СКОЛЬЗЯЩАЯ ОПОРА СТРОИТЕЛЬНОГО СООРУЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
STRUCTURAL SLIDING BEARING AND DIMENSIONING METHOD

Область техники
Изобретение относится к скользящей опоре строительного сооружения, содержащей по меньшей мере одну первую опорную часть, на которой закреплен по меньшей мере один элемент скольжения, и вторую опорную часть, установленную с возможностью смещения относительно первой части и образующую вместе с контактной поверхностью элемента скольжения поверхность скольжения, обеспечивающую скольжение между двумя опорными частями. Кроме того, изобретение относится к способу проектирования скользящей опоры строительного сооружения.
Уровень техники
Скользящие опоры строительного сооружения - особый вид опор строительных сооружений. Опоры строительных сооружений, также называемые строительными опорами, служат, по существу, для определенной и максимально свободной поддержки строительных сооружений любого рода, в частности мостов, балок, домов, башен или их частей. Эти опоры допускают смещение двух компонентов строительного сооружения относительно друг друга. Европейский стандарт EN 1337 описывает различные конструктивные типы и принципы действия. В зависимости от конструкции и принципа действия опоры строительных сооружений могут иметь различную компоновку и различное число степеней свободы.
Скользящие опоры строительного сооружения, в дальнейшем называемые просто скользящими опорами, содержат по меньшей мере одну первую опорную часть, на которой закреплен по меньшей мере один элемент скольжения, и вторую опорную часть, установленную с возможностью смещения относительно первой части. Вторая опорная часть вместе с контактной поверхностью элемента скольжения первой опорной части образует поверхность скольжения, обеспечивающую скольжение между двумя опорными частями.
Элемент скольжения обычно изготавливают из антифрикционного материала. В качестве антифрикционного материала используют различные полимеры с низким коэффициентом трения, например фторопласт, сверхвысокомолекулярный полиэтилен или полиамид. Также применяют композитные материалы, в частности, упомянутые в EN 1337-2 CM1 и CM2.
Чтобы поверхность скольжения в целом обладала нужными свойствами, в частности скользящей способностью, долговечностью и т.п., поверхность второй опорной части обычно подвергают специальной обработке, например твердому хромированию, если она непосредственно взаимодействует с элементом скольжения. Также возможен вариант, в котором вторая опорная часть будет взаимодействовать с элементом скольжения опосредованно, если она со своей стороны будет содержать ответный элемент скольжения. Этот элемент может представлять собой так называемую пластину скольжения, изготовленную, например, из аустенитной стали, уложенную на вторую опорную часть и имеющую со своей стороны определенным образом обработанную поверхность.
Стандарт EN 1337 содержит правила исполнения элемента скольжения, возможного ответного элемента скольжения и соответствующих несущих элементов и опорных частей. Целью является максимальное уменьшение сопротивления скольжению при относительном перемещении или вращении строительных сооружений или их частей, разделенных скользящей опорой. Однако, как правило, для проектирования скользящей опоры и строительного сооружения в рамках консервативного предположения используют верхнее расчетное значение коэффициента трения. При этом сопротивление скольжению определяют коэффициентом трения. Коэффициент трения определяется как отношение силы, необходимой для движения и действующей в направлении скольжения, и силы, действующей перпендикулярно поверхности скольжения.
Помимо подвижных опор строительных сооружений, скользящие опоры с некоторого времени стали также применять для изоляции строительных сооружений или их частей от других близлежащих строительных сооружений и/или грунта. Такая изоляция может быть предназначена, например, для предотвращения повреждений строительных сооружений в результате землетрясений. Особым типом подобной скользящей опоры, используемой для изоляции, является так называемая скользящая маятниковая опора. У этой опоры изогнута по меньшей мере одна поверхность скольжения. Кривизна поверхности скольжения предназначена для создания восстанавливающих сил, действующих при горизонтальном отклонении. Правила выполнения подобных опор приведены, например, в европейском стандарте EN 15129.
