可补充硅脂新型球型钢支座试验研究

裴荟蓉，佟嘉明，石秋君，张洪旺，贾双双

(1.衡水橡胶股份有限公司，河北衡水 053000;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

球型钢支座是20世纪70年代在盆式橡胶支座基础上研制成功的一种桥梁支座，于1988年引入我国，随后在上海南浦公路斜拉桥上应用［1］。普通球型钢支座构造如图1所示。

图1 普通球型钢支座结构形式

球型钢支座具有承载能力高、耐久性好、转动灵活、温度适应性强等优点，经过多年发展，已广泛应用于国内外公路和铁路桥梁中［2-3］。

平面滑板和球面滑板是支座的主要滑动部件，在滑板表面用专用模具压制成贮脂坑，并涂以硅脂，以减小滑板的滑动摩擦及磨耗。在长期使用过程中，随着滑板与对磨件(不锈钢板)之间滑动次数的增加，硅脂逐渐浓缩减少，润滑效果下降，滑板磨耗量会不断增大，进而影响支座活动的灵活性和使用寿命［4-5］。目前国内外桥梁工程上所用球型钢支座滑板的贮脂坑中，只能一次性预存定量的硅脂，不能对硅脂进行后续补充。因此开发一种具有补充硅脂功能的球型钢支座对于改善其长期使用性能具有重要意义。

2 可补充硅脂球型钢支座结构形式

可补充硅脂球型钢支座是在普通球型钢支座基础上，对原有结构进行优化设计而成的一种新型球型钢支座。在新型支座球冠衬板或下支座板上开设硅脂灌注孔和填充通道，同时在滑板上设置相互贯通的环形沟槽、径向沟槽及与填充通道相对应的填充孔，以满足硅脂在高压作用下能够顺畅地流入并最终布满滑板表面的各贮脂沟槽。可补充硅脂球型钢支座的结构形式如图2所示，滑板表面硅脂填充结构如图3所示。

图2 可补充硅脂球型钢支座结构形式

3 性能试验

通过硅脂补充试验来验证补充硅脂的可行性，通过硅脂损耗试验来掌握长距离摩擦后硅脂损耗情况，通过补充硅脂前后滑动性能对比试验分析补充硅脂后滑动性能改善情况。

图3 滑板表面硅脂填充结构

3.1 硅脂补充试验

试验样品均为竖向设计承载力1 000 kN的可补充硅脂新型球型钢支座，试验设备为YJW-5000压剪试验机及68213-高压气动灌注机(含高压泵、管路、阀门、压力表等)。试验前将试样在(23±5)℃环境中停放24 h。试验过程中，将竖向荷载均速加载至1 000 kN后稳压3 min，然后用高压气动灌注机补充硅脂，使压注应力保持在25～36 MPa，硅脂补充时间不少于10 min，试验反复进行3次。试验设备如图4所示，试验结果如表1所示。

图4 硅脂补充试验设备

表1 硅脂补充试验结果

在压注应力作用下，硅脂能够沿灌注孔→填充通道→填充孔到达滑板表面，并均匀布满滑板表面沟槽。硅脂补充试验表明，可补充硅脂新型球型钢支座结构合理，方案可行，能够实现补充硅脂功能。

3.2 硅脂损耗试验

试验样品均为竖向设计承载力1 000 kN的可补充硅脂新型球型钢支座，在竖向设计承载力作用下，首先向滑板表面补充硅脂，然后进行转角为0.02 rad的转动滑移，在500次、1 000次转动滑移后分别拆开支座查看滑板表面硅脂损耗情况，试验设备及试验结果如图5、图6所示。

图5 硅脂损耗试验设备

图6 滑板表面状况

通过硅脂损耗试验可知，支座滑板表面沟槽和坑内贮存的硅脂会随着转动滑移次数的增加而逐渐减少。转动滑移开始前，补充进的硅脂能够均匀布满滑板表面沟槽，500次转动滑移后仍有部分硅脂遗留在沟槽内，1 000次转动滑移后硅脂损耗殆尽，支座转动副处于无润滑状态，且滑板表面有一定程度磨损。

3.3 滑动性能对比试验

试样为外形尺寸φ100×8 mm，表面压有贮硅脂坑并开设硅脂填充沟槽的改性超高分子量聚乙烯滑板，对磨件为镜面不锈钢板。试验依据铁道行业相关标准［6-7］的要求，在液压伺服磨耗试验机上进行，试验设备如图7所示，试验条件如表2所示。

试验过程:测定有硅脂润滑条件下滑板的初始静摩擦系数;进行长距离线磨耗试验，累计滑动距离为5 km;重新测定摩擦系数，并测量累计滑动距离5 km后的滑板线磨耗率;将试样重新安装在试验台上，加载至45 MPa并持荷，对滑板进行硅脂补充;进行长距离线磨耗试验，累计滑动距离2 km;测量累计滑动距离2 km后的滑板线磨耗率。试验结果如表3所示。

图7 滑动性能对比试验设备

表2 初始静摩擦系数和线磨耗率试验条件

表3 滑动性能对比试验结果

通过试验可知，在5 km磨耗试验过程中，随着累计滑动距离增加，硅脂的润滑效果逐渐减弱，摩擦系数和磨耗量逐渐增大;通过补充硅脂，摩擦副滑动性能得到明显改善，补充后滑板的摩擦系数比补充前降低6%;在补充硅脂润滑作用下，2 km磨耗试验的摩擦系数稳定，线磨耗率仅为0.44 μm/km，补充硅脂对滑板摩擦及磨耗性能的改善作用明显。摩擦系数随磨耗距离的变化曲线如图8所示。

图8 摩擦系数随磨耗距离变化曲线

4 结论

通过硅脂补充试验、硅脂损耗试验和补充硅脂前后滑动性能对比试验等一系列试验表明，支座滑板贮脂坑内预存的硅脂会随着滑动次数的增加而逐渐减少，进而影响支座的性能和使用寿命，可补充硅脂新型球型钢支座通过优化主体部件和滑动部件结构形式、增设硅脂补充通道能够实现补充硅脂功能，补充硅脂后滑板摩擦及磨耗性能均得到明显改善。

可补充硅脂球型钢支座不仅具有普通球型钢支座承载能力高、耐久性好、转动灵活等特点，而且能够在不影响桥梁正常营运情况下对滑板进行硅脂补充，改善球型钢支座的滑动性能并延长支座使用寿命。因此，可补充硅脂球型钢支座可成为普通球型支座的替代品，并广泛应用于各种宽桥、曲线桥、坡道桥等构造复杂的桥梁及其他结构建筑工程。

［1］庄军生.桥梁支座［M］.3版.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］臧晓秋.球型钢支座用于铁路简支梁桥的适应性研究［J］.铁道建筑，2011(12):1-4.

［3］何维，王少华，严情木.球型支座与上下部结构之间特性研究［J］.铁道建筑，2012(3):5-7.

［4］臧晓秋，李学斌，李东昇，等.三向测力盆式橡胶支座的设计及试验研究［J］.铁道建筑，2012(4):1-5.

［5］张勇，侯广伟，庄军生.既有铁路桥梁支座病害调查及原因分析［J］.铁道建筑，2011(12):51-53.

［6］中华人民共和国铁道部.TB/T 2331—2013 铁路桥梁盆式支座［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［7］中华人民共和国铁道部.科技基［2007］95号 客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定［S］.北京:中国铁道出版社，2007.