李士林,涂春磊

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,南京,210036）

0 引言

上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及經(jīng)濟(jì)全球化, 發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家紛紛研制出高速及超高速電梯，我國(guó)的電梯發(fā)展技術(shù)也是日新月異。電梯不僅是代步的工具,也是人類(lèi)文明的標(biāo)志,其技術(shù)的發(fā)展正體現(xiàn)了社會(huì)的進(jìn)步與文明。2010年，我國(guó)電梯年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)30萬(wàn)臺(tái)，占世界產(chǎn)量的三分之一。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市建筑電梯需求依然強(qiáng)勁。但電梯生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量的金屬材料，節(jié)能環(huán)保問(wèn)題是目前電梯設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家急待解決的首要課題。

近年來(lái)，采用工程塑料等高分子材料取代鋼材、鋁合金等傳統(tǒng)金屬礦石材料已經(jīng)成為未來(lái)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。高分子材料相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料不僅力學(xué)性能優(yōu)越、比重小、成本低，而且在原料制備、成品加工過(guò)程中大大降低能源消耗，從而減少了因能源消耗引起的環(huán)境污染。電梯等特種機(jī)械設(shè)備也不例外，例如，導(dǎo)向滑塊采用尼龍材料、緩沖器采用聚氨酯材料等均已非常普遍。

本文結(jié)合電梯門(mén)地坎結(jié)構(gòu)與功能、聚甲醛材料的力學(xué)性能、成型工藝特點(diǎn)及制造成本對(duì)比等，提出了運(yùn)用聚甲醛材料替代電梯門(mén)地坎中鋁合金材料的方法。不僅可以為電梯制造企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本、節(jié)約能源消耗、減少環(huán)境污染等，而且可以為高分子材料在電梯等特種機(jī)械設(shè)備中進(jìn)一步的替代應(yīng)用提供重要的參考價(jià)值。

1 電梯門(mén)地坎結(jié)構(gòu)與工況特點(diǎn)

電梯門(mén)地坎分為層門(mén)地坎和轎廂門(mén)地坎，兩者在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有什么區(qū)別，主要作用是用于層門(mén)或轎廂們的開(kāi)合導(dǎo)向。其主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

圖1 傳統(tǒng)鋁合金地坎的結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，電梯門(mén)地坎主要包括用于導(dǎo)向滑動(dòng)的直槽和清除灰

塵雜物的漏孔。其結(jié)構(gòu)與工況主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.1 外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、截面形狀相同、長(zhǎng)寬比大，為長(zhǎng)條形工件。

1.2 運(yùn)行過(guò)程中，電梯門(mén)始終懸掛在頂端的導(dǎo)軌上，地坎是不承受電梯門(mén)重量載荷的，只是受到行人踩踏或拖貨小車(chē)的碾壓，在電梯系統(tǒng)中并非是重要的承載零部件。因此，GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在7.4.1地坎的要求中，“每個(gè)層站入口均應(yīng)裝設(shè)一個(gè)具有足夠強(qiáng)度的地坎，以承受通過(guò)它進(jìn)入轎廂的載荷”。8.3.2 轎壁、轎廂地板和轎頂應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，包括轎廂架、導(dǎo)靴、轎壁、轎廂地板和轎頂?shù)目偝梢岔氂凶銐虻臋C(jī)械強(qiáng)度，以承受在電梯正常運(yùn)行、安全鉗動(dòng)作或轎廂撞擊緩沖器的作用力。對(duì)電梯門(mén)地坎零部件對(duì)于抗拉強(qiáng)度，抗彎曲強(qiáng)度等性能指標(biāo)均沒(méi)有特別的要求。

1.3 電梯門(mén)地坎主要作用就是為電梯門(mén)的開(kāi)合導(dǎo)向，運(yùn)行中其滑槽需要與電梯門(mén)的尼龍導(dǎo)向滑塊發(fā)生滑動(dòng)摩擦。因此，要求地坎材料的滑動(dòng)性能和耐磨性要好，表面硬度要大于尼龍滑塊；且地坎零件必須保證有一定的剛度和形狀尺寸精度。

2 POM材料的性能特點(diǎn)及成本分析

2.1 聚甲醛（POM）性能特點(diǎn)

聚甲醛（POM）為熱塑性結(jié)晶聚合物，是一種表面光滑，白色有光澤的硬而致密的材料，具有較高的彈性模量，很高的剛性和硬度，比強(qiáng)度和比剛性接近于金屬，且摩擦系數(shù)小，耐磨耗，尺穩(wěn)定性好。聚甲醛常用來(lái)代替銅、鋅、錫、鉛等有色金屬，有“奪鋼”、“超鋼”之稱(chēng)，其力學(xué)性能與金屬比較接近，和鋁合金材料相比較，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1表2。

表1 聚甲醛（POM）材料的性能參數(shù)

表2 常用的鋁合金（5052）材料的性能參數(shù)

