羅 丹 楊 勇 曹智超 肖化明

(1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 長(zhǎng)沙 410117)

(2.湖南省塑料研究所(湖南兆恒材料科技有限公司 長(zhǎng)沙 410120)

目前，世界各國(guó)都非常關(guān)注能源問(wèn)題，能源消耗日趨嚴(yán)重以及能源需求日趨緊張等問(wèn)題已成為世界各國(guó)急需解決的問(wèn)題。作為建筑中的交通工具——電梯，能耗指標(biāo)是其一個(gè)重要的性能指標(biāo)。在城市建筑中，電梯的用電量是比較突出的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電梯電能損耗約占一座商用大樓的12%左右。目前我國(guó)電梯數(shù)量已居世界第一, 且還在以非常快的速度增長(zhǎng)。巨大的電梯能耗使得業(yè)內(nèi)已將電梯節(jié)能作為一項(xiàng)重要指標(biāo)來(lái)研究。

基于節(jié)能的重要性和迫切性，我國(guó)出臺(tái)了一系列節(jié)能減排政策，這些政策都將節(jié)能擺在一個(gè)很高的位置上，特別是《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》明確提出了“對(duì)高耗能的特種設(shè)備，按照國(guó)務(wù)院的規(guī)定實(shí)行節(jié)能審查和監(jiān)管”的要求。

而在大量的電梯中，絕大多數(shù)是運(yùn)行速度在0.5m/s-2.5m/s的中低速電梯。電梯的上下運(yùn)行中，通常在電梯的轎廂和對(duì)重架靠導(dǎo)軌的一面裝設(shè)導(dǎo)靴，通過(guò)導(dǎo)靴與導(dǎo)軌的摩擦保證運(yùn)行的平穩(wěn)。導(dǎo)軌與導(dǎo)靴之間的摩擦作用將對(duì)電梯噪音，舒適感，平穩(wěn)度以及平層誤差造成直接影響。在中低速電梯中，滑動(dòng)導(dǎo)靴應(yīng)用最多。滑動(dòng)導(dǎo)靴的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其主要由靴襯和靴座構(gòu)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(yùn)行時(shí)，若轎頂繩頭組合器的安裝處于理想狀態(tài)，則電梯系統(tǒng)中的重量由繩頭組合器承受，此時(shí)導(dǎo)靴無(wú)外加載荷。然而實(shí)際上,載荷一般都會(huì)偏離轎廂中心線，此時(shí)導(dǎo)靴就會(huì)受力，使轎廂導(dǎo)靴在工作中承受著偏重力的作用，從而增加了導(dǎo)軌導(dǎo)靴之間的摩擦。目前，市場(chǎng)上的很多電梯使用的靴襯均存在著容易磨損的問(wèn)題，從而造成電梯運(yùn)行中的抖動(dòng)和不平穩(wěn)現(xiàn)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(dǎo)靴，既不經(jīng)濟(jì)又耗時(shí)費(fèi)力。且目前導(dǎo)靴靴襯所采用的材料摩擦系數(shù)也較大，造成電梯運(yùn)行過(guò)程中摩擦力偏大，導(dǎo)致電梯運(yùn)行能耗增加。對(duì)于電梯減摩，可以通過(guò)選擇合適的潤(rùn)滑油和減小導(dǎo)軌和導(dǎo)靴表面粗糙度等方法實(shí)現(xiàn)。然而，隨著機(jī)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(duì)這類(lèi)電梯的導(dǎo)軌與導(dǎo)靴間的摩擦行為進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)減摩以降低能耗，提升靴襯的耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命，降低成本，具有較大的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 靴襯材料使用現(xiàn)狀及市場(chǎng)調(diào)研

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者在查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，將超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚四氟乙烯(PTFE)為基體的復(fù)合材料引入到電梯導(dǎo)靴系統(tǒng)中，通過(guò)研究改性后的復(fù)合材料制作的導(dǎo)靴靴襯與電梯導(dǎo)軌常用牌號(hào)Q235、Q255等鋼材之間的摩擦機(jī)理，在不改變現(xiàn)有滑動(dòng)導(dǎo)靴基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)靴與導(dǎo)軌之間潤(rùn)滑條件的改善和摩擦損耗的減小，以達(dá)到增強(qiáng)導(dǎo)靴靴襯耐磨耐熱性、減摩節(jié)能、降低成本的目的。在提高電梯能效的基礎(chǔ)上，以期產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 靴襯基本材料簡(jiǎn)介及其性能特點(diǎn)[2]

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)一般是指分子量在150萬(wàn)以上的線性結(jié)構(gòu)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(jīng)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(fù)酰胺基團(tuán)—[NHCO]—的熱塑性樹(shù)脂總稱。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)性能特點(diǎn)：UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，比碳鋼、黃銅都高出數(shù)倍，比普通聚乙烯高出數(shù)十倍；摩擦系數(shù)接近聚四氟乙烯(PTFE)，比其他塑料??；吸水率比其他工程塑料??；抗粘附能力好；耐沖擊性能非常好；拉伸強(qiáng)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(diǎn)：高度的化學(xué)穩(wěn)定性；耐低溫性和耐高溫性好；抗粘附性能極好；摩擦系數(shù)非常低，潤(rùn)滑性能居塑料之冠；絕緣性能良好；優(yōu)異的耐老化性和熱穩(wěn)定性；極小的吸水率。

