ОПОРНАЯ ЧАСТЬ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована для протяженных сооружений, например, мостов, транспортных галерей, трубопроводных переходов и др.
Известны опорные части моста, включающие передающие в сооружении от пролетного строения на опору вертикальную нагрузку при плотном касании (термин принят согласно (СП 35.13330.2011 МОСТЫ И ТРУБЫ, Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*, табл. 8.3.) шарнир, в виде поворачивающегося в ответной выемке шарового сегмента, и верхнюю и нижнюю опорные плиты, взаимодействующие с помощью антифрикционной пары слоев скольжения, из которых один выполнен полированным металлическим, а другой из специального антифрикционного материала /1, 2/. Несмотря на то, что эти опорные части имеют шаровые сегменты разного конструктивного исполнения (в первом случае /1/ сферическая и плоская поверхности сегмента выполнены с антифрикционными слоями скольжения, а во втором случае /2/ такой слой скольжения выполнен только на сферической поверхности сегмента, а его плоская поверхность жестко прикреплена к другой детали опорной части), обе указанные опорные части имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что сферические поверхности шаровых сегментов выполнены с трудоемким полированным твердохромированным слоем скольжения, который наносят, как правило, гальваническим способом. Толщина твердохромированного слоя скольжения не менее 100 мкм. Он не должен иметь сквозных пор и трещин, его ремонт не допускается. Для получения необходимой шероховатости сферической поверхности ее полируют (как правило, вручную) дважды: до и после гальванического процесса нанесения слоя. Сам гальванический процесс неэкологичен, занимает большие производственные площади и требует специфического оборудования. И при этом твердохромированный слой имеет еще и ограничения по своему применению, так как не устойчив против действия хлористых соединений в кислых растворах (например, в некоторых промышленных районах), а так же против фтористых соединений. Поэтому при наличии указанных химических соединений в воздухе опорная часть преждевременно повреждается, вследствие чего ее применение в таких условиях не допускается.
Известна также опорная часть моста, включающие передающие в сооружении от пролетного строения на опору вертикальную нагрузку при плотном касании шарнир, в виде поворачивающегося в ответной выемке шарового сегмента, и верхнюю и нижнюю опорные плиты, взаимодействующие с помощью антифрикционной пары слоев скольжения, из которых один выполнен полированным металлическим, а другой из специального антифрикционного материала /3, 4/. Ее недостатком является то, что металлический антифрикционный слой скольжения сегмента выполнен электродуговой наплавкой коррозионно-стойкой стали, например, марки 12Х18Н10Т на сферическую поверхность с последующей механической обработкой и полировкой наплавленного металла. Указанный недостаток обусловлен тем, что наплавка является сложным технологическим процессом, связанным с высокотемпературным нагревом, и должна выполняться по строго определенным правилам с применением специальной оснастки для удержания расплавленного металла на криволинейной поверхности, с возникновением требующих контроля температурных полей, градиенты которых существенно влияют на образование остаточных напряжений, деформаций и трещин. Помимо этого при наплавке возможно образование дефектов в виде пор, несплавлений, шлаковых включений и др., что приводит к резкому ухудшению качества наплавленного слоя. После наплавки необходимо выполнить отжиг для снижения остаточных напряжений и только затем провести механическую обработку для подготовки и образования полированного слоя.
В результате технология изготовления шарового сегмента является фактически индивидуальной, трудоемкой и не отвечает условиям серийного изготовления. Кроме того, сам процесс наплавки требует применения основательных мер защиты обслуживающего персонала и его высокой квалификации. И наконец, при механической обработке достаточно твердого металла наплавленного слоя требуются специальные высокопрочные резцы, много металла уходит в стружку для того чтобы достичь требуемой шероховатости поверхности под полировку, процесс выполнения которой также весьма трудоемок, как и в предыдущем случае. Все сказанное существенно удорожает производство опорных частей.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является опорная часть, включающая передающие в сооружении от пролетного строения на опору вертикальную нагрузку при плотном касании шарнир, в виде поворачивающегося в ответной выемке шарового сегмента, и верхнюю и нижнюю опорные плиты, взаимодействующие с помощью антифрикционной пары слоев скольжения, из которых один выполнен полированным металлическим, а другой из специального антифрикционного материала /5/. Основным ее недостатком является то, что шаровой сегмент, называемый в /5/ составным балансиром, «включает несущую часть в виде металлического тела из конструкционной стали со сферической опорной поверхностью, с которой, используя упомянутую несущую часть в качестве пуансона, соединена прессованием в три приема - вытяжка, формование сферической поверхности и калибровка, оболочка толщиной 2 мм, полученная из полированной с внешней стороны листа высоколегированной нержавеющей стали, прикрепленного к металлическому телу обжимом на прессе» /5/.
