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，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)過多年發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于國內(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。在長期使用過程中，隨著滑板與對磨件(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，不能對硅脂進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)充。因此開發(fā)一種具有補(bǔ)充硅脂功能的球型鋼支座對于改善其長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應(yīng)的填充孔，以滿足硅脂在高壓作用下能夠順暢地流入并最終布滿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)

通過硅脂補(bǔ)充試驗(yàn)來驗(yàn)證補(bǔ)充硅脂的可行性，通過硅脂損耗試驗(yàn)來掌握長距離摩擦后硅脂損耗情況，通過補(bǔ)充硅脂前后滑動(dòng)性能對比試驗(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、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)滑移開始前，補(bǔ)充進(jìn)的硅脂能夠均勻布滿滑板表面溝槽，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)副處于無潤滑狀態(tài)，且滑板表面有一定程度磨損。

3.3 滑動(dòng)性能對比試驗(yàn)

試樣為外形尺寸φ100×8 mm，表面壓有貯硅脂坑并開設(shè)硅脂填充溝槽的改性超高分子量聚乙烯滑板，對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)過程:測定有硅脂潤滑條件下滑板的初始靜摩擦系數(shù);進(jìn)行長距離線磨耗試驗(yàn)，累計(jì)滑動(dòng)距離為5 km;重新測定摩擦系數(shù)，并測量累計(jì)滑動(dòng)距離5 km后的滑板線磨耗率;將試樣重新安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，加載至45 MPa并持荷，對滑板進(jìn)行硅脂補(bǔ)充;進(jìn)行長距離線磨耗試驗(yàn)，累計(jì)滑動(dòng)距離2 km;測量累計(jì)滑動(dòng)距離2 km后的滑板線磨耗率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖7 滑動(dòng)性能對比試驗(yàn)設(shè)備

表2 初始靜摩擦系數(shù)和線磨耗率試驗(yàn)條件

表3 滑動(dòng)性能對比試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)可知，在5 km磨耗試驗(yàn)過程中，隨著累計(jì)滑動(dòng)距離增加，硅脂的潤滑效果逐漸減弱，摩擦系數(shù)和磨耗量逐漸增大;通過補(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)充硅脂潤滑作用下，2 km磨耗試驗(yàn)的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，線磨耗率僅為0.44 μm/km，補(bǔ)充硅脂對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如圖8所示。

圖8 摩擦系數(shù)隨磨耗距離變化曲線

4 結(jié)論

通過硅脂補(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運(yùn)情況下對滑板進(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:中國鐵道出版社，2008.

［2］臧曉秋.球型鋼支座用于鐵路簡支梁橋的適應(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］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2331—2013 鐵路橋梁盆式支座［S］.北京:中國鐵道出版社，2013.

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