Если в подобном варианте применения необходимо обеспечить не только возможность движения строительного сооружения, но и рассеивание энергии, подведенной в результате землетрясения, то поверхность скольжения должна иметь конкретные, численно определенные фрикционные свойства. Это обусловлено тем, что в скользящих опорах рассеивание энергии может происходить за счет трения, возникающего при движении между частями опоры на поверхности скольжения. Помимо нужного эффекта, заключающегося в рассеивании энергии, трение одновременно обеспечивает воздействие на строительное сооружение сил реакции. По мере увеличения трения увеличиваются как силы реакции, так и рассеиваемая энергия. Поскольку, с одной стороны, следует избегать больших сил реакции, а с другой стороны, необходимо рассеивать большое количество энергии, приходится подбирать оптимальный компромисс между встречными воздействиями.
Основным показателем трения между двумя движущимися телами, как уже упоминалось, является коэффициент трения. В уровне техники коэффициент трения регулируют, в основном, путем выбора антифрикционного и ответного материала, типа смазки поверхности скольжения и давления контакта.
Недостаток скользящих опор, известных в уровне техники, заключается в том, что в зависимости от желаемой области применения и желаемого или необходимого минимального или максимального трения скользящую опору приходится рассчитывать индивидуально для конкретной области применения. Учитывая частично противоположные цели расчета, проектирование и адаптация опоры представляются непростой задачей. Так, например, уже проводились эксперименты со скользящей маятниковой опорой, в которой на первой поверхности скольжения использовался первый смазанный антифрикционный материал, а на второй поверхности скольжения - второй антифрикционный материал без смазки. Первый антифрикционный материал должен обеспечить максимально свободное движение опорных частей в нормальном режиме эксплуатации, то есть отличаться низким трением. Второй антифрикционный материал должен обеспечивать значительное рассеивание энергии в случае землетрясения, то есть отличаться высоким трением.
Тем не менее, согласование скользящих характеристик и использование различных антифрикционных материалов представляется нетривиальной задачей. Во-первых, стандарт EN 1337-2 содержит только руководящие принципы по использованию фторопласта, который должен быть смазан определенной смазкой в определенном порядке. Если нужно использовать другой антифрикционный материал или изменить смазку, потребуется проводить специальные тесты на пригодность, характеризующиеся высокими затратами времени и средств. Кроме того, использование различных антифрикционных материалов, смазок, видов обработки поверхности и т.д. при изготовлении связано с исключительно высокими затратами.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка скользящей опоры строительного сооружения, отличающейся простотой регулировки своих фрикционных характеристик, а также максимальной простотой и экономичностью производства.
Согласно изобретению эта задача решена скользящей опорой строительного сооружения с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения, а также способом проектирования с признаками, раскрытыми в пункте 18 формулы. Выгодные варианты исполнения скользящей опоры строительного сооружения или способа проектирования раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Скользящая опора строительного сооружения, описываемая изобретением, отличается тем, что контактной поверхности элемента скольжения придана форма, обеспечивающая необходимый коэффициент трения поверхности скольжения. При этом изобретение основано на том факте, что коэффициент трения одного и того же антифрикционного материала меняется в зависимости от формы контактной поверхности элемента скольжения, и это свойство можно использовать для целенаправленной регулировки коэффициента трения и, тем самым, трения скользящей опоры строительного сооружения. Таким образом, характеристика трения скользящей опоры не устанавливается, как обычно, путем выбора антифрикционного и ответного материала, типа смазки поверхности скольжения и давления контакта. Напротив, на коэффициент трения нужным образом влияет целенаправленное формирование контактной поверхности элемента скольжения и, следовательно, дополнительный определяющий параметр. Эксперименты заявителя показали, что в скользящих опорах строительного сооружения различная форма антифрикционного материала в центре и на кромке контактной поверхности позволяют регулировать сопротивление скольжению и использовать этот эффект для установления нужной характеристики трения на поверхности скольжения.