И хотя данная конструкция шарового шарнира опорной части позволяет практически (возможно исправление некоторых поврежденных мест в процессе прессования и др. технологических операций) исключить из процесса ее изготовления технологическую операцию полировки сферической поверхности сегмента (так как листовой прокат с полированной поверхностью из нержавеющей стали выпускается металлургической промышленностью), все же и она подразумевает индивидуальное изготовление опорных частей, так как для каждой из них при формовании оболочки ее сегмента требуется свой персональный пуансон в виде металлического тела непосредственно используемого в самой опорной части. В результате этого даже в объеме одной партии пуансоны нужно постоянно менять, затрачивая массу времени на подготовку и настройку штамповочного оборудования (пресса), что увеличивает затраты времени и трудоемкость общего технологического процесса. Кроме того, из-за эффекта пружинения происходит отслоение оболочки от несущего металлического тела с появлением между ними недопустимого зазора, вызывающего нарушение равномерности загружения оболочки и искажение ее сферической формы при эксплуатации опорной части, что может привести к преждевременным усталостным повреждениям. Кроме того, наличие зазора приведет к щелевой коррозии и основного металлического тела сегмента. Все это значительно снижает надежность опорной части.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи повышения эксплуатационной надежности, технологичности и производительности изготовления опорной части.
Для решения поставленной задачи в опорной части, включающей передающие в сооружении от пролетного строения на опору вертикальную нагрузку при плотном касании шарнир в виде поворачивающегося в ответной выемке шарового сегмента и верхнюю и нижнюю опорные плиты, взаимодействующие с помощью антифрикционной пары слоев скольжения, из которых один выполнен полированным металлическим, а другой - из специального антифрикционного материала, например свехвысокомолекулярного полиэтилена, шаровой сегмент выполнен в виде сегмента сферической оболочки с цилиндрической/торроидальной отбортовкой из коррозионно-стойкой стали с наружной полированной поверхностью, внутренняя часть которой частично заполнена, превышая линию перехода от сферы к отбортовке, но не на ее полную высоту, наполнителем из отвердевшего после заполнения оболочки в жидком агрегатном состоянии какого-либо материала, требуемые параметры механических свойств которого при соблюдении после отвердения в оболочке его нормируемой минимальной толщины не уступают аналогичным параметрам используемого в опорной части для слоев скольжения специального антифрикционного материала, а в свободную поверхность отвердевшего наполнителя с подвижной посадкой внутри отбортовки оболочки, превышая ее высоту, вжат торцевой стороной распределительный цилиндрический вкладыш, сопрягаемый своей противоположной торцевой плоской стороной с другой, взаимодействующей с ним деталью опорной части, при этом вкладыш боковой цилиндрической поверхностью присоединен, в частности, винтами резьбового соединения, к указанной отбортовке с возможностью его вертикального перемещения на суммарную величину усадки и деформирования наполнителя при сборке и эксплуатации опорной части.
Наполнителем сегмента сферической оболочки могут быть бетон, в частности быстротвердеющий; легкоплавкий сплав, в частности эвтектический; само/быстротвердеющая пластмасса, в частности акриловая. Распределительный вкладыш может быть выполнен как со сферической, так и с плоской поверхностью торцевой стороны, вжимаемой в наполнитель. При этом радиус сферической поверхности вкладыша меньше внутреннего радиуса сферической оболочки на величину толщины находящегося в ней отвердевшего наполнителя. Противоположная наполнителю другая торцевая плоская сторона вкладыша может быть выполнена как с прикрепленным к ней слоем скольжения из специального антифрикционного материала, так и по крайней мере с одним на этой стороне отверстием, в частности резьбовым, посредством которого вкладыш может быть жестко скреплен, например резьбовым соединением, с другой деталью опорной части. Для обеспечения возможности вертикального перемещения распределительного вкладыша при его скреплении винтами с оболочкой из коррозионно-стойкой стали в отбортовке выполнены отверстия большего размера, чем диаметр присоединительных винтов к распределительному вкладышу, например, круглые или овальные, перекрытые шайбами, причем размеры отверстий назначены с учетом суммарной величины усадки и деформирования наполнителя оболочки при сборке и эксплуатации опорной части.
