采用新型高分子材料的球鋼支座摩擦副性能比較和測試方案設計

賈云帆 徐 艷

（同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

0 引 言

改革開放以來，中國迎來了飛速發展的黃金時期，與此同時道路交通網絡逐漸完善，橋梁工程也進入了全新的發展階段，很多大型橋梁工程應運而生，其中包括很多跨海大橋工程，例如港珠澳跨海大橋、杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋、東海大橋等。跨海大橋由于其特殊的地理位置、特殊的環境和氣候，因此也有著結構上的特殊性［1-2］：一是地質條件復雜；二是海洋空氣濕度大，氯離子含量高，腐蝕性強，因此對橋梁結構的耐腐蝕性是一個巨大的挑戰；三是跨度一般較大。作為連接橋跨結構和墩臺的重要一環，橋梁支座在其耐腐蝕性、摩擦系數、耐磨性等性能上面臨著重大的考驗。

橋梁支座是連接上部結構和下部結構的關鍵結構，具有傳力和適應變形的功能。雖然支座的體積很小，但是其重要性不可忽視。橋梁支座按照結構可分為板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球形鋼支座等，其中球形鋼支座因其具有受力均勻、轉動量大、各向轉動性能一致和不存在橡膠老化問題等優點，在跨海大橋工程中得到了廣泛的運用。

高性能的橋梁支座能夠保持上部結構處在合理的受力狀態，保證結構的安全。球型鋼支座通過不銹鋼板與滑板這對摩擦副的相對滑動滿足支座的位移要求。摩擦副的選用直接影響了球形鋼支座的性能與尺寸。因此，摩擦副的發展將改善支座的性能和外觀。

為了提升橋梁的安全性和耐久性，保證結構長期服役壽命的總體目標，滿足跨海大橋的要求，進一步提高支座整體性能，縮小支座的尺寸，使用具有出色的抗壓強度和優良的摩擦性能的新型高分子材料作為摩擦副，具有重要的理論研究和工程應用價值。

1 新型高分子材料的性能影響因素分析

球鋼支座中運用的滑板的種類按照材質除了聚四氟乙烯類滑板（PTFE）和超高分子量聚乙烯類滑板（UHMWPE）以外，還有其他工程塑料滑板如尼龍、聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯等。這些材料的摩擦性能較好，但與PTFE 和UHMWPE 相比，耐老化性能和自潤滑性能較差，有待改進［3］。因此本文主要針對基于PTFE 和UHMPWE材料的改性化合物。

1.1 改性PTFE材料

PTFE 作為支座滑板，具有優異的潤滑性、優良的耐腐蝕性和熱穩定性，因此被廣泛運用到普通橋梁的支座中。但是由于PTFE 仍然存在機械性能較差、易冷流、耐磨性差等缺陷，在一定程度上限制了它的應用。目前國內外對PTFE 的研究重點集中于尋找適當的方法對其進行改性，可通過表面改性、填充改性、共混改性等方法，彌補PTFE自身的缺陷。

張招柱等［4］研究了石墨（GR）、MoS2、CuS 及PbS（添加量均為30vol%）填充的PTFE 復合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對摩時的摩擦磨損性能，發現添加石墨降低了PTFE 的摩擦系數，添加 MoS2、CuS、PbS 則增大了 PTFE 的摩擦系數；同時添加MoS2、CuS、PbS及石墨均可將PTFE的磨損量降低2個數量級，如表1所示。

表1 PTFE復合材料的摩擦磨損試驗結果（速度，1.5 m/s；負荷，100 N）Table 1 Results of wear test of PTFE composites（speed，1.5 m/s；load，100 N）

王立虎等［5］制備并研究了用于高鐵橋梁支座滑板的石墨烯（Go）和碳纖維（CF）填充PTFE 復合材料，結果表明，適量添加Go和CF 能夠有效提高復合材料試樣的力學性能和摩擦性能。

