（无线电物理专业论文）基于磁流变液的游梁式抽油机变速节能系统的研究.pdf

摘要 石油是一种重要的能源。它不仅直接或间接地与人们的日常生活息息相关，而且影 响着国家的现代化建设和国防建设，因此石油的勘探开发成为了各个国家战略发展中的 重要环节。目前开采石油的主要方法是人工举升法，即利用各种机械装备将石油从地下 汲取到地面。其中，利用最广的就是游梁式抽油机。它具有结构简单、制造容易、可靠 性高、耐久性好、维修方便、产品成熟、通用化程度较高等特点。但是，常规机本身的 结构特点决定了它的平衡效果差、曲柄净转矩脉动大、存在负转矩。载荷率低和能耗大 等等突出的问题。 针对上述问题，本文引入一种新兴的智能流体磁流变液。在进行理论分析与实验 研究后发现：( 1 ) 当达到饱和电流前，可以调节电流的数值，转矩值增大，随之负载的 转速也增大，电机与负载转速差减小，反之亦然；( 2 ) 控制电流对转矩的影响远远大于 相对转速对转矩的影响；( 3 ) 系统的尺寸对传动有影响，转动盘的半径越大，所传递的 转矩越大，盘间距影响则非常小；( 4 ) 磁流变液的成分对传动效果也有影响。 利用上述特点，据此设计出了一种变速控制装置。它可以实现三种功能：( 1 ) 在负 载拖动电动机发电前，断开传动链，即离合器功能，可杜绝抽油机向电网发电，提高电 网品质，节约电能；( 2 ) 逐步增加启动电流，实现软启动，减小冲击电流对电动机的影 响：( 3 ) 变速，替换齿轮减速箱，实现无级变速。 关键词：磁流变液；转矩；转速；节能 r e s e a r c ho fb e a mp u m p i n gu n i t se n e r g y s a v i n g d e v i c e sb a s e do nt h em r f g u og a n g ( r a d i op h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x uj u n a b s t r a c t p e t r o l e u mi sa l li m p o r t a n te n e r g y i ti sc l o s e l yr e l a t e dt oo u rd a i l yl i f e ，b u ta l s oh a sa f f e c t o nt h em o d e r n i z a t i o nd r i v ea n dn a t i o n a ld e f e n s ec o n s t r u c t i o n s ot h eo i le x p l o r a t i o ni st h e i m p o r t a n tt h i n gi ne v e r yc o u n t r y ss t r a t e g i cp o l i c y i nm o d e r nt i m e ，a r t i f i c i a ll i f t i sm a j o r t r e a t m e n t ，i e d e r i v et h ep e t r o l e u mf r o mt h eu n d e r g r o u n db ym e c h a n i s m ，s u c ha st h eb e a m p u m p i n gu n i t sw h i c hi sm o s tw i d e l yu s e d t h eb e a mp u m p i n gu n i t sh a sl o t so fa d v a n t a g e ，f o r e x a m p l e ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，e a s yt om a k e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o n gd u r a b i l i t y , e a s yt or e p a i ra n d s o0 1 1 b u ti t sc o n s t r u c t i o nc a u s es o m ea n o t h e rp r o b l e ma tt h es a m et i m e ，f o ri n s t a n c e ，p o o r b a l a n c e ，l a r g ef l u c t u a t i o n so f t h en e tt o r q u e ，n e g a t i v et o r q u e ，l o we f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e r i na l l u s i o nt ot h e s eq u e s t i o n s ，w eu s ean e wi n t e l l i g e n tm a t e r i a lt os o l u t ei t a f t e rw e h a v ed o n et h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w