CN1164470C - 电梯安全装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电梯的安全装置，具有至少一个固定安装在电梯竖井内的电梯导轨和一个制动部分，所述制动部分包括至少一个摩擦件，该摩擦件具有至少一个摩擦面，所述摩擦面可以抵压在导轨上，以便对电梯进行制动，摩擦件具有的摩擦材料由一种纤维增强的陶瓷复合材料构成，该复合材料包含碳化硅和作为增强成分的碳纤维，其特征在于，复合材料包括碳化硅、碳和仅由碳纤维构成的增强成分的基体，其中碳纤维的长度至少为10mm并且碳纤维在摩擦件内含量在30(体积)%至70(体积)%之间。
Description
发明领域
本发明涉及一种电梯的安全装置，该安全装置具有至少一个固定安装在电梯竖井内的电梯导轨和一个制动部分，所述制动部分包括至少一个制动件，该制动件具有至少一个摩擦面，该摩擦面可以抵压在导轨上，以便对电梯进行制动，制动件具有的摩擦材料由一种纤维增强的陶瓷复合材料构成，该复合材料包含碳化硅和作为增强成分的碳纤维，本发明还涉及制作这种摩擦件的方法。
背景技术
在US-A-5.964.320中记载了所述类型的安全装置或一种用于紧急制动装置的制动块。
公寓单元、观察塔等载人电梯必须除了操作制动器外还要有一单独的应急制动器或应急制动装置。这种应急制动器在紧急情况下，即当电梯轿厢的速度超过规定的最大速度时，作为安全停车装置在乘客可以接受的迟延后采用将摩擦面抵压在电梯竖井中的导轨的方式对轿厢进行制动并可靠地将电梯轿厢保持在停靠不动的位置。
为了充分利用特别是在城市中的地基和空间，现代化的大楼越建越高。为了在适当的时间内可以到达高层建筑中各个楼层，将充分利用达1500米/分钟最高允许速度。这意味着，在紧急情况下对轿厢制动时必须对动能进行吸收，即随速度的提高动能将增大，因而应急制动器的摩擦面-起着线性制动器的作用-将承受极端的负荷。电梯应急制动器的通常的金属摩擦面不能承受这种极端的负荷，在此期间将产生达1000℃的温度。例如在GB-A-2 274 827中记载了上述的通常的摩擦衬层，该衬层具有一石墨相、一斯氏体相、一渗碳体相和一珠光体相。为了满足要求的提高，目前建议对应急电梯制动器采用以氮化硅作为主要成分的陶瓷制动层。
US-A-5.503.257披露了一种电梯安全装置，该装置包括具有陶瓷材料的陶瓷制动部分，所述陶瓷材料由氧化铝、氮化硅或氧化锆构成。
即使这种陶瓷制动层或具有所述层的相应的制动块在实现安全功能时也受到制约，例如在突然将制动块锁定在金属导轨上时，作为机械过应力或热冲击的结果，由于对加在陶瓷上的冲击的固有的脆性和敏感度将导致该衬层的粉碎。
所述由氧化铝、氮化硅或氧化锆构成的陶瓷制动部件的尺寸小于支撑板并嵌接或粘接在支撑板的固定件上。由于陶瓷制动部件和金属支撑板具有不同的膨胀特性，所以完全可以预料到，在高摩擦面温度的情况下制动部件将出现变形和松懈现象。作为制动部件被剪切或粉碎的结果，此点还将导致整个制动装置失效。而且表面尺寸较大的制动部件(即板形制动部件)，由于其耐损度不足以克服增大的弯曲负荷，因而是不适用的。
US-A-5.964.320提出一种用于电梯应急制动器的制动体，所述制动体包括一个制动表面和多个制动部件，所述制动部件在制动区段并突出于制动区段。这些突出的制动部件由复合材料构成，所述复合材料由陶瓷基材构成，所述陶瓷基材包括氮化硅或硼化钛、塞龙和碳化硅系列，所述碳化硅由碳化硅晶须和碳化硅片晶构成，其含量不少于由系列中选出的至少一种陶瓷材料的10(重量)％。由于这类制动块或摩擦衬层包括最少量的SiC晶须(针状纤维的长度达几λm)或SiC片晶(片状部分为微米数量级)，所以陶瓷强度有所增强并且对其抗断裂性能也有小的改进。另外，这类制动部件可以含有10至55(体积)％的长SiC、Si3N4、C或钨纤维，但在此情况下，这些纤维垂直于衬层面。