可補(bǔ)充硅脂新型球型鋼支座試驗(yàn)研究

裴薈蓉，佟嘉明，石秋君，張洪旺，賈雙雙

(1.衡水橡膠股份有限公司，河北衡水 053000;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

球型鋼支座是20世紀(jì)70年代在盆式橡膠支座基礎(chǔ)上研制成功的一種橋梁支座，于1988年引入我國(guó)，隨后在上海南浦公路斜拉橋上應(yīng)用［1］。普通球型鋼支座構(gòu)造如圖1所示。

圖1 普通球型鋼支座結(jié)構(gòu)形式

球型鋼支座具有承載能力高、耐久性好、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、溫度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外公路和鐵路橋梁中［2-3］。

平面滑板和球面滑板是支座的主要滑動(dòng)部件，在滑板表面用專(zhuān)用模具壓制成貯脂坑，并涂以硅脂，以減小滑板的滑動(dòng)摩擦及磨耗。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，隨著滑板與對(duì)磨件(不銹鋼板)之間滑動(dòng)次數(shù)的增加，硅脂逐漸濃縮減少，潤(rùn)滑效果下降，滑板磨耗量會(huì)不斷增大，進(jìn)而影響支座活動(dòng)的靈活性和使用壽命［4-5］。目前國(guó)內(nèi)外橋梁工程上所用球型鋼支座滑板的貯脂坑中，只能一次性預(yù)存定量的硅脂，不能對(duì)硅脂進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)充。因此開(kāi)發(fā)一種具有補(bǔ)充硅脂功能的球型鋼支座對(duì)于改善其長(zhǎng)期使用性能具有重要意義。

2 可補(bǔ)充硅脂球型鋼支座結(jié)構(gòu)形式

可補(bǔ)充硅脂球型鋼支座是在普通球型鋼支座基礎(chǔ)上，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而成的一種新型球型鋼支座。在新型支座球冠襯板或下支座板上開(kāi)設(shè)硅脂灌注孔和填充通道，同時(shí)在滑板上設(shè)置相互貫通的環(huán)形溝槽、徑向溝槽及與填充通道相對(duì)應(yīng)的填充孔，以滿(mǎn)足硅脂在高壓作用下能夠順暢地流入并最終布滿(mǎn)滑板表面的各貯脂溝槽?？裳a(bǔ)充硅脂球型鋼支座的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，滑板表面硅脂填充結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 可補(bǔ)充硅脂球型鋼支座結(jié)構(gòu)形式

3 性能試驗(yàn)

通過(guò)硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)充硅脂的可行性，通過(guò)硅脂損耗試驗(yàn)來(lái)掌握長(zhǎng)距離摩擦后硅脂損耗情況，通過(guò)補(bǔ)充硅脂前后滑動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)分析補(bǔ)充硅脂后滑動(dòng)性能改善情況。

圖3 滑板表面硅脂填充結(jié)構(gòu)

3.1 硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品均為豎向設(shè)計(jì)承載力1 000 kN的可補(bǔ)充硅脂新型球型鋼支座，試驗(yàn)設(shè)備為YJW-5000壓剪試驗(yàn)機(jī)及68213-高壓氣動(dòng)灌注機(jī)(含高壓泵、管路、閥門(mén)、壓力表等)。試驗(yàn)前將試樣在(23±5)℃環(huán)境中停放24 h。試驗(yàn)過(guò)程中，將豎向荷載均速加載至1 000 kN后穩(wěn)壓3 min，然后用高壓氣動(dòng)灌注機(jī)補(bǔ)充硅脂，使壓注應(yīng)力保持在25～36 MPa，硅脂補(bǔ)充時(shí)間不少于10 min，試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行3次。試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4 硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)設(shè)備

表1 硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)結(jié)果

在壓注應(yīng)力作用下，硅脂能夠沿灌注孔→填充通道→填充孔到達(dá)滑板表面，并均勻布滿(mǎn)滑板表面溝槽。硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)表明，可補(bǔ)充硅脂新型球型鋼支座結(jié)構(gòu)合理，方案可行，能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)充硅脂功能。

3.2 硅脂損耗試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品均為豎向設(shè)計(jì)承載力1 000 kN的可補(bǔ)充硅脂新型球型鋼支座，在豎向設(shè)計(jì)承載力作用下，首先向滑板表面補(bǔ)充硅脂，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)角為0.02 rad的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移，在500次、1 000次轉(zhuǎn)動(dòng)滑移后分別拆開(kāi)支座查看滑板表面硅脂損耗情況，試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 硅脂損耗試驗(yàn)設(shè)備