В следующем выгодном варианте исполнения скользящей опоры строительного сооружения требуемый коэффициент трения на поверхности скольжения устанавливают в зависимости от периметра и/или конфигурации контактной поверхности, и/или высоты зазора скольжения, и/или ориентации кромок контактной поверхности по отношению к направлению скольжения. Таким образом, можно реализовать вариант, в котором кромки, параллельные направлению скольжения, будут влиять на коэффициент трения меньше, чем кромки, перпендикулярные направлению трения. Соответственно, определенная ориентация свободной рабочей поверхности в направлении различных степеней свободы скользящей опоры строительного сооружения способствует образованию различных коэффициентов трения и, тем самым, сопротивлений трению в направлении различных степеней свободы. Кроме того, можно предположить, что влияние индивидуального формирования конфигурации поверхности скольжения на коэффициент трения можно будет выразить коэффициентом формы. При этом может оказаться важным наличие или отсутствие в конфигурации поверхности скольжения закругленных кромок или острых углов, соответствующее количество кромок, а также их удаление и ориентация относительно центра тяжести поверхности скольжения. Равным образом, можно использовать высоту зазора скольжения для воздействия на коэффициент трения на поверхности скольжения. Так, например, возможен вариант, в котором коэффициент трения снижается при больших зазорах скольжения вследствие текучести антифрикционного материала на кромке поверхности скольжения, однако даже при очень малых зазорах скольжения проявляется влияние на коэффициент трения, хотя и частичное. Следовательно, в зависимости от нужного влияния на коэффициент трения можно подобрать оптимальную высоту зазора скольжения.
Поскольку элементы скольжения скользящей опоры строительного сооружения не могут иметь произвольную форму, регулировка коэффициента трения путем придания формы элементу скольжения возможна, прежде всего, за счет регулировки соотношения контактной поверхности и свободной рабочей поверхности. При этом под свободной рабочей поверхностью понимают поверхность, которая может свободно деформироваться в оставленном на скольжение зазоре между первой опорной частью и второй опорной частью по периметру элемента скольжения, то есть располагается открыто. В случае скрытого расположения скользящего диска, прилегающего всей площадью к ответной стороне, периметр умножают на высоту скользящего диска и вычитают глубину камеры. Под контактной поверхностью понимают часть поверхности элемента скольжения, вступающую, по существу, в контакт со второй опорной частью. Если при сохранении размера контактной поверхности увеличить свободную рабочую поверхность, причем при неизменной высоте зазора скольжения периметр контактной поверхности будет увеличен, то трение будет возрастать.
Благодаря целенаправленному регулированию фрикционных характеристик скользящей опоры путем придания формы элементу скольжения можно очень легко адаптировать скользящую опору для различных задач и целей применения. Для этого не потребуются дорогостоящие функциональные испытания или специальная сертификация. Напротив, с помощью одного и того же антифрикционного материала, например, уже имеющего допуск для применения в качестве антифрикционного материала, можно решать различные задачи. Так, из этого материала можно построить обычную скользящую опору, или же, увеличив долю рабочей поверхности элемента скольжения, получить сейсмический изолятор, который должен отличаться сравнительно увеличенным трением на соответствующей поверхности скольжения. Кроме того, благодаря изобретению больше не требуется хранить на складе самые разнообразные материалы, которые могут потребоваться в процессе производства. В результате снижаются затраты на хранение, предотвращается путаница при изготовлении опор и повышается удобство закупок. Таким образом, описываемая изобретением опора будет значительно проще и дешевле в изготовлении.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения коэффициент трения на поверхности скольжения устанавливают как функцию коэффициента формы, учитывающего отношение контактной поверхности к свободной рабочей поверхности элемента скольжения. При этом коэффициент формы определяется отношением контактной поверхности к свободной рабочей поверхности, причем свободная рабочая поверхность, как уже упоминалось, определяется длиной окружности контактной поверхности, умноженной на высоту зазора скольжения. Целесообразно, размер контактной поверхности элемента скольжения оптимизируют в зависимости от коэффициента формы, предпочтительно сводят к минимуму таким образом, чтобы требуемый коэффициент трения на поверхности скольжения можно было получить, не изменяя давление. В результате можно уменьшить размер скользящих опор строительного сооружения для конкретной области применения и, тем самым, повысить экономичность их изготовления.
В частности, если скользящие опоры будут использоваться в сейсмоопасных районах, целесообразно придать элементу скольжения такую форму, чтобы величина коэффициента трения на поверхности скольжения была максимальной в зависимости от коэффициента формы. На практике это означает, что увеличение свободной рабочей поверхности при сохранении размера контактной поверхности скользящей опоры строительного сооружения позволяет получить максимально возможный коэффициент трения и, тем самым, максимальную рассеивающую способность. Увеличение свободной рабочей поверхности может быть достигнуто, например, путем изменения формы контактной поверхности. Например, контактная поверхность может иметь овальную, звездообразную или любую другую возможную форму, при которой свободная рабочая поверхность увеличивается.