但纤维只能实现很小程度的纤维增强作用。晶须和片晶由于其尺寸很小，所以是可吸入颗粒物，一旦作为摩擦和制动的磨损的结果被游离出，将被人员吸入。目前由于晶须和片晶的毒性和在大多数国家禁止对其应用，因而对其已不再应用。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的在于进一步研制出电梯的一种上述类型的安全装置，从而当轿厢被紧急制动时，满足其最大允许速度达1500米/分钟(等于25米/秒)的应急安全装置的要求和应急制动装置超过1000℃的温度的要求。
本发明目的通过一种上述这种安全装置得以实现，其中复合材料包括碳化硅、碳和优选仅由碳纤维构成的增强成分的基材，其中碳纤维的长度至少为10mm并且在摩擦件内碳纤维的含量为30(体积)％至70(体积)％之间。这样的一种安全装置的特征尤其在于对摩擦件进行增强的等于或长于10mm的碳纤维；不需要晶须和片晶增强材料，因而在紧急制动时不会产生剧烈摩擦出的粉尘。构成增强材料的碳纤维嵌入由碳化硅和碳构成的基材中。在摩擦件中碳纤维的含量在30(体积)％至70(体积)％之间，因而可以确保实现充分高的抗断裂和耐热冲击性能，其中在应实现极低的磨损率和高的热导率的时候，优选具有较少的体积含量的碳纤维，而就复合材料的机械强度而言要求特别严格时，则应采用较大的(体积)含量的碳纤维。
由所要求的机械强度和耐热冲击性能来决定在摩擦件中的碳纤维的量度，上述性能将随着纤维含量的增加而得到改善。为产生适度的耐摩擦和磨损性能，则必须具有最低量的碳化硅。在驱动速度适中或当摩擦衬层可以具有相应的厚度时，优选碳纤维的体积含量较低。而当必须实现高的驱动速度时，或当出于对空间的考虑摩擦衬层必须特别薄时，应采用大的纤维含量。
根据本发明的一优选实施例，碳纤维在摩擦件内设置成纺织和/或编织物的叠层；在此情况时，碳纤维至少与摩擦面平行地设置在摩擦面的区段内。这种纤维设置可以实现在紧急制动摩擦面被剧烈的撞击在导轨上时并且当以达100兆帕的特别高的表面压力保持轿厢处于静止状态时产生的弯曲移动将被吸收。因此采取该措施特别是可以替代多个分离的较小的摩擦，单独一体的大表面摩擦衬层。
由于这种摩擦件具有很高的抗断裂强度，所以除了矩形的衬层和固定孔、横向和纵向槽外，还可以应用圆环板，而不会对这种摩擦件的使用寿命造成不利的影响。当然所有惯用的设计都可以用于将这种摩擦件安装在安全制动装置上。
研究还表明，在摩擦件内，特别是在接近摩擦面的摩擦件区段内的高的陶瓷含量，即碳化硅的含量等于或大于20(重量)％，这将对摩擦系数和耐磨性产生积极的影响。该高的陶瓷含量将有益于提高摩擦系数、热导率和耐磨性。但摩擦件在接近摩擦面的区段内的碳纤维含量只能高到通过复合材料的相应的至少为10W/mK的热导率将摩擦热消散的程度。经发现，当将摩擦件的接近于摩擦面的区段的热导率设置过低时，磨出的金属颗粒将附着在衬层面上，因而将导致在紧急制动时与导轨的粘连。因而将造成摩擦件接近于摩擦面的区段部分受到损坏或脱落。
摩擦件的一种有益的结构是不加覆盖的最小长度为10mm的碳纤维。在热处理的情况下较短的纤维在很大程度上将转化成碳化硅并且液体硅的措施将起着提高耐磨性的作用，但同时由于转化成SiC，因而将对材料的强度产生不利的影响。为了对这些不利的影响进行限制或补偿并且为了实现为50兆帕的最低的强度，所采用的碳纤维的长度必须至少为10mm并且作为适量的强度纤维的含量至少为30(体积)％。但最为有益的是，纤维的长度与摩擦件的最长的尺寸相符(即长x宽)。
根据一个实施例，摩擦件可以被分成芯部和摩擦部，所述摩擦部至少环围摩擦面。在这样一种设置中，芯部和摩擦部可以满足不同的要求，即芯部用于摩擦体的高的强度和稳定性，而摩擦部用于当紧急制动时锁定在导轨上时满足特殊的要求，即最佳地实现摩擦特性(摩擦系数、耐磨性和热导率的稳定)。
