» » Катковые опорные части

Катковые опорные части

23.04.2016

Катковые опорные части являются идеальной конструкцией для обеспечения относительно свободных перемещений в горизонтальном направлении. Если поверхность качения свободна от грязи и изготовлена точно, то каток и сегодня является непревзойденным в отношении сопротивления трения (после шара).
Одноярусная катковая опорная часть допускает перемещения в одном направлении и повороты относительно оси, перпендикулярной к этому направлению. Если опорная часть имеет несколько катков и отдельный балансир, то ось вращения может располагаться и косо. Двухъярусные катковые опорные части всесторонне подвижны. По сравнению с равноценными опорными частями скольжения такие конструкции дороже и болee трудоемки, поэтому не применяются.
Катковые опорные части

Катковые опорные части применяют в мостостроении со времени строительства больших балочных мостов. Их использовали в прошлом столетии, очевидно, еще не зная зависимостей между трением качения и нагрузкой. Такие опорные части работоспособны при элементарных геометрических условиях — каток между двумя плоскими плитами (рис. 4.1, а), в то время как для других опорных частей имеют значение дополнительные краевые условия, например достаточная смазка опорных частей скольжения, влияние температуры и времени на резиновые опорные части. Однако чувствительность катковых опорных частей в отношении сопротивления трения значительно большая, чем опорных частей скольжения.
Расчет опорных плит катковых опорных частей принципиально не отличается от расчета плит тангенциальных опорных частей. Расчет катковых опорных частей достаточно прост, если их функции ограничиваются восприятием вертикальной нагрузки и перемещений.
Для восприятия горизонтальных сил, действующих перпендикулярно к направлению перемещений, предельная величина коэффициента сдвига должна быть R≥v/μст. В этом случае горизонтальные силы передаются за счет трения в шве сталь—сталь от пролетного строения на опоры, поэтому так называемые направляющие планки не требуются. Если горизонтальные силы настолько велики, что не могут передаваться за счет трения (R≤v/μст), то для восприятия их следует устраивать отдельные беззазорные направляющие опорные части.
Особое место занимают опорные части типа «Буркхардт» (рис. 4.1,б), однако применение их техническими условиями пока не нормировано.
К катковым опорным частям можно отнести и валковые опорные части (рис. 4.1, в). Недостаток их — возможность потери устойчивости опорной части при превышении допустимой величины перемещений, что может иметь неблагоприятные последствия для сооружения.
При одинаковой нагрузке длинные катковые опорные части малого диаметра часто оказываются дешевле опорных частей с короткими катками большого диаметра, так как масса зависит от квадрата диаметра.
Однако при длинных катковых опорных частях, как и при тангенциальных, нельзя обеспечить равномерные напряжения смятия, поэтому ограничивают величину отношения ширины к длине опорной части:
B:L≥1:1,5.

Для катковых опорных частей особенно важна точность монтажа, так как уже при перекосах плит величиной 0,5% коэффициент трения увеличивается в одном направлении и уменьшается в другом. Расчетная величина перемещения опорной части должна иметь достаточный запас. При неблагоприятных геологических условиях могут быть необходимы специальные противоугонные устройства.
На опорных частях устанавливают указатели для определения величины фактических перемещений.
В нормах ДИН 1072 для катковых опорных частей из обычных сталей установлен коэффициент трения 0,03 (отношение горизонтального сопротивления к вертикальной нагрузке). Эта величина не соответствует установленным другими нормами допускаемым напряжениям для материала опорных частей. Поэтому для катковых опорных частей следует учитывать или более низкие допускаемые напряжения смятия, или более высокий коэффициент трения.
Катковые опорные части из обычной стали по нормам ДИН 1050, ДИН 1075 в последние годы почти полностью вытеснились опорными частями из специальных сталей, которые из-за более высоких твердости и прочности допускают значительно большие напряжения. При этом допустимый коэффициент трения можно уменьшить с 0,03 до 0,015.
Однако современные катковые опорные части после едва ли десятилетнего применения уже несколько устарели, так как с расширением строительства кривых и податливых на кручение мостов (бездиафрагменных) применимость катковых опорных частей ограничивается.
Катковые опорные части из обычных сталей неэкономичны для мостов с малыми пролетами. Простые катковые опорные части непригодны. для кривых и косых мостов. В больших прямых мостах целесообразнее катковые опорные части из высококачественных сталей ввиду их меньшей строительной высоты и более низкого коэффициента трения. К недостаткам опорных частей из обычных сталей относится также невозможность надежной защиты от коррозии в области поверхностей касания.
При расчете катковых опорных частей из высококачественной стали напряжения смятия при касании цилиндра с плоскостью определяют по формуле Герца:
Катковые опорные части

