聚四氟乙烯滑板在公、铁路桥梁支座上的应用
（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所北京 庄军生）
自二十世纪70年代以来，聚四氟乙烯滑板已在中国公、铁路桥梁支座上广泛应用。聚四氟乙烯滑板是盆式橡胶支座和球型支座的重要组成部分，其摩擦和磨耗性能直接影响支座的使用寿命，因此在相关支座标准中明确规定了聚四氟乙烯滑板的材质性能要求。
一．我国桥梁支座用聚四氟乙烯滑板的材质性能要求
·二十世纪70年代按当时中国材料生产情况，对聚四氟乙烯板的性能要求：密度2.1-2.3g/cm^3，拉伸强度不小于17.5MPa，断裂伸长率不小于250%。
·二十世纪90年代：密度2.13-2.20g/cm^3，拉伸强度不小于30MPa，断裂伸长率不小于300%。
·2004年中国铁路标准，按欧标EN1337-2取值：密度2.14-2.20g/cm^3，拉伸强度不小于30MPa，断裂伸长率不小于300%，球压痕硬度（H132/60）23-33MPa。
·2005年中国铁路客运专线桥梁支座技术条件：在上述条件外，增加了聚四氟乙烯滑板磨耗性能要求，在30MPa应力，相对滑动摩擦速度8mm/s条件小，线磨耗率应小于15μm/km。
二.铁路桥梁用支座的工作特点
·重载，其中活载大，占全部荷载的比例大。
·活载位移速率大。
·累计活载位移量大。
针对以上特点，对用于铁路桥梁支座上的聚四氟乙烯滑板的耐磨性能提出更高的要求。
三.几种常用的聚四氟乙烯滑板材料
·纯聚四氟乙烯滑板：使用应力为24MPa。
·纯聚四氟乙烯滑板加硅脂：使用应力为30MPa。
·填充聚四氟乙烯滑板加硅脂：使用应力为30-45MPa。.铁路桥梁支座由于活载位移速率大，用30 MPa；公路桥梁支座由于活载位移速率小，可用45MPa。
目前国内、外在支座用主要滑板材料，仍为纯聚四氟乙烯滑板加硅脂。
四.常用聚四氟乙烯滑板材料的耐磨耗性能试验
国内、外对聚四氟乙烯滑板的耐磨耗性能均进行过较为全面系统的试验。
·欧洲标准EN1337-2对聚四氟乙烯滑板主要局限在硅脂润滑条件下的长距离和短距离的滑动摩擦系数试验，试验应力通常为30MPa、滑动速度短距离试验为0.4mm/s，长距离试验为2mm/s；累计滑动距离达5km或10km，测定试验过程中摩擦系数的变化情况，对聚四氟乙烯板的磨耗性能不作单独规定。
·美国AASHTO1999年颁布高速公路滑动支座研究报告（R432）中，对聚四氟乙烯滑板的磨耗性能作了系统研究，其主要试验结果见表1。
美国AASHTO聚四氟乙烯滑板的磨耗性能试验结果表1
|
编号 |
试验类别 |
试验温度（℃） |
滑动速度（mm/s） |
线磨耗率
（μm/km） |
|
1 |
PTFE加硅脂润滑 |
20 |
1.06 |
4.74 |
|
6 |
20 |
10.6 |
7.19 |
|
11 |
-25 |
1.06 |
- |
|
17 |
-25 |
10.6 |
- |
|
3 |
PTFE不加硅脂润滑 |
20 |
1.06 |
11.05 |
|
7 |
20 |
10.6 |
2977 |
|
12 |
-25 |
1.06 |
163 |
|
18 |
-25 |
10.6 |
4089 |
|
2 |
PTFE织布 |
20 |
1.06 |
4.74 |
|
8 |
20 |
10.6 |
264 |
|
13 |
-25 |
1.06 |
422 |
|
19 |
-25 |
10.6 |
371 |
|
5 |
填充PTFE（填充15%） |
20 |
1.06 |
- |
|
9 |
20 |
10.6 |
- |
|
15 |
-25 |
1.06 |
- |
|
20 |
-25 |
10.6 |
98 |
|
4 |
填充PTFE（填充25%） |
20 |
1.06 |
- |
|
10 |
20 |
10.6 |
33.15 |
|
16 |
-25 |
1.06 |
62 |
|
21 |
-25 |
10.6 |
721 |
注：试件应力σ=20.7MPa。
试验往复位移S=±12.7mm.