ek n o wt h a t ：( 1 ) w i t ht h e i n c r e a s eo fc u r r e n t ，t h et o r q u ei sa l s oi n c r e a s i n g ，t h er e vo ft h el o a di sg e tm o r ea n dm o r ef a s t ， b u tt h er e v sm a r g i nb e t w e e ne l e c t r o m o t o ra n dl o a di so nt h ed e c r e a s e ，v i c ev e r s a ( 2 ) t h e c o n t r o l l i n gc u r r e n t ，i nc o n t r a s tw i t hr e v , h a sal a r g ee f f e c to nt h et o r q u e ( 3 ) t h es i z eo f t h i s g e a r i n gh a sav e r yc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hi t se f f i c i e n c y w h e nt h er a d i u sg e t sl a r g e ，t h et o r q u e i sa l s ob e c o m i n gi n c r e a s i n g l yb i g ( 4 ) t h em r f sc o m p o n e n tc a na f f e c ts y s t e m se f f i c i e n c y b a s e do i lt h er e s u l t sa sa b o v e ，av a r i a b l es p e e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a i lb em a d e i t r e a l i z e ss e v e r a lf u n c t i o n sa sf o l l o w s ：( 1 ) o n e w a yc l u t c h , t h et r a n s m i t t i n gl i n ki sc u to f f , w h e nt h ee l e c t r o m o t o ri sw i l l i n gt op o w e rg e n e r a t i o n ( 2 ) s o f ts t a r t ：t h ee f f e c tc a u s e db y i m p u l s ec u r r e n td e c r e a s ew h e nw ea u g m e n t c u r r e n ts l o w l y ( 3 ) v a r i a b l es p e e dt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：m r f ；t o r q u e ；r e v ；s a v i n ge n e r g y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 日二牡日期：2 叼年舻月加日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：豇剑 指导教师签名：名妻_ 5 i 一 日期：沙哆年v 月撕日 日期：撕罗年v 月力j 日 中国石油大学( 华东) 火学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论弟一早珀下匕 石油是一种重要的能源。它不仅直接或间接地与人们的日常生活息息相关，而且影 响着国家的现代化建设和国防建设。因此，各个国家都将石油的勘探开发成视为战略发 展中的重要环节。 石油的开采有两种方法：自喷法或者人工举升法。自喷法主要依靠井底地层压力将 油气举升至地面。人工举升法则是依靠各种机械设备( 如抽油机、抽油泵等) 来开采石 油，是一种普遍使用的方法。 目前甚至在今后相当长的时期内，在内陆地区，人工举升法的首选采油设备仍将是 游梁式抽油机。它具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、产品成 熟、通用化程度较高等特点，但同时也存在着平衡效果差、曲柄净转矩脉动大、存在负 转矩，载荷率低和能耗大等等突出的问题。 据资料显示：国内游梁式抽油机的平均运行效率仅为2 5 9 6 ，国外平均效率略高， 为3 0 0 5 t 1 1 。而在油田生产成本中，总电能耗费约占三分之一左右。其中，抽油机电能 消耗费占总电能耗费的三分之一左右。由此可见，降低抽油机系统的能耗是非常迫切的， 难度也是很大的，但相应的经济效益也相当丰厚，可大幅降低油田生产成本。 1 2 游梁式抽油机工作简单分析 1 2 1 游梁式抽油机工作原理 图1 1 是游梁式抽油机的结构示意图。这种结构的本质是四连杆机构。连杆机构将 输入端( 电动机) 的圆周运动最终转化为输出端( 驴头、抽油杆) 的上下直线往复运动。 