圖6 滑板表面狀況

通過(guò)硅脂損耗試驗(yàn)可知，支座滑板表面溝槽和坑內(nèi)貯存的硅脂會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)滑移次數(shù)的增加而逐漸減少。轉(zhuǎn)動(dòng)滑移開(kāi)始前，補(bǔ)充進(jìn)的硅脂能夠均勻布滿(mǎn)滑板表面溝槽，500次轉(zhuǎn)動(dòng)滑移后仍有部分硅脂遺留在溝槽內(nèi)，1 000次轉(zhuǎn)動(dòng)滑移后硅脂損耗殆盡，支座轉(zhuǎn)動(dòng)副處于無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，且滑板表面有一定程度磨損。

3.3 滑動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)

試樣為外形尺寸φ100×8 mm，表面壓有貯硅脂坑并開(kāi)設(shè)硅脂填充溝槽的改性超高分子量聚乙烯滑板，對(duì)磨件為鏡面不銹鋼板。試驗(yàn)依據(jù)鐵道行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［6-7］的要求，在液壓伺服磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如圖7所示，試驗(yàn)條件如表2所示。

試驗(yàn)過(guò)程:測(cè)定有硅脂潤(rùn)滑條件下滑板的初始靜摩擦系數(shù);進(jìn)行長(zhǎng)距離線(xiàn)磨耗試驗(yàn)，累計(jì)滑動(dòng)距離為5 km;重新測(cè)定摩擦系數(shù)，并測(cè)量累計(jì)滑動(dòng)距離5 km后的滑板線(xiàn)磨耗率;將試樣重新安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，加載至45 MPa并持荷，對(duì)滑板進(jìn)行硅脂補(bǔ)充;進(jìn)行長(zhǎng)距離線(xiàn)磨耗試驗(yàn)，累計(jì)滑動(dòng)距離2 km;測(cè)量累計(jì)滑動(dòng)距離2 km后的滑板線(xiàn)磨耗率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖7 滑動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)設(shè)備

表2 初始靜摩擦系數(shù)和線(xiàn)磨耗率試驗(yàn)條件

表3 滑動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)可知，在5 km磨耗試驗(yàn)過(guò)程中，隨著累計(jì)滑動(dòng)距離增加，硅脂的潤(rùn)滑效果逐漸減弱，摩擦系數(shù)和磨耗量逐漸增大;通過(guò)補(bǔ)充硅脂，摩擦副滑動(dòng)性能得到明顯改善，補(bǔ)充后滑板的摩擦系數(shù)比補(bǔ)充前降低6%;在補(bǔ)充硅脂潤(rùn)滑作用下，2 km磨耗試驗(yàn)的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，線(xiàn)磨耗率僅為0.44 μm/km，補(bǔ)充硅脂對(duì)滑板摩擦及磨耗性能的改善作用明顯。摩擦系數(shù)隨磨耗距離的變化曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 摩擦系數(shù)隨磨耗距離變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

通過(guò)硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)、硅脂損耗試驗(yàn)和補(bǔ)充硅脂前后滑動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)表明，支座滑板貯脂坑內(nèi)預(yù)存的硅脂會(huì)隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸減少，進(jìn)而影響支座的性能和使用壽命，可補(bǔ)充硅脂新型球型鋼支座通過(guò)優(yōu)化主體部件和滑動(dòng)部件結(jié)構(gòu)形式、增設(shè)硅脂補(bǔ)充通道能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)充硅脂功能，補(bǔ)充硅脂后滑板摩擦及磨耗性能均得到明顯改善。

可補(bǔ)充硅脂球型鋼支座不僅具有普通球型鋼支座承載能力高、耐久性好、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，而且能夠在不影響橋梁正常營(yíng)運(yùn)情況下對(duì)滑板進(jìn)行硅脂補(bǔ)充，改善球型鋼支座的滑動(dòng)性能并延長(zhǎng)支座使用壽命。因此，可補(bǔ)充硅脂球型鋼支座可成為普通球型支座的替代品，并廣泛應(yīng)用于各種寬橋、曲線(xiàn)橋、坡道橋等構(gòu)造復(fù)雜的橋梁及其他結(jié)構(gòu)建筑工程。

［1］莊軍生.橋梁支座［M］.3版.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］臧曉秋.球型鋼支座用于鐵路簡(jiǎn)支梁橋的適應(yīng)性研究［J］.鐵道建筑，2011(12):1-4.

［3］何維，王少華，嚴(yán)情木.球型支座與上下部結(jié)構(gòu)之間特性研究［J］.鐵道建筑，2012(3):5-7.

［4］臧曉秋，李學(xué)斌，李東昇，等.三向測(cè)力盆式橡膠支座的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2012(4):1-5.

［5］張勇，侯廣偉，莊軍生.既有鐵路橋梁支座病害調(diào)查及原因分析［J］.鐵道建筑，2011(12):51-53.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2331—2013 鐵路橋梁盆式支座［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.科技基［2007］95號(hào) 客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件補(bǔ)充規(guī)定［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.