聚甲醛材料的性能特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1)比強(qiáng)度高，耐疲勞強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，產(chǎn)品的形狀、尺寸精度高?？捎糜谔娲承┙饘俨牧?，生產(chǎn)制造齒輪等重要的機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件。

2)表面硬度高，剛度好?？捎糜谔娲饘俨牧?，生產(chǎn)制造一些汽車(chē)零配件。

3)耐磨性好，摩擦性能優(yōu)異，具有良好的滑動(dòng)性能?？捎糜谔娲承╀摬模a(chǎn)制造軸承等耐磨性要求高的機(jī)械零件。

4)聚甲醛材料原料為白色的，制作成品時(shí)可以添加任何顏色，如添加黃色安全色，在電梯進(jìn)門(mén)時(shí)起到警示使用。

2.2 聚甲醛（POM）成本分析

聚甲醛材料另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是其原料成本相對(duì)低，是普通碳鋼成本的60%-80%，不足鋁合金成本的40%。而且聚甲醛是通過(guò)甲醇制備而成，其生產(chǎn)制備過(guò)程相對(duì)鋼、鋁合金等金屬材料節(jié)能環(huán)保。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械制造、電器以及軍工行業(yè)。

目前，聚甲醛（POM）原料價(jià)格大約為1.3萬(wàn)-1.8萬(wàn)/噸，鋁合金材料價(jià)格大約為2.3萬(wàn)/噸，而聚甲醛的比重僅為鋁合金材料的1/2。因此，相同尺寸大小的零件，采用聚甲醛材料，其原料的成本還不到鋁合金材料的40%。采用聚甲醛材料，僅原料成本就會(huì)降低超過(guò)60%。

以長(zhǎng)度為1800mm、寬度為55mm、高度為25mm、結(jié)構(gòu)形式如圖1的電梯門(mén)地坎為例。若采用傳統(tǒng)的鋁合金材料，其市場(chǎng)價(jià)格大約為80元；如采用聚甲醛材料，即使都以最高的原料、加工費(fèi)用估算，其市場(chǎng)價(jià)格也只是在50元左右。一個(gè)電梯門(mén)地坎大約就節(jié)省了30元左右的費(fèi)用。

以一個(gè)年產(chǎn)量1000臺(tái)電梯的小型電梯制造廠為例，每臺(tái)電梯都以10層樓計(jì)算。每臺(tái)電梯需要轎廂門(mén)地坎1個(gè)，層門(mén)地坎10個(gè)，一年需要的地坎數(shù)量為11000個(gè)，聚甲醛材料僅僅在地坎上節(jié)約的成本費(fèi)用就大約為33萬(wàn)元。全國(guó)電梯的年產(chǎn)量約為30萬(wàn)臺(tái)，電梯門(mén)地坎上使用聚甲醛材料每年就能為電梯制造企業(yè)節(jié)約近1億元左右的成本。

3 聚甲醛地坎成型工藝方案

聚甲醛材料屬于工程塑料的一種，其常見(jiàn)的成型加工工藝主要有三種；分別為注塑成型、擠出成型和壓注成型。根據(jù)電梯門(mén)地坎產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸擬定出以下兩種較為合理可行的成型加工方案：

(1)方案1 采用注塑成型工藝，結(jié)合注塑成型加工的特點(diǎn)和地坎外形尺寸特征，需要對(duì)工藝結(jié)構(gòu)做以下兩點(diǎn)調(diào)整：

1)電梯門(mén)地坎為長(zhǎng)條形，長(zhǎng)度尺寸大，如采用常規(guī)一模一件的方式注塑成型，其模具尺寸大，不僅技術(shù)難度大、成本高，且成品質(zhì)量無(wú)法得到有效控制。因此，將長(zhǎng)度為1800mm的地坎分為兩段900mm進(jìn)行注塑成型，采用一模兩件的方式。

2)根據(jù)圖1所示，地坎零件有多個(gè)槽，為了便于注塑工藝中進(jìn)行抽芯處理，需要將地坎零件中的槽均調(diào)整為直槽。調(diào)整后的截面形狀做如圖3所示：

圖3 聚甲醛地坎注塑成型工藝的截面結(jié)構(gòu)調(diào)整

注塑成型方案可一次完成成型加工，兩雜物漏孔不需進(jìn)行另外的機(jī)加工完成，可以任意在地坎工件上增加網(wǎng)狀等需要的工藝結(jié)構(gòu)；且注塑完成后的成品的形狀尺寸精度，力學(xué)性能均比較好。雖然方案1中對(duì)地坎工藝結(jié)構(gòu)做了調(diào)整，并采用了一模兩件的方式進(jìn)行注塑成型。但是，多個(gè)直槽需要抽芯，且長(zhǎng)度還是較長(zhǎng)，存在接頭，注塑模具工藝成本比較高，僅開(kāi)模就約需要5萬(wàn)左右的開(kāi)模成本。