这种传动过程可以详细地描述为：首先，直接接入电网的电动机带动复杂的齿轮减速机 构运转，将高速降至符合生产的合理速度；其次，减速器转轴带动安装它上面的曲柄作 圆周运动；再次，固定在曲柄上的连杆拉动一侧游梁，做上下的往复运动：最后，在支 点另一侧驴头、抽油杆也相应开始上下往复运动，周而复始，从而不断的从地下汲取石 油资源。 1 2 2 游梁式抽油机带负载启动 游梁式抽油机的电机一般是直接接入电网的。启动时电动机转子转速n = 0 ，转差率 第章绪论 图1 - 1 游梁式抽油机 f i g l - 1b e a m p u m p i n gu n i t 1 刹车装置；2 电动机；3 减速器皮带轮；4 减速器；5 动力输入轴；6 中间轴； 7 输出轴；8 曲柄；9 曲柄销；1 0 支架；1 l 一曲柄平衡块；1 2 连杆；1 3 横梁轴； 1 4 横梁；1 5 游梁平衡块；1 6 游梁；1 7 支架轴；1 8 驴头；1 9 悬绳器；2 0 底座； s = i ，磁场以同步转速切割转子导体，在短路的转子绕组中感应出很大的电势和电流， 从而使得与转子电流相平衡的定子电流的负载分量也很大，因而定子电流很大，一般约 为额定电流4 7 倍左右。 过大的起动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的： 第一、对于电动机来说：一方面，在大电流的冲击下，电动机绕组受电动力的作用， 有发生位移和变形的趋势。如果操作工艺和绝缘处理上不够完善，或是在使用日久的情 况下，电动机绕组就容易发生短路，甚至烧毁；另一方面，起动转矩会拖长起动时间或 者生产机械根本就不能起动。原因是启动时，转差率s = 1 ，转子漏阻抗恐远大于转子 电阻您+ 。转子电路的功率因数角、电磁转矩分别为： 仍：a r c t a n 肇专9 0 。( 1 1 ) r 2 t = c 7 = ，矽。，2c o s 妒2( 1 2 ) 式中s 为转差率，c t j 为电动机的转距常数，西。为电动机的每极磁通量，五为转子电流 的折算值。式( 卜1 ) 表明c o s ( a 2 很小，则有功分量五c o s 妒2 并不大；而此时主磁通变为额 定磁通的一半左右。再结合式( 卜2 ) ，可知即使在很大的转子电流下，启动转矩也很小。 因此，在抽油机带重负载启动时，若电动机容量较小，则负载无法启动，电动机可能因 2 中国石油人学( 华东) 人学硕士学位论文 电流过大烧毁。为使负载正常启动，必须增大装机容量。但是，在负载正常作业对，抽 油机所需的功率不到大容量电机额定功率的三分之一左右，电能利用率大大降低。 第二、对电网而言，电动机的起动电流流过具有一定内阻抗的发电机、变压器和供 电线路，会造成很大的压降。电网电压的降低会影响接在同一电网下其他负载( 主要是 其他异步电动机) 的正常运行，严重的甚至造成停车，妨害生产的正常进行。 1 2 3 游梁式抽油机电动机发电 在常规机作业过程中，上冲程驴头悬点要提起抽油杆柱、液柱等载荷，电动机付出 很大的能量；下冲程驴头悬点受抽油杆柱重量作用而随光杆下落，电动机不但不用付出 能量，反而受到抽油机拖动，开始回馈做功。电动机工作在发电状态。 胜利油田临盘采油厂的现场测试结果表明【2 】：该区有的油井，1 3 秒的周期内，6 秒 的时间处于“倒发电 状态。5 0 千瓦的电机向电网输出功率1 1 千瓦。取电机电能一机 械能一电能转换效率公式： 1 o = r l r 2( 1 - 3 ) 式中枷为电动机发电效率，蹿；为电动机电能转化为机械能效率，拖为电动机机械能转化 电能效率。每个周期电动机多需电能： f ， e = l ( 1 - 4 ) 7 7 0 式中毋为电机所发电能。其被电网再次利用，则实际多用电能； f 衄= 竺，7 e3 ( 1 - 5 )衄= 上， ( 1 - 5 ) j 1 1 q 式中叼，电动机所发电能被电网利用的效率。若电动机的平均输入能量为e ，则避免倒发 电的节电率为： e ， 。一吾一q 聊， 栌丁2 r 一 ( 1 - 6 ) 根据油团普遍测试结果，抽油机“电动机发电 的能量占输入电能的2 0 ，取电机电能 转化为机械能的效率、机械能转换为电能效率以及再发电被利用的效率均为o 7 ，代入 到公式( 1 6 ，计算可得节电率为2 6 8 。可见幽于“电动机发电使电器与电网之间发 生了能量交换，无用功增大，降低了电机的功率因数，恶化了电网的品质。 第章绪论 1 3 现有抽油机节能方法 鉴于常规抽油机存在上述问题，国内外专家从上世纪中后期，已经开始了相关的研 究。目前成果颇丰，总体来看可分为两个方面：研究设计新型抽油机；研究开发节能驱 动设备。 1 3 1 新型抽油机 新型抽油机节能原理可以总结为通过改造抽油机结构，增加上冲程运行时间，减小 下冲程悬点最大速度、加速度，从而使作用在曲柄轴上的峰值转矩有所下降，负转矩减 小或消除，示功曲线缓慢平滑，以达到节能的目的。 ( 1 ) 前置型游梁抽油机，它的曲柄连杆机构和驴头均位于支架前边，连杆机构存 在一定的极位夹角和平衡相位角。