TJQZ-T注射調高球形支座設計與試驗驗證

李世珩,夏俊勇,陳彥北,胡宇新,郭紅峰

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007)

高速鐵路和客運專線對橋梁基礎沉降控制提出了更嚴格的要求。而客運專線中橋梁所占比率較大,許多線路軟土地基區段較長,橋梁基礎難免發生沉降,此時需要通過對支座從而對梁體進行調高調平。目前國內外已采用過的支座調高方案主要有墊板調高、螺旋調高、楔塊調高、注射式調高等4種方式,采用注射式調高支座是一種能方便快捷可靠的解決橋梁基礎沉降問題的有效方法,并且其具有其他調高方式所難以比擬的優點[1，2]。可注射調高的盆式橡膠支座已經有不少實際工程應用,但可注射調高式的球形支座未見實際工程應用的實例。球形支座相比盆式支座具有以下優點[3]：

(1)球形支座通過球面傳力,不會出現力的縮頸現象,作用在混凝土上的反力比較均勻；

(2)球形支座轉動力矩小,與支座轉角大小無關,特別適用于大轉角的要求,設計轉角可達0.05 rad；

(3)球形支座各向轉動性能一致,適用于寬橋、曲線橋；

(4)這種支座不用橡膠承壓,不存在橡膠老化對支座轉動性能的影響,無橡膠低溫脆性,特別適用于低溫地區。

鑒于以上球形支座獨特的優點,目前鐵路線上有用球形支座全面取代盆式橡膠支座的趨勢。可見研發一種可調高的球形支座,將進一步擴大球形支座的應用范圍,使得球形支座幾乎能在所有場合都能代替盆式橡膠支座,因而具有重大的意義。通過對TJQZ-T注射式調高球形鋼支座進行結構設計、仿真分析與試驗檢測,初步驗證了TJQZ-T調高球形支座是一種技術可行、性能合格的調高支座,為注射調高球形支座的完善和全面應用打下了良好的基礎。

1 TJQZ-T注射式調高球形鋼支座結構與調高原理

TJQZ-T注射式調高球形鋼支座(多向型,下同),具體結構如圖1所示,包括滑動板、耐磨板、球冠襯板、球面底座、底盆、螺塞、卡片、密封圈、球面耐磨板、密封環等結構。其調高原理為在球形鋼支座底盆和球面底座之間通過外置高壓泵和管道注入填充液態彈性材料,抬高球面底座在底盆中的位置，從而抬高支座上板和橋梁上部結構達到調高目的。支座調高注射通道加工在底盆側壁和底部,而且可根據需要在鋼盆內加工出多組注射通道從而達到支座多次調高目的；外部調高設備通過精密的管螺紋與支座注射通道聯接。當支座調高到理想高度后,停止注射填充液態彈性材料,用外接的高壓球閥截止支座端的管路,拆走外部調高設備的其他部分清洗,待支座內填充的液態彈性材料固化。

圖1 TJQZ-T注射式調高球形鋼支座結構示意

2 TJQZ-T注射式調高球形鋼支座結構設計與計算

TJQZ-T注射式調高球形鋼支座在球面耐磨板及以上的結構與普通TJQZ球形鋼支座結構相同,不同之處在于將TJQZ底座分為了球面底座(圖2)和底盆(圖3)2部分,并在2部分之間設置有高壓液壓密封圈,在底盆上開有注射通道。故球面耐磨板及以上的結構及錨碇結構按普通TJQZ球形鋼支座設計校核[4，5]。

圖2 球面底座結構示意

圖3 底盆結構示意

2.1 支座的設計與校核

(1)底盆與球面底座的理論計算與校核

設計的工程試驗樣品產品型號為TJQZ-T20-5000KN-DX,設計調高高度20 mm,豎向承載5 000 kN,目前通用的液壓設備中,一般高壓最高為32 MPa,采用更高液壓設備時,設備難于采購,且成本顯著增加。

故底盆側壁內徑Dd大小需根據調高液壓力大小確定。

底盆盆環內徑

(1)

盆環外徑根據拉應力及剪應力確定。

拉應力

(2)

剪應力

(3)

