鋁合金球冠在橋梁支座中的應(yīng)用研究

梁旭LIANG Xu；周春ZHOU Chun；王福華WANG Fu-hua；何巍HE Wei；胡磊HU Lei

（中船雙瑞（洛陽）特種裝備股份有限公司武漢分公司，武漢 430081）

0 引言

目前在建筑及橋梁減隔震領(lǐng)域，球型支座越來越普及，然而球型鋼支座摩擦副的選用決定了支座的整體性能，因此摩擦副的設(shè)計(jì)成為控制球型支座質(zhì)量的重點(diǎn)部分[1]。為了滿足低摩擦力與高耐磨性，國(guó)內(nèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17955-2009 中規(guī)定球冠襯板凸球面可采用包覆不銹鋼板或電鍍硬鉻處理[2]，國(guó)內(nèi)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3320-2013 中也對(duì)球冠襯板的處理進(jìn)行了規(guī)定，要求球冠襯板凸球面應(yīng)包覆不銹鋼板[3]。因此各生產(chǎn)廠家都選擇在鋼球冠上焊接不銹鋼或者鍍鉻后與耐磨材料組合形成摩擦副。然而，如果是焊接不銹鋼板，則焊縫處極易腐蝕，在載荷長(zhǎng)期作用下容易失效。如采用鍍鉻方式，則鍍鉻件邊緣區(qū)域鉻層容易脫落，另外鍍鉻也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。[4]

通過對(duì)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337 的研究分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)外對(duì)球冠襯板的處理不僅可以采用包覆不銹鋼板和表面電鍍硬鉻，還可以使用鋁合金材質(zhì)[5][6]。然而該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)并未有資料進(jìn)行研究，因此，本文將開展鋁合金的研究。

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)鋁基合金材料，結(jié)合國(guó)內(nèi)球型支座規(guī)范和加工工藝，選擇一種合適性能要求的鋁合金材料，進(jìn)行樣品的試制，通過對(duì)鋁合金樣品機(jī)械性能試驗(yàn)、磨耗試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，以此來驗(yàn)證材料性能。然后根據(jù)橋梁支座標(biāo)準(zhǔn)要求，制作鋁合金球冠，使用在球型支座上，并對(duì)成品支座進(jìn)行豎向承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)性能和摩擦系數(shù)試驗(yàn)，檢驗(yàn)鋁合金球冠支座是否滿足國(guó)內(nèi)TB/T3320 標(biāo)準(zhǔn)。

2 鋁合金材料理論研究

2.1 支座摩擦副介紹

支座摩擦副是球型鋼支座的主要組成部分，通過球冠金屬球面與耐磨板，實(shí)現(xiàn)支座的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過球面，將上部載荷均勻地傳遞到下部結(jié)構(gòu)[1]。球冠常選用鍍鉻或包覆不銹鋼來降低摩擦系數(shù)、增加硬度，減小磨耗。

球冠襯板凸球面若采用電鍍硬鉻，要求表面鍍層100μm，表面粗糙度不超過Ra1.6μm[2]。因?yàn)榍蛎婧穸炔痪鶆?，也?huì)導(dǎo)致鍍層厚度不均勻，影響產(chǎn)品的防腐、耐磨效果，而且鍍后處理困難，表面粗糙度差。另一方面，電鍍對(duì)環(huán)境污染大，廢氣、粉塵顆粒物多，廢水量大，還含有重金屬，對(duì)植物和人類威脅很大。

球冠襯板凸球面若包覆不銹鋼板，則要求不銹鋼板與基底鋼襯板密貼，不許有脫空現(xiàn)象。首先要把不銹鋼板壓制成球面，然后焊接在基底鋼襯板上，工藝繁雜，無檢測(cè)手段保證不銹鋼板與球冠密貼。如果不密貼，支座安裝在梁下后，受上部荷載的作用，球面不銹鋼板與鋼襯板將會(huì)脫離，影響支座的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，存在嚴(yán)重地安全隱患。對(duì)于大噸位支座，包覆不銹鋼板，只能訂制或采用拼接的方式，工藝復(fù)雜，制造成本也高。