构成这样一种摩擦件的各层可以通过硅化反应相互连接在一起。作为该过程的一部分，在硅化之前将高碳含量的接合糊加入到各层之间的连接区段内，在接着进行的硅化时所述糊与液体硅反应成碳化硅。
层结构优选具有三层，一方面可以在摩擦件接近摩擦面的区段内实现高陶瓷含量，另一方面由于具有一高纤维含量的强度最佳化层，因而确保实现适度的机械强度。由于碳纤维的含量不同，因而在受热时两层的膨胀是不同的，所以在接近摩擦面的区段内的变形应力将会造成失效。为了避免此点，在两层之间设置有一第三层，该层的膨胀特性的设计应可以避面极端的变形应力或将其减少到可以接受的程度。尤其是在应用三层的结构时，可以经济地生产被分成摩擦部和芯部的复合材料。
为了实现上述优点，基体的SiC含量由摩擦体的芯区段向摩擦面增大，即较高的转化区段是在外侧，从而在该区段的SiC含量较高。
为了由摩擦面区段内迅速消除在应急制动时产生的磨屑，在摩擦面区段内可以设置刻痕和沟槽，特别是沟槽。优选刻痕的设置应垂直于摩擦方向或也可以其设置方向与摩擦方向的夹角为30至60°；有益的夹角为45°。刻痕的宽度还应为1至5mm，以便可以充分对磨屑进行吸收。在摩擦面上的刻痕区段应占整个摩擦面区段的∝30％。
在摩擦面上Si和SiC的优选厚度为0.01至0.2mm的层与不加覆层的摩擦件相比，将提高耐磨性。而且还应保证在高温下陶瓷层可以实现充分高的粘合。由于较厚的层会导致剥落并从而造成摩擦层失效，所以优选层的厚度等于或小于0.2mm。
复合材料的有益的纤维含量至少为50(体积)％，等于或高于50％将实现特别高的强度和抗断裂性能。
当例如由于配合部分(导轨)过软，具有陶瓷层的摩擦件不适用时，则复合材料应具有±10％的孔隙率。孔隙率高于此值是不利的，这是因为由于对磨屑颗粒、来自导轨等的油和油脂组分的吸收将会降低摩擦系数。
为了实现充分高的耐磨性，将复合材料的SiC的含量至少设置在20(重量)％，此值涉及整个摩擦件并是摩擦面区段的下限。
由至少1000支，每根直径为5至15λm的纱的束构成的碳纤维可以有益地实现在复合材料中宏观均匀的SiC分布。由于这种尺寸的纤维半成品可在市场上购得，因而使摩擦件的生产成本较为低廉。为了可以承受应力的突然增大，为了提供所需的安全备份并可以实现大尺寸的摩擦件的生产，复合材料应具有至少50兆帕的耐弯曲强度。
一种优选的用于摩擦件的复合材料是通过对碳/碳材料的液体硅化形成的，通过对与酚醛树脂络合并用碳纤维增强的生材的热解进行制备。这样一种过程可用于生产摩擦件，所述摩擦件一方面具有充分高的碳纤维含量，另一方面具有充分高的SiC含量。采用此方法尤其可以实现在接近摩擦面的区段与芯区段之间的不同的C和SiC含量。
一种用于摩擦件的优选的复合材料的特征是SiC占40-45(重量)％、Si占2-6(重量)％和C和C纤维占49-58(重量)％。
如果摩擦件为厚度结构时，即具有不同的层结构，则摩擦体具有对应于摩擦件厚度的中心面为基准的对称结构。
附图说明
图1示出本发明的摩擦件；
图2示出图1所示的摩擦件的摩擦衬层；
图3为图2所示的摩擦件的摩擦衬层的平面图；
图4示出放大100倍的图1所示的摩擦件的垂直于摩擦件的摩擦面的截面的微观结构；
图5示出放大15倍的图1所示的摩擦件的摩擦面的微观结构；
图6示出放大35倍的摩擦件的微观结构；
图7示出放大15倍的摩擦件的微观结构。
具体实施方式
下面将对用于带有导轨的电梯的安全装置的摩擦件的实施例加以说明，其中导轨固定安装在电梯竖井内并且摩擦体锁定在导轨上。
实施例1
摩擦体由一种基体构成，所述基体包含95(重量)％的碳化硅和碳和由纤维定向为0°和90°的碳纤维织物叠层构成的纤维增强件。碳纤维由Akzo、Wuppertal公司出品的编号为3000的HTA纤维构成。
