两种电梯靴衬复合材料摩擦学性能的对比研究

【摘要】本文主要选取两种电梯复合材料进行对比，分析了两种电梯靴衬复合材料摩擦学性能的不同点，以及各自的优越性，以期可以为今后电梯靴衬复合材料选用提供有意义的参考。

【关键词】电梯靴衬；复合材料；摩擦学性能；对比

中图分类号：TU229文献标识码： A

一、前言

随着我国电梯使用的范围越来越广，数量越来越多，电梯选材问题也备受关注，电梯靴衬复合材料的质量直接影响着电梯的运行质量，因此，分析电梯靴衬复合材料摩擦学性能非常有必要。

二、电梯滑动导靴系统摩擦研究情况

随着全球经济的快速发展，城市中的中高层建筑不断涌现，电梯的数量也不断的攀升。电梯作为高层建筑必备的垂直交通工具，电梯保有量的激增使得作为主要建筑能耗之一的电梯能耗引起社会和政府职能部门的密切关注。目前电梯能耗的评估方法，主要有Doolaard等的测量法(直接测量电梯空载往返三层楼高的能耗);Schroeder等的计算法(由经验公式粗略求出各工况下电梯的能耗);以及Elevate模型法(利用商业软件计算电梯能耗及效率)。以上方法均着眼于电梯系统整体能耗的粗略估计，并没有对导轨导靴摩擦引起的能耗进行针对性研究。而目前国内存在大量的中低速电梯，由于技术与经济原因，这类电梯的轿厢和对重均采用滑动式导靴作为电梯运动的导向装置，导靴的靴衬与导轨是直接的平面接触，因此电梯运动过程中会存在较大的摩擦损耗，同时较大摩擦力的存在也限制了采用滑动导向的电梯的运行速度上限。对这类电梯的导轨与导靴间的摩擦行为及能耗进行研究，具有较大的工程应用价值。摩擦现象几乎存在于所有机械系统中，并且经常对机械系统的性能和动力学行为产生至关重要的影响。

三、磨损损伤的特征

有关磨损问题的基础研究,无论是实验考察还是理论建模和量化均存在许多困难,这是由于磨损损伤过程所具有的复杂特征造成的。作者认为,磨损的主要特征有:

1、磨损过程中材料剥落过程是发生在摩擦表面间接触微区内的动态过程,产生剧烈的力学作用,并伴随物理化学变化,因此难以直接观测磨屑形成过程。虽然在20世纪60年代,诸如电子显微镜、能谱仪等一大批表面微观分析仪器相继商品化,广泛用于表面微观形貌以及表面层结构和组成分析,推动了磨损机制研究的深入发展,然而,这些仪器只能应用于磨损前和磨损后的静态观察和对比,无法实现磨损过程的在线检测。

2、材料的摩擦磨损性能与其他力学性能不同,它不是材料的固有特性,而是材料在实际摩擦学系统中表现出来的综合性能。换言之,材料的摩擦磨损性能与其所处的条件,包括接触形态、环境状况、运行工况等密切相关,是材料在所处条件下特定的性能。因此,材料摩擦磨损性能对所处条件具有强烈的依赖性。

3、与材料其他机械损伤相类似,磨损也主要源于力学作用下的材料强度劣化,然而磨损是特殊的力学问题。其特殊性表现为:外部施加给材料的力学作用是变化的,而且材料承受力学作用的体积和性能也是变化的。因此,磨损过程是时变性很强的随机过程,该过程同时又与环境因素密切相关。

4、现实的磨损总是多种机制共存,而且是交互作用的过程,因此磨损所表现出的外部特征错综复杂。

根据当今的摩擦学原理,按照表面作用、表面层变化和破坏形式等3个方面的情况通常可将磨损分为4种典型类型,即磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀磨损。针对各类磨损可以将材料磨损损伤机制归纳为切削(犁沟)机制、粘着机制和疲劳机制等3种典型机制。

从20世纪40年代开始,人们根据特定的工况条件,分别针对各种磨损机制进行了大量的实验研究和分析,建立了相应的理论和磨损公式[5]。然而,正因为是在特定的实验条件下得出的结论,其针对性和局限性较强,不尽适用于其他的工况条件。同时,实际的磨损现象往往又是多种机制综合影响的结果,所以现有的磨损理论普适性较差,磨损基础理论研究落后于工程实践的要求。

四、材料与方法

试验选用PA12(德国赢创德固赛PA12，牌号L1940)、POM(美国杜邦，牌号500AL)高分子材料为原料，在注塑机上加工成Φ50mm×10mm环形的上试样;选用Φ54mm×10mm为下试样;选用SF级油(壳牌统一石油化工有限公司)。PA12/POM样品均是通过注塑工艺制备的，即先在80℃空气中进行干燥处理，再通过SHJ型双螺杆挤出机造粒，最后在注塑机上成型。

