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

（中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司武汉分公司，武汉 430081）

0 引言

目前在建筑及桥梁减隔震领域，球型支座越来越普及，然而球型钢支座摩擦副的选用决定了支座的整体性能，因此摩擦副的设计成为控制球型支座质量的重点部分[1]。为了满足低摩擦力与高耐磨性，国内国家标准GB/T 17955-2009 中规定球冠衬板凸球面可采用包覆不锈钢板或电镀硬铬处理[2]，国内铁道行业标准TB/T 3320-2013 中也对球冠衬板的处理进行了规定，要求球冠衬板凸球面应包覆不锈钢板[3]。因此各生产厂家都选择在钢球冠上焊接不锈钢或者镀铬后与耐磨材料组合形成摩擦副。然而，如果是焊接不锈钢板，则焊缝处极易腐蚀，在载荷长期作用下容易失效。如采用镀铬方式，则镀铬件边缘区域铬层容易脱落，另外镀铬也会产生严重的环境污染。[4]

通过对欧洲标准EN1337 的研究分析，发现国外对球冠衬板的处理不仅可以采用包覆不锈钢板和表面电镀硬铬，还可以使用铝合金材质[5][6]。然而该项技术在国内并未有资料进行研究，因此，本文将开展铝合金的研究。

参考欧洲标准铝基合金材料，结合国内球型支座规范和加工工艺，选择一种合适性能要求的铝合金材料，进行样品的试制，通过对铝合金样品机械性能试验、磨耗试验、盐雾试验进行测试，以此来验证材料性能。然后根据桥梁支座标准要求，制作铝合金球冠，使用在球型支座上，并对成品支座进行竖向承载力、转动性能和摩擦系数试验，检验铝合金球冠支座是否满足国内TB/T3320 标准。

2 铝合金材料理论研究

2.1 支座摩擦副介绍

支座摩擦副是球型钢支座的主要组成部分，通过球冠金属球面与耐磨板，实现支座的正常转动，并通过球面，将上部载荷均匀地传递到下部结构[1]。球冠常选用镀铬或包覆不锈钢来降低摩擦系数、增加硬度，减小磨耗。

球冠衬板凸球面若采用电镀硬铬，要求表面镀层100μm，表面粗糙度不超过Ra1.6μm[2]。因为球面厚度不均匀，也会导致镀层厚度不均匀，影响产品的防腐、耐磨效果，而且镀后处理困难，表面粗糙度差。另一方面，电镀对环境污染大，废气、粉尘颗粒物多，废水量大，还含有重金属，对植物和人类威胁很大。

球冠衬板凸球面若包覆不锈钢板，则要求不锈钢板与基底钢衬板密贴，不许有脱空现象。首先要把不锈钢板压制成球面，然后焊接在基底钢衬板上，工艺繁杂，无检测手段保证不锈钢板与球冠密贴。如果不密贴，支座安装在梁下后，受上部荷载的作用，球面不锈钢板与钢衬板将会脱离，影响支座的正常转动，存在严重地安全隐患。对于大吨位支座，包覆不锈钢板，只能订制或采用拼接的方式，工艺复杂，制造成本也高。

因此，使用不锈钢或其它耐腐蚀材料制作球冠，是一种解决以上问题的方法，但是因为不锈钢材料价格高，加工性能差，很难满足球冠机加工要求，故不作为研究对象。本文通过借鉴欧洲标准，使用铝基合金材料制造的球冠，是一种更优的方法。因此根据桥梁球型支座标准要求，选择一种合适的铝合金材料，要求其机械性能适中，与耐磨板配合组成摩擦副，这种摩擦副的线磨耗率、摩擦系数和防腐性能比普通摩擦副磨损小，摩擦面更光滑，且不存在镀铬球冠焊缝边缘容易腐蚀、大吨位拼焊不锈钢板的弊端，制造工艺也更简单，表面采用阳极氧化即可防腐。

2.2 铝合金材料选型

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[7]。参考欧洲标准EN1337 中的摩擦副，结合球型支座机械性能和制造工艺要求，选择一种合适的铝合金材料作为研究的对象，牌号为6A02 的锻铝合金[8]，其机械性能要求如表1 所示。

表1 铝合金材料机械性能参数表

该铝合金材料机械加工性能好，表面可进行镜面抛光，与球面耐磨板组成摩擦副，其性能要求如表2。

表2 铝合金球冠技术参数表

研制的铝合金试样，其化学成分和机械性能满足GB/T3190-2008 和GB/T3191-2019 标准，材料强度、硬度适中，塑性好，承载力大，质量轻[9]。

3 铝合金试样试验研究

3.1 铝合金机械性能试验

根据拉伸试验和冲击试验标准，进行铝合金试棒的制作，如图2 所示。并按照GB/T228 和GB/T229 在拉力试验机和冲击试验机上进行拉伸、冲击试验；按照GB/T231.1检测铝合金材料硬度。

