新型耐热型耐磨板在滑板橡胶支座中的应用

2016-12-16张银喜郝红肖曹志峰伍海斌

城市道桥与防洪 2016年11期

关键词：滑板摩擦系数硫化

张银喜，郝红肖，曹志峰，伍海斌

（中国中车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

新型耐热型耐磨板在滑板橡胶支座中的应用

张银喜，郝红肖，曹志峰，伍海斌

（中国中车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

根据弹性滑板橡胶支座使用需要，利用一种新型耐热型耐磨塑料HLIDE，研制了一种新型弹性滑板橡胶支座。通过对盆式橡胶支座和球型支座的结构特点的研究，采用滑板与橡胶支座本体分离的设计方法完成了支座结构设计。在该支座滑板材料与橡胶支座本体之间设置了卡槽钢板，滑板放置于卡槽钢板内。通过支座试验可知，试验完成后卡槽钢板内的滑板均未发生变形、破损。在滑板材料承受11.9MPa竖向压力干摩擦情况下，PTFE和UHMWPE材料的滑动摩擦系数相比HLIDE材料，分别增加了25.9%和170.4%。

减隔震；弹性滑板支座；耐热型耐磨板；结构设计；摩擦试验

0　引　言

由于在桥梁和建筑减隔震领域，弹性滑板橡胶支座在长期的变形过程会对滑板材料产生显著影响，如变形、磨损等。在现有滑板橡胶支座中，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]。这些材料的显著特点就是具有较好的耐热性、耐磨性能和变形能力，见表1。随着工程塑料材料研究的进步，新型滑板用工程塑料也相继推出[3]。本文利用一种最新研制的耐热型耐磨材料HLIDE结合弹性滑板橡胶支座的结构特点，研发了一种新型弹性滑板支座，并对其进行了相关测试。

表1　三种耐磨材料基本性能参数

1　结构设计

由于聚四氟乙烯板经表面活化[2]后其可利用粘接剂与橡胶材料整体硫化[4]，且二者间的抗剪性能符合相关要求，在传统四氟滑板橡胶支座结构中，四氟滑板与橡胶支座本体直接硫化[2,5]。基于同样的特点，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料在应用到滑板橡胶支座上时也可直接硫化[2]。而新型HLIDE材料经众多尝试，其与橡胶直接硫化粘接性能较差，不满足标准[6]中滑板与橡胶剥离强度需大于7kN/m的规定。同时橡胶本体中不同位置的橡胶材料在变形的过程中由于受力不均极易产生局部化变形，对于PTFE和UHMWPE，由表1可知，其断裂伸长率均大于300%，材料塑性较好，可以较好适应上述变形。HLIDE属脆性材料，即使可以和橡胶直接硫化，橡胶本体这种不均匀变形同样容易导致滑板碎裂，因此不可按照上述其他两种材料的制造方法进行加工。通过借鉴盆式橡胶支座[7]和球型支座[8]中耐磨板的嵌入式放置方法，新型支座的结构设计中，在橡胶本体与HLIDE耐磨板之间增加了一块带凹槽的卡槽钢板，见图1。在支座生产中，将卡槽钢板与本体直接硫化，耐磨板放置于卡槽钢板的凹槽内，从而实现耐磨板的定位。通过具有一定厚度的卡槽钢钢和上支座板的使用，保证了HLIDE耐磨板上下接触面始终为平面，卡槽钢板由优质钢材制成，具有较大的抗弯刚度，能够避免橡胶不均匀变形引起的HLIDE板材变形碎裂。卡槽钢板的使用也可为耐磨板材料提供一定的围压从而提高其抗压弹性模量与抗压比列极限。该支座橡胶本体通过螺栓将下支座板与封钢板进行连接，便于支座更换和支座板的重复利用。

图1　新型滑板橡胶支座结构示意图

2　试验测试

为验证上述设计方案的可靠性与科学性，本文试验所设计的滑板橡胶支座本体外径为420mm，卡槽钢板内径为400mm，实际使用条件下的竖向承载力为1500kN，对应耐磨板所受的平均压力约为11.9MPa。

本文试验在中国中车株洲电力机车研究所有限公司新材料检测中心2500t压剪试验机上进行，支座就位后，首先对支座施加1500kN的竖向压力并保持加载5mins，然后施加水平位移循环载荷，最大位移为160mm，速度为2mm/s。

本文支座中所使用的耐热型耐磨板HLIDE为株洲时代新材料科技股份有限公司生产的一种新产品，而现有支座标准[1-2]中，推荐的高分子滑板材料为聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯两种材料，为验证HLIDE摩擦性能，并比较其与聚四氟乙烯耐磨板（PTFE）和超高分子量耐磨板（UHMWPE）在摩擦性能方面的差异，本文加工了与卡槽钢板相适应的同样尺寸的三种材料耐磨板进行试验。

试验完成后的三种材料耐磨板均未发生破坏，其中HLIDE耐磨板的状态见图2，表面较为光滑，在滑动方向存在明显的滑动痕迹，但耐磨板未见显著裂纹。

图2　HLIDE干摩擦系数试验后照片

试验所得滞回曲线见图3，由图3可知，不仅PTFE具有摩擦力随次数的增加而降低的特点，HLIDE与UHMWPE均具有此特性[9];除HLIDE材料外，PTFE与UHMWPE在由静态转为滑动的最初阶段，摩擦力-位移曲线具有显著的抖动，且上述材料的静摩擦力显著大于滑动摩擦力，此抖动与粘滑现象所表现出来的特点一致[10]。这与PTFE与UHMWPE均具有较高伸长率。而HLIDE的脆性、硬度高等特点有关。

图3　三种材料耐磨板滞回曲线

由图3还可发现，三种耐磨材料的开始滑动位置分别是56mm、87mm和103mm。结果表明，硬度更高的脆性HLIDE材料更有利于滑板支座的滑动，尽早发挥滑动耗能功能。

从图3中可以提取出HLIDE、PTFE和UHMWPE三种材料对应的最大静摩擦力与滑动摩擦力，按Coulomb摩擦定律公式（1）可计算得到的相关摩擦系数，见表2。

表2　三种材料摩擦力及摩擦系数

由表2可知，对应于初始静摩擦力的静摩擦系数，PTFE和UHMWPE分别要比HLIDE增大26.5%、114.3%；相应的，对于滑动摩擦力，二者分别增大了25.9%和170.4%。可见三者的摩擦系数差别较为显著，特别是UHMWPE材料，较HLIDE增大一倍以上。

由表 1可知，HLIDE的熔点达到 220℃～230℃，虽然比PTFE的327±5℃低，但HLIDE与不锈钢之间的摩擦系数要比PTFE在同等工况下的低，支座使用过程中产生的热量也会减少，从而弥补熔点低的不足。相对于UHMWPE材料130℃～135℃的熔点，HLIDE提高约66.7%，且HLIDE的摩擦系数仅为其50%左右，可见其可靠性要显著高于UHMWPE。

试验中，PTFE滑板所承受的压力约为11.9MPa，静摩擦系数为0.062，与文献[10]中“使用应力大于12MPa以上时，稳定后的静摩擦系数可小于0.05”结论一致。

以上结果表明，本文选择HLIDE作为新型滑板橡胶支座的滑板材料具有实用性与科学性。新的结构设计方案不仅可以很好地解决HLIDE与橡胶粘接性较差的问题，还能够利用HLIDE板与不锈钢板之间的低摩擦系数减少长期使用生热导致耐磨板变形损毁，有利于提高支座的使用寿命，降低工程建设成本。