试验时，在MMW-1A摩擦磨损试验机(济南益华摩擦学测试技术有限公司)上评价PA12和POM复合材料与45#钢的摩擦学性能，其试验装置的示意图，如图1所示。用销钉分别把上试件和下试件固定在转轴和工作台上，采用弹簧对工作台施加载荷，通过电机带动转轴旋转，进行摩擦磨损试验，进而测量摩擦因数和工作温度。摩擦副的线速度1.5m/s(642r/min)，载荷0.12N/mm2(70N)，试验时间120min，环境温度20℃，方式为干摩擦(DR)和加微量油(MOL)。

试验前后，用石油醚和无水乙醇对试件进行清洗，清洗结束后在GZX-9076MBE电热鼓风干燥箱内烘干(60℃)，冷却至室温;在电子天平(0.01mg，Ohaus，德国)上分别对试验前后的试件进行称重，进而获得试件的磨损量;在同等试验条件下，进行三组试验，取其平均值。

五、结果与讨论

1、摩擦因数

在干摩擦和微量油工况下，PA12和POM的摩擦因数随时间的变化如图2所示。可以看出，随着时间的增加，两种复合材料的摩擦因数均经历了先急剧降低后缓慢的变化。当试验时间超过40min，摩擦因数逐渐趋于稳定。在微量油工况下，10s、5min、20min、40min和80min时PA12材料的摩擦因数分别为0.1644、0.1275、0.1137、0.0957、0.0924。状态对复合材料的摩擦因数有着重要的影响。在干摩擦工况下，当试验时间为100min时，PA12和POM的摩擦因数分别为0.2181和0.1871，PA12的摩擦因数明显高于POM;但在微量油工况下，时间为100min时，PA12和POM的摩擦因数分别为0.0977和0.1267，PA12的摩擦因数却低于POM。这表明在微量油工况下PA12比POM具有较好的减摩性能。

2、工作温度变化及分析

工作温度是指通过温度传感器测量下试件的瞬时温度，随时间的变化关系如图3所示。在干摩擦工况下，30、75和105min时PA12和POM的工作温度分别为(77.7，79.3)、(85.0，86.8)和(88.5，88.3)℃，表明PA12和POM的工作温度随时间的推移逐渐接近。在微量油工况下，30、60、90和120min时，PA12和POM的工作温度分别为(48.1，52.6)、(50.0，58.6)、(50.9，60.9)和(51.9，62.4)℃，这表明在微量油工况下，PA12和POM均具有较好的散热性能，但PA12的散热性能更为显著。

3、磨损量

图4示出干摩擦和微量油工况下复合材料PA12和POM的磨损量。在干摩擦工况下，PA12的磨损量略高于POM的磨损量，即PA12和POM的磨损量分别为42.5和38.23mg。在微量油工况下，两种复合材料的磨损量均有明显降低;PA12的磨损量为4.8mg，比干摩擦工况降低88.7%，而POM的磨损量为22.92mg，比干摩擦降低40%，这表明在微量油工况下PA12具有较好的耐磨性能。

4、讨论

摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换并产生能量损耗的过程，而磨损是由摩擦副之间力学、物理、化学作用造成的表损伤和材料剥落，分别表现为摩擦因数和磨损量，在摩擦磨损过程中机械能会转换成热能，表现为材料表面的工作温度。复合材料的摩擦因数、磨损量和工作温度与其对应的状态和材料结构有关。在干摩擦状况下，试验开始阶段材料表面凹凸不平，摩擦副上下表面凹坑和凸起部分所占面积较大，其相应的真实的接触面积较小，凹凸处相互嵌合，滑动摩擦阻力大，导致摩擦因数也随之变得很大。在较短的时间内，摩擦副对偶表面周期性磨合，导致残留的应力使复合材料表面产生划痕和犁切裂纹，在短时间内造成犁切磨损，材料的疲劳摩擦使裂纹逐渐扩大，犁切裂纹间出现大规模融合，造成材料表面大面积脱落，这是造成材料磨损的主要原因。随着摩擦时间的增加，材料表面逐渐融合，接触面积达到最接近的表观面积，摩擦因数减小到一个相对稳定的值。在微量油工况下，直接接触的几率降低，使得对偶表面的摩擦力降低，则对应的摩擦因数、磨损量和工作温度也随之减少，同时对偶表面的剂也能散发一部分热量，使得工作温度降低。

从试验结果来看，在微量油工况下两种复合材料磨损量存在显著的差异，这与复合材料结构有关。POM是一种没有侧基、线型的高结晶性单分子链聚合物，其结构单元(―CH2―O―)具有良好的自性;而PA12是一种嵌段聚合物，其大分子链中重复出现酰胺基团(―CONH―)，该基团上的氢键能和另一个酰胺基团上羰基(―CO―)结合形成较强的氢键，如图5所示，因此，PA12大分子链之间的作用力较高。与POM的结晶性能相比，PA12分子间作用力致使其结晶性能有所下降，剂能够更好地润湿PA12试样的表面，降低分子间的作用力，减弱了分子间的作用力，致使材料表面的摩擦力降低，而微表面凸峰的破裂几率减小，进而导致PA12的磨损量降低。因此，微量剂对PA12的抗磨性能比POM更为显著。

