新型耐熱型耐磨板在滑板橡膠支座中的應(yīng)用

張銀喜，郝紅肖，曹志峰，伍海斌

（中國(guó)中車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

新型耐熱型耐磨板在滑板橡膠支座中的應(yīng)用

張銀喜，郝紅肖，曹志峰，伍海斌

（中國(guó)中車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

根據(jù)彈性滑板橡膠支座使用需要，利用一種新型耐熱型耐磨塑料HLIDE，研制了一種新型彈性滑板橡膠支座。通過對(duì)盆式橡膠支座和球型支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，采用滑板與橡膠支座本體分離的設(shè)計(jì)方法完成了支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在該支座滑板材料與橡膠支座本體之間設(shè)置了卡槽鋼板，滑板放置于卡槽鋼板內(nèi)。通過支座試驗(yàn)可知，試驗(yàn)完成后卡槽鋼板內(nèi)的滑板均未發(fā)生變形、破損。在滑板材料承受11.9MPa豎向壓力干摩擦情況下，PTFE和UHMWPE材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)相比HLIDE材料，分別增加了25.9%和170.4%。

減隔震；彈性滑板支座；耐熱型耐磨板；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；摩擦試驗(yàn)

0　引　言

由于在橋梁和建筑減隔震領(lǐng)域，彈性滑板橡膠支座在長(zhǎng)期的變形過程會(huì)對(duì)滑板材料產(chǎn)生顯著影響，如變形、磨損等。在現(xiàn)有滑板橡膠支座中，常用的耐磨板材料有聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯材料[1,2]。這些材料的顯著特點(diǎn)就是具有較好的耐熱性、耐磨性能和變形能力，見表1。隨著工程塑料材料研究的進(jìn)步，新型滑板用工程塑料也相繼推出[3]。本文利用一種最新研制的耐熱型耐磨材料HLIDE結(jié)合彈性滑板橡膠支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了一種新型彈性滑板支座，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

表1　三種耐磨材料基本性能參數(shù)

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于聚四氟乙烯板經(jīng)表面活化[2]后其可利用粘接劑與橡膠材料整體硫化[4]，且二者間的抗剪性能符合相關(guān)要求，在傳統(tǒng)四氟滑板橡膠支座結(jié)構(gòu)中，四氟滑板與橡膠支座本體直接硫化[2,5]?；谕瑯拥奶攸c(diǎn)，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料在應(yīng)用到滑板橡膠支座上時(shí)也可直接硫化[2]。而新型HLIDE材料經(jīng)眾多嘗試，其與橡膠直接硫化粘接性能較差，不滿足標(biāo)準(zhǔn)[6]中滑板與橡膠剝離強(qiáng)度需大于7kN/m的規(guī)定。同時(shí)橡膠本體中不同位置的橡膠材料在變形的過程中由于受力不均極易產(chǎn)生局部化變形，對(duì)于PTFE和UHMWPE，由表1可知，其斷裂伸長(zhǎng)率均大于300%，材料塑性較好，可以較好適應(yīng)上述變形。HLIDE屬脆性材料，即使可以和橡膠直接硫化，橡膠本體這種不均勻變形同樣容易導(dǎo)致滑板碎裂，因此不可按照上述其他兩種材料的制造方法進(jìn)行加工。通過借鑒盆式橡膠支座[7]和球型支座[8]中耐磨板的嵌入式放置方法，新型支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在橡膠本體與HLIDE耐磨板之間增加了一塊帶凹槽的卡槽鋼板，見圖1。在支座生產(chǎn)中，將卡槽鋼板與本體直接硫化，耐磨板放置于卡槽鋼板的凹槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)耐磨板的定位。通過具有一定厚度的卡槽鋼鋼和上支座板的使用，保證了HLIDE耐磨板上下接觸面始終為平面，卡槽鋼板由優(yōu)質(zhì)鋼材制成，具有較大的抗彎剛度，能夠避免橡膠不均勻變形引起的HLIDE板材變形碎裂。卡槽鋼板的使用也可為耐磨板材料提供一定的圍壓從而提高其抗壓彈性模量與抗壓比列極限。該支座橡膠本體通過螺栓將下支座板與封鋼板進(jìn)行連接，便于支座更換和支座板的重復(fù)利用。

圖1　新型滑板橡膠支座結(jié)構(gòu)示意圖

2　試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可靠性與科學(xué)性，本文試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的滑板橡膠支座本體外徑為420mm，卡槽鋼板內(nèi)徑為400mm，實(shí)際使用條件下的豎向承載力為1500kN，對(duì)應(yīng)耐磨板所受的平均壓力約為11.9MPa。

本文試驗(yàn)在中國(guó)中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司新材料檢測(cè)中心2500t壓剪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，支座就位后，首先對(duì)支座施加1500kN的豎向壓力并保持加載5mins，然后施加水平位移循環(huán)載荷，最大位移為160mm，速度為2mm/s。

本文支座中所使用的耐熱型耐磨板HLIDE為株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的一種新產(chǎn)品，而現(xiàn)有支座標(biāo)準(zhǔn)[1-2]中，推薦的高分子滑板材料為聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯兩種材料，為驗(yàn)證HLIDE摩擦性能，并比較其與聚四氟乙烯耐磨板（PTFE）和超高分子量耐磨板（UHMWPE）在摩擦性能方面的差異，本文加工了與卡槽鋼板相適應(yīng)的同樣尺寸的三種材料耐磨板進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)完成后的三種材料耐磨板均未發(fā)生破壞，其中HLIDE耐磨板的狀態(tài)見圖2，表面較為光滑，在滑動(dòng)方向存在明顯的滑動(dòng)痕跡，但耐磨板未見顯著裂紋。

