磁流變液傳動技術在自動門窗中的應用

陳巍+陳冬+楊輝靜

摘要：磁流變液傳動是一種新型動力傳遞技術，是以磁流變液為傳動介質，利用磁流變液獨特的流變特性實現智能可控的傳動方式，連續、可逆、迅速和易于控制的特點。基于磁流變液傳動技術的自動門窗閉合器克服了傳統液壓門窗閉合器和電動門窗閉合器的缺點，具有響應速度快（一般為毫秒級）、傳動部件摩損較小、控制簡單（通過調節外加磁場可實現轉矩或轉速的無級調速）、控制能源消耗低（2～50W）、控制電壓低（2～25V）、對外界雜質的干擾不敏感等特點，具有巨大的市場推廣方面的優勢。

關鍵字：磁流變液自動門窗

隨著人們生活水平的日益提高，人們對物質生活的要求越來越高。當今社會只能樓宇的建設越來越多，其中門窗的自動控制就是當中主要的組成部分。在樓宇建筑中給人們帶來更貼心的呵護和更安全的保障。它在遇到雨天、霧霾天或屋內煙量過大等情況時，根據自動控制器的指令自動進行相應的門窗的開啟或關閉。

磁流變液傳動是20世紀90年代發展起來的一種新型動力傳遞技術，其傳動是基于磁流變液的磁流變效應，是以磁流變液為傳動介質，利用磁流變液獨特的流變特性實現智能可控的傳動方式。磁流變液傳動通過調節外加磁場強度以改變磁流變液的剪切屈服應力，進而調節傳遞轉矩或轉速的大小。磁流變液是一種形態和性能受外加磁場約束和控制的固液二相功能材料，其在無外加磁場時表現為流動良好的牛頓流體，但在外加磁場作用下，流體的流變特性發生巨大變化，其表觀黏度可在10ms內增加幾個數量級，并呈現類似固體的力學性能，且黏度變化是連續可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。磁流變效應連續、可逆、迅速和易于控制的特點是磁流變液在很航空、航天、汽車工業、液壓傳動、密封、精密加工、生物技術、醫療等多領域具有十分廣泛的應用前景。

隨著社會的發展和科技的進步，高層和超高層建筑日益增多，室內的中庭及步行街等也逐漸增多。這些高層和超高層建筑的出現，對建筑物的自動化管理提出了更高的要求。自動門窗，外觀設計美觀又兼具自然采光和消防中自然排煙作用的，廣泛應用于各種建筑，尤其具有中庭的高層和超高層建筑。磁流變液傳動裝置是一種利用磁流變液傳動技術卡法的動力傳輸裝置。基于磁流變液傳動的自動門廠閉合器首先解決了傳統液壓門窗閉合器結構復雜、加工要求高、不易控制、響應慢、工作噪聲大以及無法滿足自動控制的問題，實現了建筑內自動可控的要求。其次，相對于電動門窗閉合器，降低了成本，減少了體積。第三，具有響應速度快（一般為毫秒級）、傳動部件摩損較小、控制簡單（通過調節外加磁場可實現轉矩或轉速的無級調速）、控制能源消耗低（2～50W）、控制電壓低（2～25V）、對外界雜質的干擾不敏感等特點，是一種較理想的動力傳輸器件，控制性能優于電動門窗閉合器，因此應用于自動門窗閉合控制方面非常具有優勢。

基于磁流變液的自動門窗閉合器的這些特點都非常符合消防自動控制系統的要求。當火災發生時，將停止全部非消防電源的供電，消防電源主要由備用電源提供，節能及控制的可靠性高是對所有被控設備的基本要求。自動門窗作為自然排煙的重要組成部分，其控制的快速性使門窗以最快的速度開啟或關閉，為消防防火和滅火爭取更多時間，能更好的控制火勢的蔓延。

在磁流變液應用中，影響磁流變液性能的主要是其沉降穩定性及剪切屈服應力。可用的表面活性劑主要有不同粒徑的SiO2粒子、油酸和月桂酸等。通過添加表明活性劑課改變磁性顆粒表面的性能，增加顆粒間的靜電排斥作用力，從而改善磁流變液體系的穩定性。通過添加納米固體顆粒，可增大磁流變液的分散介質密度，大大降低分散介質和磁性顆粒間的密度差，是兩相材料相互融合的更加匹配，同時由于納米顆粒的布朗運動，能在磁流變液中做無規則運動并碰撞磁流變液中的大顆粒分子，阻止大磁性顆粒的沉降，從而提高磁流變液的穩定性。可添加的納米固體顆粒主要有納米級的Fe3O4磁性顆粒，經實驗表明平均粒徑10nm的Fe3O4磁性顆粒可以有效改善磁性顆粒在載液中分散性能，大大提高制品的穩定性。在添加觸變劑的作用下，磁流變液中的磁性顆粒能形成觸變網狀結構，可以阻止磁性顆粒的直接接觸，減緩磁流變液的團聚，觸變劑還能黏附在磁性顆粒的表面，降低磁性顆粒的表觀黏度，從而減緩磁性顆粒的沉降。可用鉬類潤滑劑與觸變劑復合使用制備具有良好流變性能的磁流變液。可選擇高嶺土和納米SiO2為觸變劑，對硅油基磁流變液的摩擦磨損性能有影響。

磁流變液技術最早由美國學者Rabinow于1948年研究出磁流變材料，并與1951年申請了磁流變液傳動技術先關專利。直至20世紀80年代各國的研究人員才從電流變材料的研究流回歸磁流變材料的研究，并在近年得到迅速發展。國內外的磁流變液技術的研究應用，多集中在阻尼器等振動控制領域，而對磁流變液傳動技術的研究應用相對較少。磁流變液技術具有廣大的應用空間，需進行更多的應用研究，以填補該項技術應用的空白。

基于磁流變液技術的自動門窗閉合器提高了門窗閉合器的功能和特性，并能與其他檢測元件結合，形成智能控制，不僅能應用于公共建筑，還能應用于智能家居系統，具有巨大的市場推廣方面的優勢。

參考文獻：

[1]申玉良，楊紹普，劉旭東發動機冷卻風扇磁流變液離合器控制研究工程機械 2006，（2）：23-25.

[2]劉新華磁流變液傳動技術北京：科技出版社 2015.9.

[3]胡利永基于回轉式磁流變液阻尼器的張力控制研究吉林：吉林大學，2010.

[4]中華人民共和國機械行業標準，此份制動器，JB/T5989-1992.

作者簡介：

1、陳巍（1971.04-）女，漢族，河北石家莊人，講師，碩士，主要從事電氣自動化教育研究

2、陳冬（1982.12-）男，漢族，河北石家莊人，講師，碩士，主要從事機電一體化教育研究

3、楊輝靜（1978.10-）女，漢族，四川人，講師，學士，主要從事機電一體化教育研究