杭州江东大桥空间自锚式悬索桥关键节点自关节轴承开发

摘要： 文章主要解析杭州江东大桥空间自锚式悬索桥关键节点自关节轴承开发。

关键词：向心关节轴承；自材料阵列排布；自锚式悬索桥

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）18-0068-02

1 项目背景

杭州江东大桥是杭州跨钱塘江工程的重要组成部分，江东大桥作为目前钱塘江上结构最新颖、施工难度最大的桥梁，其结构形式为全国唯一的空间缆自锚式悬索桥和预应力砼连续梁组合体系。大桥结构别致、一桥多型、工艺复杂、技术难度高，同时需应用大量新工艺。其中主通航孔自锚式悬索桥，造型独特，为三跨空间缆索自锚式悬索桥，该悬索桥主跨260米，采用独柱桥塔、分离式钢箱加劲梁、空间缆索，边跨不设吊索，这种形式的悬索桥在国内尚无先例。该空间自锚式悬索桥，成桥阶段吊索横桥向倾斜，斜率较大，约为2.9∶1，这就要求吊索必须适应纵向、横向双向变形。一般传统的悬索桥销接式吊索只能适应单向变形，因此本桥必须进行创新性设计，开发新型吊索球铰。项目设计单位上海市工程设计研究总院及上海材料研究所的主设人员多次到我司进行探讨，委托我司对球铰所使用的关节轴承进行研制。

2 项目实施方案

2.1 项目前期工作情况

通过前期与上海市工程设计研究总院主设人员进行技术交流，初步设想吊索上端采用向心关节轴承同主缆索夹连接，下端采用角接触关节轴承同钢箱梁连接，这样吊索既能适应顺桥向变形，又能适应横桥向变形。对于工程要求需确保使用寿命50年的要求，初步确定采用自型关节轴承，采用不锈钢材料，并确定先试制样件进行足尺试验。

2.2 项目研发或建设主要内容、目标

销接式吊索特点（技术指标）：能够适应纵、横向双向变形，上下关节节点摩擦系数小（定指标值），能适应±6°的转角。

2.2.1 项目基本要求：本项目轴承必须在环璄恶劣的工况条件下实现耐老化腐蚀、自、耐磨损和长寿命等要求，同时要具有调节偏斜、缓冲振动、不需维护等性能，为满足这些要求，江东大桥空间自锚式悬索桥关键节点自向心关节轴承采用如下的结构形式：

外圈采用不锈钢4Cr13，淬火，剖分外圈，内球面镀铬，用锁圈固定，外圈端面嵌入密封圈材料采用PTFE；内圈采用不锈钢4Cr13，球面镶嵌均匀的固体自材料。此类轴承需要解决的主要技术关键点有：

（1）球面镶嵌固体自材料摩擦性能研究；（2）固体自材料镶嵌球面工艺的研究；（3）PTFE密封圈工艺性能的研究；（4）内、外圈的制造工艺研究；（5）内圈与外圈配套工艺技术研究。

2.2.2 产品结构简图如图1所示。这种结构形式的轴承突破了一般带密封圈向心关节轴承使用寿命20～30年的要求的界限，达到使用寿命50年的要求；同时可承受较大的径向载荷载荷，特别适用于需承受高的径向负载、小摆角、自、免维护、耐磨损等诸如空间缆自锚式悬索桥等特殊工况场合。

2.2.3 关键技术研究内容：（1）产品结构设计研究（免维护自结构设计）；（2）研究固体自材料在低速重载下的摩擦磨损性能；（3）研究不锈钢镶嵌均匀的固体自材料的原理规律；（4）研究固体自材料均匀镶嵌加工工艺；（5）研究PTFE密封圈的加工技术和使用状况；（6）不锈钢外圈球面镀铬工艺。

2.2.4 关键技术原理：干磨损机理。当两个无的表面相互摩擦时，在两个表面的凹凸不平的尖峰受到剪切、局部粘接和塑性变形，由此引起了摩擦和磨损。传统的剂能够明显地降低这些作用，然而在停顿时，特别是在大承载条件下，油和脂被压挤出来，实际上留下了无的轴承，在下一个运动时就常常表现出很高的静摩擦系数。内圈镶嵌固体自材料向心关节轴承在这些条件下不会移去，因此材料在随后的运动中不会增大摩擦系数。这种轴承永远在轴承表面提供一层薄膜，这样就保证永远是低摩擦和磨损，即使在很大的静载条件下，固体剂薄膜仍旧保持在轴承表面。当磨损发生时，更多的固体剂将释放到所需剂的轴承表面。