V.N.Aderikha等［6］發現，填充了含量為5%的經過超聲波處理的膨脹石墨（EG）的PTFE 復合材料能夠減少材料的磨損量，并且提高了材料的密度、拉伸屈服強度、拉伸模量，同時也增大了摩擦系數。

Zhang 等［7］將用聚苯酯（POB）對PTFE 進行了共混改性并研究了復合材料的性能，發現隨著POB 含量的增加，復合材料的球壓痕硬度和抗壓強度隨之增大，而拉伸強度和沖擊強度隨之減小。當POB含量為20%時，材料的力學性能最佳。

Sawyer 等［8］用不同含量的納米氧化鋁顆粒填充的PTFE 進行測試，結果表明，填充納米氧化鋁顆粒會使材料的摩擦系數略微增大，當納米氧化鋁含量為20%時，耐磨性提升了600 倍，如圖1所示。

圖1 磨損率與填料含量的關系Fig.1 Relationship between wear rate and content of filler

Han 等［9］研究納米 SiO2填充 PTFE 復合材料，發現與常規顆粒復合材料相比，硬度增加了12.4%，斷裂伸長率提高5.9%，拉伸強度略微提高1.8%，并且納米SiO2填料激發了更有效的抗磨效果。

由此可見，改性后的PTFE 材料可以有效改善耐磨性差、機械性能差等缺陷，進一步降低摩擦系數，但依然存在面壓承載力低、剛度低等不足。

1.2 改性UHMWPE材料

UHMWPE 同樣具有摩擦系數小、磨耗低、耐腐蝕性等優點；與PTFE 相比，具有更強的耐磨性和更高的面壓承載力。但UHMWPE 依然存在許多不足，主要表現在耐溫性能差、面壓承載力依然較低、硬度低、剛度低、導熱性差等。通常PTFE和UHMWPE 的設計抗壓強度分別為30 MPa 和60 MPa，遠低于鋼材的抗壓強度。因此球鋼支座的平面最小直徑受限于摩擦副材料的抗壓強度（表2），很難進一步小型化、輕量化。所以提高摩擦副材料的最大面壓能夠有效減小支座尺寸。要克服這些缺陷，可以通過改性來實現。

表2 不同材料平面板材最小直徑尺寸對比Table 2 Comparison of minimum diameters of plates of different materials mm

Wannasri 等［10］用 碳 納 米 管 （CNF） 對UHMWPE 進行填充，試驗結果表明，在UHMWPE中添加0.1%～0.5%的CNF 可以提高UHMWPE 的物理機械和摩擦性能。并在針對盤的磨損測試中，添加0.5%CNF填料可將耐磨性提高至多7倍。

Zhou 等［11］以 PE-g-MAH 為增溶劑，制備了新型UHMWPE/LCP（液晶聚合物）聚合材料，并研究了增容劑對UHMWPE/LCP復合材料的力學、熱學和摩擦學性能的影響。研究發現，PE-g-MAH 的使用在一定程度上降低了復合材料的熔點及其結晶度，并且有助于大大提高復合材料的拉伸斷裂強度和拉伸模量，有利于提高耐磨性，這與增溶劑交聯增強作用密切相關。最佳增溶劑重量為10%。LCP 重量含量在60%以上的UHMWPE/LCP 復合材料比LCP 含量低的復合材料擁有更強的各向異性，如圖2 所示，這說明LCP 與PE-g-MAH 的含量是影響UHMWPE/LCP 復合材料性能的兩個主要因素。

圖2 UHMWPE/LCP復合材料的磨損率和摩擦系數隨LCP含量的變化（載荷200 N，滑動速度0.856 m/s）Fig.2 The change of wear rate and friction coefficient of UHMWPE/LCP composites with the content of LCP（load 200 N，sliding speed 0.856 m/s）