圖2　HLIDE干摩擦系數(shù)試驗(yàn)后照片

試驗(yàn)所得滯回曲線見圖3，由圖3可知，不僅PTFE具有摩擦力隨次數(shù)的增加而降低的特點(diǎn)，HLIDE與UHMWPE均具有此特性[9];除HLIDE材料外，PTFE與UHMWPE在由靜態(tài)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)的最初階段，摩擦力-位移曲線具有顯著的抖動(dòng)，且上述材料的靜摩擦力顯著大于滑動(dòng)摩擦力，此抖動(dòng)與粘滑現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)一致[10]。這與PTFE與UHMWPE均具有較高伸長(zhǎng)率。而HLIDE的脆性、硬度高等特點(diǎn)有關(guān)。

圖3　三種材料耐磨板滯回曲線

由圖3還可發(fā)現(xiàn)，三種耐磨材料的開始滑動(dòng)位置分別是56mm、87mm和103mm。結(jié)果表明，硬度更高的脆性HLIDE材料更有利于滑板支座的滑動(dòng)，盡早發(fā)揮滑動(dòng)耗能功能。

從圖3中可以提取出HLIDE、PTFE和UHMWPE三種材料對(duì)應(yīng)的最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力，按Coulomb摩擦定律公式（1）可計(jì)算得到的相關(guān)摩擦系數(shù)，見表2。

表2　三種材料摩擦力及摩擦系數(shù)

由表2可知，對(duì)應(yīng)于初始靜摩擦力的靜摩擦系數(shù)，PTFE和UHMWPE分別要比HLIDE增大26.5%、114.3%；相應(yīng)的，對(duì)于滑動(dòng)摩擦力，二者分別增大了25.9%和170.4%?？梢娙叩哪Σ料禂?shù)差別較為顯著，特別是UHMWPE材料，較HLIDE增大一倍以上。

由表 1可知，HLIDE的熔點(diǎn)達(dá)到 220℃～230℃，雖然比PTFE的327±5℃低，但HLIDE與不銹鋼之間的摩擦系數(shù)要比PTFE在同等工況下的低，支座使用過程中產(chǎn)生的熱量也會(huì)減少，從而彌補(bǔ)熔點(diǎn)低的不足。相對(duì)于UHMWPE材料130℃～135℃的熔點(diǎn)，HLIDE提高約66.7%，且HLIDE的摩擦系數(shù)僅為其50%左右，可見其可靠性要顯著高于UHMWPE。

試驗(yàn)中，PTFE滑板所承受的壓力約為11.9MPa，靜摩擦系數(shù)為0.062，與文獻(xiàn)[10]中“使用應(yīng)力大于12MPa以上時(shí)，穩(wěn)定后的靜摩擦系數(shù)可小于0.05”結(jié)論一致。

以上結(jié)果表明，本文選擇HLIDE作為新型滑板橡膠支座的滑板材料具有實(shí)用性與科學(xué)性。新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不僅可以很好地解決HLIDE與橡膠粘接性較差的問題，還能夠利用HLIDE板與不銹鋼板之間的低摩擦系數(shù)減少長(zhǎng)期使用生熱導(dǎo)致耐磨板變形損毀，有利于提高支座的使用壽命，降低工程建設(shè)成本。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文利用新型耐熱型耐磨板材料HLIDE設(shè)計(jì)了一種新型彈性滑板支座，通過耐磨性能試驗(yàn)可知：

（1）利用卡槽鋼板與橡膠支座本體直接硫化，二者的粘接性能能夠滿足支座使用過程中的完整性需求；

（2）由于卡槽鋼板的使用，三種耐磨板均未因橡膠支座的局部變形發(fā)生碎裂，有利于保護(hù)耐磨板材料的完整；

（3）新型耐磨板材料HLIDE的干摩擦系數(shù)與PTFE相當(dāng)，明顯小于UHMWPE材料；

（4）綜合摩擦系數(shù)和熔點(diǎn)數(shù)據(jù)，新型耐磨板材料 HLIDE的耐熱、耐磨性能介于 PTFE和UHMWPE之間。

[1]JT/T901-2014,橋梁支座用高分子材料滑板[S].

[2]GB20688.5-2014,橡膠支座第5部分：建筑隔震彈性滑板支座[S].

[3]盧賢存,歐陽(yáng)旋宇,鄭青松.ALGA新型支座在京津客專連續(xù)梁中的應(yīng)用[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2008(5):62-64.

[4]董高峰,劉繼東.聚四氟乙烯表面處理與粘接[J].工程塑料應(yīng)用, 2005,33(9):61-63.

[5]趙傳富.超高分子量聚乙烯的粘接[J].黎明化工,1994(2):25-27.

[6]JT/T4-2004,公路橋梁板式橡膠支座[S].

[7]JT/T391-2009,公路橋梁盆式支座[S].

[8]吳成亮,仝強(qiáng),高峰利.一種新型單向滑動(dòng)球型支座性能與試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(3):67-69.

[9]莊軍生.橋梁支座（第三版）[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

[10]B.布尚.摩擦學(xué)導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

U443.5

A

1009-7716（2016）11-0138-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.039

2016-07-22

張銀喜（1985-），男，安徽宣城人，工程師，從事工程抗震工作。