電梯滑動摩擦副潤滑性能的研究＊

周海波

上海三菱電梯有限公司 上海 200245

靴襯是電梯滑動導靴中直接與導軌接觸的重要零件，主要起到電梯上下運行的導向和穩定作用，廣泛使用在中低速升降電梯中。電梯導靴靴襯和T型導軌形成的摩擦副一般都在潤滑油潤滑下運行，在此條件下，從使用不同性能靴襯的電梯試驗結果來看，滑動靴襯的性能對于電梯的整體振動性能有較大的影響。因此，必須對電梯滑動靴襯與T型導軌形成的摩擦副的潤滑性能進行研究，找出該摩擦副影響電梯振動性能的原因。筆者從電梯滑動摩擦副的潤滑、承載和減磨機理的研究入手，通過潤滑模型的建立和實例計算，提出了油潤滑下以降低電梯振動性能指標為目標的電梯滑動摩擦副優化策略。

1 滑動摩擦副潤滑介紹

電梯靴襯與T型導軌形成的摩擦副是典型的滑動摩擦副，該滑動摩擦副由3部分組成，分別是滑動靴襯、T型導軌和潤滑［1］。由于電梯本身的結構特點，滑動摩擦副引起的電梯振動影響主要體現在導靴的正面摩擦副上，導靴的側面摩擦副對電梯的振動影響比重較小，可以忽略。因此，僅對導靴的正面靴襯與T型導軌形成的摩擦副進行研究，如圖1所示。

圖1 電梯靴襯滑動摩擦副示意圖

一般來說，一臺電梯的轎廂裝有4個滑動導靴，每個滑動導靴內有1個正面靴襯和2個側面靴襯。電梯滑動導靴和靴襯的結構如圖2所示。靴襯的材料采用超高分子量聚乙烯，分子量大于250萬，該材料成型的靴襯具有極高的耐磨性、耐沖擊性和耐腐蝕性，同時還具有良好的自潤滑性。

圖2 電梯滑動導靴和靴襯結構圖

電梯T型導軌是導靴相對運動的部件，其作用是限制轎廂和對重的活動自由，使轎廂和對重只能沿著導軌作升降運動。T型導軌的長度一般每根為5m或4m，整個電梯井道的導軌是由多根導軌首尾連接而成，導軌的材料一般采用Q235A。

電梯導軌潤滑油一般常用長城68號專用導軌油。采用電梯潤滑油的目的是在靴襯和導軌摩擦表面之間形成具有法向承載能力而切向剪切強度低的潤滑膜，用它來減少摩擦阻力和降低靴襯磨損。導軌潤滑油不僅需要具有良好的黏滑特性，能防止出現“爬行”現象，而且具有極佳的抗磨損性能和良好的抗氧化性能，能起到防銹防腐蝕作用。

2 潤滑模型假設條件和符號定義

由于電梯井道中導軌的總長度遠遠大于電梯滑動靴襯的長度，因此可視電梯導軌為無限長直線滑塊，建立的滑動靴襯潤滑模型X－Z示意圖如圖3所示。

圖3 靴襯潤滑模型X－Z示意圖

滑動靴襯潤滑模型X－Y示意圖如圖4所示，陰影部分為靴襯與T型導軌的摩擦接觸面。

圖4 靴襯潤滑模型X－Y示意圖

模型假設如下：

（1）由于靴襯的材料特性，可近視為剛性體。

（2）忽略潤滑油體積力（如重力等）的作用［2］。

（3）潤滑油在T型導軌表面上無滑動，即貼于導軌表面的潤滑油流速與表面速度相同。

（4）在沿潤滑油膜厚度方向不計壓力的變化，由于膜厚僅幾十微米或更小，壓力不會發生明顯變化。

（5）與潤滑油膜厚度相比，滑動靴襯與T型導軌接觸表面的曲率半徑很大，因而可忽略潤滑油膜曲率的影響，并用平移滑動速度代替轉動速度。

（6）電梯導軌潤滑油視為牛頓流體。

（7）流體為層流，潤滑油膜中不存在渦流。

（8）與黏性力比較，可忽略慣性力的影響，包括流體加速的力和油膜彎曲的離心力。

（9）模型不考慮Y方向的端泄情況。

模型參數設定：V為電梯運行速度，m／s；L為滑動靴襯與T型導軌的接觸面長度，m；B為T型導軌正面寬度，m；h為潤滑油膜厚度，μm；h1為進口處油膜厚度，μm；h0為出口處油膜厚度，μm；h－為最大壓力處的膜厚，μm；p為靴襯接觸表面的壓強，Pa；p－為靴襯接觸表面的最大壓強，Pa；W為靴襯承載壓力，N；γ為潤滑油的運動黏度，mm2／s；η為潤滑油的動力黏度，Pa·s；Ra1為導軌表面的粗糙度，μm；Ra2為滑動靴襯表面的粗糙度，μm；Ra為靴襯與導軌的當量粗糙度，μm。