在图1中示出这种摩擦件1。该摩擦件的尺寸为长120mm、宽40mm和厚8mm。两个固定孔3位于中心线2上，孔的轴线与与摩擦面4垂直。这两个孔的轴线分别距摩擦件1的窄侧25mm。固定孔具有一个阶梯状剖面，从而可以使固定螺钉或铆钉埋设在宽的直径段，以至使其不会突出于摩擦面4。
图1所示的摩擦件的制作过程包括如下步骤：
首先在一高压釜内在酚醛树脂中络合并且纤维含量为50-55％，制备碳纤维增强塑料生料。
接着在达1650℃的温度下对碳纤维增强塑料生料进行热解。
在第三个步骤中，对在热解步骤中产生的疏松的碳/碳材料在硅化温度至少为1420℃的情况下用液体硅进行浸渍处理。
采用此方式制成的摩擦件的特征在于具有如下的技术指标：
-密度2.0g/cm3
-孔隙度＜2％
-重量百分比含量：约40％SiC、约5％Si和约55％碳和碳纤维
-抗瞬间弯曲强度：120兆帕。
在图4和5中示出摩擦件的微观结构，其中图4为垂直于图1所示的摩擦件1的截面图，而图5为图1所示的摩擦件1的平面图，图4中的放大倍数为100，图5中的放大倍数为15。
两幅图清楚地对碳纤维6作了描述，如图4的截面图清楚地示出，所述碳纤维与摩擦面4平行。白色或颜色浅的区段表示环围碳纤维并对间隙进行填充的碳化硅。摩擦件的摩擦面通常同时实现SiC和C相的接触。其中碳含量无论从体积上还是从重量上都占有绝对的多数。
图5示出碳纤维外轮廓的编织结构，其中纤维相互以0°和90°设置(表面被抛光)。在本实施例应用的纤维的长度精确地与摩擦件的几何尺寸相符，即在0°方向120mm，在90°方向上40mm。
实施例2
摩擦件由一种基体构成，所述基体主要包含碳化硅和碳和由纤维织物叠层构成的纤维增强件(由Akzo、Wuppertal公司出品编号3000的HTA纤维)，其中纤维定向为0°和90°。为提高耐磨性能和摩擦系数，与芯部区段相比在接近摩擦表面的区段内的陶瓷含量将有大幅度的增加。为避免变形，摩擦衬层与以摩擦厚度的中心面为基准成对称结构。
与实施例1相同，摩擦衬层的制作过程也分三个步骤：
首先采用树脂注塑工艺制备出具有纤维体积含量约为60％的碳纤维增强塑料生料；在对树脂浸渍处理前，在不同的条件温度为600℃、750℃、900℃和1100℃时的惰性条件下对各个碳纤维织物层进行大约20分钟的熟化。各层的厚度为0.25mm并与中心面为基准成对称结构。一共采用26层(见图6)。
接着在达1650℃的温度下对这种结构的碳纤维增强塑料的生料进行热解。
在第三步骤中，在为1650℃的硅化温度条件下采用液体硅对热解处理中生成的疏松的碳/碳材料进行浸渍处理。
采用此方式制成的C/C-SiC材料的特征在于具有如下的技术指标：
-密度2.0g/cm3
-孔隙度＜2％
-重量百分比相含量：约45％SiC、约5％Si和约50％碳和碳纤维
-抗瞬时弯曲强度：120兆帕
在图6和7中示出摩擦件的微观结构，其中图6中的放大倍数为35，图7中的放大倍数为15。
图6的垂直于摩擦面4的截面中示出摩擦件1的层结构，经不同条件处理的碳纤维层的区段相互分隔开。图中在中心区段是经600℃熟化处理的纤维7，而对接近于表面的的区段的碳纤维用8标示。因此熟化温度从中心平面11-即由中心区段的600℃向边棱的1100℃升高。
从图5所示的实施例1的摩擦件的面结构与在图7中所示的实施例2的摩擦件的面结构的对比可以看出，图7中的摩擦件在接近摩擦面的外区段中包含非常高的SiC含量(浅色区段)。所示的面还具有的优点是SiC基体分布非常精细，因而不会使金属导轨受损并且可以避免在导轨上出现任何划痕。优选在需要特别高的和恒定的摩擦系数的情况下采用根据实施例2的摩擦件(图6)。
在图2中示出具有附加沟槽9的图1中示出的摩擦衬层，所述沟槽垂直于箭头10所示的方向。所述沟槽9宽2mm，深2mm。在图2和3中示出的摩擦件1具有三个这种沟槽9。沟槽9用于避免摩擦件1的摩擦面的粘着并可保证特定的摩擦条件，即在应急制动时产生的摩擦粉屑被容纳在沟槽9中并使之不会对摩擦系数造成不利的影响。摩擦粉屑主要是由摩擦件1锁定在其上的金属导轨上磨出的金属粉屑。