上冲程曲柄旋转角度大于下冲程，从而降低了上冲程 驴头加速度，动载减小，节能效果明显【3 】o 图1 - 2 前置游梁抽油机 f i g l 2p r e b e a m p u m p i n gu n i t 1 驴头；2 游梁；3 横梁；4 连杆；5 减速器；6 - 悬绳器；7 曲柄销； 8 支架：9 支架：1 0 底座；1 1 电动机；1 2 一刹车装置； ( 2 ) 异相曲柄游梁式抽油机，外形上保留常规游梁式抽油机模式，但是减速器后 移，增大减速器输出轴中心和游梁支点间水平距离，形成较大极位夹角；曲柄平衡块重 心与曲柄轴中心的连线和曲柄销中心与曲柄轴中心的连线有夹角( 称为平衡相位角) 。 因而上冲程加速度及动负载较小，工作转矩均匀，所需电机功率降低1 5 至3 5 【4 】。 ( 3 ) 偏轮式游梁式抽油机，该机的主动机构是全转动副的基本i i i 组机构，设计变 4 中国石油大学( 华东) 人学硕士学位论文 图1 - 3 异相游梁抽油机 f i g l - 3 o u t p h a s eb e a m p u m p i n gu n i t 1 刹车装置；2 电动机；3 减速器皮带轮：4 减速器：5 输出轴；6 平衡块； 7 支架；8 曲柄：9 连杆；1 0 游梁；1 1 驴头；1 2 悬绳器；1 3 底座； 量增加，改善减速箱的最大转矩、负转矩、连杆受力以及悬点的最大加速度等，运动性 能能耗有所下降。但是该机结构复杂，受力点多，受力方向难以保证在同一个平面方向 上，因此制造、安装精度要求高。另外由于增加了偏轮，使主轴承座结构复杂，检修难 度增加，可靠性下降，整机成本上升【5 1 。 图1 - 4 摆杆游梁抽油机 f i g l - 4s w i n g i n gb a r - b e a m - p u m p i n gu n i t 1 刹车；2 电机装置；3 曲柄装置：4 减速器；5 连杆总成；6 横梁总成；7 支架； 8 游梁支承；9 游梁；l o 驴头；1 1 悬绳器；1 2 支架轴：1 3 - 底座；1 4 摆杆； ( 4 ) 摆杆式游梁抽油机，其换向机构由导杆机构和双摇杆机构组成，具有较大的 极位夹角，上冲程工作时间大于下冲程，降低了上冲程悬点的加速度，减速箱的峰值转 矩也有所下降，从而运动性能优于常规机。缺点是该机导杆与曲柄销之间为移动副连接， 第一章绪论 常常需要润滑，在油田生产中难以满足，故可靠性下降；曲柄安装在摆杆内，调整平衡 的方式与常规游梁抽油机不同；减速箱的维护困难。 ( 5 ) 曲游梁式抽油机是华北石油第一机械厂开发成功的一种新型抽油机，按照a p i 的标准规范进行设计。主要特点是将常规游梁式抽油机的游梁尾部设计成为弯曲形，并 将其尾轴承座设计在游梁的上部，另外在弯曲游梁的尾部和曲柄上分别设计有重量可调 的平衡块，形成“复合平衡。这样可以使上冲程中平衡力拒峰值前移，在下冲程平衡 力拒峰值后移，从而使合成转矩曲线趋于平滑，从而大到了节能效果。但是，游梁平衡 在实际应用中，高度条件的限制极大地影响了平衡参数的调整。当游梁平衡配置过大时， 连杆组件的联结销部位容易发生窜动，若制造误差较大，这种现象就更加明显，连接部 件极易过早损坏【6 j 。 ( 6 ) 吊重滑轮组平衡式抽油机，在延长油矿管理局子长油矿7 4 0 7 井现场考核，与 相应规格对比，减速器转矩和峰值转矩大幅降低，满载无功损耗降幅大；节电率很高【7 j 。 图1 - 5 双驴头游梁抽油机 f i g l 5 d o u b l ed o n k e yh e a d e db e a m - p u m p i n gu n i t 1 驴头；2 游梁；3 悬绳器；4 机架；5 底座输出；6 电磁液压制动器；9 减速器；l o 曲柄； 11 平衡重引导装置；1 2 电控制柜；1 3 平衡重；1 4 连杆：1 5 横梁；1 6 游梁轴承座； ( 7 ) 双驴头游梁式抽油机，将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链连接改为 后驴头与钢丝绳的柔性连接，组成变参数四连杆结构，克服了刚性铰链连杆机构在游梁 摆角较大时，传动较小、运动性能不佳等缺点。此外，由于游梁后臂长度可变，可根据 悬点示功图做适当调节，提高有功功率，降低无功功率。 6 中国石油大学( 华东) 大学硕上学位论文 ( 8 ) 罗马尼亚i e 公司研究开发的低矮型抽油机，将游梁和驴头组合成一体，成为 可转动的驴头，平衡系统采用大偏置角异相曲柄平衡结构，在每个曲柄上有两个平衡块， 可获得较好的平衡效果【8 1 ，综合平均节能效果不错。 ( 9 ) 游梁重块平衡前置抽油机，其换向机构同常规机相同，符合油田工人的使用 习惯且可靠性高，因此曾受到油田和抽油机设计人员的青睐。它采用游梁重块平衡方式， 克服了前置式曲柄重块平衡抽油机连杆受压力较大、平衡块过大的缺点。减速箱峰值转 矩有所下降，能耗有所下降。但是平衡块的调整困难，微调系统复杂，难以满足现场需 要，因而占市场份额很小。 ( 1 0 ) 2 0 0 1 年1 1 月牡丹江和宇抽油机厂合作完成了摆锤式复合平衡抽油机的开发。 并在吉林油田进行了对比测试。以庆5 1 4 抽油机井为例，电动机功率由3 0 k w 改为 1 8 1 5 k w ，改造前峰值电流为3 9 1 7 a ，改造后峰值电流为2 8 1 9 a ，电耗下降2 1 ，节能 效果显著 9 1 。 此外还有前置式气平衡抽油机、大圈抽油机、旋转驴头式常冲程抽油机等等。