2.3 产品创新点

因此，本项目产品的创新点在于：

2.3.1 结构创新：

（1）本项目产品采用不锈钢镶嵌固体自材料和球面镀铬替代原有的钢对钢或钢对铜的摩擦副形式，除具有高承载、耐冲击、耐磨损和长寿命的特性外，又具有免维护自功能，从而实现空间自锚式悬索桥关键节点的零失效，并可避免原有加油造成的对环境的污染。同时由于采用了不锈钢内圈替代铜内圈又可以大量节约铜材，提高内圈整体强度等，实现可持续创新发展。

（2）采用PTFE密封圈替代传统的石墨尼龙或聚氨酯密封圈，使密封圈使用寿命提高到50年，工况温度由-30℃～130℃扩大到-50℃～200℃，较大地增强了抗老化和抗腐蚀的特性。

2.3.2 工艺创新：

（1）内圈球面均匀镶嵌固体自材料的加工是目前国内关节轴承的加工难点，现在我司已经基本攻克了这一难题，专门设计配备此类专用机床；此项技术可成倍提高内圈球面均匀镶嵌固体自材料原有的加工规格和能力。

（2）覆盖率Z%的自材料可以有效起到减少磨损、降低摩擦和防止咬合的作用，在工作中能明显提高轴承的使用寿命。它可以在无油条件下，通过摩擦产生热把固体剂逐渐地分布到摩擦表面使其达到摩擦系数小、耐磨性能好的效果。均匀阵列排布方面：所有镶嵌孔沿运动方向交叉布置，在轴向或径向（以运动方向而论）各孔之间应距离保持接近的比例，以保证覆盖整个滑动方向，形成完整的固体膜。

（3）由于此项目轴承采用PTFE密封圈如何精确加工控制球面过盈量是难点，从而达到对轴承内部的密封效果；我司已基本掌握此项技术并可稳定应用于小批量化生产中。项目完成后将成为公司的技术诀窍。

2.4 产品技术性能与国内外同类产品的比较

国内、外目前尚无同类产品生产商，因此本项目产品在国内、外具有独创性。其产品技术性能的先进性体现在：

2.4.1 产品先进性：本项目产品需要通过了上海材料研究所的疲劳载荷下吊索上下节点的综合性能考核试验及吊索上下节点的100万次摆动试验等系统试验，整体性能可达到国内领先水平。

2.4.2 结构先进性：本项目产品由于采用自结构，因此具有免维护的先进性。同时又节约了铜资源，实现可持续发展。

2.4.3 工艺先进性：本项目产品采用的内圈球面均匀镶嵌固体自材料加工工艺和PTFE密封圈控制工艺均处于国内领先，国际先进水平。

3 项目成熟程度

（1）空间自锚式悬索桥关键节点自关节轴承已通过了中试，并形成了小批量生产工艺技术，其中镶嵌固体自材料及PTFE密封圈控制技术的研究和应用成功，使轴承不仅具有高强度、高耐磨性能，又具有高抗冲击的特点，确保了关节轴承在受到较大径向和轴向联合载荷时仍能完好无损，同时与原来轴承相比，节约了大量的有色金属，又解决了轴承的安装和维护难题。

（2）本项目产品已通过公司技术鉴定委员会鉴定，在国内、外具有独创性。由于本公司的研发队伍强大，生产设备、工艺工装、检测手段齐全，根据ISO/TS16949、ISO14001建立质量体系与环境体系，可以满足批量生产及产品质量与环保要求，产品质量稳定可靠；本项目产品经上海材料研究所试验，性能指标得到认可，同时，公司在进行技术成果转化过程中处处以价值工程为指导，努力提高产品的性价比，得到用户的一致好评。

（3）核心技术的知识产权情况：本项目的核心技术均由公司自行研制和掌握，对于空间自锚式悬索桥关键节点自关节轴承，公司已进行了相关的专利技术保护申请。由于公司在关节轴承技术上处于国内领先地位及国际先进水平，公司的博士后工作站进站博士的主要研究项目之一就是固体自材料的研究与开发，具有很强的持续创新与改进的能力，因此可以满足用户不同使用场合的多样化需求，可使我司的该项目轴承始终处于国内同行业的最高水平，并努力超越国际先进水平。

4 成果

试制完成样件，通过上海材料研究所：疲劳载荷下，吊索上下节点的性能考核试验和吊索上下节点的100万次摆动试验；PTFE密封圈使用寿命能够满足50年的要求；轴承使用工况温度达到并满足-50℃～200℃要求。

作者简介：许钢（1970-），男，台南人，福建龙溪轴承（集团）股份有限公司关节轴承研究所工程师，研究方向：关节轴承有限元、钢构关节轴承节点设计。