где L — расчетная длина катка;
R — радиус катка.
Это уравнение строго справедливо только для однородного материала. Многочисленные испытания показывают, что воспринимаемые без повреждений напряжения смятия тем выше, чем больше твердость и прочность материала. Поэтому увеличение твердости позволяет уменьшить диаметр катка, что является основой проектирования опорных частей, рассчитанных на высокие напряжения.
В опорных частях из высококачественных сталей катки и опорные подушки изготовляют из нержавеющих сталей по нормам ДИН 17440 (рис. 4.1, г). Опорные подушки врезают в верхнюю и нижнюю плиты из нелегированной стали. Термическая обработка обеспечивает почти равномерное распределение твердости по поперечному сечению элементов из высококачественной стали.
Твердость поверхности материала не должна превосходить допустимую величину, определенную с помощью соответствующих испытаний. Ряд повреждений, связанных с применением нержавеющей стали Х40Сг13, показывает, что хотя напряжения смятия, определенные по формуле Герца, и допустимы, результаты опытов можно переносить на сооружение только при обеспечении тех же условий, что были во время испытаний (свобода деформаций). Вынужденные деформации неблагоприятны. Опорные части из высококачественной стали чувствительны к хрупкому излому. Следует избегать ослабления поперечного сечения для исключения опасных пиков напряжений.
В опорных частях с наплавленным слоем в области поверхностей катков и опорных плит, изготовляемых из однородной строительной стали, предусматривают коррозиестойкую наплавку металла (рис. 4.1, д), состоящую из нескольких слоев: низкоуглеродистого амортизирующего слоя основания, одного или нескольких промежуточных слоев и слоя покрытия. Слой оснований предназначен для защиты верхнего слоя от поглощения углерода из основного металла опорной части и одновременно для создания достаточно вязкого переходного слоя к высокопрочному коррозиестойкому верхнему слою.
Применяют также комбинированные опорные част и, имеющие опорные плиты с наплавленным слоем и катки из высококачественной стали (рис. 4.1, е). Такие конструкции воспринимают более высокие напряжения смятия по Герцу, чем опорные части только с наплавленными слоями, что позволяет увеличить допустимые опорные реакции.
Опорные части типа «Буркхардт» (см. рис. 4.1, б), иногда применяют в мостах при небольших нагрузках. Такие опорные части имеют каток из бронированного бетона. Защитную оболочку бетона выполняют из бесшовной стальной трубы, опорные плиты — из обычной стали. В трубу запрессовывают бетон марки Bn 400. Большое значение для безупречной работы опорной части имеет достаточное уплотнение бетона. Давление при запрессовке бетона зависит от диаметра трубы (обычные размеры труб 157х9, 214х12, 318х20 мм). Его выбирают таким, чтобы труба расширялась и в ней оставались остаточные кольцевые напряжения после затвердевания бетона (усадки).
Катковые опорные части

Для возможности использования резиновых стаканообразных шарнирных опорных частей в качестве подвижных их комбинируют с многокатковыми опорными частями (рис. 4.2). Катки небольшого диаметра изготовляют из высококачественной стали. В такой конструкции опорной части обеспечивается относительно равномерное давление, что является важной предпосылкой для безупречной работы многокатковой опорной части. Кроме того, значительно уменьшается высота подвижной опорной части. Еще меньшую строительную высоту имеют комбинированные опорные части, представляющие собой сочетание резиновой стаканообразной опорной части с политетрафторэтиленовой опорной частью скольжения.
До создания конструкций опорных частей скольжения с малыми коэффициентами трения применяли два типа всесторонне подвижных опорных частей: две катковые опорные части, установленные одна на другую и повернутые в плане на 90° относительно друг друга, или шаровые опорные части. Большой недостаток опорных частей первого типа — значительная строительная высота. Шаровые опорные части не имеют этого недостатка, однако предельная допускаемая на них нагрузка мала, так как должна восприниматься почти точечно. Поэтому на практике могут быть пригодны только многошаровые опорные части. Они применимы при небольших вертикальных и очень малых горизонтальных нагрузках и необходимости исключения начальных сил трения, наблюдающихся в опорных частях из политетрафторэтилена при длительной статической нагрузке. Для мостов такие опорные части едва ли применимы.
Катковые или валковые опорные части принципиально можно изготовлять из бетона. Однако при этом всегда используют армированный или защищенный оболочкой бетон. Для неармированного бетона были бы очень низки допускаемые напряжения смятия по Герцу, поэтому такие опорные части едва ли могут найти практическое применение. В настоящее время, как правило, аналогичные задачи можно решить с меньшими затратами, применяя другие опорные части.