其节 电效果为：前置式气平衡抽油机节电约3 5 ；轮式抽油机节电约5 0 8 0 ；大圈式抽 油机节电为3 0 ；自动平衡抽油机节电为3 0 5 0 ；低矮型抽油机节电约5 2 0 ； r o t a f l e x 抽油机节电2 5 ：智能抽油机节电1 7 4 t 1 0 1 。 1 3 2 节电驱动设备 节电驱动设备技术可以分为两大类：根据油田抽油的负载特性开发不同类型的节能 抽油机用电机，如高转差率电机、高起动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等；在现 有系统中使用抽油机节能器，如利用电容器投切进行功率补偿、增加调压节能装置、采 用y 双向切换等。 ( 1 ) 高转差率电机的工作原理：电动机的机械特性的参数表达式如下： m l p u l 2 r 。2 t = 一 ( 1 7 ) 2 顽【( 1 + 鲁) 2 + ( x l + x ：) 2 】 o 式中矾为电源电压，石为电源频率，l 为定予电阻，x l 为定子的漏电阻，乃为转子电 阻的折合值，恐为转子的漏电阻折合值，m l 为电动机电源相数，p 为电动机电极对数，s 为转差率。 对于一台已经制造好的电机，参数r l 、r - z 、x i 、施、p 、f i l l 等均不变。当电源电压 7 第一章绪论 弘和频率五一定时，通过改变转差率s 的大小，就能改变电磁转距丁的大小。但是这 种电动机会使抽油机的稳定性降低，因此主要应用在振动负荷大的油井，且要求电机的 转差率要适度，不可过高。此外，由于目前，各大油田中采用的电机转差率最大值不超 过6 8 ，并且大冲程、低冲次采油工艺能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，其 应用范围被大大缩小。 ( 2 ) 高起动转矩双定子结构电机采用双定子结构，两转子同轴安装，两个绕组的 功率不同，但转差率相同。该电机启动时为双定子工作，正常运行时依据负载情况，电 机额定功率自动切换，使电机始终处在较高负载率状态下运行，从而提高电机效率和功 率因数，达到节电的目的 1 l j 。 ( 3 ) 速度与转距是反比关系，故可改变速度来提高电磁转距。而电动机的转子转 速n = 6 0 j i ( 1 一s ) 仞，改变p 或 都可调整速度大小，前者称为变极调速电机，后者则称 变频调速电机。 变极调速具有操作简单方便、运行可靠、机械特性硬、效率较高、经济性好等优点。 它允许的输出有两种：恒功率调速；恒转矩调速。主要缺点是调速级数很有限，一般只 有2 4 级；制造难度大和成本高；故其应用范围也很窄。 ( 4 ) 采用改变电源频率的方法对异步电动机进行调速具有许多优点：实现平滑的 无级调速，其调速范围可达1 ：1 0 1 ：5 0 ；变频时按不同规律变化，可适应不同负载的要 求，而且比较经济。变频调速也存在缺点，主要是由功率半导体器件等组成的静止变频 装置和控制器比较复杂，投资费用高，而且异步电机的非线性因素对其控制性能也有影 响。此外，变频调速在低速时，电磁转距变小，电机拖动负载能力会减弱。 ( 5 ) 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的 磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构简化，省去了容易出问题的集电环和电刷， 提高了电动机运行的可靠性；因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电机的效率。 ( 6 ) 无功补偿的基本原理是把大容量电容器并联在线路中，感性负荷所需的无功 功率可由容性负荷提供，功率因数得到提高。电容补偿起动的优点在于起动时，电动机 电压不降低，起动转矩不减少，起动电流却可减小。 ( 7 ) 自动调节电压技术是通过检测电动机的功率因数和运行电流，调整晶闸管的 导通角，改变电动机上的电压，从而调整电动机容量和运行效率，达到节能的目的。但 缺点是调压时，波形发生畸变，电网谐波污染严重；如果晶闸管处于深度导通时会发热， 严重时可能烧毁电机，可靠性降低。此外这种系统结构复杂，成本较高，发展速度缓慢。 中国石油大学( 华东) 大学硕上学位论文 ( 8 ) y a 双向切换其本质也是通过调压来节能，有2 2 0 v 和3 8 0 v 两种形式。当电 机带负载运行时，采用接法( 三角形接法) ，输入电压为3 8 0 v ，电机以额定状态运行， 提供转距较大；当电机正常运行或负载小时，采用y 型接法( 星形接法) ，输入电压为 2 2 0 v ，此时降压起动与直接起动的起动电流之比为l 3 ，异步电动机的总损耗将大为减 少，效率就会得到提高f 轮】。该技术虽然具有设备简单、价格低廉、运行可靠、检修方便 等优点，但是起动降压比是不可调的，限制了使用范围。此外y 双向切换电机定子绕 组必须有6 个出线端，对于高压电机是有一定困难的，所以一般只限子用在5 0 0 v 以下 的低压电机上。 