聚甲醛材料在电梯门地坎的替代应用

李士林,涂春磊

（江苏省特种设备安全监督检验研究院,南京,210036）

0 引言

上世纪90年代以来，随着世界经济快速发展及经济全球化, 发达的工业化国家纷纷研制出高速及超高速电梯，我国的电梯发展技术也是日新月异。电梯不仅是代步的工具,也是人类文明的标志,其技术的发展正体现了社会的进步与文明。2010年，我国电梯年产量已经超过30万台，占世界产量的三分之一。随着我国城市化进程的推进，城市建筑电梯需求依然强劲。但电梯生产过程中需要消耗大量的金属材料，节能环保问题是目前电梯设计单位和生产厂家急待解决的首要课题。

近年来，采用工程塑料等高分子材料取代钢材、铝合金等传统金属矿石材料已经成为未来机械工业发展的重要趋势。高分子材料相对于传统的金属材料不仅力学性能优越、比重小、成本低，而且在原料制备、成品加工过程中大大降低能源消耗，从而减少了因能源消耗引起的环境污染。电梯等特种机械设备也不例外，例如，导向滑块采用尼龙材料、缓冲器采用聚氨酯材料等均已非常普遍。

本文结合电梯门地坎结构与功能、聚甲醛材料的力学性能、成型工艺特点及制造成本对比等，提出了运用聚甲醛材料替代电梯门地坎中铝合金材料的方法。不仅可以为电梯制造企业节约生产成本、节约能源消耗、减少环境污染等，而且可以为高分子材料在电梯等特种机械设备中进一步的替代应用提供重要的参考价值。

1 电梯门地坎结构与工况特点

电梯门地坎分为层门地坎和轿厢门地坎，两者在结构上没有什么区别，主要作用是用于层门或轿厢们的开合导向。其主要结构如下图1所示：

图1 传统铝合金地坎的结构图

由图1可知，电梯门地坎主要包括用于导向滑动的直槽和清除灰

尘杂物的漏孔。其结构与工况主要有以下几个特点：

1.1 外形结构简单、截面形状相同、长宽比大，为长条形工件。

1.2 运行过程中，电梯门始终悬挂在顶端的导轨上，地坎是不承受电梯门重量载荷的，只是受到行人踩踏或拖货小车的碾压，在电梯系统中并非是重要的承载零部件。因此，GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》国家标准在7.4.1地坎的要求中，“每个层站入口均应装设一个具有足够强度的地坎，以承受通过它进入轿厢的载荷”。8.3.2 轿壁、轿厢地板和轿顶应具有足够的机械强度，包括轿厢架、导靴、轿壁、轿厢地板和轿顶的总成也须有足够的机械强度，以承受在电梯正常运行、安全钳动作或轿厢撞击缓冲器的作用力。对电梯门地坎零部件对于抗拉强度，抗弯曲强度等性能指标均没有特别的要求。

1.3 电梯门地坎主要作用就是为电梯门的开合导向，运行中其滑槽需要与电梯门的尼龙导向滑块发生滑动摩擦。因此，要求地坎材料的滑动性能和耐磨性要好，表面硬度要大于尼龙滑块；且地坎零件必须保证有一定的刚度和形状尺寸精度。

2 POM材料的性能特点及成本分析

2.1 聚甲醛（POM）性能特点

聚甲醛（POM）为热塑性结晶聚合物，是一种表面光滑，白色有光泽的硬而致密的材料，具有较高的弹性模量，很高的刚性和硬度，比强度和比刚性接近于金属，且摩擦系数小，耐磨耗，尺稳定性好。聚甲醛常用来代替铜、锌、锡、铅等有色金属，有“夺钢”、“超钢”之称，其力学性能与金属比较接近，和铝合金材料相比较，其主要性能指标见表1表2。

表1 聚甲醛（POM）材料的性能参数

表2 常用的铝合金（5052）材料的性能参数

聚甲醛材料的性能特点主要有以下几点：

1)比强度高，耐疲劳强度高，尺寸稳定性好，产品的形状、尺寸精度高。可用于替代某些金属材料，生产制造齿轮等重要的机械传动构件。

2)表面硬度高，刚度好。可用于替代金属材料，生产制造一些汽车零配件。

3)耐磨性好，摩擦性能优异，具有良好的滑动性能。可用于替代某些钢材，生产制造轴承等耐磨性要求高的机械零件。

4)聚甲醛材料原料为白色的，制作成品时可以添加任何颜色，如添加黄色安全色，在电梯进门时起到警示使用。

2.2 聚甲醛（POM）成本分析

聚甲醛材料另一个重要的优势是其原料成本相对低，是普通碳钢成本的60%-80%，不足铝合金成本的40%。而且聚甲醛是通过甲醇制备而成，其生产制备过程相对钢、铝合金等金属材料节能环保。目前已经广泛的应用于汽车、机械制造、电器以及军工行业。

目前，聚甲醛（POM）原料价格大约为1.3万-1.8万/吨，铝合金材料价格大约为2.3万/吨，而聚甲醛的比重仅为铝合金材料的1/2。因此，相同尺寸大小的零件，采用聚甲醛材料，其原料的成本还不到铝合金材料的40%。采用聚甲醛材料，仅原料成本就会降低超过60%。

以长度为1800mm、宽度为55mm、高度为25mm、结构形式如图1的电梯门地坎为例。若采用传统的铝合金材料，其市场价格大约为80元；如采用聚甲醛材料，即使都以最高的原料、加工费用估算，其市场价格也只是在50元左右。一个电梯门地坎大约就节省了30元左右的费用。