胡平等［12］使用三氧化二鋁、二氧化硅、碳黑、玻璃微珠作為UHMWPE 填料，制備復合材料，并對復合材料性能進行了研究。加入不同種類、不同含量的填料后，UHMWPE 復合材料的耐磨性和熱變形溫度都產生差異性。顯然，填料的種類和填含量對改性UHMWPE的性能有影響，并且隨著填料的增加，磨耗值會出現極小值區。其中玻璃微珠改善效果最為顯著，可將純UNMWPE 耐磨性提高約40%。

Aliyu 等［13］研究了含量分別為0.1%、0.25%和0.5%（質量分數）的石墨烯納米片（GNPs）增強的UHMWPE 納米復合材料的摩擦性能。結果表明，與純 UHMWPE 相比，UHMWPE/0.25%GNPs（質量分數）具有最高的耐磨性，磨損率降低了31%。磨損率隨著接觸壓力從8 MPa 增加到20 MPa 線性增加。

康學勤等［14］研究并比較了納米Fe2O3與微米Fe2O3填充的UHMWPE 基復合材料的摩擦學性能，結果表明示納米Fe2O3填充的UHMWPE 復合材料比微米Fe2O3填充的UHMWPE 具有更好的減磨和抗磨性。并且隨著填充比例的提高，兩者的磨損機理也有所差異，前者為黏著磨損-脆性斷裂-塑性變形-犁切；后者的磨損表面均存在犁溝，而且隨著含量的增加，犁溝加寬加深，可以認為犁溝是鋼環表面的微突體和脫落顆粒共同作用的結果。因此可以看出，填料顆粒粒徑的大小也會影響改性UHMWPE復合材料的性質。

劉玉峰等［15］采用兩種適用于不同溫度的交聯體系A 和交聯體系B 對UHMWPE 進行改性，并對其性能進行研究。試驗表明，交聯體系的引入在UHMWPE 中形成交聯網絡，能夠顯著提高UHMWPE 的材料模量、承載能力、抗蠕變性、耐熱性并保持良好的沖擊性能。但UHMWPE 的綜合力學性能與交聯體系的適用溫度及用量密切相關。交聯體系的使用溫度與材料成型溫度大約接近，材料的綜合性能更佳。并且與交聯體系A 相比，交聯體系B 改性的UHMWPE 材料的綜合性能，尤其是力學性能更優，在承載能力、蠕變性能顯著提高的同時，保持拉伸、沖擊強度和斷裂伸長率基本不變，甚至略有提高。故交聯體系的種類、含量對UHMWPE的性能也有影響。

如前所述，改性PITE/UHMWPE 材料的摩擦系數和耐磨性能受到填料種類、填料含量、填料顆粒粒徑、交聯體系等因素的影響，但材料性能與影響因素之間具體存在何種相關關系尚不明確，仍需進一步研究。

1.3 兩種材料性能對比

表3 為基于前人所作的研究得到的部分高分子材料的性能比較，但是由于其測試方法、試件尺寸、試驗條件以及試驗目的的不同，所測得的性能指標無法直接相互進行比較，僅作為初步比選的依據［16］。

表3 部分高分子材料性能指標對比Table 3 Comparison of performance of some polymer materials

經過對比可以看出，兩種材料沒有改性前：UHMWPE 的摩擦系數小于PTFE，磨損量也遠小于PTFE，因此具有比PTFE 更好的摩擦性能。改性后的材料中，二氧化鉬填充的UHMWPE在摩擦系數大幅下降的同時，磨損量也減少了50%，具有成為球鋼支座的摩擦副材料的潛力。

2 測試方案設計

如前文所述，目前已經有研究者進行了不同種類改性UHMWPE材料的研究，并且進行了力學性能測試和摩擦學測試。但是，不同研究者所選取的試驗試樣的尺寸大小不一，例如張招柱等［4］試驗試樣的尺寸為12.3 mm×12.3 mm×18.9 mm 的立 方 體 ，V. N. Aderikha 等［6］試 驗 試 樣 為 直 徑40 mm高度40 mm的圓柱體，Sawyer等［8］采用的試驗試樣為6.4 mm×6.4 mm×12.7 mm 的立方體。此外，大多數材料的摩擦學性能測試是在小荷載作用下進行的，測試方法也不統一，因此其測試條件并不滿足橋梁工程支座的測試要求，不同材料的性能無法直接比較。