表1 - 1 节电技术对比 t a b l e l 一1 e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y sc o m p a r i s o n 节电措施优点 不足节电率效率提高 无功补偿提高电机功率因数 电机仍存在发电 1 0 左右o 高转差率电机提高低负载下的效率汞l 功率冈数 电机仍存在发电 8 1 0 3 左右 水磁电机 提高低负载下的效率承f 功率闪数发电更强 i 潞1 5 5 左右 调压节能提高低负载下的效率和功率因数发电更强5 1 0 3 左右 双功率电机提高低负载下的效率和功率冈数发电更强1 0 左右3 左右 超离合器避免电机被拖动发电不提高用电期效率1 5 2 0 1 1 左右 整体参数优化提高低负载下的效率和功率冈数 电机仍存在发电 1 5 2 5 1 4 左右 电极合理配备提高效率和功率冈数 发电更强 l o 1 5 4 左右 9 第= 章节能系统设计m 第二章节能系统设计基础 本章主要介绍节能变速传动节能系统所采用的新型智能流体一磁流变液一的基本 概况，以及系统工作的基本原理。 2 1 磁流变液概述 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 简称m r f ，也称磁流变体) 是将铁磁性颗粒分 散在水或油等基液中所形成的悬浮液。其最显著的特性称为磁流变效应，即在无外加磁 场作用时，它表现为流动性良好的牛顿流体：在中等或中等以上强外加磁场作用时，其 表观粘度可在数毫秒内增加几个数量级，从而呈现类似固体的力学性质 1 3 i 。这种粘度的 变化连续、可逆，且整个转化过程极快，易于控制，能耗极小，可应用于实时主动控制。 ( 曲无外加磁场时( b ) 有外加磁场时 ( a ) e x t e m a lm a g n e t i cf i e l dd on o tw o r k i n g ( b ) e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw o r k i n g 图1 磁流变渣的流变特性 f 啦1r h e o l o g i c a p r o p e r t y o f 磁流变液的主要成分包括：( 1 ) 铁磁性固体颗粒；( 2 ) 作载液；( 3 ) 添加剂，包括 表面活性剂、防止颗粒团聚的分散剂、防止沉降的稳定剂以及润滑剂等“】。 目前，磁流变液用途有：应用于阻尼元件；应用于控制元件；用于光学加工；用于 机械密封；此外，还可以用于微型机械装置，平版印刷技术：在医疗技术方面磁流变液 也有一定的应用前景；在复合构件、气动执行装置运动控制系统等方面也有着广泛应用。 随着研究的深入，磁流变液将会被用于更多的领域，展现出广阔的应用前景【“训。 圈圉h川“ 囊。一 蕾 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 2 1 1 磁流变液的性能 磁流变液的性能是磁流变技术的基础，没有性能良好的磁流变体，就难以为工程应 用设计高效能的器磁流变器件。因此，开发和研制性能优良的磁流变体是促进磁流变技 术发展的关键。 一般来说，良好的磁流变体具备如下性能f 1 6 1 ： ( 1 ) 具有明显的磁流变效应。没有外加磁场时，其表观粘度要低；在外加磁场作用下， 则产生尽可能量高的动态屈服应力，以保证磁流变体的抗剪切能力比较强。 ( 2 ) 磁化和退磁效应好，具有较高的磁饱和强度，磁导率大，从给悬浮体内的固体颗 粒提供尽可能高的磁能；同时其磁滞回线要窄，矫顽力小，尽可能减少能量损耗。 ( 3 ) 磁流变效应的响应时间要短，从而提高磁流变器件的反应速度；工作温度范围要 宽，从而满足更广的使用需求。 ( 4 ) n 体铁磁性颗粒在载液中应分布均匀、稳定，以保证磁流变体具有高度的磁化性 能和很好的抗沉降和抗团聚性能，不板结。 ( 5 ) 物理性能和化学性能稳定，对各种外界条件( 如温度、湿度、长期储存等) 抵抗力 强，使其在长期使用和储存过程中性能保持稳定，不发生退化、变质。 2 1 1 1 力学特性 磁流变体最突出的流变性能就是磁流变效应，磁流变效应能直接影响液体的力学性 质，在j b ；o n 磁场的作用下，液体的流变性能( 粘性、弹性和塑性) 发生明显的变化。当 磁流变体的流动方向与磁场方向垂直时，液体的性能发生最大的变。磁流变体剪应力与 剪应变的关系，其力学响应有两个阶段：预屈服和后屈服。开始时，处于预屈服阶段， 剪应力随剪应变量的增加而增加，表现为一定的粘弹性；达到最高值即屈服应力，然后 进入屈服阶段，随着剪应变的进一步增加，剪应力随剪应变量的增加而缓慢增加，类似 b i n g h a m 流体，此为后屈服阶段【2 2 1 。可见，磁流变体在外磁场作用下的力学响应比较独 特，无外加磁场时，其力学特性也有类似的表现【2 3 1 。磁流变体的剪切屈服应力作为评价 磁流变体性能的重要指标，在磁流变体器件的设计中意义重大，其值越大越有利于提高 器件的力学性能。 2 1 1 2 磁学特性 磁流变体的磁流变效应完全是由于磁场的作用引起的，因此，了解其磁学性能对于 设计磁流变体器件非常重要。在磁流变体器件装置中，磁流变体表现出巨大的磁阻，这 说明很有必要研究流体内部的磁学特性。 第二章节能系统设计基础 第一阶段，当磁场强度从零开始增大时，磁感应强度也逐渐增大。第二阶段，增加 到某值时，磁感应强度随着磁场强度的增加而急剧上升。第三阶段，磁感应强度随着磁 场强度的增加又变得比较缓慢。第四阶段，磁感应强度随着磁场强度的增加而几乎不再 增加，此时的磁感应强度称为饱和磁感应强度。