幅沒有放緩的趨勢(shì)；如果運(yùn)行時(shí)間繼續(xù)增加，磁流變液將突破其許可工作溫度導(dǎo)致剪切力學(xué)性能下降。因此，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下裝置難以滿足電梯長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行要求。

圖12　強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下磁流變液與裝置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖13是水冷散熱條件下電梯以相同轉(zhuǎn)速60 r/min空載運(yùn)行20 min過程中的裝置外部溫度變化圖。其中，冷卻水溫度為18 ℃，流量為10 L/min。由圖13可知，裝置的整體外部溫度分布均勻，10 min以后溫度基本穩(wěn)定在55 ℃以內(nèi)，其整體溫度范圍顯然更低，說明水循環(huán)起到了較好的散熱作用，電梯在空載工況下裝置工作正常。

圖13　空載運(yùn)行水冷散熱裝置的整體溫度變化

圖14是水冷散熱下磁流變液材料與裝置外部最高溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。由圖14可知，磁流變液與裝置外部最高溫度的上升趨勢(shì)相同，溫度相近。在20 min的空載運(yùn)行過程中，磁流變液的溫度由27 ℃升高至50 ℃，溫升為23 ℃。同時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，磁流變液的溫度逐漸趨于平穩(wěn)。由此可見，水冷散熱方式下裝置能較好地滿足電梯運(yùn)行工作要求。

圖14　水冷散熱條件下磁流變液體與裝置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

溫度變化會(huì)影響裝置磁流變液剪切屈服應(yīng)力和黏度[9]，從而影響裝置的力學(xué)性能。圖15是風(fēng)冷散熱及水冷散熱方式下裝置空載力矩隨運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系圖。由圖15可知，空載力矩隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸下降。原因是隨著裝置的運(yùn)行，磁流變液的溫度逐漸升高，零場(chǎng)黏度下降，從而導(dǎo)致了空轉(zhuǎn)力矩的下降。因此，在自然風(fēng)冷散熱條件下，空載力矩的減小幅度較大，空載力矩由42 Nm減小至23 Nm；在水冷散熱條件下，空載力矩由41 Nm減小至30 Nm。

圖15　空載力矩隨時(shí)間的變化

3.2.2緊急制動(dòng)工況的溫升特性

電梯額定速度運(yùn)行工況下緊急停止，記錄緊急停止工作過程5 s至5 min時(shí)段內(nèi)裝置以及磁流變液的溫度變化。因緊急停止至5 s時(shí)裝置還未散熱，能真實(shí)反映裝置溫度。圖16是前5 min緊急制動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)裝置的外部整體溫度分布圖，在散熱作用下裝置溫度穩(wěn)定在55 ℃左右。由圖16可知，整個(gè)裝置運(yùn)行過程中，溫度最高的位置為裝置的內(nèi)側(cè)工作區(qū)域，其次是隔磁殼體外側(cè)的非水套部分，說明內(nèi)側(cè)溫度不斷往外側(cè)殼體擴(kuò)散。外側(cè)水套溫度最低，說明水循環(huán)起到了較好的散熱作用。同時(shí)由于電梯停止運(yùn)行，散熱作用下裝置溫度隨時(shí)間逐步降低。

圖16　緊急制動(dòng)工況下裝置溫度分布圖

圖17所示為長(zhǎng)時(shí)間緊急制動(dòng)工況下磁流變液溫度變化曲線以及勵(lì)磁線圈溫度變化曲線。由圖17可以看出，在緊急制動(dòng)工況下，磁流變液溫度在初始時(shí)間段內(nèi)急速升高，隨著時(shí)間增加，在水冷卻的作用下，磁流變液溫度升高較為緩慢，在緊急制動(dòng)的幾秒內(nèi)磁流變液溫度升高在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，隨著時(shí)間增加，勵(lì)磁線圈溫度不斷上升，但是溫度均低于50 ℃，滿足電梯與磁流變液體使用條件要求。與圖7仿真結(jié)果比較可看出，在仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)的磁流變液溫度比實(shí)際溫度略高，造成這一現(xiàn)象的主要原因是制造裝配時(shí)空氣隙導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，進(jìn)而在降低制動(dòng)力矩的同時(shí)降低了單位時(shí)間內(nèi)磁流變液的發(fā)熱量。