因此，使用不銹鋼或其它耐腐蝕材料制作球冠，是一種解決以上問題的方法，但是因?yàn)椴讳P鋼材料價(jià)格高，加工性能差，很難滿足球冠機(jī)加工要求，故不作為研究對(duì)象。本文通過借鑒歐洲標(biāo)準(zhǔn)，使用鋁基合金材料制造的球冠，是一種更優(yōu)的方法。因此根據(jù)橋梁球型支座標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇一種合適的鋁合金材料，要求其機(jī)械性能適中，與耐磨板配合組成摩擦副，這種摩擦副的線磨耗率、摩擦系數(shù)和防腐性能比普通摩擦副磨損小，摩擦面更光滑，且不存在鍍鉻球冠焊縫邊緣容易腐蝕、大噸位拼焊不銹鋼板的弊端，制造工藝也更簡(jiǎn)單，表面采用陽極氧化即可防腐。

2.2 鋁合金材料選型

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用[7]。參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337 中的摩擦副，結(jié)合球型支座機(jī)械性能和制造工藝要求，選擇一種合適的鋁合金材料作為研究的對(duì)象，牌號(hào)為6A02 的鍛鋁合金[8]，其機(jī)械性能要求如表1 所示。

表1 鋁合金材料機(jī)械性能參數(shù)表

該鋁合金材料機(jī)械加工性能好，表面可進(jìn)行鏡面拋光，與球面耐磨板組成摩擦副，其性能要求如表2。

表2 鋁合金球冠技術(shù)參數(shù)表

研制的鋁合金試樣，其化學(xué)成分和機(jī)械性能滿足GB/T3190-2008 和GB/T3191-2019 標(biāo)準(zhǔn)，材料強(qiáng)度、硬度適中，塑性好，承載力大，質(zhì)量輕[9]。

3 鋁合金試樣試驗(yàn)研究

3.1 鋁合金機(jī)械性能試驗(yàn)

根據(jù)拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行鋁合金試棒的制作，如圖2 所示。并按照GB/T228 和GB/T229 在拉力試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)；按照GB/T231.1檢測(cè)鋁合金材料硬度。

試驗(yàn)環(huán)境條件：溫度應(yīng)控制在23±2°C，濕度保持在50%-65%。

試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 鋁合金材料機(jī)械性能試驗(yàn)

由試驗(yàn)結(jié)果可知此種鋁合金強(qiáng)度、硬度、沖擊性能滿足選型設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 磨耗試驗(yàn)

根據(jù)橋梁支座TB/T 3320 標(biāo)準(zhǔn)要求，為保證橋梁支座的使用壽命，需要對(duì)支座的摩擦副進(jìn)行磨耗試驗(yàn)。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鋁合金板與滑板組成的摩擦副進(jìn)行短距離磨耗和長(zhǎng)距離磨耗試驗(yàn)。

短距離磨耗試驗(yàn)按照橋梁支座標(biāo)準(zhǔn)采用改性超高分子量聚乙烯滑板，規(guī)格為?100x7mm 帶儲(chǔ)脂坑作為耐磨板，與鏡面鋁合金板形成摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)。硅脂采用P5201 型號(hào)。

試驗(yàn)條件如下：

試驗(yàn)溫度：21±1℃

試件正壓力：45MPa（壓力為353.43kN）

相對(duì)滑移位移：±10mm

相對(duì)滑移速度：15mm/s（正弦波）

預(yù)壓時(shí)間：1h

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：TB/T3320-2013《鐵路橋梁球型支座》附錄A

試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 鋁合金材料短距離磨耗試驗(yàn)結(jié)果

做完短距離磨耗試驗(yàn)后，鏡面板表面光滑，耐磨板磨耗較小，約1.5um/km，滿足鐵路橋梁球型支座標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3320-2013。

長(zhǎng)距離磨耗試驗(yàn)按照短距離磨耗試驗(yàn)同樣的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，做15km 長(zhǎng)距離磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 鋁合金材料長(zhǎng)距離磨耗試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)照片如圖3。

從試驗(yàn)結(jié)果看出耐磨板與鋁合金配合使用，長(zhǎng)距離線磨耗較小，小于5um/km，試驗(yàn)后鋁合金表面平整，粗糙度滿足要求。

3.3 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)根據(jù)鋁合金的表面處理方式可分為非氧化鋁合金鹽霧試驗(yàn)和氧鋁合金鹽霧試驗(yàn)，以此驗(yàn)證鋁合金的防腐性能，第一組試驗(yàn)采用非氧化鋁合金板、小鋁合金球冠與焊接不銹鋼板、鍍鉻薄板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，來驗(yàn)證非氧化鋁合金的防腐性能，第二組試驗(yàn)采用表面進(jìn)行了陽極氧化的鋁合金樣板與焊接不銹鋼薄板和鍍鉻薄板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