Возможны случаи, когда может потребоваться сегмент со сквозным центральным осевым отверстием (например, в опорных частях, воспринимающих отрывное вертикальное усилие), тогда сегмент сферической оболочки и распределительный вкладыш могут быть выполнены с центральными осевыми отверстиями, через которые оба эти элемента объединены полой цилиндрической втулкой, расположенной в отвердевшем наполнителе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
h
На фиг. 1 показана схема распределения напряжений σ от эксплуатационной нагрузки Р по высоте h опорной части с шаровым сегментом (частой штриховкой отмечена зона с наибольшими напряжениями).
На фиг. 2 показано сечение опорной части с шаровым сегментом, у которой распределительный вкладыш выполнен со сферической поверхностью торцевой стороны, вжимаемой в наполнитель, и со слоем скольжения из специального антифрикционного материала на его противоположной торцевой стороне.
На фиг. 3 показано сечение опорной части с шаровым сегментом, у которой распределительный вкладыш выполнен со сферической поверхностью торцевой стороны, вжимаемой в наполнитель, и с резьбовым отверстием на его противоположной торцевой стороне, посредством которого он жесткого скреплен с другой деталью опорной части
На фиг. 4 показано сечение опорной части с шаровым сегментом, у которой распределительный вкладыш выполнен с плоской поверхностью торцевой стороны, вжимаемой в наполнитель, и со слоем скольжения из специального антифрикционного материала на его противоположной торцевой стороне.
На фиг. 5 показано сечение опорной части с шаровым сегментом, у которой распределительный вкладыш выполнен с плоской поверхностью торцевой стороны, вжимаемой в наполнитель, и с резьбовым отверстием на его противоположной торцевой стороне, посредством которого он жесткого скреплен с другой деталью опорной части.
На фиг. 6 показан узел А по фиг. 2-5 варианта резьбового соединения отбортовки сегмента сферической оболочки с цилиндрической поверхностью распределительного вкладыша.
На фиг. 7 показан вид Б по фиг. 6 вариантов отверстий(пунктиром показано круглое отверстие) под винты, вкрученные в цилиндрическую поверхность распределительного вкладыша.
На фиг. 8 показан пример шарового сегмента, выполненного с центральным цилиндрическим отверстием.
В предлагаемой полезной модели от пролетного строения 1 на подферменник 2 опоры через верхнюю плиту 3 опорной части, ее шаровой сегмент 4, поворачивающийся в ответной выемке со сферической поверхностью плиты 5, передается эксплуатационная вертикальная сжимающая нагрузка Р. На сферической поверхности выемки плиты 5 закреплен специальный антифрикционный слой скольжения 6 При этом из-за конструктивных особенностей опорной части с шаровым сегментом самым нагруженным элементом от вертикальной нагрузки Р является именно слой скольжения 6, который, обладая превосходными перед материалами других деталей опорной части антифрикционными характеристиками, значительно уступает им по механическим свойствам. Поэтому проектирование всей опорной части от воздействия силы Р базируется на расчете этого слоя 6. В результате все остальные детали, в том числе, шаровой сегмент 4, имеющие более высокие прочностные характеристики своих материалов, оказываются значительно недогруженными. Кроме того известно /1/, что: «шаровой сегмент можно изготавливать из любого пригодного материла, имеющего достаточную несжимаемость. Прочность материала практически не играет роли, так как здесь действует всестороннее сжатие». И, следовательно, для шарового сегмента 4 более важным оказывается достижение его сферической поверхностью, контактирующей с поверхностью специального антифрикционного слоя 6, минимального коэффициента трения, что обеспечивается коррозионно-й стойкостью и нужной шероховатостью поверхности, например, полировкой коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали, типа марок 10Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и др. Материалы же остальных деталей шарового сегмента должны из условий равнопрочности, просто не уступать по своим механическим свойствам специальному антифрикционному слою, который, как правило, выполнен из полимеров.