Предпочтительно скользящую опору строительного сооружения в таких случаях выполняют в виде сферических опор, в частности скользящих маятниковых опор. Сферические опоры отличаются наличием по меньшей мере одной изогнутой поверхности скольжения, в то время как скользящие маятниковые опоры содержат несколько изогнутых поверхностей скольжения. Так, возможен вариант, в котором коэффициент различных поверхностей скольжения, изготовленных из одного и того же антифрикционного материала, специально делают различным. Так, одна поверхность скольжения для нормального режима работы может быть выполнена как у обычной скользящей опоры с низким коэффициентом трения, в то время как вторая поверхность скольжения, прежде всего, в расчете на землетрясение может быть выполнена с повышенным коэффициентом трения, то есть с повышенной рассеивающей способностью.
В следующем варианте исполнения контактная поверхность элемента скольжения образована двумя, в частности более чем четырьмя, сегментами контактной поверхности. Разделение контактной поверхности на сегменты позволяет увеличить свободную рабочую поверхность элемента скольжения. Подобное разделение может быть реализовано несколькими элементами скольжения, насечкой или иным подобным способом. При этом разделение облегчает изготовление в связи со своей относительной легкостью в изготовлении и меньшей потребностью в изменении базовой геометрии элемента скольжения или его исходных материалов (в основном пластин определенной толщины из антифрикционного материала).
В выгодном варианте исполнения скользящей опоры строительного сооружения элемент скольжения содержит по меньшей мере один скользящий диск, причем контактная поверхность образована по меньшей мере одной частью поверхности по меньшей мере одного скользящего диска. Таким образом, элемент скольжения содержит известный и обычный скользящий диск или, возможно, может даже полностью состоять из него.
В этом случае будет целесообразен вариант, в котором по меньшей мере часть поверхности по меньшей мере одного скользящего диска будет разделена на сегменты контактной поверхности по меньшей мере одним углублением. Это позволяет увеличить трение по сравнению с обычным скользящим диском из того же материала. Такое углубление может представлять собой, например, одну или несколько канавок, расположенных на части поверхности по меньшей мере одного скользящего диска. Одна или несколько канавок могут быть выполнены, например, путем фрезерования части поверхности по меньшей мере одного скользящего диска.
Выполнение углублений в антифрикционном материале - особенно экономичный способ создания сегментов контактной поверхности. Как правило, ширина выемки составляет от нескольких миллиметров до удвоенной толщины первой опорной части, что позволяет, с одной стороны, обеспечить достаточную поддержку антифрикционного материала, а с другой стороны, равномерно распределить давление по соседним сегментам. Деление по меньшей мере части поверхности по меньшей мере одного скользящего диска, в свою очередь, способствует увеличению свободной рабочей поверхности элемента скольжения и, тем самым, влияет на коэффициент формы.
По существу, по меньшей мере одно углубление может иметь произвольную форму с целью формирования произвольных сегментов контактной поверхности. Предпочтительно, однако, углубление выполняют таким образом, чтобы оно имело вытянутую форму или форму кольца, круга, или сегмента кольца или круга. Для этого подходит токарная обработка или фрезерование, отличающиеся большой гибкостью. В альтернативном варианте углубление можно получать уже на этапе изготовления элементов скольжения, например при отливке или спекании под давлением в форме пластины.
В частности, если скользящая опора или антифрикционный материал скользящего диска подвергается воздействию высоких давлений, предпочтителен вариант, в котором по меньшей мере в одно углубление вложена по меньшей мере одна проставка. Вкладывание проставки в углубление гарантирует, что антифрикционный материал скользящего диска на кромке сегментов контактной поверхности не сможет смещаться в боковом направлении под нагрузкой. По аналогии с камерным креплением элемента скольжения на первой опорной части скользящий диск погружен вовнутрь. Внутреннее деление на камеры позволяет при той же нагрузке изготавливать скользящие диски и скользящую опору строительного сооружения меньшего размера или при том же размере скользящего диска увеличивать нагрузку на скользящую опору строительного сооружения.
В предпочтительном варианте исполнения скользящей опоры строительного сооружения элемент скольжения содержит несколько скользящих дисков. Это позволяет, с одной стороны, составить элемент скольжения из скользящих дисков одинаковой и/или различной формы, а с другой стороны, изменять структуру элемента скольжения путем использования скользящих дисков из различных антифрикционных материалов. Кроме того, можно собирать большие и/или имеющие индивидуальную форму элементы скольжения из нескольких стандартизированных скользящих дисков, в результате чего производство скользящей опоры строительного сооружения, описываемой изобретением, значительно удешевляется.
