聚甲醛材料在電梯門地坎的替代應用

李士林,涂春磊

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院,南京,210036）

0 引言

上世紀90年代以來，隨著世界經濟快速發展及經濟全球化, 發達的工業化國家紛紛研制出高速及超高速電梯，我國的電梯發展技術也是日新月異。電梯不僅是代步的工具,也是人類文明的標志,其技術的發展正體現了社會的進步與文明。2010年，我國電梯年產量已經超過30萬臺，占世界產量的三分之一。隨著我國城市化進程的推進，城市建筑電梯需求依然強勁。但電梯生產過程中需要消耗大量的金屬材料，節能環保問題是目前電梯設計單位和生產廠家急待解決的首要課題。

近年來，采用工程塑料等高分子材料取代鋼材、鋁合金等傳統金屬礦石材料已經成為未來機械工業發展的重要趨勢。高分子材料相對于傳統的金屬材料不僅力學性能優越、比重小、成本低，而且在原料制備、成品加工過程中大大降低能源消耗，從而減少了因能源消耗引起的環境污染。電梯等特種機械設備也不例外，例如，導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。

本文結合電梯門地坎結構與功能、聚甲醛材料的力學性能、成型工藝特點及制造成本對比等，提出了運用聚甲醛材料替代電梯門地坎中鋁合金材料的方法。不僅可以為電梯制造企業節約生產成本、節約能源消耗、減少環境污染等，而且可以為高分子材料在電梯等特種機械設備中進一步的替代應用提供重要的參考價值。

1 電梯門地坎結構與工況特點

電梯門地坎分為層門地坎和轎廂門地坎，兩者在結構上沒有什么區別，主要作用是用于層門或轎廂們的開合導向。其主要結構如下圖1所示：

圖1 傳統鋁合金地坎的結構圖

由圖1可知，電梯門地坎主要包括用于導向滑動的直槽和清除灰

塵雜物的漏孔。其結構與工況主要有以下幾個特點：

1.1 外形結構簡單、截面形狀相同、長寬比大，為長條形工件。

1.2 運行過程中，電梯門始終懸掛在頂端的導軌上，地坎是不承受電梯門重量載荷的，只是受到行人踩踏或拖貨小車的碾壓，在電梯系統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范》國家標準在7.4.1地坎的要求中，“每個層站入口均應裝設一個具有足夠強度的地坎，以承受通過它進入轎廂的載荷”。8.3.2 轎壁、轎廂地板和轎頂應具有足夠的機械強度，包括轎廂架、導靴、轎壁、轎廂地板和轎頂的總成也須有足夠的機械強度，以承受在電梯正常運行、安全鉗動作或轎廂撞擊緩沖器的作用力。對電梯門地坎零部件對于抗拉強度，抗彎曲強度等性能指標均沒有特別的要求。

1.3 電梯門地坎主要作用就是為電梯門的開合導向，運行中其滑槽需要與電梯門的尼龍導向滑塊發生滑動摩擦。因此，要求地坎材料的滑動性能和耐磨性要好，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材料的性能特點及成本分析

2.1 聚甲醛（POM）性能特點

聚甲醛（POM）為熱塑性結晶聚合物，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，比強度和比剛性接近于金屬，且摩擦系數小，耐磨耗，尺穩定性好。聚甲醛常用來代替銅、鋅、錫、鉛等有色金屬，有“奪鋼”、“超鋼”之稱，其力學性能與金屬比較接近，和鋁合金材料相比較，其主要性能指標見表1表2。

表1 聚甲醛（POM）材料的性能參數

表2 常用的鋁合金（5052）材料的性能參數

聚甲醛材料的性能特點主要有以下幾點：

1)比強度高，耐疲勞強度高，尺寸穩定性好，產品的形狀、尺寸精度高。可用于替代某些金屬材料，生產制造齒輪等重要的機械傳動構件。

2)表面硬度高，剛度好。可用于替代金屬材料，生產制造一些汽車零配件。

3)耐磨性好，摩擦性能優異，具有良好的滑動性能。可用于替代某些鋼材，生產制造軸承等耐磨性要求高的機械零件。

4)聚甲醛材料原料為白色的，制作成品時可以添加任何顏色，如添加黃色安全色，在電梯進門時起到警示使用。

2.2 聚甲醛（POM）成本分析

聚甲醛材料另一個重要的優勢是其原料成本相對低，是普通碳鋼成本的60%-80%，不足鋁合金成本的40%。而且聚甲醛是通過甲醇制備而成，其生產制備過程相對鋼、鋁合金等金屬材料節能環保。目前已經廣泛的應用于汽車、機械制造、電器以及軍工行業。

目前，聚甲醛（POM）原料價格大約為1.3萬-1.8萬/噸，鋁合金材料價格大約為2.3萬/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，僅原料成本就會降低超過60%。

以長度為1800mm、寬度為55mm、高度為25mm、結構形式如圖1的電梯門地坎為例。若采用傳統的鋁合金材料，其市場價格大約為80元；如采用聚甲醛材料，即使都以最高的原料、加工費用估算，其市場價格也只是在50元左右。一個電梯門地坎大約就節省了30元左右的費用。