对于颗粒体积分数不同的磁流变体而言， 其磁化特性也略有不同，其表现为饱和磁感应强度随颗粒体积分数的增加而增加，但磁 流变体达到饱和值时对应的磁场强度相同。同时，磁流变体的磁化率随体积分数的增加 而线性增加，而且有随颗粒直径增加而增大的趋势。 2 1 2 磁流变液分类 根据组成和性能的不同，可将磁流变体分为如下4 种类型【2 4 1 。 第一类，微米磁性颗粒非磁性载液型磁流变体。 这是一种典型的磁流变体，采用微米尺寸的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的载 液混合而成。它具有较强的磁流变效应，屈服应力可达5 0 - - 1 0 0 k p a 。使用最多的磁性颗 粒是羰基铁粉。磁流变体的颗粒体积分数一般为2 0 4 0 ，有的高达5 0 。颗粒直径 一般在0 1 1 0 0 u m 范围内，典型值为3 - 5 1 1 m 。对载液的要求是温度稳定性好，非易燃， 且不会造成污染。可作为载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。为确保 颗粒的悬浮稳定性，并增加整个磁流变体的流变学性质，一般需要使用添加剂，如加入 各种表面活性剂( 如油酸) 或保护性胶体物质( 如硅胶、硅氧化物等) ，防止磁性颗粒 沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。绝大部分的研究和应用都使用这种类型的磁流变体。 第二类，纳米磁性颗粒非磁性载液型磁流变体。 k o r m a n n 等人研制的纳米级磁流变体是用3 0 n m 的铁氧体粉分散溶于非磁性载液中 制成的非胶体悬浮液。它具有与铁磁流体几乎完全相同的组成，但为了提高磁流变效应， k o r m a n n 等人对颗粒直径、颗粒表面层等都作了适当改进。它具有非常好的沉淀稳定性， 在中等磁场( 0 2 t ) 作用下，屈服应力可达4 k p a 。 第三类，非磁性颗粒磁性载液型磁流变体。 这种磁流变体是用微米级的非磁性颗粒如( 4 0 5 0 岬) 的聚苯乙烯或硅石颗粒) 分散 溶于磁性载液( 如铁磁流体) 中制成的悬浮液。虽然铁磁流体作为载液仅具有微小的磁流 变效应，但是微小的磁性颗粒形成的链状聚集可与较大的非磁性颗粒结合为类凝胶网状 体系，从而使磁流变效应加强。这种悬浮液的磁流变效应较弱。 第四类，磁性颗粒磁性载液型磁流变体。 1 2 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 这种磁流变体是用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性载液中制成的悬浮液。磁性载液 加强了磁性颗粒间作用力，从而增强了磁流变效应。g i n d e r 用l - 1 0 1 m a 的磁性颗粒分散 于铁磁流体中制成磁流变体，当体积分数为5 0 时屈服应力超过2 0 0 k p a 。 2 1 3 典型磁流变液的制备 磁性颗粒非磁性载液型磁流变体是最典型最常用的一类磁流变体，它以金属铁粉 颗粒为主要材料。铁粉颗粒的大小分为两种，其中一种为微米级粒子，粒径1 一- 2 0 1 x m ， 其形状为针型：另一种为纳米级粒子，粒径1 0 - - 一1 0 0 n m ，粒子颗粒的大小成正态分布。 另外，还有一些大尺寸的铁粉颗粒需要用不同比例的纳米钴粒子修饰，其中纳米钴粒子 的大小为1 0 n m 左右，用不同的方法将其包敷在铁粒子表面，或用铁的胶体浸渍，高温 处理后使其表面包敷上f e 2 0 3 薄膜。小尺寸颗粒的铁粉样品用硅胶进行修饰，方法同上 述类似，将铁粉浸渍在硅胶溶液中，使其表面包敷上一层硅胶，处理后形成s i 0 2 膜。 按如上方法处理完以后，将金属铁颗粒浸于硅油中，再加入一些稳定剂，便可制成 磁流变体。具体制备时，金属铁颗粒的体积含量以及对金属铁颗粒的修饰程度需要根据 具体要求由试验来确定。 2 1 4 国内外研究现状 2 1 。4 。1 国外研究概况 磁流变液发现于二十世纪四十年代。1 9 4 8 年，美国学者r a b i n o w 在设计离合器的 时候发现，向液体中加入某些可磁化的分散性微粒，在磁场作用下液体的粘度、弹性特 性会发生变化1 2 5 2 6 1 ，此后的几年里出现了较多的磁流变体的专利和论文。但在随后的几 十年里，由于电流变学得到了广泛的重视，并取得了很大的进展，人们相继研制出了不 同母液和不同悬浮颗粒的电流变体，并且成功地研制出了不需水做添加剂的电流变体。 在五六十年代一些电流变装置相继研制成功。迸入夕弋十年代智能材料结构与体系概念 提出，更使电流变学得到飞速发展，涌现出许多专利和装置。而磁流变体研究基本处于 停滞阶段，只有很少的论文和成果出现。 八十年代末期，由于电流变液的剪切屈服强度提高幅度不大以及电源电压过高等问 题一直无法解决，人们才重新注意到与电流变液性能相近的磁流变体。磁流变体的屈服 应力，适用温度范围，稳定性等都大于电流变、液【2 7 1 。近几年来，国际上召开了三届电流 变液与磁流变体研讨会，更促进了磁流变体的研究与开发。 理论方面，较早取得成果的是白俄罗斯传热传质研究所k o r d o n s k i 等人，他们将电 第二章节能系统设计綦础 磁学、流体动力学理论、分析化学结合于光学加工中，发明了磁流变抛光技术。