節能耐磨型電梯導靴靴襯應用研究

羅 丹 楊 勇 曹智超 肖化明

(1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院 長沙 410117)

(2.湖南省塑料研究所(湖南兆恒材料科技有限公司 長沙 410120)

目前，世界各國都非常關注能源問題，能源消耗日趨嚴重以及能源需求日趨緊張等問題已成為世界各國急需解決的問題。作為建筑中的交通工具——電梯，能耗指標是其一個重要的性能指標。在城市建筑中，電梯的用電量是比較突出的。統計數據表明，電梯電能損耗約占一座商用大樓的12%左右。目前我國電梯數量已居世界第一, 且還在以非常快的速度增長。巨大的電梯能耗使得業內已將電梯節能作為一項重要指標來研究。

基于節能的重要性和迫切性，我國出臺了一系列節能減排政策，這些政策都將節能擺在一個很高的位置上，特別是《中華人民共和國節約能源法》明確提出了“對高耗能的特種設備，按照國務院的規定實行節能審查和監管”的要求。

而在大量的電梯中，絕大多數是運行速度在0.5m/s-2.5m/s的中低速電梯。電梯的上下運行中，通常在電梯的轎廂和對重架靠導軌的一面裝設導靴，通過導靴與導軌的摩擦保證運行的平穩。導軌與導靴之間的摩擦作用將對電梯噪音，舒適感，平穩度以及平層誤差造成直接影響。在中低速電梯中，滑動導靴應用最多。滑動導靴的結構見圖1，其主要由靴襯和靴座構成，靴座一般由鑄鐵等材料制造，而靴襯常用尼龍材料制造[1]。

圖1 槽形靴襯和三片式靴襯

電梯運行時，若轎頂繩頭組合器的安裝處于理想狀態，則電梯系統中的重量由繩頭組合器承受，此時導靴無外加載荷。然而實際上,載荷一般都會偏離轎廂中心線，此時導靴就會受力，使轎廂導靴在工作中承受著偏重力的作用，從而增加了導軌導靴之間的摩擦。目前，市場上的很多電梯使用的靴襯均存在著容易磨損的問題，從而造成電梯運行中的抖動和不平穩現象，影響電梯乘坐的舒適性。很多電梯一年甚至需要多次更換導靴，既不經濟又耗時費力。且目前導靴靴襯所采用的材料摩擦系數也較大，造成電梯運行過程中摩擦力偏大，導致電梯運行能耗增加。對于電梯減摩，可以通過選擇合適的潤滑油和減小導軌和導靴表面粗糙度等方法實現。然而，隨著機加工精度和成本的限制，這種方法存在一定的局限性[3]。因此對這類電梯的導軌與導靴間的摩擦行為進行研究，并實現減摩以降低能耗，提升靴襯的耐磨性，延長使用壽命，降低成本，具有較大的實際意義和應用價值。

1 靴襯材料使用現狀及市場調研

針對上述問題，筆者在查閱國內外有關文獻基礎上，將超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚四氟乙烯(PTFE)為基體的復合材料引入到電梯導靴系統中，通過研究改性后的復合材料制作的導靴靴襯與電梯導軌常用牌號Q235、Q255等鋼材之間的摩擦機理，在不改變現有滑動導靴基本結構的基礎上，實現導靴與導軌之間潤滑條件的改善和摩擦損耗的減小，以達到增強導靴靴襯耐磨耐熱性、減摩節能、降低成本的目的。在提高電梯能效的基礎上，以期產生較大的經濟效益。

1.1 靴襯基本材料簡介及其性能特點[2]

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)一般是指分子量在150萬以上的線性結構聚乙烯(PE)，是一種新型的熱塑性工程塑料。聚四氟乙烯(PTFE)，俗稱“塑料王”，是由四氟乙烯經聚合而成的高分子化合物。聚酰胺纖維俗稱尼龍(Nylon)，是分子主鏈上含有重復酰胺基團—[NHCO]—的熱塑性樹脂總稱。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)性能特點：UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，比碳鋼、黃銅都高出數倍，比普通聚乙烯高出數十倍；摩擦系數接近聚四氟乙烯(PTFE)，比其他塑料小；吸水率比其他工程塑料小；抗粘附能力好；耐沖擊性能非常好；拉伸強度高；耐腐蝕性能好；耐低溫性能好；密度小，成本低廉。

聚四氟乙烯(PTFE)性能特點：高度的化學穩定性；耐低溫性和耐高溫性好；抗粘附性能極好；摩擦系數非常低，潤滑性能居塑料之冠；絕緣性能良好；優異的耐老化性和熱穩定性；極小的吸水率。

做為應用于電梯的靴襯，其首要考慮的應是耐磨性能和良好的自潤滑性能，在此基礎上應具備較好的綜合力學性能。表1，表2是幾種材料的耐磨性能和自潤滑性能參數比較[5]。

表1 幾種材料的耐磨損率值

表2 幾種材料的摩擦系數比較

1.2 靴襯使用狀況市場調研

通過對市場上多個品牌電梯的現場調研，發現目前市場上很多電梯使用的靴襯材料仍然是尼龍，有部分日系品牌電梯使用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的靴襯，但基本都是純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。有些廠家聲稱生產的靴襯是由最先進的聚合物基復合材料制成，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復合材料。但經檢測發現并非復合材料，有些僅是純普通尼龍等塑料制品。當前國內真正開發研究并應用的節能耐磨型聚合物基復合材料導靴靴襯少之又少，正由于目前很多電梯的導靴靴襯存在著易磨損、摩擦力大的問題，使得研發節能耐磨型靴襯這項工作非常有意義。