В связи с изложенным в полезной модели предлагается для шарнира из коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали с полированной поверхностью технологическими приемами, известными из современного уровня техники, например, штамповкой, прессованием и др., выполнять сегмент сферической оболочки 7 с цилиндрической/торроидальной отбортовкой. Внутренняя часть сегмента оболочки 7 частично заполнена отвердевшим после заполнения оболочки в жидком агрегатном состоянии, наполнителем 8 из какого-либо материала, требуемые параметры механических свойств которого в твердом агрегатном состоянии при соблюдении после его затвердевания в оболочке толщины не менее, чем нормируемая минимальная толщина δmin. не уступает аналогичным параметрам, используемого в опорной части для слоев скольжения специального антифрикционного материала 6, 10. Нормируемая минимальная толщина материала, при которой обеспечиваются его гарантируемые механические свойства, как правило, указывается в нормативной документации (Технических условиях, паспортах, сертификатах и др.) на этот материал. Основываясь на указанной толщине нетрудно определить с учетом формы и размеров заливаемой оболочки требуемые объем и количество наполнителя.
Наполнителем может быть бетон, в частности, быстротвердеющий, который получают использованием быстрозатвердевающего (быстросохнущего) цемента, например, марок М400 Д20 Б или М500 Д20 Б, цемента тонкого помола, специальных отвердителей типа Rapid 5, Silikal и других, полимерных добавок (полимербетоны). Кроме того возможно использование строительных смесей типа марок: Эмако S55 или S88. Также это могут быть легкоплавкие сплавы, имеющие низкие температуры плавления и применяемые в современной промышленности. Это в основном эвтектические сплавы металлов, в которых используют свинец, висмут, олово, кадмий, таллий, ртуть, индий, галлий и иногда цинк. Такие сплавы применяют в литейном производстве, в вакуумной технике, в теплоэнергетике и др. Материалом наполнителя могут быть и само/быстро твердеющие пластмассы типа: марок АСТ-Т (акрилат самотвердеющий термостойкий, технический), самотвердеющие смеси на основе жидкостекольного связующего, самотвердеющая полимерная глина, двухкомпонентные литьевые пластики холодного отверждения, герметики и др. Все показанные пластмассы обладают способностью полимеризоваться при обычной температуре воздуха и хорошо совмещаются с другими материалами.
Важно то, что все указанные материалы могут укладываться в сегмент оболочки в жидком агрегатном состоянии. При этом не имеет значения, где их раствор изготавливается: на отдельном рабочем месте и потом наливается требуемом объеме в сегмент сферической оболочки, или в таком же объеме приготовляется прямо в самом сегменте сферической оболочки. Естественно, что в качестве наполнителя 8 могут быть использованы и другие, известные из современного уровня техники материалы, если они отвечают оговоренным ранее условиям обеспечения требуемых агрегатных состояний и механических свойств.
Выбор того или иного наполнителя должен определяться наибольшей приближенностью его механических свойств к аналогичным свойствам материала специального антифрикционного слоя, вписываемостью работ с этим наполнителем в технологический процесс производства опорных частей и экономичностью использования этого наполнителя при крупнотоннажном расходе.
В поверхность отвердевшего наполнителя 8 внутри отбортовки с подвижной посадкой вжат (в процессе нахождения наполнителя еще в жидком агрегатном состоянии) торцевой стороной распределительный цилиндрический вкладыш 9, превышающий высоту отбортовки. Торцевая сторона вкладыша, соприкасающаяся с наполнителем, может быть как со сферической, так и с плоской поверхностями,. При этом радиус сферической поверхности вкладыша меньше внутреннего радиуса сферической оболочки на толщину находящегося в ней отвердевшего наполнителя.
Противоположная наполнителю другая торцевая сторона вкладыша может быть выполнена как с прикрепленным к ней слоем скольжения из специального антифрикционного материала 10, так и по крайней мере с одним на этой стороне отверстием, посредством которого вкладыш 9 может быть жестко скреплен, в частности резьбовым соединением, с другой деталью, например 3, опорной части.
При расположении на вкладыше 9 антифрикционного материала 10 на верхней опорной плите 3 должен быть в свою очередь укреплен взаимодействующий с этим слоем 10 нержавеющий лист 11 с полированной поверхностью. Это позволяет верхней плите 3, прикрепленной к пролетному строению 1 вместе с ним осуществлять по распределительному вкладышу 9 сферического сегмента шарнира требуемые возвратно-поступательные, в том числе температурные, горизонтальные перемещения на величину +/- Δ с минимальным коэффициентом трения. Подобное перемещение может осуществляться как в одном, так и по двум взаимно перпендикулярным направлениям, в зависимости от конструкции опорной части - односторонне и всесторонне подвижные типы. Перемещение может и не осуществляться, как, например, в неподвижном типе опорной части.