因此首先需要尋找一套統一的測試方法和測試指標用于測試新型材料的性能，并且滿足橋梁工程支座的要求，來驗證新型高分子材料能否應用于橋梁工程支座。

本文以UHMPWE/MoS2材料為例作為高性能球鋼支座的摩擦副材料，對高性能球鋼支座進行測試方案設計。

2.1 試驗目的

通過試驗，研究采用UHMPWE/MoS2材料作為摩擦滑板材料的高性能球鋼支座的各項力學指標和使用指標、UHMPWE/MoS2材料的耐磨性是否滿足當前要求，驗證高性能球鋼支座的適用性。

2.2 試驗內容

（1）研究UHMPWE/MoS2材料的摩擦性能和磨損程度等。

（2）在此基礎上，開展高性能球鋼支座各項力學指標測試，以確定是否滿足當前該類支座的各項技術指標。

2.3 試驗材料

試驗研究包括以下材料：

（1）四種噸位分別為 200 t、400 t、600 t 和1 000 t的球鋼支座；

（2）厚度為1 mm的UHMPWE/MoS2材料。

2.4 試驗要求及檢測標準

目前，針對應用到球鋼支座摩擦副中的新型高分子材料滑板，尚無統一的檢測方法和指標方法。與我國《橋梁支座用高分子材料滑板》（JT/T 901—2014）［17］對 滑 板 摩 擦 性 能 的 測 試 相 比 ，《Structural bearings-Part 2：Sliding elements》（BS EN 1337-2：2004）［18］中給出的滑板摩擦性能測試更為完善，分為短期摩擦測試和長期摩擦測試。其中短期摩擦測試適用于工廠生產產品控制，長期摩擦測試適用于正式生產前的型式試驗（表4），因此長期摩擦測試與本文的測試目的更匹配。然而，長期摩擦測試步驟較為復雜，耗費時間，可操作性較低。如前文所述，摩擦副的豎向承載力是重要性能指標之一，但《Structural bearings-Part 2：Sliding elements》中卻缺少對摩擦副滑板豎向承載力的規定。

表4 歐洲規范短期、長期摩擦測試比較Table 4 Comparison of short-term and long-term friction tests in European Standard

因此本文以《橋梁支座用高分子材料滑板》（JT/T 901—2014）為 基 準 ，結 合《Structural bearings-Part2： Sliding elements》 《Structural bearings-Part7：Spherical and cylindrical PTFE bearings》［19］中相關的測試條件確定試驗方案，擬定檢測項目如表5所示。

表5 支座檢測項目Table 5 Bearing test items

2.5 滑板摩擦系數試驗

2.5.1 試件

將UHMPWE/MoS2材料制備成如圖3 所示的試件。

圖3 滑板摩擦系數試驗用試件（單位：mm）Fig.3 Test piece for coefficient of friction test（Unit：mm）

2.5.2 試驗方法

（1）試驗時試件表面涂滿5201-2 硅脂；采用雙剪試驗方式，試驗裝置見圖4，滑板摩擦系數試驗條件見表6；

表6 滑板摩擦系數試驗條件Table 6 Test conditions for coefficient of frictions

圖4 滑板摩擦試驗裝置Fig.4 Friction test equipment

（2）每個噸位的支座進行三次測試，滑板靜摩擦系數和動摩擦系數分別取測量結果的平均值。

2.6 滑板線磨耗率試驗

2.6.1 試件

滑板線磨耗率試驗用試件與摩擦系數試件一致，如圖3所示。

2.6.2 試驗方法

（1）試驗前先將試件表面儲脂坑內涂滿硅脂，放置24 h，隨后仔細擦去硅脂，在干燥皿中放置24 h，用精度1/1 000 g天平稱試件質量，作為試件原始質量W0，單位為克（g）；