非氧化鋁合金鹽霧試驗(yàn)試樣由鋁合金薄板、鋁合金球冠、焊接不銹鋼薄板和鍍鉻薄板組成。

試驗(yàn)條件：中性鹽霧試驗(yàn)；

噴霧方式：連續(xù)噴霧；

溫度：35℃；

溶液：5% NaCl 溶液（NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值為7.0）；

鹽霧沉降量：1.5mL/h；

試驗(yàn)依據(jù)：GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》；

試驗(yàn)儀器：Q-FOG 循環(huán)腐蝕試驗(yàn)箱。

試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 非氧化鋁合金鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后照片如圖4-圖7。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，鋁合金腐蝕速度慢，耐腐蝕強(qiáng)；普通鍍鉻球冠邊緣容易銹蝕，包覆不銹鋼球冠焊縫容易腐蝕，因此鋁合金球冠耐腐蝕性能強(qiáng)于普通鍍鉻球冠和包覆不銹鋼球冠。在干燥、低鹽度地震區(qū)使用時(shí)，球冠表面無需進(jìn)行陽極氧化處理。

氧化鋁合金鹽霧試驗(yàn)試樣由表面陽極氧化的鋁合金球冠、焊接不銹鋼薄板和鍍鉻薄板組成。

試驗(yàn)條件：中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）；

噴霧方式：連續(xù)噴霧；

溫度：35±2℃；

溶液：5% NaCl 溶液（NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值為6.5～7.2）；

噴霧量：1.5±0.5ml/80cm2/h；

試驗(yàn)依據(jù)：GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》；

試驗(yàn)儀器：Q-FOG 循環(huán)腐蝕試驗(yàn)箱。

驗(yàn)結(jié)果如表7。

表7 氧化鋁合金鹽霧試驗(yàn)對(duì)比表

從試驗(yàn)結(jié)果可知，鋁合金球冠表面經(jīng)過陽極氧化處理后，鹽霧試驗(yàn)無白銹，耐腐蝕更強(qiáng)；普通鍍鉻球冠油漆縫容易銹蝕，包覆不銹鋼球冠邊緣焊縫容易腐蝕，氧化的鋁合金球冠耐腐蝕性能強(qiáng)比非氧化的鋁合金球冠更強(qiáng)；在高鹽度地區(qū)，表面經(jīng)過陽極氧化處理的鋁合金球冠壽命更長(zhǎng)，特別適合在沿海地區(qū)使用。

通過以上試驗(yàn)可以得出，采用研制的鋁合金材料很適合做球冠，其機(jī)械性能、防腐性能、磨耗性能都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且優(yōu)于球冠包覆不銹鋼和凸球面電鍍硬鉻的工藝。

4 鋁合球冠球型支座樣機(jī)的研究

通過以上研究結(jié)果，采用這種材料強(qiáng)度適中，抗沖擊性能強(qiáng)，摩擦系數(shù)低，表面采用陽極氧化處理即能達(dá)到高耐腐蝕要求，可以制成球冠，使用在支座上，而且加工工藝簡(jiǎn)單，從鑄棒下料，兩端初銑，車球面，導(dǎo)圓角，到球面拋光，僅需五步。使用合金球冠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的包覆不銹鋼或鍍鉻球冠，也可以大大降低產(chǎn)品的制造成本。

4.1 鋁合金球冠樣機(jī)試制

根據(jù)鐵路支座TB/T 3320 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同型號(hào)大小的球冠，其材料采用研制的鋁合金，按照制造工藝加工，對(duì)生產(chǎn)的球冠樣品的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，要求表面粗糙度小于0.8um、球面度小于0.2、布氏硬度大于70。

因?yàn)殇X合金材料抗腐蝕性能很強(qiáng)，在干燥、低鹽度的地區(qū)使用時(shí)，表面可不作防護(hù)，就能達(dá)到防腐要求。

將鋁合金表面進(jìn)行陽極氧化，形成硬質(zhì)氧化膜，在鹽霧試驗(yàn)中很難發(fā)生腐蝕，這層氧化鋁會(huì)充當(dāng)保護(hù)層，阻止里面的鋁進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)或被腐蝕[10]。提高耐腐蝕性、增強(qiáng)耐磨性及硬度，又不影響粗糙度，適用于沿海地區(qū)。