试验环境条件：温度应控制在23±2°C，湿度保持在50%-65%。

试验结果如表3 所示。

表3 铝合金材料机械性能试验

由试验结果可知此种铝合金强度、硬度、冲击性能满足选型设计要求和相关标准要求。

3.2 磨耗试验

根据桥梁支座TB/T 3320 标准要求，为保证桥梁支座的使用寿命，需要对支座的摩擦副进行磨耗试验。因此，根据标准要求对铝合金板与滑板组成的摩擦副进行短距离磨耗和长距离磨耗试验。

短距离磨耗试验按照桥梁支座标准采用改性超高分子量聚乙烯滑板，规格为Ø100x7mm 带储脂坑作为耐磨板，与镜面铝合金板形成摩擦副进行试验。硅脂采用P5201 型号。

试验条件如下：

试验温度：21±1℃

试件正压力：45MPa（压力为353.43kN）

相对滑移位移：±10mm

相对滑移速度：15mm/s（正弦波）

预压时间：1h

试验标准：TB/T3320-2013《铁路桥梁球型支座》附录A

试验结果如表4 所示。

表4 铝合金材料短距离磨耗试验结果

做完短距离磨耗试验后，镜面板表面光滑，耐磨板磨耗较小，约1.5um/km，满足铁路桥梁球型支座标准TB/T 3320-2013。

长距离磨耗试验按照短距离磨耗试验同样的试验条件和试验标准，做15km 长距离磨耗试验，试验结果如表5。

表5 铝合金材料长距离磨耗试验结果

试验照片如图3。

从试验结果看出耐磨板与铝合金配合使用，长距离线磨耗较小，小于5um/km，试验后铝合金表面平整，粗糙度满足要求。

3.3 中性盐雾腐蚀试验

盐雾试验根据铝合金的表面处理方式可分为非氧化铝合金盐雾试验和氧铝合金盐雾试验，以此验证铝合金的防腐性能，第一组试验采用非氧化铝合金板、小铝合金球冠与焊接不锈钢板、镀铬薄板进行对比试验，来验证非氧化铝合金的防腐性能，第二组试验采用表面进行了阳极氧化的铝合金样板与焊接不锈钢薄板和镀铬薄板进行对比试验。

非氧化铝合金盐雾试验试样由铝合金薄板、铝合金球冠、焊接不锈钢薄板和镀铬薄板组成。

试验条件：中性盐雾试验；

喷雾方式：连续喷雾；

温度：35℃；

溶液：5% NaCl 溶液（NaOH 溶液调节pH 值为7.0）；

盐雾沉降量：1.5mL/h；

试验依据：GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》；

试验仪器：Q-FOG 循环腐蚀试验箱。

试验结果如表6 所示。

表6 非氧化铝合金盐雾试验结果

试验后照片如图4-图7。

从试验结果可知，铝合金腐蚀速度慢，耐腐蚀强；普通镀铬球冠边缘容易锈蚀，包覆不锈钢球冠焊缝容易腐蚀，因此铝合金球冠耐腐蚀性能强于普通镀铬球冠和包覆不锈钢球冠。在干燥、低盐度地震区使用时，球冠表面无需进行阳极氧化处理。

氧化铝合金盐雾试验试样由表面阳极氧化的铝合金球冠、焊接不锈钢薄板和镀铬薄板组成。

试验条件：中性盐雾试验（NSS）；

喷雾方式：连续喷雾；

温度：35±2℃；

溶液：5% NaCl 溶液（NaOH 溶液调节pH 值为6.5～7.2）；

喷雾量：1.5±0.5ml/80cm2/h；

试验依据：GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》；

试验仪器：Q-FOG 循环腐蚀试验箱。

验结果如表7。

表7 氧化铝合金盐雾试验对比表

从试验结果可知，铝合金球冠表面经过阳极氧化处理后，盐雾试验无白锈，耐腐蚀更强；普通镀铬球冠油漆缝容易锈蚀，包覆不锈钢球冠边缘焊缝容易腐蚀，氧化的铝合金球冠耐腐蚀性能强比非氧化的铝合金球冠更强；在高盐度地区，表面经过阳极氧化处理的铝合金球冠寿命更长，特别适合在沿海地区使用。

