Materials – 三维打印仿生电梯摩擦垫，增强动态摩擦性能

城市的发展和对高层建筑的日益增长需求推动了电梯行业的不断扩张。垂直运输需求使得对于各种类型的建筑，对更安全、更高效的垂直运输系统的需求持续存在。在这一领域的技术进步使得电梯的性能和安全标准得到了提升，相关的安全规定也随之变严格。其中紧急制动系统和安全装置这些机械组件在电梯安全中扮演着关键角色，并且受到各国法规的严格要求。渐进式安全装置（Progressive Safety Gear）是其中一种用于应对潜在危险情况（超过下降速度，悬挂手段断裂等）的机械装置。现阶段这种安全装置在电梯紧急制动系统中的主要缺点是在激活过程中对安全装置本身和导向轨造成的损坏。这些损坏增加了电梯的维护成本和运营成本，尤其是在电梯系统是关键基础设施的建筑中。造成损坏的原因与现有商业化摩擦板形态难以预测其摩擦磨损行为，常常导致导向轨的塑性变形，而不是通过摩擦力实现轿厢（或配重）的固定。对乘客而言，这种变形行为还会导致乘客在电梯中的不良体验，并增加乘客受伤的可能性。为了解决上述问题，科研界和电梯行业在过去几十年中对渐进式安全装置进行了检查，提交了许多相关专利。然而，关于检查摩擦板接触区域的新模式以及提高其动态摩擦性能的发表文献却很少。在这种情况下，本研究提出了一种技术解决方案，以解决这些问题。

图1展示了渐进式安全装置的工作原理和操作过程，具体包括以下几个阶段：

1.休息阶段：在这个阶段，安全装置的轮子与导向轨保持几毫米的安全距离。与此同时，摩擦板与导向轨的距离保持在1-3毫米。

2.激活阶段：在此阶段，轮子刚刚接触到导向轨，标志着安全装置开始介入。

3.楔入阶段：轮子移动并与导向轨接触，直到导向轨与安全装置背部之间的间隙缩小至零。此时，安全装置开始进行制动操作。

4.渐进制动阶段：导向轨与摩擦板接触后，弹簧被压缩。随着弹簧的压缩，摩擦力逐渐增大，实现渐进式的制动效果。

为了优化表面结构来改善渐进式安全装置的摩擦性能，本研究采用了四种不同的表面结构化，包括扩展蜂窝、蜂窝、斑点蜂窝和类似汽车轮胎的结构。这些结构受到自然界中具有高动态摩擦性能的结构启发，如青蛙后腿的垫和猎豹腿部的垫，分别用于蜂窝结构和类似汽车轮胎的结构。这些结构集成到现有的摩擦垫结构中（图2）。蜂窝配置通常在汽车工业中用于制动应用，显示出增强的制动性能，因此四种选择的结构中有三种属于这一类。汽车轮胎结构被设计用于在道路上提供牵引力，因此相应的结构（类似汽车轮胎）也是电梯制动垫的合适候选。除了图案的选择外，表面结构化还需要考虑具有足够的接触面积，同时具有足够的通道用于清除碎屑。

不同的表面结构化摩擦垫在Tribolab通用材料测试设备进行摩擦学实验（图3）。摩擦学测试采用销盘模式，销直径为6.56毫米，移动距离10毫米，正压力50牛顿，滑动速度为1mm/s。这些精心控制的参数为严格检查不同表面结构对摩擦力和磨损特性的影响提供了基础数据。Bruker公司的UMT TriboLab具有优异的测试能力。研究的重点在于确定摩擦系数（CoF），这是一个被广泛接受的摩擦标准参数。通过分析CoF，获得了每种配置的摩擦特性，有助于全面了解它们的摩擦学性能。这种设置有助于集中研究不同表面结构的摩擦学特性，特别是在特定条件下的性能。所有测试在室温下至少进行了五次，在固定孔之间的区域进行，结果显示良好的重复性。

摩擦系数结果显示，蜂窝状和斑点蜂窝状结构的摩擦系数分别为0.317和0.372，表明它们在摩擦学行为上几乎呈现出相同的模式。然而，斑点变体显示出略微升高的摩擦系数，这可能归因于其表面上的斑点存在。这种微妙的区别强调了表面纹理对摩擦动力学的影响，突出了在摩擦学研究中进行表面形貌分析的重要性。如图4所示，沿着滑动方向，由于细胞间的间隙而观察到一个突变。对于扩展蜂窝结构，观察到三个激励，最大摩擦系数达到0.6。此外，该表面结构的平均摩擦系数显著提高到0.459左右。在类似汽车轮胎结构中，摩擦系数明显更高，达到了0.549。摩擦系数值的显著增加突出了类似汽车轮胎模式的独特特性，其中其结构的复杂性可能有助于增强摩擦相互作用。类似汽车轮胎的模式展现出最高的摩擦系数，超过了所有其他结构，巩固了其作为摩擦倾向最高的配置的地位。这种区别强调了不同配置表现出的多样化的摩擦学行为，每种配置都具有其独特的摩擦响应特征。

正因为表面结构影响摩擦特性，本研究也采用Wyko公司的白光干涉仪（被布鲁克收购）获得摩擦垫表面的粗糙度。图5显示了蜂窝状结构的接触面上的三维轮廓。结果显示不同图案的摩擦垫的粗糙度在10微米左右波动。

综上，本研究设计并开发了具有仿生接触面结构的电梯安全摩擦垫，以增加其耐用性和效率。具体而言，本研究设计了四种不同的摩擦垫。这些摩擦垫嵌入了仿生表面格状结构。它们是基于传统设计的模板，即蜂窝状、斑点蜂窝状、扩展蜂窝状和类似汽车轮胎的结构。然后，这些设计利用选择性激光熔化（SLM）3D打印技术进行增材制造，以评估它们与现有系统的兼容性，并实验评估它们的摩擦学行为。结果表明，具有高接触面积的摩擦垫，即类似汽车轮胎和扩展蜂窝结构的垫，分别具有0.549和0.459的高摩擦系数。有限元数值分析的结果表明，具有高摩擦系数的摩擦垫表现出较低的应力，增加了部件的耐用性和效率。预计新设计所展示的降低的载荷和应力将增加制动垫的使用次数，增加它们的生命周期，并减少电梯系统的维护成本和停机时间。

本文的摩擦磨损测试采用布鲁克的摩擦磨损测试仪（UMT TriboLab，原CETR UMT系列）。该摩擦磨损测试仪具有较大的载荷、位移和运动参数调节范围，以及多种环境腔等，通过模块化设计模拟各种实际工况，精确获得各种体系、各种参数下的摩擦磨损特性。此外设备具有广泛的定制扩展能力，适合进行各种二次开放工作。该设备介绍链接如下:

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-measurement/tribometers-and-mechanical-testers.html

本文中摩擦样品的粗糙度采用原Wyko的白光干涉仪NT1100型号。该设备自从2003年上市以后，具有定制的纳米计以及3D计量和非接触电测量等先进功能。它提供了卓越的准确性及可靠性。现在该产品线属于布鲁克纳米表面量测部，以下链接是该系列白光干涉仪的介绍：