相对滑动速度V=1.06和10.6mm/s。
多年来中国对聚四氟乙烯滑板的磨耗性能也进行过大量试验，主要试验结果见表2。聚四氟乙烯滑板磨耗试验装置见图1。
图1聚四氟乙烯滑板磨耗试验装置
中国聚四氟乙烯滑板的磨耗性能主要试验结果 表2
|
序号 |
试件应力（MPa） |
滑动速度(mm/s) |
相对滑动距离(mm) |
累计磨耗距离(m) |
线磨耗率(μm/km) |
备注 |
|
1 |
30 |
8 |
±10 |
2066 |
39.58注1 |
中国PTFE |
|
2 |
30 |
8 |
±10 |
2066 |
8.54 |
|
3 |
30 |
8 |
±10 |
5148 |
3.68 |
|
4 |
30 |
8 |
±10 |
5148 |
7.88 |
|
5 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
14.38 |
中国PTFE |
|
6 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
9.45 |
|
7 |
30 |
8 |
±10 |
1036 |
8.56 |
日本M18PTFE |
|
8 |
30 |
8 |
±10 |
1036 |
5.59 |
|
9 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
8.15 |
|
10 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
6.61 |
|
11 |
45 |
8 |
±10 |
1000 |
68 |
填充PTFE |
|
12 |
45 |
8 |
±10 |
1000 |
94.6 |
|
13 |
45 |
2 |
±10 |
1000 |
6.39 |
|
14 |
45 |
2 |
±10 |
1000 |
4.65 |
|
15 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
10.94 |
杜邦7APTFE巨化4TMPTFE |
|
16 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
6.26 |
|
17 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
7.41 |
|
18 |
30 |
8 |
±10 |
1000 |
4.51 |
|
19 |
45 |
18.8-20 |
±10 |
10000 |
3.43 |
M18f填充PTFE（1040） |
|
20 |
45 |
14.8-20 |
±10 |
9400 |
4.49 |
|
21 |
45 |
19.4-20 |
±10 |
10000 |
9.90 |
注1：试件滑动方向与PTFE主位移方向垂直。
注2：试件用硅脂润滑，对摩件为1Cr18Ni9Ti镜面不锈钢板。
图2和图3为聚四氟乙烯滑板于1Cr18Ni9Ti精轧不锈钢板磨耗试验后的情况。其中试件应力为σ=30MPa，相对滑动速度为V=8mm/s，图1累计滑动距离为5148m，图2累计滑动距离为2066m。图1聚四氟乙烯滑板滑动方向与主位移方向平行，图2聚四氟乙烯滑板滑动方向与主位移方向垂直，聚四氟乙烯滑板表面有明显磨耗的划痕。因此在支座上使用的聚四氟乙烯滑板组装时，必须注意聚四氟乙烯滑板上储硅脂坑的排列方向。
五．影响聚四氟乙烯滑板磨耗性能的主要因素
·聚四氟乙烯原材料性能：聚四氟乙烯原料颗粒度应不大于50μm；
·聚四氟乙烯滑板的成形压力 ： 24-30MPa；
·聚四氟乙烯滑板的使用应力及相对滑动速度：应力越高、相对滑动速度越大，聚四氟乙烯滑板的磨耗越大。通常使用应力宜 σ≤30MPa，相对滑动速度宜V≤8mm/s。
六．各国聚四氟乙烯摩擦与磨耗性能试验方法对比
各国聚四氟乙烯摩擦与磨耗性能均进行过大量试验，试验方法都有差异，现**各国聚四氟乙烯摩擦与磨耗性能试验方法对比如下，详见表3。
各国聚四氟乙烯摩擦与磨耗性能试验方法对比表 表3
|
试验内容 |
欧洲EN1337-2 |
美国AASHTO |
中国客运专线支座 |
|
试件应力（MPa） |
30 |
20.7 |
30 |
|
试件直径（mm） |
Ф75 |
|
Ф100 |
|
试验温度（℃） |
+21，0，-10，-20，-35（±1） |
20，-25 |
23±5 |
|
相对滑动速度（mm/s） |
0.4（准静态）， 2（动态） |
1.06，10.6 |
8（动态） |
|
相对滑动距离（mm） |
±5（准静态）， ±4（动态） |
±12.7 |
±10 |
|
累计滑动距离（km） |
各种温度下共计22m（准静态）；准静态22m与21℃下1km（动态）交替进行10次循环共计10242m |
50m(V=1.06mm/s)
100m(V=10.6mm/s) |
1km |
|
摩擦试验水平加载波形 |
正弦波 |
正弦波 |
正弦波 |
|
试验结果表述 |
各种温度条件下静、动摩擦系数 |
摩擦系数和线磨耗率 |
摩擦系数和线磨耗率 |
七．改型超高分子量聚乙烯滑板材料的磨擦与磨耗性能
