作者：林锦源 / 日立电梯(中国)有限公司
[摘要] 滚轮导靴因运行更为平稳顺畅，维护也相对简便，广泛用于中高速电梯。聚焦电梯滚轮导靴的核心功能部件——滚轮，以应用广泛的聚氨酯滚轮为例，系统分析了影响滚轮耐久性与动态性能的技术因素。在影响滚轮耐久性的技术因素方面，分析了胎面材料的老化性能、胎面与轮毂结合界面的黏合可靠性。在影响滚轮动态性能的技术因素方面，分析了胎面材质、轮毂材质、滚轮加工精度等技术因素，并应用地面加振实验台架进行多组对比实验，量化评估了这些技术因素不同设计参数对滚轮动态性能的影响规律。分析成果可为滚轮导靴的合理选型与优化设计提供参考。
[关键词] 电梯滚轮导靴；聚氨酯滚轮；耐久性；动态性能；材料；工艺；结构
导靴是电梯的重要导向装置，其主要作用是引导轿厢和对重沿导轨平稳运行，防止运行过程中产生晃动或脱轨。根据与导轨的接触方式和工作方式，电梯导靴主要分为两类：靴衬式滑动导靴和滚轮导靴。靴衬式滑动导靴结构简单、成本较低，但依赖滑动摩擦，运行阻力较大，通常需要润滑以减少磨损，多应用于中低速电梯；而滚轮导靴通过滚轮在导轨上滚动，显著降低了摩擦阻力，运行更为平稳顺畅，维护也相对简便，更适用于中高速电梯。
滚轮导靴通常由支架及安装在支架上的滚轮组成，其中滚轮是滚轮导靴的核心功能部件。滚轮通常由胎面、轮毂、轴承及孔用弹性挡圈构成。滚轮的性能直接影响电梯运行的平稳性、乘坐舒适性及滚轮导靴整体的使用寿命。目前电梯行业普遍采用的滚轮胎面材料以聚氨酯或橡胶为主。在本文中，笔者以应用广泛的聚氨酯滚轮为例，系统分析影响滚轮耐久性与动态性能的技术因素。
1 影响滚轮耐久性的技术因素
滚轮的耐久性主要取决于两个技术因素：1)胎面材料的老化性能；2)胎面与轮毂结合界面的黏合可靠性。
1.1 胎面材料的老化性能
滚轮所采用的聚氨酯胎面属于高分子材料，在服役过程中受环境因素综合影响性能会逐渐衰减，即材料老化。老化会导致胎面出现发黏、弹性下降、龟裂等现象，不仅影响乘客乘梯舒适性，还可能引发电梯运行故障，如异常振动与噪声。因此，确保滚轮在全设计寿命内不发生早期老化至关重要。
在众多老化因素中，结合聚氨酯材料特性及电梯实际运行环境分析，热与氧气是引起滚轮老化的主要因素。电梯运行时，聚氨酯滚轮在周期载荷下因黏弹性产生内生热，导致温度上升，进而显著加速热氧老化进程。因此，温度是建立老化预测模型的重要变量。
目前，基于阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程的图线外推法是研究聚合物老化的有效手段之一[1]，该方程定量描述了材料老化速率与温度之间的关系。基于此，可通过建立与温度相关的材料老化模型来预测滚轮使用寿命，具体步骤如下：1)建立静态基础老化模型。通过热氧加速老化实验，获取不同恒定温度下材料关键性能(如拉伸强度、硬度等)随老化时间的衰减数据，构建性能保有率与温度、时间之间的数学模型。2)建立温升–工况关联模型。通过理论分析或实验测试，确定滚轮在电梯运行中的动态工况(载荷、速度、运行时间等)与其因黏弹性生热所致温升之间的函数关系。3)构建动态寿命预测模型。将温升函数代入静态基础老化模型，推导得到滚轮性能衰减与累积工况之间的直接关联模型，从而为材料选型与服役寿命预测提供定量依据。
1.2 胎面与轮毂结合界面的黏合可靠性
滚轮胎面与轮毂通过胶黏剂黏接结合。黏合界面的失效将直接导致滚轮导向功能丧失，可能引发运动部件干涉，甚至触发安全钳误动作，造成安全隐患。其黏合可靠性高度依赖于以下工艺环节的控制：1)轮毂预处理工艺。必须彻底清除黏合面的灰尘、油渍、锈蚀等污染物，确保表面洁净并具有适宜的活化状态。研究表明，提高轮毂表面粗糙度，使轮毂具有更多、更深的微观凹陷，可以与胶黏剂形成更强力的机械互锁，从而获得更高的黏接强度[2]。2)胶黏剂涂覆工艺。需保证胶黏剂涂覆均匀、无漏涂。推荐采用自动化涂胶设备，以确保工艺的一致性与稳定性。3)涂胶环境控制。在涂胶操作、工件转序及固化初期，必须对车间环境的温度和湿度进行严格控制。
业内普遍采用剥离试验来评价滚轮黏合的可靠性，试验通常在常温或高温蒸煮老化后进行。剥离试验中观察到的典型破坏形式主要有3种：胎面本体破坏、胶黏剂-胎面界面破坏、胶黏剂-轮毂界面破坏。其中，胎面本体破坏被认为是黏合效果最理想的表现，因为这表明黏合界面的强度已经超过了胎面材料本身的强度。
2 影响滚轮动态性能的技术因素
滚轮动态性能事关电梯乘坐舒适性，影响滚轮动态性能的技术因素主要有胎面材质、轮毂材质、滚轮加工精度等。其中，胎面材质尤为关键。下面将应用地面加振实验台架，进行多组对比实验，量化评估这3个技术因素不同设计参数对滚轮动态性能的影响规律。