做為應(yīng)用于電梯的靴襯，其首要考慮的應(yīng)是耐磨性能和良好的自潤(rùn)滑性能，在此基礎(chǔ)上應(yīng)具備較好的綜合力學(xué)性能。表1，表2是幾種材料的耐磨性能和自潤(rùn)滑性能參數(shù)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(shù)比較

1.2 靴襯使用狀況市場(chǎng)調(diào)研

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上多個(gè)品牌電梯的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)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(chǎn)的靴襯是由最先進(jìn)的聚合物基復(fù)合材料制成，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復(fù)合材料。但經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并非復(fù)合材料，有些僅是純普通尼龍等塑料制品。當(dāng)前國(guó)內(nèi)真正開(kāi)發(fā)研究并應(yīng)用的節(jié)能耐磨型聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)靴靴襯少之又少，正由于目前很多電梯的導(dǎo)靴靴襯存在著易磨損、摩擦力大的問(wèn)題，使得研發(fā)節(jié)能耐磨型靴襯這項(xiàng)工作非常有意義。

2 靴襯基本復(fù)合材料試驗(yàn)研究

2.1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復(fù)合材料研制

目前市場(chǎng)上應(yīng)用的滑動(dòng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)靴襯、采用模壓成型方式對(duì)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(fù)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(xiàn)后，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)純超高分子量聚乙烯的磨損量有一定規(guī)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(xiàn)出磨損量先變小后變大。其中400萬(wàn)左右分子量純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的摩擦系數(shù)較小，耐磨性相對(duì)更好。

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

選定分子量為400萬(wàn)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(fù)合材料分別與Q235鋼試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)(見(jiàn)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(fù)合材料摩擦系數(shù)有所降低，耐磨性提高；添加石墨的復(fù)合材料摩擦系數(shù)稍稍增加變化不大，耐磨性能提高，且添加6%石墨的復(fù)合材料耐磨性能比添加3%石墨的復(fù)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(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)后的表層圖片(試驗(yàn)中選取長(zhǎng)16mm寬10mm厚8mm的樣品與直徑為φ38mm的Q235鋼材在磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：靴襯樣品光滑無(wú)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(yàn)時(shí)間100min，轉(zhuǎn)速180r/min，試驗(yàn)溫度25℃)。

圖2 純UHMWPE磨損表層圖片

圖3 添加石墨的UHMWPE復(fù)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(fù)合材料研究探討

經(jīng)過(guò)以上UHMWPE復(fù)合材料靴襯的初步研究，筆者發(fā)現(xiàn)：

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

2)由于石墨等填料價(jià)錢(qián)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(fù)合材料制成的導(dǎo)靴靴襯性價(jià)比優(yōu)越；

3)純超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復(fù)合材料制成的導(dǎo)靴，其摩擦系數(shù)均小，應(yīng)用于電梯將可以起到減摩降耗，節(jié)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(duì)于稍微復(fù)雜形狀的靴襯，由于流動(dòng)性很差，很難成型。對(duì)于市場(chǎng)上數(shù)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(fù)合材料制成，因此對(duì)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進(jìn)行流動(dòng)改性制成復(fù)雜形狀的靴襯是一項(xiàng)非常有意義的研究。

2.2 聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料的研制

試驗(yàn)中仍然選擇三片組合式結(jié)構(gòu)靴襯采用模壓成型方式進(jìn)行研究。由于聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數(shù)非常低，潤(rùn)滑性能居塑料之冠；因此將其用于電梯靴襯上甚至可以無(wú)需加油，做為一種自潤(rùn)滑靴襯。但是聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性能相對(duì)于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)要差一些，因此對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)進(jìn)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(fù)合材料與Q235鋼試樣在干摩擦條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)填充改性后的聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)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(shù)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(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)后的表層圖片(試驗(yàn)條件與3.1.2中的試驗(yàn)相似)。

圖4 純PTFE磨損表層圖片

圖5 添加石墨的PTFE復(fù)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(fù)合材料的研制中，筆者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于電梯靴襯的聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料有以下特點(diǎn)：

1)純聚四氟乙烯(PTFE)和聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料制成的導(dǎo)靴，其摩擦系數(shù)均小，應(yīng)用于電梯將可以起到減摩降耗，節(jié)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(fù)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(dòng)性差的問(wèn)題，因此對(duì)于復(fù)雜形狀的靴襯也需要進(jìn)一步研究其成型方法。

3 結(jié)論

通過(guò)研究表明，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基復(fù)合材料和聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料應(yīng)用于電梯導(dǎo)靴靴襯，比市場(chǎng)上常用的尼龍等材料靴襯，其摩擦系數(shù)降低，耐磨性提高，能夠節(jié)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(fù)合材料制成的靴襯其性價(jià)比更好。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，探索尋找各種更適當(dāng)?shù)牡呐淞媳?，將填料和基體的各自優(yōu)點(diǎn)綜合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，研制具有良好減摩耐磨等綜合性能的復(fù)合材料靴襯具有實(shí)際意義；此外，對(duì)于目前占有量很大的槽形靴襯，若能很好的解決復(fù)合材料的成型方法，使其更普及的使用。

1 倪挺.電梯滑動(dòng)導(dǎo)靴系統(tǒng)的減摩研究及應(yīng)用[M],上海:上海交通大學(xué)出版社,2010

2 甘立慧.UHMWPE/CSW復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究[M].鄭州:河南科技大學(xué),2010

3 朱昌明.電梯與自動(dòng)扶梯原理結(jié)構(gòu)安裝測(cè)試[M],上海:上海交通大學(xué)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(xué)工業(yè)出版社,2001