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是德国在1985年研制成功的一种新型塑料，它具有许多优良机械、物理、化学性能，非常耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩擦系数小、吸水率低、不易粘附异物和耐低温等优良性能，特别是耐磨损性能尤为突出、目前在工程塑料中超高分子量聚乙烯综合性能****，在国外被称为"神奇的塑料"，现已广泛应用于纺织、造纸、食品、化工、矿山、建筑和军事等领域。
超高分子量聚乙烯一般是指分子质量在150万以上的聚乙烯，而用于桥梁支座滑板的改性超高分子量聚乙烯其分子质量在300万～500万以上，甚至可达900万～1000万。它更具有以下优点：○1耐磨损性能非常****，比一般碳钢和铜等金属还要耐磨损、比尼龙耐磨4倍；○2冲击强度极高，比PA6（尼龙6）和PP（聚丙烯）大10倍；○3摩擦系数很低，能自润滑；○4耐化学腐蚀，并可屏蔽原子辐射；○5工作温度范围可自-265℃到+100℃，低温到-195℃时，仍能保持很好韧性和强度、不致脆裂、尤其超高分子量聚乙烯的耐磨损和低摩擦系数的特性，为在桥梁支座上用做聚四氟乙烯滑板的替代产品提供了应用前景。
本世纪初德国毛勒（Maurer）公司将超高分子量聚乙烯经过改性，进一步改善了超高分子量聚乙烯的抗蠕变能力和自润滑特性，应用于高速铁路及磁悬浮列车的桥梁支座上，以适应支座快速位移的需要。根据德国的实验研究，改性超高分子量聚乙烯滑板在正压力为60MPa应力条件下，以相对滑动速度为15mm/s，与不锈钢板面的对磨距离50km后，超高分子量聚乙烯滑板几乎未发生磨损。而现行桥梁支座上所用的聚四氟乙烯滑板，按欧标EN1337-2《支座滑动部件》的要求，仅在σ=30MPa，V=2mm/s的条件下，与不锈钢板相对滑动10km后，已有明显的材料磨损发生。
塑料材料的耐磨损性能是与PV值相关的。P为正压力，V为相对滑动速度，PV值越高，材料的磨损越严重，实验用改性超高分子量聚乙烯滑板的PV值比聚四氟乙烯滑板的PV值大15倍，而耐磨性能明显提高。
改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦系数略高于聚四氟乙烯板，按德国土木工程研究所颁布的采用改性超高分子量聚乙烯滑板的球型支座生产许可证表明，改性超高分子量聚乙烯滑板在硅脂润滑条件下与不锈钢板的摩擦系数，按下列公式计算：
μ=1.6/（15+σm）≥0.02
而聚四氟乙烯滑板在相同条件下的摩擦系数表达式：
μ=1.2/（10+σm）
公式中σm为试件的平均压应力
在不同应力条件下，改性超高分子量聚乙烯和聚四氟乙烯滑板的摩擦系数对比见表4。
改性超高分子量聚乙烯与聚四氟乙烯摩擦系数的对比表 表4
|
压应力（MPa） |
改性超高分子量聚乙烯
μ=1.6/（15+σm） |
聚四氟乙烯
μ=1.2/（10+σm） |
|
30 |
0.036 |
0.030 |
|
36 |
0.031 |
0.026 |
|
45 |
0.027 |
0.022 |
|
60 |
0.021 |
0.017 |
由表4 可见，改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦系数略高于聚四氟乙烯板，但由于聚四氟乙烯板的使用应力为30MPa，μ=0.030，而改性超高分子量聚乙烯板的使用应力为45～60MPa，μ=0.021～0.027，因此，实际支座使用条件下的摩擦系数，二者是相当的。
由以上分析可见，在大吨位球型支座上采用改性超高分子量聚乙烯滑板是有利的。○1提高了支座滑板材料的使用应力，可减小支座结构尺寸。○2支座滑板耐磨性能明显优于聚四氟乙烯滑板；○3支座滑板的摩擦系数与聚四氟乙烯滑板相当。
为了验证改性超高分子量聚乙烯滑板的耐磨性能，铁科院铁建所自2004年起，结合京沪客运专线南京大胜关长江大桥大吨位球型支座研究课题，对德国毛勒公司的MSM，德国蒙福公司的IBM，意大利Alga公司的XLIDE，国内深州工程塑料有限公司的改性超高分子量聚乙烯滑板进行了10～15km的长距离磨耗试验，主要试验结果见图4，上述材料在10～15km的磨耗后均未发生明显的磨耗现象。试件在磨耗距离10-12km后，均出现摩擦系数发生波动，并有逐渐增加的趋势。
以上试验中试件压应力除德国毛勒公司的MSM材料为σ=60MPa外，其余均为σ=45MPa，滑动速度为V=15mm/s。
可见改性超高分子量聚乙烯是一种新型滑板材料，更适宜在高应力（45MPa以上）和高速度（15mm/s）使用条件下替代聚四氟乙烯滑板用于的活动支座。至于经改性的填充聚四氟乙烯滑板材料（填充M18f1040），耐磨性能明显优于纯聚四氟乙烯滑板，在经过进一步长距离磨耗性能试验验证后，也可用于高应力（45MPa以上）和高速度（15mm/s）条件下滑动的活动支座，或用于使用应力为45MPa的公路桥梁支座上。
参考资料：
1. TB/T2331-2006《铁路桥梁盆式橡胶支座》。
2. 铁路客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件。
3. JT391-2000《公路桥梁盆式橡胶支座》
4. EN1337-2《Structural Bearings -Part2：Sliding elements》,2001年。
5. National Cooperative Highway Research Program, NCHRP Report 432, High-Load Multi-Rotational Bridge Bearings, 1999年。