其中，FS為支座豎向承載力,FH為橫向水平承載力。

底盆總高Hd及盆環高度Hd2根據式(2)及設計調高高度與安全余量確定。球面底座高度Hq根據盆環高度Hd2確定,Hq1和Dq根據密封圈尺寸確定。根據式(2)可知Hq1越小,底盆總高Hd越小,從而球面底座高度Hq越小,支座總高越小,支座經濟性越好。

(2)底盆與球面底座有限元分析與校核

有限元分析(FEA)模擬支座承載、滑移、轉動及其相互綜合的工況[6],對支座整體進行運動仿真,對各個零部件進行受力分析。與預期及以往經驗一樣,在支座承受最大載荷、發生最大位移及最大轉角的極限工況下,各零部件的受力及變形都達到最大。根據分析結果(圖4),在上座板轉近端,底盆的開口邊緣受壓應力最大為51.42 MPa,在同側,球面底座壓應力達到最大88.89 MPa,均在常用支座材料Q345B和ZG270—500的容許應力范圍內,并且具有相當的安全裕度。

圖4 FEA支座極限工況應力分布云圖

由于樣品是多向型,受水平力較小,但根據FEA進一步計算,在模擬固定,單向支座受到設計值大小水平力時,球面底座與底盆的受力情況與理論計算值吻合度較高,也在材料容許應力范圍內。這里不再贅述。

2.2 密封結構及密封圈的設計

(1)密封結構及密封圈的選擇對比

調高球形支座的重點與難點在于密封結構的設計。若將底盆視為常見的液壓油缸的缸結構,將球面底座視為桿結構,則密封圈很容易想到采用液壓工程中廣泛采用的“U”型圈或“V”型圈,但在實際裝配過程中,由于上述2種密封圈需要在徑向上與缸、桿結構過盈配合,裝配技術要求高,效率低,不是最優的選擇。

株洲TMT采用自主設計的7型密封圈,總體密封結構如圖5所示,實物示意見圖6,7型圈在徑向上無需過盈配合,裝配技術難度大大縮小,裝配效率也明顯提升。且與在徑向上規格相同(近)的標準U型圈和V型圈的相比,7型圈高度只有它們的60%左右,從而可以在支座實現同樣功能的情況下將整個支座的高度降低5%左右,具體對比見表1。

圖5 密封結構及密封圈示意

圖6 密封圈實物

表1中支座質量比例在很大程度上決定了支座成本的比例,根據表1中數據可知,使用7型圈比使用標準V型圈或U型圈大約節約成本5%,具有明顯的經濟性。

表1 不同形式密封圈參數及對應的支座參數比較

*注：V型圈參數采自GB—T10708.1,U型圈密封圈參數采自HG4-336-66,其余數據采自株洲TMT設計的TJQZ-T20-5000KN-DX工程試驗樣品及推算值。

(2)7型圈的密封原理

安裝前,7型圈在徑向上無需與球面底座和底盆過盈配合。在垂向,密封圈的厚度,大于球面底座上留下的密封圈安裝空間的高度。安裝過程中,密封圈先于支座球面底座安裝到位,此時密封圈基本沒有受力變形,支座球面底座需要進一步安裝到位,即與底盆接觸。

安裝完成后,支座球面底座與底盆受力接觸,密封圈長唇邊受壓變形,形成要在徑向及垂向伸展的趨勢。在徑向與配合件,包括球形支座中的底盆及球面底座,都擠壓變形成初始密封。

當從注入口注入調高填充液態彈性材料時,在支座上部結構受高壓液壓力抬升(包含有抬升趨勢)的過程中,在密封圈徑向內側及端面,密封圈分別受密封圈內力及高壓液壓力作用,與支座球面底座保持相對靜止,形成高壓靜密封。在密封圈徑向外側,填充劑通過圖示中向上及向外側的液壓力進一步壓迫密封圈長唇邊向唇口腔退縮,使得長唇邊占據的空間由長到短變化或有其趨勢,長唇邊與底盆進一步擠壓密貼,同時密封圈相對向上滑動,在徑向外側形成高壓動密封。據上,已形成完全單向動密封。

