ОДНОКАТКОВАЯ ОПОРНАЯ ЧАСТЬ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована в качестве опорной части для таких сооружений как мосты, крановые эстакады, трубопроводные переходы, транспортные галереи и др.
Известна многокатковая опорная часть, включающая воспринимающие вертикальную нагрузку балансир, верхнюю и нижнюю опорные плиты и размещенные между первыми двумя деталями шарнир, а между второй и третьей - от 2-х до 4-х катков и противоугоны [1] . Шарнир также обеспечивает балансиру возможность осуществлять заданные взаимные угловое и горизонтальное вдоль своей оси (поперек продольной оси сооружения) перемещения относительно опорных плит. Катки обеспечивают балансиру возможность горизонтально перемещаться относительно нижней опорной плиты на заданную величину вдоль продольной оси сооружения. При этом шарнир и катки входят в цилиндрические выточки балансира и верхней опорной плиты и взаимодействуют с этими деталями по принципу подшипников скольжения, совместно воспринимая вертикальную нагрузку с плотным касанием (термин принят согласно СНиП 2.05.03-84*, с.78, табл.48). Одновременно те же катки перекатываются по нижнему опорному листу и воспринимают вместе с ним ту же вертикальную нагрузку со свободным касанием (термин также принят согласно СНиП 2.05.03-84*, с.78, табл.48). Этим достигается фиксированное опирание сооружения на шарнир и катки опорной части независимо от величины горизонтальных перемещений вдоль продольной оси сооружения, что позволяет применять в нем неметаллоемкие опорные узлы. Однако серьезным недостатком рассматриваемой опорной части является применение в ней и шарнира и нескольких катков с разделением их функциональных назначений, за счет чего ей присущи значительные габариты и металлоемкость и сопряженная с этим высокая трудоемкость изготовления.
Известны менее металлоемкие однокатковые опорные части, включающие воспринимающие вертикальную нагрузку верхнюю и нижнюю опорные плиты и размещенные между ними каток, обеспечивающие заданные взаимные угловое и горизонтальное перемещения, и противоугоны [2, 3]. Их отличием от предыдущей опорной части и основным недостатком является то, что обе опорные плиты и каток воспринимают вертикальную нагрузку только со свободным касанием и взаимодействуют друг с другом на принципе качения. В связи с этим сооружению необходимо иметь (особенно при больших горизонтальных перемещениях) развитые, усиленные и металлоемкие опорные узлы из-за невозможности его фиксированного опирания на каток опорной части. Кроме того, эти опорные части предназначены для использования только в качестве односторонне подвижных вдоль оси сооружения опорных частей, что ограничивает возможности их применения.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является однокатковая опорная часть, включающая воспринимающие вертикальную нагрузку верхнюю и нижнюю опорные плиты и размещенные между ними каток, обеспечивающие заданные взаимные угловое и горизонтальные перемещения, и противоугоны [4]. Эта опорная часть обеспечивает возможность осуществления заданных горизонтальных смещений верхней опорной плиты относительно нижней в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Однако при этом из-за использования в ней принципа качения со свободным касанием катка и обеих опорных плит и здесь не обеспечивается фиксированное опирания сооружения на каток и соответственно присутствуют выше указанные недостатки.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи фиксации опирания сооружения на однокатковую опорную часть и снижения за счет этого металлоемкости его опорных узлов.
1
2
Для решения поставленной задачи в однокатковой опорной части, включающей воспринимающие вертикальную нагрузку верхнюю и нижнюю опорные плиты и размещенный между ними каток, обеспечивающие заданные взаимные угловое и горизонтальные перемещения, и противоугоны, верхняя опорная плита выполнена с выемкой, цилиндрическая поверхность которой ответна поверхности катка с возможностью плотного с ней касания, а нижняя опорная плита выполнена с плоскостью, имеющей возможность свободного касания с этой же поверхностью катка, при этом длина L плотного касания катка с верхней опорной плитой связана с длиной L свободного касания катка с нижней опорной плитой взаимоотношением:
где:
φ - половина центрального угла плотного касания верхней опорной плиты и катка.
1p
cd
R и R - нормативные расчетные сопротивления соответственно смятию при плотном и диаметральному сжатию при свободном касании.
Кроме того, каток выполнен с длиной не меньшей, чем сумма длины его плотного касания с верхней опорной плитой и заданной величины ее горизонтального перемещения вдоль оси катка. Помимо этого, в верхней опорной плите цилиндрическая выемка выполнена с антифрикционным слоем скольжения, содержащим политетрафторэтилен и гнезда со смазкой, а каток и плоскость свободного касания нижней опорной плиты выполнены с полированной поверхностью и одинаковой поверхностной твердостью.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 и 2 показаны схемы конструкции опорной части соответственно вдоль и поперек продольной оси сооружения.
На фиг.3 и 4 показаны схемы положения деталей опорной части при их заданном взаимном смещении, соответственно вдоль и поперек продольной оси сооружения.
