节能耐磨型电梯导靴靴衬应用研究

罗 丹 杨 勇 曹智超 肖化明

(1.湖南省特种设备检验检测研究院 长沙 410117)

(2.湖南省塑料研究所(湖南兆恒材料科技有限公司 长沙 410120)

目前，世界各国都非常关注能源问题，能源消耗日趋严重以及能源需求日趋紧张等问题已成为世界各国急需解决的问题。作为建筑中的交通工具——电梯，能耗指标是其一个重要的性能指标。在城市建筑中，电梯的用电量是比较突出的。统计数据表明，电梯电能损耗约占一座商用大楼的12%左右。目前我国电梯数量已居世界第一, 且还在以非常快的速度增长。巨大的电梯能耗使得业内已将电梯节能作为一项重要指标来研究。

基于节能的重要性和迫切性，我国出台了一系列节能减排政策，这些政策都将节能摆在一个很高的位置上，特别是《中华人民共和国节约能源法》明确提出了“对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管”的要求。

而在大量的电梯中，绝大多数是运行速度在0.5m/s-2.5m/s的中低速电梯。电梯的上下运行中，通常在电梯的轿厢和对重架靠导轨的一面装设导靴，通过导靴与导轨的摩擦保证运行的平稳。导轨与导靴之间的摩擦作用将对电梯噪音，舒适感，平稳度以及平层误差造成直接影响。在中低速电梯中，滑动导靴应用最多。滑动导靴的结构见图1，其主要由靴衬和靴座构成，靴座一般由铸铁等材料制造，而靴衬常用尼龙材料制造[1]。

图1 槽形靴衬和三片式靴衬

电梯运行时，若轿顶绳头组合器的安装处于理想状态，则电梯系统中的重量由绳头组合器承受，此时导靴无外加载荷。然而实际上,载荷一般都会偏离轿厢中心线，此时导靴就会受力，使轿厢导靴在工作中承受着偏重力的作用，从而增加了导轨导靴之间的摩擦。目前，市场上的很多电梯使用的靴衬均存在着容易磨损的问题，从而造成电梯运行中的抖动和不平稳现象，影响电梯乘坐的舒适性。很多电梯一年甚至需要多次更换导靴，既不经济又耗时费力。且目前导靴靴衬所采用的材料摩擦系数也较大，造成电梯运行过程中摩擦力偏大，导致电梯运行能耗增加。对于电梯减摩，可以通过选择合适的润滑油和减小导轨和导靴表面粗糙度等方法实现。然而，随着机加工精度和成本的限制，这种方法存在一定的局限性[3]。因此对这类电梯的导轨与导靴间的摩擦行为进行研究，并实现减摩以降低能耗，提升靴衬的耐磨性，延长使用寿命，降低成本，具有较大的实际意义和应用价值。

1 靴衬材料使用现状及市场调研

针对上述问题，笔者在查阅国内外有关文献基础上，将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚四氟乙烯(PTFE)为基体的复合材料引入到电梯导靴系统中，通过研究改性后的复合材料制作的导靴靴衬与电梯导轨常用牌号Q235、Q255等钢材之间的摩擦机理，在不改变现有滑动导靴基本结构的基础上，实现导靴与导轨之间润滑条件的改善和摩擦损耗的减小，以达到增强导靴靴衬耐磨耐热性、减摩节能、降低成本的目的。在提高电梯能效的基础上，以期产生较大的经济效益。

1.1 靴衬基本材料简介及其性能特点[2]

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)一般是指分子量在150万以上的线性结构聚乙烯(PE)，是一种新型的热塑性工程塑料。聚四氟乙烯(PTFE)，俗称“塑料王”，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物。聚酰胺纤维俗称尼龙(Nylon)，是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)性能特点：UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，比碳钢、黄铜都高出数倍，比普通聚乙烯高出数十倍；摩擦系数接近聚四氟乙烯(PTFE)，比其他塑料小；吸水率比其他工程塑料小；抗粘附能力好；耐冲击性能非常好；拉伸强度高；耐腐蚀性能好；耐低温性能好；密度小，成本低廉。

聚四氟乙烯(PTFE)性能特点：高度的化学稳定性；耐低温性和耐高温性好；抗粘附性能极好；摩擦系数非常低，润滑性能居塑料之冠；绝缘性能良好；优异的耐老化性和热稳定性；极小的吸水率。

做为应用于电梯的靴衬，其首要考虑的应是耐磨性能和良好的自润滑性能，在此基础上应具备较好的综合力学性能。表1，表2是几种材料的耐磨性能和自润滑性能参数比较[5]。

表1 几种材料的耐磨损率值

表2 几种材料的摩擦系数比较

1.2 靴衬使用状况市场调研

通过对市场上多个品牌电梯的现场调研，发现目前市场上很多电梯使用的靴衬材料仍然是尼龙，有部分日系品牌电梯使用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的靴衬，但基本都是纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。有些厂家声称生产的靴衬是由最先进的聚合物基复合材料制成，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料。但经检测发现并非复合材料，有些仅是纯普通尼龙等塑料制品。当前国内真正开发研究并应用的节能耐磨型聚合物基复合材料导靴靴衬少之又少，正由于目前很多电梯的导靴靴衬存在着易磨损、摩擦力大的问题，使得研发节能耐磨型靴衬这项工作非常有意义。