Предпочтительно контактная поверхность и/или по меньшей мере сегмент контактной поверхности имеет форму круга, кольца или сегмента круга или кольца. Эта форма выгодна тем, что не имеет углов или имеет лишь малое количество углов, которые могли бы привести к избирательному увеличению трения. Такая форма позволяет поддерживать низкий уровень износа.
В следующем предпочтительном варианте исполнения скользящей опоры строительного сооружения элемент скольжения и/или по меньшей мере скользящий диск элемента скольжения удерживается в камере первой опорной части. Камерное крепление элемента скольжения или по меньшей мере одного скользящего диска снижает текучесть антифрикционного материала в результате давления, обусловленного массой строительного сооружения. Кроме того, вид камер также влияет на размер свободной рабочей поверхности, так как он зависит от высоты зазора скольжения, иными словами, от высоты, на которую элемент скольжения выступает над первой опорной частью.
При определенных обстоятельствах может оказаться целесообразным вариант, в котором по меньшей мере одна проставка будет расположена между двумя скользящими дисками. Эта проставка, как правило, имеет ширину от нескольких миллиметров до удвоенной толщины первой опорной части. Это гарантирует, с одной стороны, достаточную поддержку или даже формирование внутренней полости в антифрикционном материале, предотвращающие текучесть. С другой стороны, обеспечивается равномерное распределение давления по соседним компонентам.
Предпочтительно элемент скольжения и/или по меньшей мере один скользящий диск по меньшей мере частично состоит из антифрикционного материала, в частности термопластичного антифрикционного материала. Термопластичные материалы можно легко разливать в формы, которые, например, уже содержат перемычки для формирования углублений, предназначенных для разделения контактной поверхности на сегменты.
В особенно предпочтительном варианте элемент скольжения и/или по меньшей мере один скользящий диск по меньшей мере частично состоит из фторопласта, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полиамида и/или комбинации из по меньшей мере двух таких материалов. При этом как элемент скольжения, так и по меньшей мере один скользящий диск могут состоять из указанных материалов в чистом виде или, в качестве альтернативы, из смеси двух и более подобных материалов. Также возможен вариант, в котором элемент скольжения будет составлен из нескольких скользящих дисков, состоящих из различных подобных материалов в чистом виде и/или различных смесей подобных материалов.
Описываемый изобретением способ проектирования скользящей опоры строительного сооружения предусматривает регулировку коэффициента трения на поверхности скольжения с учетом коэффициента формы. В отличие от уровня техники, в котором на коэффициент трения и, тем самым, на трение скользящей опоры строительного сооружения влияет выбор антифрикционного и ответного материала, тип смазки поверхности скольжения и давление контакта, предусматриваемый изобретением подход основывается на целенаправленной регулировке трения путем воздействия на форму контактной поверхности, то есть не на материалы или величину сил, а на геометрические параметры. Соответственно, путем придания формы контактной поверхности элемента скольжения можно удивительно простым и очень гибким образом регулировать коэффициент трения.
В предпочтительном варианте исполнения скользящую опору строительного сооружения проектируют таким образом, чтобы требуемый коэффициент трения на поверхности скольжения устанавливался в зависимости от периметра и/или конфигурации контактной поверхности, и/или высоты зазора скольжения, и/или ориентации кромок контактной поверхности по отношению к направлению скольжения. Для вычисления коэффициента трения можно предусмотреть вариант, в котором методика расчета коэффициента трения будет учитывать влияние периметра и конфигурации контактной поверхности, высоту зазора скольжения и ориентацию кромок по отношению к направлению смещения путем индивидуального расчета коэффициентов.
В следующем выгодном варианте способа, описываемого изобретением, коэффициент трения на поверхности скольжения устанавливают как функцию коэффициента формы, учитывающего отношение контактной поверхности к свободной рабочей поверхности элемента скольжения. При этом коэффициент формы определяется отношением контактной поверхности к свободной рабочей поверхности.
В следующем варианте исполнения размер контактной поверхности элемента скольжения оптимизируют в зависимости от коэффициента формы, предпочтительно сводят к минимуму для получения требуемого коэффициента трения на поверхности скольжения. В результате можно уменьшить размер скользящих опор строительного сооружения для конкретной области применения и, тем самым, повысить экономичность их изготовления.