地面加振实验台架是专门用于研究滚轮导靴振动特性的实验装置。该装置通过驱动模块模拟滚轮与导轨在设定线速度下的滚动接触状态，并通过集成的多通道信号采集系统实时监测并记录滚轮导靴的振动时域信号、频域特性及振动加速度等关键参数，从而实现对滚轮导靴综合性能的高效、量化评估。
2.1 胎面材质
聚氨酯是一种分子链中含有特征氨基甲酸酯基团的聚合物，通常由低聚物多元醇、多异氰酸酯及扩链交联剂反应制得[3]。聚醚多元醇在滚轮常见的工作环境中具有优异的耐水解性能，常作为多元醇的首选。多异氰酸酯主要采用甲苯二异氰酸酯(TDI)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，其他还有1，5-萘二异氰酸酯(NDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)等。
聚氨酯具有微相分离结构，由硬段与软段组成。其中：硬段主要由异氰酸酯与扩链剂构成，主导材料的硬度、模量、强度及耐热性；软段则由多元醇构成，主导材料的弹性、耐低温性及动态生热性能。通过调整软硬段的化学结构与组成比例，可制备出具有不同性能的聚氨酯材料[4]。换言之，通过选择不同类型的多元醇、异氰酸酯、扩链剂及其配比，能够有效调控聚氨酯的力学与动态性能，进而影响滚轮的承载能力、内生热特性及吸振降噪效果。
为对比胎面材质不同配方在减振性能上的差异，选取3组聚氨酯配方体系，应用地面加振实验台架进行对比实验，量化评估胎面材质配方设计对滚轮减振性能的影响。实验结果如表1所示。
2.2 轮毂材质
轮毂材质显著影响滚轮的动态性能。表2对比了常用轮毂材质的关键属性，并选取2个典型组别应用地面加振实验台架进行对比实验，量化评估轮毂材质对滚轮减振性能的影响。实验结果如表3所示。由表3可见，合金轮毂较铸铁轮毂能显著降低振动传递率，振动加权值降低了26.1%，在滚轮减振设计中具有一定优势。此外，不同轮毂材质对滚轮温度场性能的影响也是不同的[5]。在实际选型中，可综合权衡目标性能、成本及工艺可行性等因素进行决策。
2.3 滚轮加工精度
以直径为125mm的滚轮为例，该滚轮在电梯额定速度为2.5m/s时，每秒转动约6.37圈。随着电梯速度的提升，滚轮转速进一步增加，此时其外圆的圆度精度对运行性能的影响尤为关键。若滚轮存在圆度偏差，在转动过程中会对导轨产生周期性激励，进而影响电梯运行的平稳性，加剧噪声。
滚轮加工精度通常可通过径向跳动、同轴度或动平衡等指标进行表征，其具体精度水平受外圆圆度、装配工艺、轮毂加工装夹工艺、胎面尺寸精度、轮毂加工精度等多种因素制约。
选取4组滚轮加工精度，应用地面加振实验台架进行对比实验，量化评估滚轮加工精度对滚轮减振性能的影响。实验结果如表4所示。由表4可见，提高滚轮的加工精度有助于降低振动传递率，改善运行平稳性。然而，当加工精度达到某一临界阈值后，由于工作载荷下滚轮产生的弹性变形量已超过其圆度偏差，此时弹性变形成为振动传递的主导因素，导致隔振效果改善趋于饱和。因此，科学设定滚轮的加工精度目标至关重要。过度追求滚轮超高加工精度会显著增加制造成本，对振动的抑制效果也难以实现实质性提升。
3 结语
在电梯用户对乘梯体验要求持续升级的背景下，高性能滚轮导靴的研发已成为电梯企业的重要竞争领域之一。笔者以滚轮导靴的关键部件——滚轮为例，系统分析了影响滚轮耐久性与动态性能的技术因素，并对寿命预测方法及设计选型依据进行了探讨，以期为滚轮导靴的优化设计提供参考。
影响滚轮性能的因素涉及材料、结构与工艺等多个方面。其中，胎面材质尤为关键，直接决定了滚轮的寿命、复原性、承载能力、耐候性、隔振效果及动态响应等。这些指标之间存在相互制约关系，对材料的综合性能提出了更高要求。随着高分子材料技术的快速发展，新一代胎面材质有望实现多项性能的协同优化，从而进一步改善滚轮的整体表现。
对电梯制造单位而言，应立足于电梯全生命周期，以高性能、免维护、高可靠为目标，系统地对滚轮导靴在结构、材质与工艺等方面进行合理选型与优化设计，从而为用户提供更舒适的乘梯体验。
[参考文献]
[1] 张凡，张一帆，徐进，等.浇注型聚氨酯弹性体水热老化性能及使用寿命研究[J]，水利与建筑工程学报，2022，20(5)：200-206.
[2] 赵欣苗.PTMG/PEEG混合软段聚氨酯弹性体的制备及黏接性能研究[J].2023，45(增刊1)：38-42.
[3] 刘厚钧.聚氨酯弹性体手册[M].2版.北京：化学工业出版社，2012：9.
[4] 张玉瑞，管永，刘永成，等.不同结构扩链剂对聚酯型热塑性聚氨酯弹性体性能影响的研究[J].化学推进剂与高分子材料，2025，23(1)：42.
[5] 陈智兴.蒙脱土/PTMG型聚氨酯弹性体的制备及其生热性能研究[D].青岛：青岛科技大学，2022.
文章来源：中国电梯