4.2 樣機(jī)試驗(yàn)

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范制造的樣機(jī)型號(hào)、數(shù)量為2個(gè)2000kN 固定球型支座、2 個(gè)2000kN 縱向球型支座，其中球冠采用鋁合金材料，非氧化4 個(gè)，氧化2 個(gè)。球面半徑為360mm，固定支座高度125mm，縱向支座125mm。

非氧化鋁合金支座力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括豎向承載力試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩試驗(yàn)、摩擦系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度是21℃，試驗(yàn)設(shè)備為TYE-10000 壓剪試驗(yàn)機(jī)（ZL028），試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按《鐵路橋梁球型支座》TB/T3320-2013 執(zhí)行，試樣試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 鋁合金球冠球型支座試驗(yàn)結(jié)果表

備注：在豎向設(shè)計(jì)承載力作用下，總高度不大于200mm 的球型支座，豎向壓縮變形不應(yīng)大于2mm；總高度大于200mm 的球型支座，豎向壓縮變形不應(yīng)大于支座高度的1%，且不應(yīng)大于4mm；支座摩擦系數(shù)不超過0.03；支座設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩21600N·m[11]。試驗(yàn)照片如圖10。

從2000kN 固定球型支座、2000kN 縱向球型支座成品試驗(yàn)得出兩種支座豎向承載、轉(zhuǎn)動(dòng)性能、摩擦系數(shù)均滿足《鐵路橋梁球型支座》TB/T3320-2013 要求，試驗(yàn)后，合金球冠球面光滑，無劃痕和磨損，光滑度非常好。說明合金球冠支座承載、摩擦系數(shù)、硬度等都符合支座標(biāo)準(zhǔn)，可以正常使用。在干燥、低鹽度地震區(qū)，球冠表面無需進(jìn)行陽極氧化處理。

對(duì)氧化鋁合金支座進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品參數(shù)如表9 所示。

表9 鋁合金球冠球型支座參數(shù)表

試驗(yàn)溫度：26℃

試驗(yàn)設(shè)備：TYE-10000 壓剪試驗(yàn)機(jī)（ZL028）

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：《鐵路橋梁球型支座》TB/T3320-2013試驗(yàn)內(nèi)容：轉(zhuǎn)動(dòng)性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如表10 所示。

表10 鋁合金球冠球型支座抓到弄性能試驗(yàn)結(jié)果表

鋁合金球冠表面經(jīng)過氧化處理后，球面粗糙度幾乎不變，支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩滿足《鐵路橋梁球型支座》TB/T3320-2013 標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)后，球面光滑，無劃痕和磨損，變形。

表面陽極氧化處理后耐腐蝕性更強(qiáng)，特別適合在沿海地區(qū)使用時(shí)。

5 結(jié)論

①研制的鋁合金球冠已獲國(guó)家發(fā)明專利，鋁合金球冠橋梁球型鋼支座技術(shù)于2016 年通過由湖北省科學(xué)技術(shù)廳組織的成果鑒定，其成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

②鋁合金材料強(qiáng)度大、硬度適中，具有較好的抗沖擊性能，與耐磨板配合組成摩擦副，線磨耗、摩擦系數(shù)和防腐性能比普通摩擦副磨損更小，摩擦面更光滑，且不存在鍍鉻球冠焊縫邊緣容易腐蝕、大噸位拼焊不銹鋼板的弊端；比鍍鉻球冠，摩擦面更均勻光滑，且不易脫落腐蝕，質(zhì)量更輕，環(huán)境污染更小，很適合用于橋梁支座摩擦副組件。

③鋁合金球冠使用表面陽極氧化進(jìn)行防腐處理，抗腐蝕效果強(qiáng)。使用鋁合金球冠的支座，各項(xiàng)性能均滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。運(yùn)用在橋梁支座上，更環(huán)保，質(zhì)量更輕巧，壽命更長(zhǎng)，維護(hù)成本也更低，是市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)。

④摩擦副作為橋梁支座的核心部件，對(duì)支座的使用性能、壽命起著關(guān)鍵性作用，本文從摩擦副組件之一的球冠進(jìn)行研究試驗(yàn)，選擇了一種新型合金材料，大大提高了橋梁支座的整體性能和壽命。耐磨板同時(shí)也是摩擦副的關(guān)鍵組成部分，需要在今后的工作中作進(jìn)一步的摸索，不斷提高橋梁支座的性能。