磁流变液传动技术在自动门窗中的应用

陈巍+陈冬+杨辉静

摘要：磁流变液传动是一种新型动力传递技术，是以磁流变液为传动介质，利用磁流变液独特的流变特性实现智能可控的传动方式，连续、可逆、迅速和易于控制的特点。基于磁流变液传动技术的自动门窗闭合器克服了传统液压门窗闭合器和电动门窗闭合器的缺点，具有响应速度快（一般为毫秒级）、传动部件摩损较小、控制简单（通过调节外加磁场可实现转矩或转速的无级调速）、控制能源消耗低（2～50W）、控制电压低（2～25V）、对外界杂质的干扰不敏感等特点，具有巨大的市场推广方面的优势。

关键字：磁流变液自动门窗

随着人们生活水平的日益提高，人们对物质生活的要求越来越高。当今社会只能楼宇的建设越来越多，其中门窗的自动控制就是当中主要的组成部分。在楼宇建筑中给人们带来更贴心的呵护和更安全的保障。它在遇到雨天、雾霾天或屋内烟量过大等情况时，根据自动控制器的指令自动进行相应的门窗的开启或关闭。

磁流变液传动是20世纪90年代发展起来的一种新型动力传递技术，其传动是基于磁流变液的磁流变效应，是以磁流变液为传动介质，利用磁流变液独特的流变特性实现智能可控的传动方式。磁流变液传动通过调节外加磁场强度以改变磁流变液的剪切屈服应力，进而调节传递转矩或转速的大小。磁流变液是一种形态和性能受外加磁场约束和控制的固液二相功能材料，其在无外加磁场时表现为流动良好的牛顿流体，但在外加磁场作用下，流体的流变特性发生巨大变化，其表观黏度可在10ms内增加几个数量级，并呈现类似固体的力学性能，且黏度变化是连续可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。磁流变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点是磁流变液在很航空、航天、汽车工业、液压传动、密封、精密加工、生物技术、医疗等多领域具有十分广泛的应用前景。

随着社会的发展和科技的进步，高层和超高层建筑日益增多，室内的中庭及步行街等也逐渐增多。这些高层和超高层建筑的出现，对建筑物的自动化管理提出了更高的要求。自动门窗，外观设计美观又兼具自然采光和消防中自然排烟作用的，广泛应用于各种建筑，尤其具有中庭的高层和超高层建筑。磁流变液传动装置是一种利用磁流变液传动技术卡法的动力传输装置。基于磁流变液传动的自动门厂闭合器首先解决了传统液压门窗闭合器结构复杂、加工要求高、不易控制、响应慢、工作噪声大以及无法满足自动控制的问题，实现了建筑内自动可控的要求。其次，相对于电动门窗闭合器，降低了成本，减少了体积。第三，具有响应速度快（一般为毫秒级）、传动部件摩损较小、控制简单（通过调节外加磁场可实现转矩或转速的无级调速）、控制能源消耗低（2～50W）、控制电压低（2～25V）、对外界杂质的干扰不敏感等特点，是一种较理想的动力传输器件，控制性能优于电动门窗闭合器，因此应用于自动门窗闭合控制方面非常具有优势。

基于磁流变液的自动门窗闭合器的这些特点都非常符合消防自动控制系统的要求。当火灾发生时，将停止全部非消防电源的供电，消防电源主要由备用电源提供，节能及控制的可靠性高是对所有被控设备的基本要求。自动门窗作为自然排烟的重要组成部分，其控制的快速性使门窗以最快的速度开启或关闭，为消防防火和灭火争取更多时间，能更好的控制火势的蔓延。

在磁流變液应用中，影响磁流变液性能的主要是其沉降稳定性及剪切屈服应力。可用的表面活性剂主要有不同粒径的SiO2粒子、油酸和月桂酸等。通过添加表明活性剂课改变磁性颗粒表面的性能，增加颗粒间的静电排斥作用力，从而改善磁流变液体系的稳定性。通过添加纳米固体颗粒，可增大磁流变液的分散介质密度，大大降低分散介质和磁性颗粒间的密度差，是两相材料相互融合的更加匹配，同时由于纳米颗粒的布朗运动，能在磁流变液中做无规则运动并碰撞磁流变液中的大颗粒分子，阻止大磁性颗粒的沉降，从而提高磁流变液的稳定性。可添加的纳米固体颗粒主要有纳米级的Fe3O4磁性颗粒，经实验表明平均粒径10nm的Fe3O4磁性颗粒可以有效改善磁性颗粒在载液中分散性能，大大提高制品的稳定性。在添加触变剂的作用下，磁流变液中的磁性颗粒能形成触变网状结构，可以阻止磁性颗粒的直接接触，减缓磁流变液的团聚，触变剂还能黏附在磁性颗粒的表面，降低磁性颗粒的表观黏度，从而减缓磁性颗粒的沉降。可用钼类润滑剂与触变剂复合使用制备具有良好流变性能的磁流变液。可选择高岭土和纳米SiO2为触变剂，对硅油基磁流变液的摩擦磨损性能有影响。

磁流变液技术最早由美国学者Rabinow于1948年研究出磁流变材料，并与1951年申请了磁流变液传动技术先关专利。直至20世纪80年代各国的研究人员才从电流变材料的研究流回归磁流变材料的研究，并在近年得到迅速发展。国内外的磁流变液技术的研究应用，多集中在阻尼器等振动控制领域，而对磁流变液传动技术的研究应用相对较少。磁流变液技术具有广大的应用空间，需进行更多的应用研究，以填补该项技术应用的空白。

基于磁流变液技术的自动门窗闭合器提高了门窗闭合器的功能和特性，并能与其他检测元件结合，形成智能控制，不仅能应用于公共建筑，还能应用于智能家居系统，具有巨大的市场推广方面的优势。

参考文献：

[1]申玉良，杨绍普，刘旭东发动机冷却风扇磁流变液离合器控制研究工程机械 2006，（2）：23-25.

[2]刘新华磁流变液传动技术北京：科技出版社 2015.9.

[3]胡利永基于回转式磁流变液阻尼器的张力控制研究吉林：吉林大学，2010.

[4]中华人民共和国机械行业标准，此份制动器，JB/T5989-1992.

作者简介：

1、陈巍（1971.04-）女，汉族，河北石家庄人，讲师，硕士，主要从事电气自动化教育研究

2、陈冬（1982.12-）男，汉族，河北石家庄人，讲师，硕士，主要从事机电一体化教育研究

3、杨辉静（1978.10-）女，汉族，四川人，讲师，学士，主要从事机电一体化教育研究