Claims (17)
1.一种电梯的安全装置，具有至少一个固定安装在电梯竖井内的电梯导轨和一个制动部分，所述制动部分包括至少一个摩擦件，该摩擦件具有至少一个摩擦面，所述摩擦面可以抵压在导轨上，以便对电梯进行制动，摩擦件具有的摩擦材料由一种纤维增强的陶瓷复合材料构成，该复合材料包含碳化硅和作为增强成分的碳纤维，其特征在于，复合材料包括碳化硅、碳和仅由碳纤维(6；7；8)构成的增强成分的基体，其中碳纤维的长度(6；7；8)至少为10mm并且碳纤维在摩擦件内的含量在30体积％至70体积％之间。
2.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，碳纤维被设置成采用碳纤维(6；7；8)的纺织和/或编织物的叠层，该叠层至少设置在摩擦面(4)的区段，使叠层与摩擦面平行。
3.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，基体内的SiC的含量在接近摩擦面的摩擦件(1)的区段内高于远离摩擦面的区段。
4.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，摩擦件被分成芯部和摩擦部，摩擦部至少环围摩擦面。
5.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，摩擦件(1)由各层构成，所述层通过硅化反应被相互连接在一起。
6.按照权利要求5所述的安全装置，其特征在于，摩擦件(1)由三层构成。
7.按照权利要求3所述的安全装置，其特征在于，基体内的SiC含量从摩擦件(1)开始向摩擦面(4)增大。
8.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，摩擦件(1)在摩擦面区段上具有刻痕(9)。
9.按照权利要求8所述的安全装置，其特征在于，所述刻痕(9)是沟槽。
10.按照权利要求8所述的安全装置，其特征在于，所述刻痕的走向垂直于摩擦方向或与摩擦方向的夹角为30°至60°。
11.按照权利要求10所述的安全装置，其特征在于，所述刻痕的走向与摩擦方向(10)的夹角为45°。
12.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，将一含有Si和SiC的层涂布在摩擦面(4)上。
13.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，所述层的厚度在0.01至0.2mm之间。
14.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，复合材料中具有至少50体积％的纤维和/或孔隙率为±10％。
15.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，碳纤维由至少1000支纱的纱束构成，每根纱的直径在5至15λm之间。
16.按照权利要求1所述的安全装置，其特征在于，复合材料具有下述成分，用重量百分比表示：
a)SiC：40-45％
b)Si：2-6％
c)碳和碳纤维：49-58％。
17.一种用于制作用于电梯制动器的摩擦件(1)的方法，所述摩擦件可抵压在电梯导轨上，制动件(1)包含一纤维增强的陶瓷复合材料，该复合材料由碳化硅和碳构成，其特征在于，对与酚醛树脂络合并用碳纤维增强的生料进行热解生成碳/碳材料，对碳/碳材料进行液体硅化，制成对与酚醛树脂络合并用碳纤维增强的生料进行热解复合材料。
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