坐標系設定：X方向為導軌長度方向；Y方向為導軌寬度方向；Z方向為T型導軌的垂直方向。

3 滑動摩擦副潤滑模型

3.1 潤滑油膜厚

3.2 壓力分布

由于膜厚h和坐標x呈線性，因此將膜厚對x求導，可得：

將上式代入雷諾方程［2］

對變量h進行積分可得：

3.3 載荷計算

根據式（1）和（7），可得單位長度承載壓力為：

3.4 壓力中心

壓力中心就是載荷作用點，可通過對原點取力矩求得。如圖3所示，設壓力中心與原點的距離為x0，單位長度上的承載壓力為W／L，可得：

將式（7）、式（9）代入，經積分運算后，可得：

4 實例分析

下面以某電梯廠商V＝2.5m／s電梯為例，進行計算分析。該電梯配置的導軌寬度為B＝16mm，導軌粗糙度Ra1＝6.3μm，滑動靴襯的長度為L＝210mm。潤滑油采用長城68號導軌油，該潤滑油的運動黏度（40℃）γ＝69.4mm2／s，密度ρ＝0.85g／cm3，則動力黏度η＝ργ＝0.85γ，得η＝59Pa·s。

假設滑動靴襯無導油槽，且靴襯和導軌之間形成完全動壓潤滑，h0／Ra之值必須大于3［3，4］。靴襯與導軌兩個粗糙表面的接觸情況可以轉化為一個光滑的剛性表面和另一個具有均方根值為的粗糙表面相接處。將Ra1、Ra2代入可得Ra值。取h0＝3Ra，可得h0值。

根據式（9），將W對K求極值，即令dW／dK＝0，可以求得對應于最大承載壓力的K值，得K＝1.2，h1／h0＝2.2時，此時W為最大值。當靴襯所受的實際壓力值小于W最大值時，電梯滑動靴襯摩擦副處于完全動壓潤滑狀態。

滑動靴襯的粗糙度Ra2一般在1.6～12.5μm范圍內，取滑動靴襯粗糙度的典型值1.6μm、3.2μm、6.3μm和12.5μm，分別和參數h0、h1、K、η一起代入計算，可得不同靴襯表面粗糙度的4組計算值，見表1。

圖5是靴襯粗糙度與潤滑油膜厚度的關系圖，其中潤滑油膜厚度包括出口油膜厚度、最大壓力處膜厚和進口油膜厚度。可見，隨著靴襯粗糙度的增加，出口油膜厚度、最大壓力處膜厚和進口油膜厚度都隨之增加。

圖6是靴襯粗糙度與壓強的關系圖，其中壓強包括表面最大壓強和靴襯最大壓強（設計值）。可見，表面最大壓強隨著靴襯粗糙度的增加而減小。最大靴襯壓強為電梯正常工作時靴襯所受壓強的最大值，表面最大壓強線以下區域都為完全動壓潤滑區域。因此，電梯正常工作時，靴襯與導軌之間的摩擦副都處于完全動壓潤滑狀態。

表1 不同靴襯表面粗糙度的四組計算值

圖5 靴襯粗糙度－油膜厚度關系圖

圖6 靴襯粗糙度－壓強關系圖

圖7是靴襯粗糙度與承載壓力的關系圖，其中壓力包括承載壓力和靴襯最大壓力（設計值）。可見，承載壓力隨著靴襯粗糙度的增加而減小。靴襯最大壓力為電梯正常工作時靴襯所受壓力的最大值，承載壓力線以下區域都為完全動壓潤滑區域，因此也能確定電梯正常工作時，靴襯與導軌之間的摩擦副處于完全動壓潤滑狀態。

圖7 靴襯粗糙度－承載壓力關系圖

在滿足假設條件的情況下，以上述2.5m／s電梯和相應的導軌導靴配置為例，通過計算分析，可以得出如下結論。

（1）在油潤滑下電梯滑動靴襯摩擦副形成動壓潤滑程度的大小是反映該摩擦副對電梯振動影響的主要因素。任何對該摩擦副的動壓潤滑有利的措施和改進，都對降低電梯振動具有一定作用。