圖17　長(zhǎng)時(shí)間緊急制動(dòng)工況下磁流變液及勵(lì)磁線圈的溫度變化

圖18所示為電梯實(shí)施緊急制動(dòng)過程中裝置持續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的變化曲線。由圖18可知，在制動(dòng)初期因制動(dòng)產(chǎn)生的急劇溫升，制動(dòng)力矩出現(xiàn)了較大的減小，隨后制動(dòng)力矩逐漸趨于穩(wěn)定；最終，裝置的制動(dòng)力矩由470 Nm降低至400 Nm，降低幅度達(dá)到15%。其原因是在制動(dòng)過程初始階段，磁流變液以及轉(zhuǎn)子盤的溫度迅速升高，工作區(qū)域溫度接近100 ℃，導(dǎo)致了磁流變液的黏度及轉(zhuǎn)子的電導(dǎo)率降低，造成制動(dòng)力矩的減小。隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，溫度逐漸趨于平衡，因此制動(dòng)力矩也逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見裝置的制動(dòng)力矩對(duì)溫度的敏感性較高，加強(qiáng)工作區(qū)域的散熱有利于防止制動(dòng)力矩的減小，提高裝置的工作時(shí)間與可靠性。

圖18　電梯緊急制動(dòng)工況下裝置持續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的變化

4　結(jié)論

(1)針對(duì)曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置工作時(shí)的發(fā)熱問題，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了冷卻水流道，建立了裝置熱傳導(dǎo)過程的數(shù)學(xué)模型，并采用ANSYS軟件仿真分析了電梯空載運(yùn)行與緊急制動(dòng)工況過程中裝置的溫度變化特性。

(2)以永磁同步曳引機(jī)共直流母線互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)硬件基礎(chǔ)，用紅外熱成像儀和熱電阻溫度傳感器記錄了裝置與磁流變液的溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明，由于磁流變液以及轉(zhuǎn)子盤的溫度迅速增大，導(dǎo)致制動(dòng)力矩的值隨著溫度的升高出現(xiàn)小幅下降，制動(dòng)力矩降低至400Nm。

(3)水冷卻后的磁流變制動(dòng)裝置仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)均得到電梯在空載運(yùn)行與緊急制動(dòng)典型工況下穩(wěn)定工作溫度不超過60 ℃的結(jié)果, 滿足磁流變液材料使用與電梯運(yùn)行工作要求。

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(編輯盧湘帆)

InvestigationonTemperaturePropertiesofElevatorMagnetorheologicalBrake

ZhengXiangpanChenKaifengChenShumei

FuzhouUniversity,Fuzhou，350116

AnewMRbrake(MRB)wasdesignedfortractionelevatorbecauseoftheshortcomingsoftheexistingtractionelevatorswithmachine-electricbrake—highoperatingimpactsandhighnoise.Thedevicehadadual-coilstructure,whichalsodesignedchannelsforthecirculationofcoolantliquidforintegralheatradiating,satisfyingelevatorbrakingwithlargebrakingtorqueandgoodheatdissipation.Basedonmathematicalmodelinheattransfer,thenumericalsimulationanalysiswasperformedforthermalfieldofMRBinno-loadoperationconditionsandintypicalemergencybrakingsituationwithfiniteelementsoftware.Theworkimprovedheatdissipationbyusingwatercooling,revealingthetemperaturechangingregularitiesundertypicalconditionofkeyparts.Thereasonableworkingtemperaturerangewasverifiedwithtestmethods.Simulationandexperimentalresultsshowthattemperaturehasagreaterimpactonbrakingmechanicsperformance;however,thedevicecansatisfytherequirementsoftheelevatoroperatingwiththeeffectivecoolingconditions.

tractionelevator;magnetorheological(MR);brake;temperature

2016-02-01

中央財(cái)政支持高校發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(閩教財(cái)[2012]788號(hào));福建省科技重大專項(xiàng)(2011HZ06-1);福建省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(2011H08)

TB381； TH-39

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.003

鄭祥盤，男，1981年生。福州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)榇帕髯兗夹g(shù)及應(yīng)用。獲市級(jí)科技三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文10余篇。陳凱峰，男，1990年生。福州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。陳淑梅(通信作者)，女，1960年生。福州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。