В предлагаемой полезной модели однокатковой опорной части вертикальную нагрузку N от сооружения воспринимают верхняя 1 и нижняя 2 опорные плиты и размещенный между ними каток 3 с радиусом r. Верхняя плита 1 выполнена с выемкой, на поверхность которой нанесен антифрикционный слой скольжения 4 с внутренней цилиндрической поверхностью такого же радиуса r ответой поверхности катка 3 и сопрягаемой с ним с плотным касанием на длине дуги между лучами центрального угла охвата 2φ. Нижняя опорная плита 2 выполнена с плоскостью, сопряжение которой с катком 3 осуществляется со свободным касанием. Для предотвращения возможности (в случае попадания на опорную плиту 2 грязи, песка др.) проскальзывания катка 3 по плоскости нижней опорной плиты 2, разворота на ней в плане и смещения катка 3 вдоль своей оси однокатковая опорная часть снабжена противоугонами, которые могут быть выполнены в любом отвечающем указанным требованиям исполнении, известном из современного уровня техники. В частности, они могут представлять собой косозубые, в том числе, шевронные реечные передачи 5, шестерни которых расположены на цапфах катка 3, а рейки прикреплены к опорным плитам 1 и 2. Реечные передачи 5 размещены таким образом, чтобы на них не передавалась вертикальная нагрузка N.
1
2
Плотное касание верхней опорной плиты 1 и катка 3 осуществляется на длине L, а свободное касание катка 3 с нижней опорной плитой 2 - на длине L. При установке однокатковой опорной части в сооружениях, например местах верхняя опорная плита 1 крепится
1
2
к пролетному строению, а нижняя опорная плита 2 - к его опоре. Помимо угловых перемещений однокатковая опорная часть обеспечивает возможность осуществления заданных горизонтальных температурных перемещений верхней опорной плиты 1 вместе с сооружением: вдоль его продольной оси на величину △, а при значительной ширине сооружения поперек его продольной оси - на величину △. Указанные перемещения должны осуществляться с минимально возможными коэффициентами трения. И если при свободном касании катка 3 с плоскостью нижней опорной плиты 2 обеспечивается процесс качения, при котором в случае их одинаковой поверхностной твердости и чистоте обработки, коэффициент трения, как правило, сам по себе достаточно низок, то при плотном касании верхней опорной плиты 1 и катка 3 происходит процесс скольжения, при котором коэффициент трения значительно больше.
Для минимизации коэффициента трения скольжения применяют различные, известные из современного уровня техники, специальные антифрикционные пары слоев скольжения, представляющие собой комбинации определенных материалов, также известных из современного уровня техники. Например, это могут быть чистый или наполненный политетрафторэтилен (в нашей стране известный как фторопласт-4, за рубежом - как тефлон, алгофлон, флюон, дрюон и др.) и сталь с полированной поверхностью. Коэффициент трения скольжения такой пары приближается к коэффициенту трения качения. Для еще большего снижения трения скольжения на политетрафторэтилен, как правило, наносят смазку (например. ЦИАТИМ 221, силиконовый жир и др.), которая существенно влияет на статический коэффициент трения (страгивания) и меньше на кинематический. Для размещения смазки в слое скольжения с политетрафторэтиленом устраивают специальные гнезда, сечение которых может быть круглым, кольцевым, прямолинейным и др. В качестве слоев скольжения с политетрафторэтиленом могут применяться также, созданные с его применением, антифрикционный материал фирмы Маурер, тканевые материалы типа Нафтлен или Даклен и др.
В связи с этим, в предлагаемой полезной модели слой скольжения 4 также выполнен содержащим политетрафторэтилен и гнезда со смазкой. Прикрепление слоя 4 к металлу выемки может быть выполнено любым известным из современного уровня техники методом: механически, клеем, с применением напыления и др. Для снижения коэффициента трения скольжения политетрафторэтилена по стали существенное значение имеет и высокая чистота обработки поверхности стали. Поэтому поверхность катка 3 выполнена полированой. Соответственно полирована быть и поверхность плоскости свободного касания нижней опорной плиты 2 с катком 3. В противном случае ее более грубая поверхность будет портить полированную поверхность катка и коэффициенты трения, как скольжения, так и качения, начнут возрастать.
Известно, что допускаемая вертикальная нагрузка N при плотном касании цилиндрических поверхностей может быть назначена исходя из выражения
1
1p
N≤r·L(sinφcosφ+φ)R · m,
а при свободном касании катка с плоскостью - из выражения
2
cd
N≤2r·L·R· m.
1p
cd
Здесь: R и R - нормативные расчетные сопротивления соответственно смятию при плотном и диаметральному сжатию при свободном касании (табл.51 и 52 СНиП 2.05.03-84*, с.79);
m - коэффициент условий работы.
Приравняв оба выражения друг другу имеем, учитывая, что в обоих случаях используется один и тот же каток 3, т.е. одного радиуса r, получим
1
2
1
2
2
Данным выражением определяется взаимосвязь длин L и L соответственно плотного и свободного касания катка 3 с верхней 1 и нижней 2 опорными плитами. Длина L, как правило назначается из конструктивных соображений прикрепления верхней опорной плиты 1 к сооружению. Соответственно далее может быть определена по последнему выражению и длина L. При этом следует учитывать, что при необходимости обеспечения сооружению перемещений ±Δ поперек его продольной оси должно также обеспечиваться и соотношение:
2
1
2
L≥L+2△.