В качестве альтернативы или дополнения величина коэффициента трения на поверхности скольжения может быть доведена до максимума в зависимости от коэффициента формы. Это имеет смысл, прежде всего, в том случае, если нужно рассчитать опору для сейсмоопасных районов.
Предпочтительно проектирование осуществляют таким образом, чтобы пары материалов на поверхности скольжения при оптимизации оставались постоянными. Это позволяет упростить проектирование скользящей опоры.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет подробно рассмотрено далее со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах, на которых схематично изображено следующее.
Фигура 1: разрез первого варианта исполнения скользящей опоры строительного сооружения, описываемой изобретением, с ровной поверхностью скольжения.
Фигура 2: фрагмент разреза второго варианта исполнения скользящей опоры, описываемой изобретением, с изогнутой поверхностью скольжения.
Фигура 3: фрагмент разреза третьего варианта исполнения скользящей опоры, описываемой изобретением.
Фигура 4: фрагмент разреза четвертого варианта исполнения скользящей опоры, описываемой изобретением.
Фигура 5: разрез пятого варианта исполнения скользящей опоры, описываемой изобретением, выполненного в виде скользящей маятниковой опоры.
Фигура 6: сечение А-А скользящей маятниковой опоры, изображенной на фигуре 5.
Фигура 7: вид в плане контактной поверхности скользящего диска в шестом варианте исполнения.
Фигура 8: вид в плане контактной поверхности скользящего диска в седьмом варианте исполнения.
Фигура 9: график измерений, описывающий зависимость коэффициента Y трения от давления X.
Фигура 10: график измерений, описывающий зависимость коэффициента Y трения от произведения коэффициента S формы и давления X.
Осуществление изобретения
На чертежах для подобных частей использованы одинаковые ссылочные обозначения.
На фигуре 1 изображен первый вариант исполнения скользящей опоры 10 строительного сооружения, описываемой изобретением. Ее структура, по существу, соответствует скользящей опоре строительного сооружения, описанной в стандарте EN 1337. Она содержит первую опорную часть 15, закрепленный на ней элемент 20 скольжения и вторую опорную часть 25. Вторая опорная часть 25, в свою очередь, содержит ответную поверхность 55, которая в данном случае выполнена в виде слоя жесткого хромирования, но может также состоять из скользящей пластины, выполненной из аустенитной стали или иного подобного материала. Первая опорная часть 15 и вторая опорная часть 25 выполнены с возможностью взаимного смещения, то есть поверхность 30 скольжения выполнена в виде пары в данном случае плоских поверхностей элемента 20 скольжения и ответной поверхности 55. В данном случае элемент 20 скольжения состоит из плоского скользящего диска из антифрикционного материала и удерживается в полости первой опорной части 15. Кроме того, согласно изобретению скользящей пластине 20, конфигурация которой не показана на чертеже, придана звездообразная форма, то есть создана сравнительно большая периферийная поверхность по отношению к контактной поверхности, что увеличивает коэффициент трения на поверхности 30 скольжения по сравнению со скользящей пластиной, имеющей форму круга.
K
M
P
На фигуре 2 схематично и в разрезе изображен второй вариант исполнения описываемой изобретением скользящей опоры 10 строительного сооружения с изогнутой поверхностью 30 скольжения. Этот вариант исполнения также предусматривает первую опорную часть 15, элемент 20 скольжения в форме пластины и вторую опорную часть 25, установленную с возможностью смещения относительно нее. Элемент 20 скольжения вступает в контакт со второй опорной частью 25 посредством контактной поверхности A элемента 20 скольжения. Так как в этом варианте элемент 20 скольжения также удерживается в полости первой опорной части 15, то свободную рабочую поверхность A рассчитывают путем умножения периметра на высоту зазора h скольжения, то есть толщину пластинчатого элемента 20 скольжения Т за вычетом глубины полости.