(2)方案2 采用擠出成型工藝，可以將長(zhǎng)度為1800mm的電梯門(mén)地坎整體進(jìn)行擠出成型，地砍零件上各個(gè)槽的結(jié)構(gòu)形狀不受工藝限制，無(wú)需均為直槽。但是，根據(jù)擠出成型工藝的特點(diǎn)，對(duì)于這一地坎零件兩個(gè)雜物漏孔的加工無(wú)法在一次性擠出成型中完成，需要再增加單件機(jī)加工的方法加工地坎上的兩個(gè)雜物漏孔（如圖4所示）。

圖4 電梯門(mén)地坎的2個(gè)雜物漏孔

這一擠出成型的方案2相對(duì)于注塑成型的方案1，由于擠出模尺寸小、產(chǎn)品成型后基本不需要精加工、擠出工藝簡(jiǎn)單，其模具成本要大大低于注塑模，只需約0.5萬(wàn)元左右；且擠出成型后的產(chǎn)品的力學(xué)性能與注塑模較為接近。但是，擠出成型工藝只能加工具有相同截面尺寸的工件，因此，地坎上兩雜物漏孔需要在擠出成型后進(jìn)行另外的機(jī)加工來(lái)完成，每件地坎成品會(huì)增加約1元左右的加工成本；且無(wú)法在地坎工件上任意增加網(wǎng)狀等需要的工藝結(jié)構(gòu)，擠出成型的零件的直線(xiàn)度等形狀尺寸精度要比方案1的注塑成型差。

4 替代應(yīng)用的研究方法與技術(shù)路線(xiàn)

本文主要研究聚甲醛等高分子材料在電梯門(mén)地坎中的替代應(yīng)用，通過(guò)電梯門(mén)地坎產(chǎn)品的受力狀況及應(yīng)力仿真分析、聚甲醛材料和傳統(tǒng)的鋁合金材料力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)、聚甲醛電梯門(mén)地坎加工成型工藝優(yōu)化的研究以及制造成本分析，實(shí)現(xiàn)聚甲醛材料在電梯門(mén)地坎零部件中替代傳統(tǒng)的鋁合金金屬材料。其研究方法與技術(shù)路線(xiàn)圖如圖2所示：

(1)對(duì)電梯門(mén)地坎等電梯零部件國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析研究，得到其需滿(mǎn)足的相關(guān)技術(shù)要求和指標(biāo)?？梢詾槭芰顩r及應(yīng)力仿真分析模型的建立提供一定的約束條件，為力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)對(duì)比是否理想提供一些指標(biāo)的依據(jù)。

(2)電梯門(mén)地坎的受力狀況及應(yīng)力仿真分析研究，為聚甲醛電梯門(mén)地坎樣件加工成型工藝方法的選定與優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。利用有限元力學(xué)分析軟件，建立仿真模型，得到電梯門(mén)地坎樣件的受力狀況和應(yīng)力分布情況。

(3)通過(guò)加工成型工藝方法的優(yōu)化研究，獲得合理優(yōu)化的溫度、壓力、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)，進(jìn)而得到成本相對(duì)較低，力學(xué)性能又能滿(mǎn)足技術(shù)要求的聚甲醛電梯門(mén)地坎產(chǎn)品樣件。

(4)通過(guò)聚甲醛電梯門(mén)地坎樣件與傳統(tǒng)鋁合金電梯門(mén)地坎產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用以驗(yàn)證聚甲醛作為電梯門(mén)地坎的材料是否滿(mǎn)足性能要求，是否可以替代傳統(tǒng)的鋁合金材料。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和萬(wàn)能硬度儀分別測(cè)試聚甲醛與傳統(tǒng)鋁合金地坎的強(qiáng)度、剛度和硬度等力學(xué)性能，對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 地坎材料替代應(yīng)用研究的技術(shù)路線(xiàn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從電梯等特種機(jī)械設(shè)備自身的發(fā)展趨勢(shì)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益出發(fā)說(shuō)明了聚甲醛材料在電梯門(mén)地坎零件中替代應(yīng)用研究的必要性。通過(guò)電梯門(mén)地坎結(jié)構(gòu)與功能、聚甲醛材料的力學(xué)性能特點(diǎn)、聚甲醛電梯門(mén)地坎樣件的成型工藝方案以及生產(chǎn)成本的分析論證本文替代應(yīng)用研究的可行性。但是，高分子材料仍處在不斷發(fā)展中，一些重要力學(xué)性能指標(biāo)及穩(wěn)定性還不能完全達(dá)到鋼材等金屬材料的水平；很多高質(zhì)量、高性能的高分子材料的原料（如聚甲醛材料）還在很大程度上依賴(lài)于進(jìn)口。因此，國(guó)內(nèi)利用高分子材料替代鋼材，鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料研究應(yīng)用的發(fā)展受到較大的制約，替代的零部件主要還是集中在小型非重要的輔助零部件，總體水平與國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域相比仍有不小的差距。

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