通过以上试验可以得出，采用研制的铝合金材料很适合做球冠，其机械性能、防腐性能、磨耗性能都能满足标准要求，且优于球冠包覆不锈钢和凸球面电镀硬铬的工艺。

4 铝合球冠球型支座样机的研究

通过以上研究结果，采用这种材料强度适中，抗冲击性能强，摩擦系数低，表面采用阳极氧化处理即能达到高耐腐蚀要求，可以制成球冠，使用在支座上，而且加工工艺简单，从铸棒下料，两端初铣，车球面，导圆角，到球面抛光，仅需五步。使用合金球冠代替传统的包覆不锈钢或镀铬球冠，也可以大大降低产品的制造成本。

4.1 铝合金球冠样机试制

根据铁路支座TB/T 3320 标准，设计不同型号大小的球冠，其材料采用研制的铝合金，按照制造工艺加工，对生产的球冠样品的质量进行检测，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。

因为铝合金材料抗腐蚀性能很强，在干燥、低盐度的地区使用时，表面可不作防护，就能达到防腐要求。

将铝合金表面进行阳极氧化，形成硬质氧化膜，在盐雾试验中很难发生腐蚀，这层氧化铝会充当保护层，阻止里面的铝进一步发生反应或被腐蚀[10]。提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，又不影响粗糙度，适用于沿海地区。

4.2 样机试验

参照相关标准及设计规范制造的样机型号、数量为2个2000kN 固定球型支座、2 个2000kN 纵向球型支座，其中球冠采用铝合金材料，非氧化4 个，氧化2 个。球面半径为360mm，固定支座高度125mm，纵向支座125mm。

非氧化铝合金支座力学性能试验项目包括竖向承载力试验、转动力矩试验、摩擦系数试验，试验温度是21℃，试验设备为TYE-10000 压剪试验机（ZL028），试验标准按《铁路桥梁球型支座》TB/T3320-2013 执行，试样试验结果见表8。

表8 铝合金球冠球型支座试验结果表

备注：在竖向设计承载力作用下，总高度不大于200mm 的球型支座，竖向压缩变形不应大于2mm；总高度大于200mm 的球型支座，竖向压缩变形不应大于支座高度的1%，且不应大于4mm；支座摩擦系数不超过0.03；支座设计转动力矩21600N·m[11]。试验照片如图10。

从2000kN 固定球型支座、2000kN 纵向球型支座成品试验得出两种支座竖向承载、转动性能、摩擦系数均满足《铁路桥梁球型支座》TB/T3320-2013 要求，试验后，合金球冠球面光滑，无划痕和磨损，光滑度非常好。说明合金球冠支座承载、摩擦系数、硬度等都符合支座标准，可以正常使用。在干燥、低盐度地震区，球冠表面无需进行阳极氧化处理。

对氧化铝合金支座进行转动性能试验，试验样品参数如表9 所示。

表9 铝合金球冠球型支座参数表

试验温度：26℃

试验设备：TYE-10000 压剪试验机（ZL028）

试验标准：《铁路桥梁球型支座》TB/T3320-2013试验内容：转动性能试验。

试验结果如表10 所示。

表10 铝合金球冠球型支座抓到弄性能试验结果表

铝合金球冠表面经过氧化处理后，球面粗糙度几乎不变，支座转动力矩满足《铁路桥梁球型支座》TB/T3320-2013 标准，试验后，球面光滑，无划痕和磨损，变形。

表面阳极氧化处理后耐腐蚀性更强，特别适合在沿海地区使用时。

5 结论

①研制的铝合金球冠已获国家发明专利，铝合金球冠桥梁球型钢支座技术于2016 年通过由湖北省科学技术厅组织的成果鉴定，其成果达到国际先进水平。

②铝合金材料强度大、硬度适中，具有较好的抗冲击性能，与耐磨板配合组成摩擦副，线磨耗、摩擦系数和防腐性能比普通摩擦副磨损更小，摩擦面更光滑，且不存在镀铬球冠焊缝边缘容易腐蚀、大吨位拼焊不锈钢板的弊端；比镀铬球冠，摩擦面更均匀光滑，且不易脱落腐蚀，质量更轻，环境污染更小，很适合用于桥梁支座摩擦副组件。

③铝合金球冠使用表面阳极氧化进行防腐处理，抗腐蚀效果强。使用铝合金球冠的支座，各项性能均满足国内标准要求。运用在桥梁支座上，更环保，质量更轻巧，寿命更长，维护成本也更低，是市场发展的新趋势。

④摩擦副作为桥梁支座的核心部件，对支座的使用性能、寿命起着关键性作用，本文从摩擦副组件之一的球冠进行研究试验，选择了一种新型合金材料，大大提高了桥梁支座的整体性能和寿命。耐磨板同时也是摩擦副的关键组成部分，需要在今后的工作中作进一步的摸索，不断提高桥梁支座的性能。