杭州江東大橋空間自錨式懸索橋關鍵節點自潤滑關節軸承開發

摘要： 文章主要解析杭州江東大橋空間自錨式懸索橋關鍵節點自潤滑關節軸承開發。

關鍵詞：向心關節軸承；自潤滑材料陣列排布；自錨式懸索橋

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）18-0068-02

1 項目背景

杭州江東大橋是杭州跨錢塘江工程的重要組成部分，江東大橋作為目前錢塘江上結構最新穎、施工難度最大的橋梁，其結構形式為全國唯一的空間纜自錨式懸索橋和預應力砼連續梁組合體系。大橋結構別致、一橋多型、工藝復雜、技術難度高，同時需應用大量新工藝。其中主通航孔自錨式懸索橋，造型獨特，為三跨空間纜索自錨式懸索橋，該懸索橋主跨260米，采用獨柱橋塔、分離式鋼箱加勁梁、空間纜索，邊跨不設吊索，這種形式的懸索橋在國內尚無先例。該空間自錨式懸索橋，成橋階段吊索橫橋向傾斜，斜率較大，約為2.9∶1，這就要求吊索必須適應縱向、橫向雙向變形。一般傳統的懸索橋銷接式吊索只能適應單向變形，因此本橋必須進行創新性設計，開發新型吊索球鉸。項目設計單位上海市工程設計研究總院及上海材料研究所的主設人員多次到我司進行探討，委托我司對球鉸所使用的關節軸承進行研制。

2 項目實施方案

2.1 項目前期工作情況

通過前期與上海市工程設計研究總院主設人員進行技術交流，初步設想吊索上端采用向心關節軸承同主纜索夾連接，下端采用角接觸關節軸承同鋼箱梁連接，這樣吊索既能適應順橋向變形，又能適應橫橋向變形。對于工程要求需確保使用壽命50年的要求，初步確定采用自潤滑型關節軸承，采用不銹鋼材料，并確定先試制樣件進行足尺試驗。

2.2 項目研發或建設主要內容、目標

銷接式吊索特點（技術指標）：能夠適應縱、橫向雙向變形，上下關節節點摩擦系數?。ǘㄖ笜酥担苓m應±6°的轉角。

2.2.1 項目基本要求：本項目軸承必須在環璄惡劣的工況條件下實現耐老化腐蝕、自潤滑、耐磨損和長壽命等要求，同時要具有調節偏斜、緩沖振動、不需維護等性能，為滿足這些要求，江東大橋空間自錨式懸索橋關鍵節點自潤滑向心關節軸承采用如下的結構形式：

外圈采用不銹鋼4Cr13，淬火，剖分外圈，內球面鍍鉻，用鎖圈固定，外圈端面嵌入密封圈材料采用PTFE；內圈采用不銹鋼4Cr13，球面鑲嵌均勻的固體自潤滑材料。此類軸承需要解決的主要技術關鍵點有：

（1）球面鑲嵌固體自潤滑材料摩擦性能研究；（2）固體自潤滑材料鑲嵌球面工藝的研究；（3）PTFE密封圈工藝性能的研究；（4）內、外圈的制造工藝研究；（5）內圈與外圈配套工藝技術研究。

2.2.2 產品結構簡圖如圖1所示。這種結構形式的軸承突破了一般帶密封圈向心關節軸承使用壽命20～30年的要求的界限，達到使用壽命50年的要求；同時可承受較大的徑向載荷載荷，特別適用于需承受高的徑向負載、小擺角、自潤滑、免維護、耐磨損等諸如空間纜自錨式懸索橋等特殊工況場合。

2.2.3 關鍵技術研究內容：（1）產品結構設計研究（免維護自潤滑結構設計）；（2）研究固體自潤滑材料在低速重載下的摩擦磨損性能；（3）研究不銹鋼鑲嵌均勻的固體自潤滑材料的潤滑原理規律；（4）研究固體自潤滑材料均勻鑲嵌加工工藝；（5）研究PTFE密封圈的加工技術和使用狀況；（6）不銹鋼外圈球面鍍鉻工藝。

2.2.4 關鍵技術原理：干磨損機理。當兩個無潤滑的表面相互摩擦時，在兩個表面的凹凸不平的尖峰受到剪切、局部粘接和塑性變形，由此引起了摩擦和磨損。傳統的潤滑劑能夠明顯地降低這些作用，然而在停頓時，特別是在大承載條件下，潤滑油和潤滑脂被壓擠出來，實際上留下了無潤滑的軸承，在下一個運動時就常常表現出很高的靜摩擦系數。內圈鑲嵌固體自潤滑材料向心關節軸承在這些條件下不會移去，因此材料在隨后的運動中不會增大摩擦系數。這種軸承永遠在軸承表面提供一層潤滑薄膜，這樣就保證永遠是低摩擦和磨損，即使在很大的靜載條件下，固體潤滑劑薄膜仍舊保持在軸承表面。當磨損發生時，更多的固體潤滑劑將釋放到所需潤滑劑的軸承表面。