K
M
K
На фигуре 3 изображен фрагмент разреза третьей скользящей опоры 10 строительного сооружения. На фигуре 3 видна первая опорная часть 15 и вторая опорная часть 25 с ответной поверхностью 55. Элемент 20 скольжения в представленном первом варианте исполнения составлен из нескольких скользящих дисков 35. Скользящие диски 35 удерживаются в полостях первой опорной части 15. Чтобы эта схема работала, между скользящими дисками 35 элемента 20 скольжения установлены проставки 45, удерживающие скользящие диски на постоянном расстоянии относительно друг друга и одновременно формируют внутренние полости между скользящими дисками 35. Таким образом, на поверхности 30 скольжения контактная поверхность A прерывается, и доля свободной рабочей поверхности A увеличивается по отношению к контактной поверхности A элемента скольжения. Таким образом, выбор геометрической конфигурации поверхности элемента 20 скольжения позволяет влиять на коэффициент S формы. В результате у элемента скольжения, содержащего несколько скользящих дисков 35 и проставок 45, коэффициент Y трения увеличивается по сравнению со сплошным скользящим диском. В качестве альтернативы вложенным проставкам 45 на первой опорной части 15 может быть предусмотрена перемычка, выполненная с замыканием материалом.
K
M
На фигуре 4 детально показан разрез четвертого варианта исполнения скользящей опоры 10 строительного сооружения качения с элементом скольжения, состоящим из единственного изогнутого скользящего диска 35, верхняя сторона которого разделена углублениями 40 на несколько сегментов контактной поверхности. На поверхности скользящего диска 35 выполнены углубления 40, прерывающие поверхность скользящего диска 35. Таким образом, на поверхности 30 скольжения контактная поверхность A разделяется, а размер свободной рабочей поверхности A скользящего диска 35 или элемента 20 скольжения увеличивается. Таким образом, с помощью геометрической конфигурации поверхности скользящего диска 35 или элемента 20 скольжения можно влиять на коэффициент S формы. В результате этого увеличивается коэффициент Y трения.
K
На фигуре 5 изображена скользящая маятниковая опора, содержащая две поверхности 30 скольжения и два элемента 20 скольжения, каждый из которых содержит одну контактную поверхность A. Обе контактные поверхности элементов 20 скольжения могут быть устроены таким образом, чтобы на соответствующей поверхности 30 скольжения достигался требуемый коэффициент трения. Один из элементов 20 скольжения состоит из нескольких скользящих дисков 35. Через этот элемент 20 скольжения проведена секущая А-А, обозначающая разрез элемента 20 скольжения и скользящих дисков 35.
M
На фигуре 6 изображено сечение элемента 20 скольжения по линии А-А, показанное на фигуре 5. На этом сечении можно идентифицировать несколько скользящих дисков 35, из которых два внешних скользящих диска 35 имеют форму кольца, а внутренний скользящий диск 35 имеет форму круга. На фигуре 6 также показана первая опорная часть 15, охватывающая и помещающая в полость внешний скользящий диск 35. Кроме того, отдельные скользящие диски 35 удерживаются на одинаковом расстоянии друг от друга с помощью проставок 45. Таким образом, проставки 45 образуют внутренние камеры элемента 20 скольжения, составленного из скользящих дисков 35, то есть он может удерживаться в опорной части 15, по существу, обычным способом, то есть с помощью камер. Часть скользящих дисков 35, выступающая над проставками 45, действует в качестве свободной рабочей поверхности A и, тем самым, влияет на коэффициент S формы. Представленный элемент 20 скольжения может быть составлен не только из скользящих дисков 35 в форме кольца или круга. Напротив, скользящие диски 35 могут иметь любую форму и образовывать элемент 20 скольжения произвольной формы.
K
K
K
M
На фигуре 7 изображен другой вариант исполнения элемента 20 скольжения, состоящего из единственного скользящего диска 35. Помимо изменения формы периметра, можно также изменять поверхность скользящего диска, вступающую в контакт со второй опорной частью на поверхности 30 скольжения в качестве контактной поверхности A. На фигуре 7 показан скользящий диск 35 с углублениями 40, в результате чего контактная поверхность A оказывается составленной из ряда сегментов 50. В представленном варианте исполнения сегменты 50 контактной поверхности имеют круглую форму. При этом сегменты 50 контактной поверхности в сумме образуют контактную поверхность A скользящего диска. Кроме того, наличие углубления 40 на скользящем диске 35 приводит к тому, что сегменты 50 контактной поверхности выступают над углублением. В результате увеличивается свободная рабочая поверхность A скользящего диска 35, а коэффициент S формы изменяется, вследствие чего трение такой скользящей пластины увеличивается по сравнению со сплошной контактной поверхностью.