六、结论

1、在干摩擦和微量油工况下，PA12和POM摩擦因数随时间增加均经历先急剧下降后平缓的变化。

2、状态和材料结构对复合材料的摩擦学性能有着显著的影响。在干摩擦工况下，PA12的摩擦因数和磨损量均高于POM，对应的工作温度接近;而在微量油工况下，两种材料的摩擦因数、工作温度和磨损量均降低，但PA12的降低幅度显著高于POM。

3、若两种复合材料应用于电梯功能部件，在充足工况下优先选用复合材料PA12。

七、靴衬材料的日常维护

导靴是保持电梯平稳运行的重要装置，导靴是否正常工作将直接影响电梯噪音、舒适感、平稳度以及平层误差等，因此要做好导靴的日常维护。电梯是特种设备，根据我国特种设备安全技术规范TSGT5001-2009《电梯使用管理与维护保养规则》半月维保项目和要求第10项：导靴上油杯的维保基本要求是应检查吸油毛毡齐全，油量适宜，油杯无泄漏。季度维保项目和要求第7项：靴衬和滚轮的维保基本要求是清洁，磨损量不超过制造单位的要求。作为专业的电梯维保人员，仅做到这些基本维保要求远远不够。一个负责任的企业应该从零部件的采购、电梯的安装到后续的维护保养等各环节严格把关，保证靴衬材料的强度、硬度、耐磨性等机械性能，保证电梯导轨工作面的加工质量，保证电梯安装时的导轨直线度、两列导轨对铅垂线的平行度，保证导轨安装支架的间距和刚度及导轨接头处的间隙修配。电梯投入运行后滑动导靴的维护检查应该从以下几个方面着手。

1、轿厢导靴的靴衬侧面与导轨间隙为0.5~1mm。弹性滑动导靴靴衬与导轨顶面无间隙，导靴弹簧的调节范围不超标。固定式滑动导靴靴衬与导轨顶面间隙为1~2mm。对重导靴靴衬与导轨顶面间隙不大于2.5mm。

2、检查轿厢上部导靴和对重导靴，人站轿厢顶部将轿厢和对重检修运行在适合检查的水平位置，向前后左右来回摆动轿厢或对重框架，可以检查侧隙和顶隙大小及靴衬磨损情况，还可对弹簧的弹簧力进行检查。检查轿厢下部导靴，检修人员应站在底坑内，将轿厢运行到最底层适合检修位置，通过前后左右晃动轿厢检查导靴情况。如果顶隙过大，可以把靴衬取下在其顶面加垫片调整。若侧隙过大，对于嵌片式靴衬，可通过侧靴衬调节螺栓调整好侧隙；整体式靴衬则可在靴衬侧背面加垫片调整，使间隙靠一边稍大，如调整后效果不理想，最好的方法是更换新靴衬。

3、保持导轨清洁，及时清除清洗导轨面及靴衬内的脏物。由于轿厢的上下运动，会带动井道内空气的流动及沙尘的飞舞，这些沙尘极容易被吸附于导轨工作面上，造成靴衬及导轨的严重磨损。因此对滑动导靴的导轨工作面，应按规定清洗，保证导靴正常作，降低运行时的摩擦噪声，提高靴衬的使用寿命。

4、靴衬磨损严重、卡入异物、间隙过大或安装歪斜，会造成轿厢运行时的啃轨现象。当进行例行检修时发现导轨侧面有狭小而又明亮的划痕，严重时痕迹上带有毛刺；靴衬侧面磨损不均匀并有毛刺；轿厢在起动和平层时出现走偏、扭摆等现象基本可以判断发生啃轨。出现啃轨的原因很多，主要是导轨安装扭曲、歪斜或松动；上下导靴安装未对中，且与导轨间隙不一致；轿厢架变形或靴座螺栓松动；靴衬外形尺寸太小在靴头内晃动。此时应根据具体原因调整消除啃轨，并更换靴衬。

八、结束语

综上所述，不同电梯靴衬复合材料摩擦学性能是不一样的，在今后电梯的安装过程中，一定要首先准确的选择可靠的的电梯靴衬复合材料，进而提高电梯运行的效果。

【参考文献】

[1]梁秀.中国电梯:高速发展下的思考[J].自动化博览.2012(12)

[2]钱磊,史熙.电梯滑动导靴系统摩擦及能耗测量[J].机械制造与自动化.2012(05)

[3]姚亚峰,徐泽夕,邱生见,曹志奎,张龙,王晓明,李琦,王祥友,郭学群.浅谈聚甲醛的应用[J].塑料工业.2012(05)

[4]李琦,徐泽夕,王越峰,王晓明,曹志奎,马刚峰,刘书铖,姚亚峰,郭学群.聚甲醛基耐磨复合材料的研究进展[J].塑料工业.2012(04)

[5]徐子明.基于液压导靴的高速电梯水平振动控制[J].科技创新与应用.2012(01)