Выполнение вкладыша 9 с отверстием, например, центральным резьбовым на торцевой стороне дает возможность жестко скрепить шаровой сегмент с верхней опорной плитой 3 центральным болтом 17, специальный антифрикционный слой 10 укрепить на плите 5, а взаимодействующий с ним нержавеющий лист 11 установить на основании 12, по которому и будут происходить горизонтальные, в том числе, температурные перемещения +/- Δ пролетного строения 1 вместе с деталями опорной части. Во втором случае обеспечивается фиксированное опирание пролетного строения на шаровой шарнир независимо от величины этих указанных горизонтальных перемещений.
При всех вариантах исполнения распределительного вкладыша 9 его цилиндрическую поверхность целесообразно связать винтами 13 с шайбами 15 с отбортовкой сегмента оболочки 7, для чего в отбортовке могут быть под винты 13 выполнены отверстия 14. Эти отверстия 14 в оболочке должны обеспечивать вкладышу 9 возможность осуществления перемещений по вертикали из-за возможной усадки и деформирования в этом направлении наполнителя 8. Это обеспечивается выполнением отверстий 14 большего размера, чем диаметр присоединительных винтов 13 к распределительному вкладышу 9, например, круглых или овальных отверстий, перекрытых шайбами 15. При этом размеры отверстий должны быть назначены с учетом суммарной величины усадки и деформирования наполнителя оболочки при сборке и эксплуатации опорной части.
В ряде случаев может потребоваться шаровой сегмент с центральным сквозным отверстием. Например, для опорной части, работающей на отрыв /6/ или для опорной части разводных мостов /7/. Тогда сегмент сферической оболочки 7 и распределительный вкладыш 9 должны быть выполнены с центральными осевыми отверстиями. При этом обе эти детали соосно их центральным отверстиям объединяют между собой полой цилиндрической втулкой 16, которая расположена в отвердевшем наполнителе 8.
Кинематически работа предложенной опорной части осуществляется так же, как описано в источниках /1-7/. При этом следует отметить, что поскольку сегмент в виде оболочки заполняется наполнителем в жидком агрегатном состоянии, то независимо от возможных несовершенств формы оболочки, получаемое тело шарового сегмента является достаточно плотным для воспри ятия сжимающей нагрузки от усилия Р. Все используемые в опорной части материалы так же известны из современного уровня техники. Их номенклатура постоянно расширяется. Отечественной и зарубежной промышленностью предлагаются (в виде днищ) сферические сегменты оболочек с отбортовкой из нержавеющих и биметаллических сталей с полированными наружными поверхностями и с размерами, которые вполне могут удовлетворить производство опорных частей. При необходимости их изготовление (штамповку) своими силами из листов коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали типа марок 10Х18Н10Т, 12Х18Н10Т с полированной поверхностью толщиной порядка 2 мм несложно включить и в собственное серийное производство, так как здесь потребуется ограниченное число пуансонов и подготовительных операций по настройке оборудования для всей номенклатуры, выпускаемых опорных частей. Такие же листы из марок стали этого типа используются в опорной части для обеспечения ее и возвратно-поступательных, в том числе температурных, горизонтальных перемещений +/- Δ.
В специальных антифрикционных слоях скольжения применяются известные из современного уровня техники полимеры, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен, чистый, наполненный или радиационно-модифицированный политетрафторэтилен и др. Коэффициент трения этих полимерных антифрикционных слоев при скольжении по полированной поверхности нержавеющей стали достаточно низок - μ=0,04-0,06 при положительной температуре и не намного выше при отрицательной.
Все остальные материалы в рассматриваемой опорной части регламентированы действующими нормативными документами и широко используются в мостостроении.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет при обеспечении функциональной надежности опорной части с шаровым сегментом повысить технологичность и производительность ее изготовления для серийного производства.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Эггерт X., Гроте Ю., Каушке В. Опорные части в строительстве. М., Транспорт, 1978, с. 109, с. 302.
2. Пат. РФ №2164271 М. кл. E01D 19/04, 20.03.2001.
3. Пат. РФ №69504 М. кл. E01D 19/04.
4. Пат. РФ №2404321 М. кл. E01D 22/00, 20.11.2010.
5. Пат. РФ №168616 М. кл. E01D 19/04, 12.10. 2016.
6. Пат. РФ №82288 М. кл. E01D 19/04, 20.04. 2009
7. Пат. РФ №142077 М. кл E01D 19/04, 16. 05. 2014.