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耐磨板的耐磨性能及磨损机理

2018-10-13

我国自20世纪70年代以来一直采用聚四氟乙烯(PTFE)作为公路、铁路桥梁支座的耐磨板材料。由于聚四氟乙烯材料具有耐磨性能不够、抗重承载、抗蠕变性能较差,容易导致冷流等缺点,难以满足铁路高速、重载的要求。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE,ultra-highmolecularweightpolyethylene)具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、耐低温、自润滑、摩擦系数小、吸水率低和不易粘附异物等优良性能3,在国外被称为“神奇的塑料”。相关研究a表明:UHMWPE更适用于高应力和高速度条件下的活动支座,因此特别适合于要求较高的桥梁(如高速铁路和磁悬浮桥梁)支座上,以适应支座快速位移的需要。因此,在2007年6月颁布的《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》5中规定采用UHMWPE改性超高分子量聚乙烯板取代了之前支座中广泛使用的PTFE,与不锈钢板对磨,并增加了UHMWPE板的检验方法。随后在武广客运专线的桥梁支座中大量采用UHMWPE作为耐磨板材料,从而揭开了国内采用UHMWPE作为桥梁支座耐磨板材料的序幕。

球型支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种新型桥梁支座。由上支座板、球冠衬板、平面及球面耐磨板和不锈钢板、下支座板等组成。球型支座通过球冠衬板在耐磨板上的滑动来满足桥梁的大转角要求,可实现0.06rad以上的转动角度。球型支座既具备盆式橡胶支座的承载力大、位移大等特点,又具有传力可靠、反力均匀、转动力矩小、转动灵活、各向性能一致等诸多优良性能,因此在国外从20世纪70年代初便得到广泛应用。我国第一个球型支座1988年应用于上海南浦大桥的主桥A,其后得到越来越广泛的应用。

目前,国内球型支座规范采用的耐磨板材料仍以PTFE为主。不过,近几年随着国内经济发展,对于先进支座的重视程度不断提高,在高速铁路桥梁及重要公路桥梁的建设中大量应用采用了UHMWPE耐磨板材料的球型支座。但是对已使用各种耐磨材料的球型支座的受力性能还缺少相关研究,因此本文采用有限元法对其受力性能进行研究:分别建立了无耐磨板、采用PTFE(聚四氟乙烯)作为耐磨板及采用UHMWPE作为耐磨板的球型支座有限元计算模型,并针对各种使用工况进行仿真计算,根据计算结果给出各自的受力特点,并指出在球型支座中应用UHMWPE耐磨板的优势。

轮胎模具在使用过程中,由于相关运动部件(主要是耐磨板间)的相对运动会产生磨损。磨损使部件间间隙增大,从而导致轮胎胶边的产生,对轮胎外观质量有不利影响。轮胎产生胶边的原因很多,主要有部件的加工精度和安装精度不符合要求以及使用过程中产生变形及耐磨板间磨损。上述影响因素中的前3项是可控的,也就是在保证模具强度、刚度和加工精度都符合设计要求的条件下,装配调试合格后就不会产生胶边,但磨损的产生是必然的。因此,评估模具磨损以防胶边产生对保证轮胎外观质量至关重要。

耐磨板为铜一石墨材料,是以铜粉为基体,添加润滑石墨粉,运用粉末冶金技术制成。铜一石墨材料耐磨板使用中的磨损机理是磨合过程中存储于铜基体网状结构中的固体润滑剂石墨受到挤压从铜基体上不断脱落并涂覆于基体接触表面,从而形成一层薄的连续润滑膜,同时由于石墨本身具有易滑移的层状结构和较低的硬度,铜基体的磨料磨损和疲劳磨损强度也相应减轻。因此,接触面石墨层的存在保证了铜一石墨耐磨板具有良好的摩擦性能。

工程上,用于表征磨损的特征参数主要是磨损量。磨损过程通常可分为3个阶段:磨合、稳定磨损和剧烈磨损,以稳定磨损阶段为主。磨损量随时间的变化规律。

在稳定磨损阶段,随着时间的延长,磨损量基本呈线性缓慢增大。在此阶段,摩擦副材料的磨损主要受磨损参数及材料本身性质的影响,这些影响因素会随着时间的变化而变化,同时随着磨损过程的进行,磨损状态也会发生变化,因此磨损过程是一个随机变化过程,即磨损量是一个随时间变化的随机函数。


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