（2）電梯滑動靴襯與導軌形成的摩擦副在長城68號導軌油的潤滑下可形成完全動壓潤滑。對于不同表面粗糙度的靴襯摩擦副，形成完全動壓潤滑的壓力中心位置是不變的。

（3）電梯滑動靴襯摩擦副形成動壓潤滑的程度主要與電梯運行速度V、靴襯與導軌的接觸面長度L、潤滑油的動力黏度η和導軌寬度B直接有關，靴襯所受壓力大小與電梯運行速度V、靴襯有效接觸面積長度平方L2、潤滑油的動力黏度η和導軌寬度B分別成正比。

5 滑動摩擦副優化策略

在電梯實際工況下，由于導靴與導軌間存在建筑垃圾、磨削顆粒、靴襯帶折線導油槽、電梯安裝水平不均等因素的存在，電梯滑動靴襯摩擦副的潤滑狀態可能從完全動壓潤滑狀態轉變成動壓潤滑與邊界潤滑共存的混合潤滑狀態，甚至在局部位置還可能存在純邊界潤滑狀態。因此，在對電梯滑動摩擦副各要素進行優化時，把是否有利于形成該摩擦副動壓潤滑作為判斷優化措施對降低電梯振動是否有利的重要條件。

油潤滑條件下以降低電梯振動性能指標為目標的電梯滑動摩擦副優化策略如下。

（1）靴襯長度。在電梯結構布置和土建尺寸允許的情況下，適當增加滑動靴襯的長度，有利于靴襯摩擦副動壓潤滑的形成，對改善電梯振動有一定的好處。

（2）靴襯粗糙度。降低靴襯的粗糙度是電梯減振的有效措施之一，靴襯粗糙度越小，對摩擦副動壓潤滑的形成越有利。電梯安裝過程中每兩根導軌連接處存在一定的高低不平，兩個不平面形成的刀口尺寸遠遠大于導軌粗糙度尺寸。因此，電梯滑動靴襯表面產生的粗糙凹凸主要是由導軌接頭不平整刀口刮擦所致。

（3）靴襯導油槽。靴襯導油槽的分布對滑動靴襯摩擦副的潤滑性能有很大影響，合理的油槽分布能有效地增加靴襯摩擦副的動壓潤滑，提高靴襯抗磨損能力，增加靴襯使用壽命。采用折線導油槽的靴襯，使靴襯內部的壓力快速降低，靴襯動壓潤滑有效長度逐漸變小，這將導致電梯運行時，靴襯摩擦副由完全動壓潤滑狀態迅速轉變成混合潤滑狀態或純邊界潤滑狀態。因此，在設計靴襯導油槽時，既要考慮靴襯導油槽的導油效果，又要盡量少破壞靴襯摩擦副的動壓潤滑狀態。

（4）導軌粗糙度。導軌的粗糙度由導軌的加工工藝決定。從是否有利于摩擦副形成動壓潤滑來看，降低導軌的表面粗糙度有一定意義，但考慮電梯安全鉗制動要求，導軌的表面粗糙度又不能太小。因此，導軌表面粗糙度最優值的選擇需要通過實驗來確定。

（5）導軌接頭。電梯導軌接頭不平整程度決定了靴襯表面粗糙度的大小和靴襯使用壽命的長短，為了有效地減少靴襯摩擦副對整梯的振動影響和提高靴襯的使用壽命，必須在導軌安裝時，盡可能使導軌接頭平整，不形成刀口。

（6）導軌潤滑油。根據電梯的不同使用環境和工況，選用相適應黏度的潤滑油，對電梯滑動靴襯摩擦副動壓潤滑的形成非常有利。動力黏度隨環境溫度而變化是潤滑油的一個重要特征，潤滑油的黏度越高，其對溫度的變化就越敏感。為了確定滑動摩擦副在實際工況下的潤滑性能，必須根據潤滑油所在工作溫度下的黏度進行分析。

6 結束語

對電梯滑動靴襯與T型導軌形成的滑動摩擦副的潤滑、承載和減磨機理的分析研究是電梯產品研發過程的重要步驟，它與工程實驗分析方法的結合能有效提高電梯開發的效率。實際的電梯使用工況遠比理論計算模型要復雜，定量計算的結果有時也會與試驗數據存在不少偏差，但這都不影響在局部范圍內使用定量計算分析方法的重要作用。

［1］張琦.現代電梯構造與使用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］溫詩鑄，黃平.摩檫學原理［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［3］葛中民，侯虞鏗，溫詩鑄編.耐磨損設計［M］.北京：機械工業出版社，1991.

［4］周桂如，馬驥，全永昕編.流體潤滑理論［M］.杭州：浙江大學出版社，1986.

［5］紀敬虎.摩擦副表面微凹槽織構相關摩擦學理論及試驗研究［D］.鎮江：江蘇大學，2012.