以一個年產量1000臺電梯的小型電梯制造廠為例，每臺電梯都以10層樓計算。每臺電梯需要轎廂門地坎1個，層門地坎10個，一年需要的地坎數量為11000個，聚甲醛材料僅僅在地坎上節約的成本費用就大約為33萬元。全國電梯的年產量約為30萬臺，電梯門地坎上使用聚甲醛材料每年就能為電梯制造企業節約近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。根據電梯門地坎產品的結構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，結合注塑成型加工的特點和地坎外形尺寸特征，需要對工藝結構做以下兩點調整：

1)電梯門地坎為長條形，長度尺寸大，如采用常規一模一件的方式注塑成型，其模具尺寸大，不僅技術難度大、成本高，且成品質量無法得到有效控制。因此，將長度為1800mm的地坎分為兩段900mm進行注塑成型，采用一模兩件的方式。

2)根據圖1所示，地坎零件有多個槽，為了便于注塑工藝中進行抽芯處理，需要將地坎零件中的槽均調整為直槽。調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構調整

注塑成型方案可一次完成成型加工，兩雜物漏孔不需進行另外的機加工完成，可以任意在地坎工件上增加網狀等需要的工藝結構；且注塑完成后的成品的形狀尺寸精度，力學性能均比較好。雖然方案1中對地坎工藝結構做了調整，并采用了一模兩件的方式進行注塑成型。但是，多個直槽需要抽芯，且長度還是較長，存在接頭，注塑模具工藝成本比較高，僅開模就約需要5萬左右的開模成本。

(2)方案2 采用擠出成型工藝，可以將長度為1800mm的電梯門地坎整體進行擠出成型，地砍零件上各個槽的結構形狀不受工藝限制，無需均為直槽。但是，根據擠出成型工藝的特點，對于這一地坎零件兩個雜物漏孔的加工無法在一次性擠出成型中完成，需要再增加單件機加工的方法加工地坎上的兩個雜物漏孔（如圖4所示）。

圖4 電梯門地坎的2個雜物漏孔

這一擠出成型的方案2相對于注塑成型的方案1，由于擠出模尺寸小、產品成型后基本不需要精加工、擠出工藝簡單，其模具成本要大大低于注塑模，只需約0.5萬元左右；且擠出成型后的產品的力學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行另外的機加工來完成，每件地坎成品會增加約1元左右的加工成本；且無法在地坎工件上任意增加網狀等需要的工藝結構，擠出成型的零件的直線度等形狀尺寸精度要比方案1的注塑成型差。

4 替代應用的研究方法與技術路線

本文主要研究聚甲醛等高分子材料在電梯門地坎中的替代應用，通過電梯門地坎產品的受力狀況及應力仿真分析、聚甲醛材料和傳統的鋁合金材料力學性能對比實驗、聚甲醛電梯門地坎加工成型工藝優化的研究以及制造成本分析，實現聚甲醛材料在電梯門地坎零部件中替代傳統的鋁合金金屬材料。其研究方法與技術路線圖如圖2所示：

(1)對電梯門地坎等電梯零部件國內外相關技術標準進行對比分析研究，得到其需滿足的相關技術要求和指標。可以為受力狀況及應力仿真分析模型的建立提供一定的約束條件，為力學性能實驗對比是否理想提供一些指標的依據。

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

(3)通過加工成型工藝方法的優化研究，獲得合理優化的溫度、壓力、保壓時間等工藝參數，進而得到成本相對較低，力學性能又能滿足技術要求的聚甲醛電梯門地坎產品樣件。

(4)通過聚甲醛電梯門地坎樣件與傳統鋁合金電梯門地坎產品進行力學性能對比實驗，用以驗證聚甲醛作為電梯門地坎的材料是否滿足性能要求，是否可以替代傳統的鋁合金材料。利用萬能試驗機和萬能硬度儀分別測試聚甲醛與傳統鋁合金地坎的強度、剛度和硬度等力學性能，對比測試實驗結果。

圖2 地坎材料替代應用研究的技術路線圖

5 結束語

本文從電梯等特種機械設備自身的發展趨勢以及經濟社會效益出發說明了聚甲醛材料在電梯門地坎零件中替代應用研究的必要性。通過電梯門地坎結構與功能、聚甲醛材料的力學性能特點、聚甲醛電梯門地坎樣件的成型工藝方案以及生產成本的分析論證本文替代應用研究的可行性。但是，高分子材料仍處在不斷發展中，一些重要力學性能指標及穩定性還不能完全達到鋼材等金屬材料的水平；很多高質量、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于進口。因此，國內利用高分子材料替代鋼材，鋁合金等傳統金屬材料研究應用的發展受到較大的制約，替代的零部件主要還是集中在小型非重要的輔助零部件，總體水平與國外相關領域相比仍有不小的差距。

[1]羅超理,李萬紅.新型電梯智能化技術[M].清華大學出版社，2002.

[2]張偉.新型電梯自動化技術的特征及發展趨勢[J].硅谷，2011(04): 2-3.

[3]李木，閻玉生.共聚甲醛注塑工藝的分析[J].機械，2010(2): 9-11.

[4]龐紹龍，林桂芳.工程塑料聚甲醛的生產及其應用研究[J]. 化學工程與裝備,2010,(03) .

[5]梁廣民.電梯技術的發展趨勢[J].電梯工業，2006(1): 8-9.

[6]TSG T7001-2009 電梯監督檢驗和定期檢驗規則.