（2）用千分尺測量試件直徑，計算試件表面積A（應扣除儲脂坑面積），單位為平方毫米（mm2）；

（3）按GB/T 1033.1 測定試件密度ρ，單位為克每立方厘米（g/mm3）。

（4）滑板線磨耗率試驗按雙剪試驗方案進行，如圖4所示；試驗條件見表7；

表7 滑板線磨耗率試驗條件Table 7 Test conditions for line rate of wear

（5）試驗過程中應記錄摩擦系數隨摩擦距離增加的變化情況，繪制摩擦系數-摩擦距離曲線；

（6）線磨耗率試驗結束后，應仔細擦去試件表面硅脂，在干燥皿中停放24 h，用精度1/1 000 g天平稱試件質量，作為試驗后試件質量W，單位為克（g）；

（7）線磨耗率由試驗前后試件質量損失按下式計算確定。

式中：η為線磨耗率，μm/km；W 為磨耗后試件質量，g；W0為磨耗前試件質量，g；ρ為試件密度，g/mm3；A為試件滑動表面積，mm2；L為累計滑動距離，km。

2.7 豎向承載力試驗

2.7.1 試件

豎向承載力試驗用試件與摩擦系數試件一致，如圖3所示。

2.7.2 試驗方法

（1）將試件置于試驗機的承載板上，試件中心與承載板中心位置對準，偏差小于1%的球型支座的直徑。試驗荷載為支座豎向承載力的1.5倍。加載至設計承載力的0.5%后，校核承載板四邊的位移傳感器和千分表，確認無誤后進行預壓。加載設置如圖5所示。

圖5 豎向承載力試驗Fig.5 Vertical bearing capacity test

（2）預壓。將支座豎向設計承載力以連續均勻的速度加滿，反復3次。

（3）正式加載。將試驗荷載由0 至試驗荷載均勻分為10 級。試驗時以設計承載力的0.5%作為初始荷載，然后逐級加載。每級荷載穩壓2 min后，記錄位移傳感器和千分表數據，直至試驗荷載，穩壓3 min后卸載。加載過程反復3次。

（3）豎向壓縮變形分別取4 個位移傳感器的平均值，繪制荷載-變形曲線。

2.7.3 檢驗標準

在豎向設計荷載作用下，1 000～5 000 kN 支座豎向壓縮變形不應大于4 mm，在1.5 倍豎向設計荷載作用下，支座無損傷，或者在豎向設計荷載作用下，支座的壓縮變形不應大于支座總高度的1%。

2.8 耐濕熱老化試驗

耐濕熱老化試驗用試件與摩擦系數測試試件一致，如圖3所示。將試樣放在溫度85 ℃、相對濕度95%的調溫調濕箱中老化。老化一定時間后，進行前文所述的滑板摩擦系數試驗、滑板線磨耗率試驗和豎向承載力試驗，測量性能隨濕熱老化時間的變化。

3 結 語

近年來，人們對新材料的研究不斷深入，對PTFE 和UHMWPE 材料的改性方法不斷完善，大大提高了材料的力學性能和摩擦性能，使得材料在不同領域被廣泛應用。但是橋梁支座對摩擦副有特殊的要求，需要其在高壓的環境下工作，并且直接與外界接觸，同時其較高的維護成本也要求支座具有優秀的耐磨性。因此如果要將新型改性PTFE 和改性UHMPWE 材料應用到橋梁支座中，還需要進行嚴格的試驗進行性能測試，以確保其擁有足夠的可靠度和安全性。本文在充分比較兩種改性材料的力學性能和摩擦性能的基礎上，結合國內外相關支座檢測規范，提出針對摩擦副采用新型高分子材料的橋梁球鋼支座的試驗方案設計，為新材料的應用和發展提供統一的性能參數和測試方法。