2 靴襯基本復合材料試驗研究

2.1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復合材料研制

目前市場上應用的滑動導靴靴襯形狀有槽形整體式和三片組合式等多種。本文中筆者選擇三片組合式結構靴襯、采用模壓成型方式對純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以及不同填料改性后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復合材料的摩擦磨損性能做了一系列的研究：

● 2.1.1 干摩擦條件下不同分子量純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)靴襯的研究比較

在查閱大量文獻后，經試驗發現純超高分子量聚乙烯的磨損量有一定規律，即隨著分子量的增大，并不是分子量越大超高分子量聚乙烯越耐磨，而是隨著分子量的增大，表現出磨損量先變小后變大。其中400萬左右分子量純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的摩擦系數較小，耐磨性相對更好。

● 2.1.2 填料改性后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料靴襯摩擦磨損性能

選定分子量為400萬的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)分別添加4%的二硫化鉬、3%和6%的石墨填充改性并在干摩擦條件下將3種復合材料分別與Q235鋼試樣進行摩擦試驗(見表3)，研究表明與純超高分子量聚乙烯相比較，添加二硫化鉬的復合材料摩擦系數有所降低，耐磨性提高；添加石墨的復合材料摩擦系數稍稍增加變化不大，耐磨性能提高，且添加6%石墨的復合材料耐磨性能比添加3%石墨的復合材料更好；圖2是純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)與添加6%石墨超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料的摩擦磨損試驗后的表層圖片(試驗中選取長16mm寬10mm厚8mm的樣品與直徑為φ38mm的Q235鋼材在磨損試驗機上進行試驗，試驗條件：靴襯樣品光滑無明顯缺陷，Q235鋼材摩擦試樣表面粗糙度0.8μm，干摩擦，載荷25kg,試驗時間100min，轉速180r/min，試驗溫度25℃)。

圖2 純UHMWPE磨損表層圖片

圖3 添加石墨的UHMWPE復合材料表層圖片

表3 改性前后超高分子量聚乙烯耐磨損率值

● 2.1.3 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料研究探討

經過以上UHMWPE復合材料靴襯的初步研究，筆者發現：

1)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料制成的導靴靴襯，其摩擦磨損性能優于市場上使用的純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，更優于尼龍，壽命更長；

2)由于石墨等填料價錢便宜，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料也不貴，因此由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料制成的導靴靴襯性價比優越；

3)純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料制成的導靴，其摩擦系數均小，應用于電梯將可以起到減摩降耗，節約電能的作用;

4)由于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)熔融粘度極高，對于稍微復雜形狀的靴襯，由于流動性很差，很難成型。對于市場上數量眾多的槽形帶固定孔的靴襯，目前很少有能用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料制成，因此對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進行流動改性制成復雜形狀的靴襯是一項非常有意義的研究。

2.2 聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料的研制

試驗中仍然選擇三片組合式結構靴襯采用模壓成型方式進行研究。由于聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數非常低，潤滑性能居塑料之冠；因此將其用于電梯靴襯上甚至可以無需加油，做為一種自潤滑靴襯。但是聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性能相對于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)要差一些，因此對聚四氟乙烯(PTFE)進行填充改性的主要目的是增加其耐磨性。本文作者選取6%和12%的石墨填充聚四氟乙烯(PTFE)，分別將純聚四氟乙烯(PTFE)和添加石墨的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料與Q235鋼試樣在干摩擦條件下進行摩擦試驗，發現填充改性后的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料靴襯比純聚四氟乙烯(PTFE)靴襯耐磨性能有大幅度提高，且隨著石墨含量的增加其耐磨性有較大提高，而摩擦系數變化不是很大。圖4和圖5為純聚四氟乙烯(PTFE)和添加石墨后的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料的摩擦磨損試驗后的表層圖片(試驗條件與3.1.2中的試驗相似)。

圖4 純PTFE磨損表層圖片

圖5 添加石墨的PTFE復合材料磨損表層圖片

表4 改性前后聚四氟乙烯耐磨損率值

在聚四氟乙烯(PTFE)復合材料的研制中，筆者發現應用于電梯靴襯的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料有以下特點：

1)純聚四氟乙烯(PTFE)和聚四氟乙烯(PTFE)復合材料制成的導靴，其摩擦系數均小，應用于電梯將可以起到減摩降耗，節約電能的作用；

2)純聚四氟乙烯(PTFE)靴襯耐磨性能一般，而改性后的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料靴襯耐磨性較好；

3)聚四氟乙烯(PTFE)同樣存在熔融粘度高，流動性差的問題，因此對于復雜形狀的靴襯也需要進一步研究其成型方法。

3 結論

通過研究表明，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復合材料和聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料應用于電梯導靴靴襯，比市場上常用的尼龍等材料靴襯，其摩擦系數降低，耐磨性提高，能夠節約電能，提高靴襯的使用壽命，且由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復合材料制成的靴襯其性價比更好。在此基礎上進一步研究，探索尋找各種更適當的的配料比，將填料和基體的各自優點綜合，取長補短，研制具有良好減摩耐磨等綜合性能的復合材料靴襯具有實際意義；此外，對于目前占有量很大的槽形靴襯，若能很好的解決復合材料的成型方法，使其更普及的使用。

1 倪挺.電梯滑動導靴系統的減摩研究及應用[M],上海:上海交通大學出版社,2010

2 甘立慧.UHMWPE/CSW復合材料摩擦學性能研究[M].鄭州:河南科技大學,2010

3 朱昌明.電梯與自動扶梯原理結構安裝測試[M],上海:上海交通大學出版社

4 Gina B.Vertical Transportation in Tall Buildings[J]Elevator World.2003(5)

5 劉廣建.超高分子量聚乙烯[M],北京:化學工業出版社,2001