2 靴衬基本复合材料试验研究

2.1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料研制

目前市场上应用的滑动导靴靴衬形状有槽形整体式和三片组合式等多种。本文中笔者选择三片组合式结构靴衬、采用模压成型方式对纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以及不同填料改性后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料的摩擦磨损性能做了一系列的研究：

● 2.1.1 干摩擦条件下不同分子量纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)靴衬的研究比较

在查阅大量文献后，经试验发现纯超高分子量聚乙烯的磨损量有一定规律，即随着分子量的增大，并不是分子量越大超高分子量聚乙烯越耐磨，而是随着分子量的增大，表现出磨损量先变小后变大。其中400万左右分子量纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的摩擦系数较小，耐磨性相对更好。

● 2.1.2 填料改性后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料靴衬摩擦磨损性能

选定分子量为400万的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)分别添加4%的二硫化钼、3%和6%的石墨填充改性并在干摩擦条件下将3种复合材料分别与Q235钢试样进行摩擦试验(见表3)，研究表明与纯超高分子量聚乙烯相比较，添加二硫化钼的复合材料摩擦系数有所降低，耐磨性提高；添加石墨的复合材料摩擦系数稍稍增加变化不大，耐磨性能提高，且添加6%石墨的复合材料耐磨性能比添加3%石墨的复合材料更好；图2是纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与添加6%石墨超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料的摩擦磨损试验后的表层图片(试验中选取长16mm宽10mm厚8mm的样品与直径为φ38mm的Q235钢材在磨损试验机上进行试验，试验条件：靴衬样品光滑无明显缺陷，Q235钢材摩擦试样表面粗糙度0.8μm，干摩擦，载荷25kg,试验时间100min，转速180r/min，试验温度25℃)。

图2 纯UHMWPE磨损表层图片

图3 添加石墨的UHMWPE复合材料表层图片

表3 改性前后超高分子量聚乙烯耐磨损率值

● 2.1.3 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料研究探讨

经过以上UHMWPE复合材料靴衬的初步研究，笔者发现：

1)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料制成的导靴靴衬，其摩擦磨损性能优于市场上使用的纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，更优于尼龙，寿命更长；

2)由于石墨等填料价钱便宜，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料也不贵，因此由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料制成的导靴靴衬性价比优越；

3)纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料制成的导靴，其摩擦系数均小，应用于电梯将可以起到减摩降耗，节约电能的作用;

4)由于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)熔融粘度极高，对于稍微复杂形状的靴衬，由于流动性很差，很难成型。对于市场上数量众多的槽形带固定孔的靴衬，目前很少有能用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料制成，因此对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行流动改性制成复杂形状的靴衬是一项非常有意义的研究。

2.2 聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的研制

试验中仍然选择三片组合式结构靴衬采用模压成型方式进行研究。由于聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数非常低，润滑性能居塑料之冠；因此将其用于电梯靴衬上甚至可以无需加油，做为一种自润滑靴衬。但是聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性能相对于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)要差一些，因此对聚四氟乙烯(PTFE)进行填充改性的主要目的是增加其耐磨性。本文作者选取6%和12%的石墨填充聚四氟乙烯(PTFE)，分别将纯聚四氟乙烯(PTFE)和添加石墨的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料与Q235钢试样在干摩擦条件下进行摩擦试验，发现填充改性后的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料靴衬比纯聚四氟乙烯(PTFE)靴衬耐磨性能有大幅度提高，且随着石墨含量的增加其耐磨性有较大提高，而摩擦系数变化不是很大。图4和图5为纯聚四氟乙烯(PTFE)和添加石墨后的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的摩擦磨损试验后的表层图片(试验条件与3.1.2中的试验相似)。

图4 纯PTFE磨损表层图片

图5 添加石墨的PTFE复合材料磨损表层图片

表4 改性前后聚四氟乙烯耐磨损率值

在聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的研制中，笔者发现应用于电梯靴衬的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料有以下特点：

1)纯聚四氟乙烯(PTFE)和聚四氟乙烯(PTFE)复合材料制成的导靴，其摩擦系数均小，应用于电梯将可以起到减摩降耗，节约电能的作用；

2)纯聚四氟乙烯(PTFE)靴衬耐磨性能一般，而改性后的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料靴衬耐磨性较好；

3)聚四氟乙烯(PTFE)同样存在熔融粘度高，流动性差的问题，因此对于复杂形状的靴衬也需要进一步研究其成型方法。

3 结论

通过研究表明，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料和聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料应用于电梯导靴靴衬，比市场上常用的尼龙等材料靴衬，其摩擦系数降低，耐磨性提高，能够节约电能，提高靴衬的使用寿命，且由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料制成的靴衬其性价比更好。在此基础上进一步研究，探索寻找各种更适当的的配料比，将填料和基体的各自优点综合，取长补短，研制具有良好减摩耐磨等综合性能的复合材料靴衬具有实际意义；此外，对于目前占有量很大的槽形靴衬，若能很好的解决复合材料的成型方法，使其更普及的使用。

1 倪挺.电梯滑动导靴系统的减摩研究及应用[M],上海:上海交通大学出版社,2010

2 甘立慧.UHMWPE/CSW复合材料摩擦学性能研究[M].郑州:河南科技大学,2010

3 朱昌明.电梯与自动扶梯原理结构安装测试[M],上海:上海交通大学出版社

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

5 刘广建.超高分子量聚乙烯[M],北京:化学工业出版社,2001