2.3 產品創新點

因此，本項目產品的創新點在于：

2.3.1 結構創新：

（1）本項目產品采用不銹鋼鑲嵌固體自潤滑材料和球面鍍鉻替代原有的鋼對鋼或鋼對銅的摩擦副形式，除具有高承載、耐沖擊、耐磨損和長壽命的特性外，又具有免維護自潤滑功能，從而實現空間自錨式懸索橋關鍵節點的零失效，并可避免原有加油潤滑造成的對環境的污染。同時由于采用了不銹鋼內圈替代銅內圈又可以大量節約銅材，提高內圈整體強度等，實現可持續創新發展。

（2）采用PTFE密封圈替代傳統的石墨尼龍或聚氨酯密封圈，使密封圈使用壽命提高到50年，工況溫度由-30℃～130℃擴大到-50℃～200℃，較大地增強了抗老化和抗腐蝕的特性。

2.3.2 工藝創新：

（1）內圈球面均勻鑲嵌固體自潤滑材料的加工是目前國內關節軸承的加工難點，現在我司已經基本攻克了這一難題，專門設計配備此類專用機床；此項技術可成倍提高內圈球面均勻鑲嵌固體自潤滑材料原有的加工規格和能力。

（2）覆蓋率Z%的自潤滑材料可以有效起到減少磨損、降低摩擦和防止咬合的作用，在工作中能明顯提高軸承的使用壽命。它可以在無油條件下，通過摩擦產生熱把固體潤滑劑逐漸地分布到摩擦表面使其達到摩擦系數小、耐磨性能好的效果。均勻陣列排布方面：所有鑲嵌孔沿運動方向交叉布置，在軸向或徑向（以運動方向而論）各孔之間應距離保持接近的比例，以保證潤滑覆蓋整個滑動方向，形成完整的固體潤滑膜。

（3）由于此項目軸承采用PTFE密封圈如何精確加工控制球面過盈量是難點，從而達到對軸承內部的密封效果；我司已基本掌握此項技術并可穩定應用于小批量化生產中。項目完成后將成為公司的技術訣竅。

2.4 產品技術性能與國內外同類產品的比較

國內、外目前尚無同類產品生產商，因此本項目產品在國內、外具有獨創性。其產品技術性能的先進性體現在：

2.4.1 產品先進性：本項目產品需要通過了上海材料研究所的疲勞載荷下吊索上下節點的綜合性能考核試驗及吊索上下節點的100萬次擺動試驗等系統試驗，整體性能可達到國內領先水平。

2.4.2 結構先進性：本項目產品由于采用自潤滑結構，因此具有免維護的先進性。同時又節約了銅資源，實現可持續發展。

2.4.3 工藝先進性：本項目產品采用的內圈球面均勻鑲嵌固體自潤滑材料加工工藝和PTFE密封圈控制工藝均處于國內領先，國際先進水平。

3 項目成熟程度

（1）空間自錨式懸索橋關鍵節點自潤滑關節軸承已通過了中試，并形成了小批量生產工藝技術，其中鑲嵌固體自潤滑材料及PTFE密封圈控制技術的研究和應用成功，使軸承不僅具有高強度、高耐磨性能，又具有高抗沖擊的特點，確保了關節軸承在受到較大徑向和軸向聯合載荷時仍能完好無損，同時與原來軸承相比，節約了大量的有色金屬，又解決了軸承的安裝和維護難題。

（2）本項目產品已通過公司技術鑒定委員會鑒定，在國內、外具有獨創性。由于本公司的研發隊伍強大，生產設備、工藝工裝、檢測手段齊全，根據ISO/TS16949、ISO14001建立質量體系與環境體系，可以滿足批量生產及產品質量與環保要求，產品質量穩定可靠；本項目產品經上海材料研究所試驗，性能指標得到認可，同時，公司在進行技術成果轉化過程中處處以價值工程為指導，努力提高產品的性價比，得到用戶的一致好評。

（3）核心技術的知識產權情況：本項目的核心技術均由公司自行研制和掌握，對于空間自錨式懸索橋關鍵節點自潤滑關節軸承，公司已進行了相關的專利技術保護申請。由于公司在關節軸承技術上處于國內領先地位及國際先進水平，公司的博士后工作站進站博士的主要研究項目之一就是固體自潤滑材料的研究與開發，具有很強的持續創新與改進的能力，因此可以滿足用戶不同使用場合的多樣化需求，可使我司的該項目軸承始終處于國內同行業的最高水平，并努力超越國際先進水平。

4 成果

試制完成樣件，通過上海材料研究所：疲勞載荷下，吊索上下節點的性能考核試驗和吊索上下節點的100萬次擺動試驗；PTFE密封圈使用壽命能夠滿足50年的要求；軸承使用工況溫度達到并滿足-50℃～200℃要求。

作者簡介：許鋼（1970-），男，臺灣臺南人，福建龍溪軸承（集團）股份有限公司關節軸承研究所工程師，研究方向：關節軸承有限元、鋼構關節軸承節點設計。