以一个年产量1000台电梯的小型电梯制造厂为例，每台电梯都以10层楼计算。每台电梯需要轿厢门地坎1个，层门地坎10个，一年需要的地坎数量为11000个，聚甲醛材料仅仅在地坎上节约的成本费用就大约为33万元。全国电梯的年产量约为30万台，电梯门地坎上使用聚甲醛材料每年就能为电梯制造企业节约近1亿元左右的成本。

3 聚甲醛地坎成型工艺方案

聚甲醛材料属于工程塑料的一种，其常见的成型加工工艺主要有三种；分别为注塑成型、挤出成型和压注成型。根据电梯门地坎产品的结构和尺寸拟定出以下两种较为合理可行的成型加工方案：

(1)方案1 采用注塑成型工艺，结合注塑成型加工的特点和地坎外形尺寸特征，需要对工艺结构做以下两点调整：

1)电梯门地坎为长条形，长度尺寸大，如采用常规一模一件的方式注塑成型，其模具尺寸大，不仅技术难度大、成本高，且成品质量无法得到有效控制。因此，将长度为1800mm的地坎分为两段900mm进行注塑成型，采用一模两件的方式。

2)根据图1所示，地坎零件有多个槽，为了便于注塑工艺中进行抽芯处理，需要将地坎零件中的槽均调整为直槽。调整后的截面形状做如图3所示：

图3 聚甲醛地坎注塑成型工艺的截面结构调整

注塑成型方案可一次完成成型加工，两杂物漏孔不需进行另外的机加工完成，可以任意在地坎工件上增加网状等需要的工艺结构；且注塑完成后的成品的形状尺寸精度，力学性能均比较好。虽然方案1中对地坎工艺结构做了调整，并采用了一模两件的方式进行注塑成型。但是，多个直槽需要抽芯，且长度还是较长，存在接头，注塑模具工艺成本比较高，仅开模就约需要5万左右的开模成本。

(2)方案2 采用挤出成型工艺，可以将长度为1800mm的电梯门地坎整体进行挤出成型，地砍零件上各个槽的结构形状不受工艺限制，无需均为直槽。但是，根据挤出成型工艺的特点，对于这一地坎零件两个杂物漏孔的加工无法在一次性挤出成型中完成，需要再增加单件机加工的方法加工地坎上的两个杂物漏孔（如图4所示）。

图4 电梯门地坎的2个杂物漏孔

这一挤出成型的方案2相对于注塑成型的方案1，由于挤出模尺寸小、产品成型后基本不需要精加工、挤出工艺简单，其模具成本要大大低于注塑模，只需约0.5万元左右；且挤出成型后的产品的力学性能与注塑模较为接近。但是，挤出成型工艺只能加工具有相同截面尺寸的工件，因此，地坎上两杂物漏孔需要在挤出成型后进行另外的机加工来完成，每件地坎成品会增加约1元左右的加工成本；且无法在地坎工件上任意增加网状等需要的工艺结构，挤出成型的零件的直线度等形状尺寸精度要比方案1的注塑成型差。

4 替代应用的研究方法与技术路线

本文主要研究聚甲醛等高分子材料在电梯门地坎中的替代应用，通过电梯门地坎产品的受力状况及应力仿真分析、聚甲醛材料和传统的铝合金材料力学性能对比实验、聚甲醛电梯门地坎加工成型工艺优化的研究以及制造成本分析，实现聚甲醛材料在电梯门地坎零部件中替代传统的铝合金金属材料。其研究方法与技术路线图如图2所示：

(1)对电梯门地坎等电梯零部件国内外相关技术标准进行对比分析研究，得到其需满足的相关技术要求和指标。可以为受力状况及应力仿真分析模型的建立提供一定的约束条件，为力学性能实验对比是否理想提供一些指标的依据。

(2)电梯门地坎的受力状况及应力仿真分析研究，为聚甲醛电梯门地坎样件加工成型工艺方法的选定与优化提供一定的理论指导。利用有限元力学分析软件，建立仿真模型，得到电梯门地坎样件的受力状况和应力分布情况。

(3)通过加工成型工艺方法的优化研究，获得合理优化的温度、压力、保压时间等工艺参数，进而得到成本相对较低，力学性能又能满足技术要求的聚甲醛电梯门地坎产品样件。

(4)通过聚甲醛电梯门地坎样件与传统铝合金电梯门地坎产品进行力学性能对比实验，用以验证聚甲醛作为电梯门地坎的材料是否满足性能要求，是否可以替代传统的铝合金材料。利用万能试验机和万能硬度仪分别测试聚甲醛与传统铝合金地坎的强度、刚度和硬度等力学性能，对比测试实验结果。

图2 地坎材料替代应用研究的技术路线图

5 结束语

本文从电梯等特种机械设备自身的发展趋势以及经济社会效益出发说明了聚甲醛材料在电梯门地坎零件中替代应用研究的必要性。通过电梯门地坎结构与功能、聚甲醛材料的力学性能特点、聚甲醛电梯门地坎样件的成型工艺方案以及生产成本的分析论证本文替代应用研究的可行性。但是，高分子材料仍处在不断发展中，一些重要力学性能指标及稳定性还不能完全达到钢材等金属材料的水平；很多高质量、高性能的高分子材料的原料（如聚甲醛材料）还在很大程度上依赖于进口。因此，国内利用高分子材料替代钢材，铝合金等传统金属材料研究应用的发展受到较大的制约，替代的零部件主要还是集中在小型非重要的辅助零部件，总体水平与国外相关领域相比仍有不小的差距。

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