通過后續的試驗驗證可知,7型圈的密封效果理想,目前株洲TMT已對其申請專利[7]。

3 TJQZ-T注射式調高球形鋼支座的試驗設計與驗證

3.1 試驗基本情況介紹

為了驗證TJQZ-T注射式調高球形鋼支座調高性能的可靠性和其他基本性能,需對試制的TJQZ-T20-5000KN-DX支座進行試驗驗證,包括支座型式檢測試驗和支座的調高試驗,試驗在南車株洲電力機車研究所有限公司新材料檢測中心橋梁支座專用檢測設備52 000 kN試驗機上進行。型式檢測試驗按照國標《橋梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附錄[8]進行,對于調高試驗,因為目前沒有具體的標準參照執行,需要在確保能充分模擬實際工況的情況下自行設計試驗方法。

3.2 試驗方案設計

對整體試驗,考慮支座使用工況和支座調高前后都必須具備支座正常使用功能的基本要求,設計試驗方案為調高前后,都按《橋梁球形支座》(GB/T 17955—2009)附錄進行型式試驗。試驗重點考察支座的基本性能與注射調高能力,弱化考察填充液態彈性材料的性能。

對調高試驗,調高設備為在外部液壓泵與TJQZ-T調高支座之間依次裝有壓力表、安全閥和高壓截止閥,填充液態彈性材料采用聚氨脂材料。

在調高試驗中,支座的壓力加載,根據支座實際工況以及參考業內盆式橡膠支座調高加載要求,制定了調高球形支座的調高試驗加載要求：支座分別在承受0.5倍設計載荷至1倍載荷下實現動態注射調高,即在0.5倍設計載荷下開始注射調高,然后在調高過程中,均勻將壓力加載到1倍設計載荷。填充液態彈性材料在調高及固化過程中,不允許發生泄漏。

3.3 試驗過程及結果

TJQZ-T注射式調高球形鋼支座注射式調高球形鋼支座試驗情況如圖7、圖8所示。

圖7 支座進行動態承壓調高試驗

圖8 調高后支座承壓試驗和壓轉試驗后填充聚氨酯情況

在整個調高試驗過程中,未見液態彈性材料(聚氨酯)的泄露,凝固后表面見少量氣泡,但是對承壓沒造成過大的影響,疑與調高試驗操作工藝有關。調高前后型式試驗數據見表2。

表2 TJQZ-T支座調高前后試驗數據對比

通過表2可以發現調高后支座功能正常,與調高前相比,豎向變形和徑向變形有所增加,但還在規定值范圍內；而水平摩擦系數和轉動力矩則變小,有了更大的性能裕度。綜合看來,支座調高前和調高后各項性能參數都完全滿足相關標準要求,性能可靠。因而,TJQZ-T這一注射調高球形支座結構是一理想的結構。

4 結語

通過對TJQZ-T型調高球形鋼支座進行合理結構設計、有限元仿真分析及設計實施模擬實際工況下支座承載的調高試驗與型式試驗,初步驗證了TJQZ-T這一調高球形支座技術的可行和性能的可靠性,是在注射調高球形支座研制方面的一次嘗試和突破,為全面應用調高球形支座打下了堅實的基礎。特別是創新性地設計采用一種特制的密封結構及密封圈,在達到良好高壓液壓密封效果的同時,帶來了安裝的便利性和良好的經濟效益。

同時,如何選擇密封圈的材質,以保留球形支座鋼支座相較盆式橡膠支座具有耐老化及耐低溫脆性的優越性；如何通過巧妙的結構設計,降低調高球形支座滿載情況下調高啟動時壓力偏大等問題，都是值得更加深入研究探討并解決的問題。

[1] 胡宇新,盧瑞林,等.CKPZ-T注射式調高盆式橡膠支座調高試驗研究[J].鐵道標準設計,2010(12)：61-64．

[2] 張士臣.調高支座在客運專線橋梁上應用的研究[J].鐵道工程學報,2004(S1)：160-162．

[3] 莊軍生.橋梁支座[M].2版.北京：中國鐵道出版社,2000.

[4] EN1337-7: Spherical and cylindrical PTFE bearings[S].2004．

[5] 李楊海.公路橋梁支座設計計算與施工維護新技術實用手冊[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6] 李喬.橋梁支座有限元模型[J].工程力學,2000(增刊)：657-660．

[7] 夏俊勇,郭紅鋒,胡宇新,李世珩,等.一種注射調高型橋梁鋼支座液壓密封方法及密封圈：中國,CN201110214033.2[P].2011-07-29.

[8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化委員會.GB/T17955—2009橋梁球形支座[S].北京：中國標準出版社,2009.