1
1
1
2
2
1
2
Однокатковая опорная часть работает следующим образом. Вертикальную нагрузку N воспринимают верхняя 1 и нижняя 2 опорные плиты и размещенный между ними каток 3. При температурных изменениях длины сооружения одновременно с ним вдоль его продольной оси перемещается верхняя опорная плита 1 относительно неподвижно установленной на опоре нижней опорной плиты 2, предопределяя величину взаимного горизонтального смещения плит, например, △. При этом своем горизонтальном перемещении плита 1 вращает каток 3, в результате чего его точки A и Б совершают угловое перемещение соответственно в точки A и Б и он прокатывается по опорной плите 2. Одновременно с катком 3 вращаются по рейкам и шестерни противоугонов 5, зубчатые передачи которых предотвращают проскальзывание катка 3 по плите 2 и поворот катка 3 в плане, а косое расположение их зубьев препятствует катку 3 смещаться вдоль его оси. Плотное касание верхней опорной плиты 1 и катка 3 обеспечивает фиксированное опирание сооружения через плиту 1 на каток 3 независимо от величины ±△. При температурных изменениях ширины сооружения, оно также перемещает с трением скольжения по катку 3 вдоль его оси верхнюю плиту 1 на величину ±△. При этом низкий коэффициент трения скольжения обеспечивает слой скольжения 4 с смазанным политетрафторэтиленом.
1p
1p
2
2
В настоящее время в отечественной практике мостостроения в опорных частях скольжения широко применяется чистый белый политетрафторэтилен (фторопласт-4) с расчетным сопротивлением R=300 кгс/см и обладающий более высокими несущей способностью и долговечностью политетрафторэтилен, наполненный бронзовым компонентом, с расчетным сопротивлением R=650 кгс/см. Анализ целесообразности применения в сочетании с этими материалами в катке 3 и соответственно опорной плите 2 регламентированных СНиП 2.05.03-84* (табл.51 и 52 на с.79) марок стали рассмотрим на следующем примере. В опорных частях при плотном касании цилиндрических поверхностей, величина центрального угла охвата, как правило, принята 2φ≥90° (см. СНиП 2.05.03-84* с.108). В соответствии с этим можно преобразовать ранее приведенную формулу в следующее выражение:
Расчетные значения коэффициента k в зависимости от расчетных сопротивлений применяемых в опорной части материалов приведены в таблице.
Марка стали катка 3 и опорных плит 1 и 2
R<sub>cd</sub>кгс/см<sup>2</sup>
k при R<sub>1p</sub> (в кгс/см<sup>2</sup>) слоя скольжения 4
300
650
25Л
70
2,75
5,97
35Л, 20ФЛ, КП275(Ст5 сп2)
80
2,41
5,22
20ГЛ, 35ГЛ
90
2,14
4,64
КП315(35-а-Т) КП345 (35Г-2-Т)
100
1,93
4,17
35XН2МЛ КП345 (45-а-Т)
110
1,75
3,80
КП785 (40XН2МА-2-2-Т)
230
0,83
1,815
КП1200 (40×13)
860
0,22
0,49
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
1
1p
cd
1p
cd
2
2
2
2
За критерий анализа данных таблицы можнопринять следующее. Длина катка L не должна быть меньше длины L, а с учетом возможных перемещений ±△ сооружения поперек своей продольной оси - длины L+2△. В противном случае каток 3 как штамп врежется в слой скольжения 4. Из соображений экономичности, по-видимому, целесообразно, чтобы длина L не превышала длину L в число раз, например, не более, чем k=2. В этом случае критерий анализа можно выразить, как L+2△≤L≤2L. Тогда из таблицы следует, что при использовании слоя скольжения 4 с R=300 кгс/см из регламентированных СНиП 2.05.03-84* сталей целесообразно использовать для катка и плит марки стали с R=100÷110 кгс/см, а при слое скольжения с R = 650 кгс/см - марку стали с R=230 кгс/см
Таким образом, предлагаемая полезная модель может быть реализована в однокатковых опорных частях, обеспечивая фиксированное опирание на них сооружения, независимо от величины горизонтальных перемещений вдоль его продольной оси и снижение за счет этою металлоемкости его опорных участков, а также обеспечивая при необходимости возможность осуществления горизонтальных перемещений сооружения поперек указанной оси.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Кручинкин А.В., Акимова К.М., Харламов Д.Н. Научно-технические и проектные разработки ЦНИИС в области стальных мостов. Вестник мостостроения, №1, 2008, с.7.
2. Кручинкин А.В., Акимова К.М., Харламов Д.Н. Научно-технические и проектные разработки ЦНИИС в области стальных мостов. Вестник мостостроения, №1, 2008, с.7-8.
3. Эггерт Х., Гроте Ю., Каушке В. Опорные части в строительстве. - М.: Транспорт, 1978, с.285-293.
4. Пат. РФ №2069250, М. Кл. Е01D 19/04, 20.11.96. Бюл. .№32