这种方法 利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光的。在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光 液变硬，成为具有粘塑性的介质。当这种介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时，对 工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除1 2 8 。 f o r d 汽车公司的g i n d e r 和d a v i s 以及美籍华人陶荣甲等人分别用有限元法和数学分 析法分析对磁流变体屈服应力与磁场强度关系；p h u l 等人对磁流变体的原理进行研究， 使用纳米二氧化硅和p v p ，很好地解决了沉降和二次悬浮问题。l o r d 公司的t a n g 、j o l l y 等人利用“成链 理论，对磁流变体的理论屈服强度进行了分析研究1 2 9 】。 法国n i c e 大学的b o s s i s 和c u t i l l a s 等人在磁流变体的机理研究，特别是在微观结构 分析方面作了很多工作。新加坡南洋理工大学的w h l i 研究了磁流变体的粘弹性能与 应变及回复力频率的变化关系，建立了磁流变器件在正弦负荷下的稳态模型。 在应用领域，美国t r w 公司的s h t a r k m a n 在1 9 9 1 年就研制了磁流变体旋转式减震 器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。美国l o r d 公司的c a r l s o n 和w e i s s 等人自1 9 9 3 年以来在磁流变体及其应用研究方面取得了突出成就，已有多种商品化产品面市。在 1 9 9 5 年的第五届国际电流变液、磁流变体及相关技术研讨会上，l o r d 公司展示了三种 磁流变体产品：一种是卡车座位减振器，它使卡车座位的振幅减小2 0 5 0 ，极大地 减小了卡车司机在崎岖道路上驾车的危险性；一种是磁流变刹车，后被制成可以程控的 航空练习设备；另外一种是小型主动型减振器，可以和一个弹簧减振器并行使用，成为 一个阻尼可控减振器【3 0 】。 英国a i r - l o g 公司提出将磁流变体用于直升机和飞行器的隔离系统，以减少由于螺 旋桨不平衡气流的冲击等引起的振动所引起雷达和仪表的灵敏性降低【3 1 1 。 韩国k i mk i d u c k ，l e eh a e h y o u n g 和j e o nd o y o u n g 在实验室利用自行设计台架上作 了对车用磁流变减振器的模型试验，但并未在汽车上做验证【3 2 1 。 2 1 4 2 国内研究概况 我国磁流变体及其技术研究起步较晚，始于二十世纪九十年代，相关的研究文献在 1 9 9 4 年以后才出现。目前，国内研究磁流变体的单位有电子科技大学、哈尔滨建筑大学、 西北工业大学、重庆大学、上海交通大学、中国科学院等等，已经在流变机理、材料制 备以及工程应用方面都取得了一定的成就【2 2 1 。 上海大学的张华良对环形极板中的磁流变体的力学性质进行了研究，建立了磁流变 体的阻尼力和控制电场关系的理论模型【1 1 7 1 。 1 4 中国石油大学( 华东) 火学硕士学位论文 中科院合肥智能机械研究所的张正勇等对以金属铁颗粒为主体的磁流变体进行了 一般特性的研究，发现磁流变体出现磁饱和现象不仅与材料有关，还与配比比例有关； 剪切应力不仅与材料的颗粒大小有关，还与材料的制备工艺有关【3 4 】。 成都电子科技大学杨仕清院士等利用自制的磁流变体，在宾汉模型基础上研究了流 变性质，发现流变效应是由于颗粒的成链团簇有序化所致。 贵州大学的胡林、付伟的研究发现磁流变体稳定性取决于固相颗粒之间的静电排斥 作用或固液界面分在构型所在空间的磁阻效应；对于大的分散体系，可以通过改善粒 子表面结构，依靠体系的结构力学性质改善沉降稳定性。 在应用方面：哈尔滨建筑大学的欧进萍院士、关新春发表了关于磁流变耗能器及其 性能的论文，开启了我国对磁流变阻尼器研究的大门。 中国科技大学金昀、周刚毅等人设计了两套磁流变体屈服应力测试系统。经实验证 明，该测试系统具有较高的准确性和可靠性。另外实验还发现了管道流测试方法的固有 局限性【3 5 j 。 中国科学技术大学的江万全、朱春玲等在磁流变体加入了纳米非磁性颗粒f e 2 0 3 ， s i 0 2 等后得出结论：添加这些纳米非磁性粒子可以使磁流变体的剪切力提高了2 0 ，同 时也可以有效的改善磁流变体的稳定性。 重庆大学智能结构研究中心廖昌荣对微型汽车悬架系统磁流变减振器进行了力学 分析和测试，认为磁流变减振器结构中必须进行补偿的措施，防止压缩时产生空行( 无 阻尼) 瞬时冲击。 总体看来，国内对于磁流变技术的研究已经初步发展起来，但是在磁流变体的产品 开发与性能研究方面仍与国外有一定差距，仍处于定性分析和实验探索阶段，真正能够 应用的产品尚属空白。 2 1 5 宏观描述模型 描述磁流变液行为的宏观模型有很多种。它们都是在b i n g h a m 模型基础上发展而来 的，主要用于描述给定磁流变液在不同的磁场强