K
На фигуре 8 изображен следующий вариант исполнения скользящего диска 35 согласно изобретению, в котором углубления 40 выполнены в виде прямых канавок или колец на скользящем диске 35. Это позволяет разделить контактную поверхность A скользящего диска 35 на кольцевые поверхности и/или круги, а также сформировать сегменты колец и/или кругов.
K
K
M
На фигуре 9 представлены результаты измерений серии испытаний, в рамках которых были испытаны скользящие опоры 10 строительного сооружения с несмазанным круговым элементом 20 скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. В ходе испытаний при постоянной высоте зазора скольжения изменяли диаметр круглого элемента скольжения, а также давление элемента скольжения. При этом, с одной стороны, обнаружилось, что элемент скольжения диаметром 80 мм при равном давлении имеет значительно более высокий коэффициент трения, чем сопоставимый круглый элемент скольжения диаметром 120 мм. Круглый элемент скольжения диаметром 120 мм, в свою очередь, имеет гораздо более высокий коэффициент трения, чем сопоставимый круглый элемент скольжения диаметром 300 мм. Также можно видеть, что коэффициент трения круглого элемента скольжения постоянного диаметра уменьшается по мере увеличения давления. Очевидно, что различное деформирование антифрикционного материала в центре и на кромке контактной поверхности A влияет на сопротивление скольжению. По мере увеличения диаметра круглого скользящего диска контактная поверхность A увеличивается сверхпропорционально по отношению к свободной рабочей поверхности A. Соответственно, коэффициент трения уменьшается.
K
K
K
На практике это явление можно использовать, например, для того, чтобы увеличить коэффициент Y трения для элемента скольжения 20 с контактной поверхностью A того же размера, разделив контактную поверхность A на несколько сегментов 50, сумма которых равна контактной поверхности A в целом. Однако, поскольку в результате размер свободной рабочей поверхности увеличивается, соответственно будет увеличен коэффициент трения скользящей опоры строительного сооружения.
K
M
На фигуре 10 показана найденная в ходе испытания взаимосвязь между коэффициентом трения и коэффициентом S формы при постоянном давлении X, причем по оси абсцисс отложено произведение коэффициента S формы в степени 0,6 на давление X. Испытания показали, что по мере увеличения коэффициента S формы, то есть увеличения доли контактной поверхности A по отношению к свободной рабочей поверхности A, коэффициент Y трения уменьшается. Результаты испытаний показывают, что коэффициент Y трения с достаточной точностью можно выразить функцией давления и коэффициента S формы и давления X, которая для исследуемого сверхвысокомолекулярного полиэтилена будет выглядеть, например, следующим образом:
-0,78
-1,3
Y=34*S*X+0,02.
2
K
В приведенной формуле коэффициент S формы не имеет размерности. Однако давление X вследствие экспоненты имеет размерность. Поэтому показанное отношение требует ввода давления в Н/мм. Коэффициент S формы рассчитывается следующим образом (U обозначает длину периметра контактной поверхности A):
K
M
K
S=A./. A=A./. (U*h).
Влияние коэффициента формы проявляется, когда один круглый элемент скольжения диаметром D1 заменяют четырьмя дисками диаметром D2, при условии, что .
K
K
K
Обнаружилось, что при одинаковой контактной поверхности A коэффициент формы можно уменьшить вдвое путем разделения на четыре отдельных диска. В приведенном примере из практики подобное деление позволяет увеличить трение на поверхности скольжения на величину до 60%, не изменяя свойств материала, или же получить тот же коэффициент трения при почти удвоенном давлении вследствие сокращения контактной поверхности A. Это позволяет увеличить рассеивание энергии на скользящих опорах строительного сооружения. В альтернативном варианте этот эффект можно использовать для существенного уменьшения контактной поверхности A скольжения при сохранении коэффициента трения и, тем самым, удешевления скользящей опоры строительного сооружения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 скользящая опора строительного сооружения
15 первая опорная часть
20 элемент скольжения
25 вторая опорная часть
30 поверхность скольжения
35 скользящий диск
40 углубление
45 проставка
50 сегмент контактной поверхности
55 ответная поверхность
Y коэффициент трения
K
A контактная поверхность
M
A свободная рабочая поверхность
S коэффициент формы
h высота зазора скольжения
X давление
P
T толщина элемента 25 скольжения или скользящего диска 35