CN110144821A - 悬索桥空间大转角吊索连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种悬索桥空间大转角吊索连接结构，吊索上下张拉在索夹和梁端之间，包括索体，索体的上下端对应锚固于上锚杯、下锚杯内，上锚杯在其顶部、下锚杯在其底部分别设置有带销孔的吊索耳板，吊索顶端的吊索耳板与带销孔的索夹耳板通过销轴转动连接，吊索底端的吊索耳板与带销孔的梁端耳板通过销轴转动连接，销轴与耳板的销孔配合处设置有关节轴承，该耳板包括吊索耳板、索夹耳板或梁端耳板。当吊索的钢箱梁在顺桥向和横桥向荷载下移动时，关节轴承可满足旋转摆动和倾斜摆动，甚至两者的复合摆动，从而避免吊索发生弯折，消除了作用在吊索上的弯曲应力，提高吊索偏转的自由度，降低吊索拉弯疲劳。
Description
技术领域
本发明涉及悬索桥吊索上、下锚头分别与索夹、钢梁的连接结构，尤其是涉及一种可实现吊索在空间两个方向进行偏转的连接结构。
背景技术
吊索作为悬索桥的传力构件，自身结构比较纤细，使用过程中要承受车辆、风等活载作用，所以吊索是悬索桥构件中最容易发生疲劳破坏的。在实际桥梁中，吊索在设计的时候安全系数考虑比较充裕，不容易发生静力的强度破坏。但由于吊索所处的外部环境比较恶劣，受到腐蚀介质的侵蚀和活载产生的疲劳应力的耦合作用而容易发生腐蚀疲劳。另外，钢箱梁在动荷载作用下容易产生沿桥纵、横向的摆动，导致吊索承受反复受弯，尤其是跨中短吊索更易因此发生疲劳破坏。主要是在活载作用下，吊索承受变化的轴向荷载，钢丝内力随之不断地变化，这种往复变化将导致内部钢丝经受往复拉拉交变应力，容易导致吊索结构内部钢丝发生疲劳破坏。
另外，由于交变荷载作用和钢箱梁的摆动，吊索下锚头与主梁连接处会产生转角，如果锚具结构不合理，在长期的往复作用下使吊索下锚头连接处的钢丝受往复的弯曲应力，导致钢丝截面应力产生拉弯组合应力循环而产生钢丝疲劳。悬索桥吊索使用周期长，长期暴露在自然环境中，承受着环境侵蚀、外界荷载、疲劳效应等因素的综合作用，其中，腐蚀和疲劳的两大因素会造成吊索耐久性和承载力大幅降低。
减小吊索的疲劳负荷，提高吊索的耐久性能值得本领域技术人员深思。
发明内容
本发明发明人通过对吊索拉伸弯曲应力及其耦合效应的分析，进行吊索拉力与转角双指标疲劳损伤模式研究及寿命评估，开发了一种能够适应空间大转角，具有抗拉弯性能的吊索连接结构，缓解悬索桥吊索尤其是短吊索的拉弯疲劳，提高悬索桥吊索的使用寿命。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种悬索桥空间大转角吊索连接结构，吊索上下张拉在索夹和梁端之间，包括索体，索体的上下端对应锚固于上锚杯、下锚杯内，所述上锚杯在其顶部、所述下锚杯在其底部分别设置有带销孔的吊索耳板，吊索顶端的吊索耳板与带销孔的索夹耳板通过销轴转动连接，吊索底端的吊索耳板与带销孔的梁端耳板通过销轴转动连接，销轴与耳板的销孔配合处设置有关节轴承，该耳板包括吊索耳板与索夹耳板其中之一、吊索耳板与梁端耳板其中之一，关节轴承满足吊索能够在非垂直销轴的平面内进行偏转。
上述索体主要是由扭绞的平行钢丝束和包裹在钢丝束外的内层聚乙烯护套和外层聚乙烯护套。一般内层护套为黑色聚乙烯护套，外层护套为彩色聚乙烯护套。
上述钢丝束采用若干直径5mm-7mm的锌基合金镀层钢丝经3度到4度扭绞构成。
本申请的关节轴承包括轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈具有外球面，轴承外圈具有内球面，轴承外圈固定设置在耳板的销孔内，轴承内圈活动设置在轴承外圈的球孔内且内、外球面构成活动的球面接触，轴承内圈设置供所述销轴穿过的销孔。
为了适应吊索在空间内实现大角度偏转，进一步设计轴承内圈的外球面弧长显著大于轴承外圈的内球面弧长，且内球面超出外球面的弧长差的一半所对应的圆心角即为轴承内圈相对轴承外圈偏转的最大转角。
为了提高关节轴承的使用寿命，需要提高轴承内圈、轴承外圈的抗磨损性能，进一步在外球面和内球面的接触面上设置聚四氟乙烯纤维织物作为润滑层，实现关节轴承的自润滑作用。且优选将该聚四氟乙烯纤维织物设置在轴承外圈的内球面上，这样，在外球面和内球面相对转动时该润滑层始终不外露。
接触球面的光滑度关系着关节轴承的使用寿命，一旦有异物侵入接触球面内将会影响，所述轴承外圈或轴承内圈在内球面或外球面处设置有密封结构，该密封结构构成防止入侵接触球面的密封。
上述密封结构设置在轴承外圈的两侧边缘处，分别对轴承外圈两侧构成对接触球面的密封，由密封槽和异型密封圈构成，异型密封圈设置在密封槽内，且该异型密封圈的唇口与轴承内圈的外球面保持滑动接触的密封效果。
具体地，所述密封槽沿着轴承外圈的轴向形成外露的缺口，所述异型密封圈具有溢出于该缺口的斜边唇口，该斜边唇口与轴承内圈过盈配合而实现始终贴紧外球面，该过盈配合是指斜边唇口尺寸略超过设计值而与轴承内圈在接触时发生轻微的形变而紧贴在外球面上。进一步地，斜边唇口具有接触切面，通过该接触切面与轴承内圈的外球面贴合，实现面接触式密封。
为了增加密封圈的弹性提高密封效果，所述斜边唇口上开设有沟槽或内孔使具有弹性特征，这样斜边唇口在弹性作用于外球面，保持活动的紧贴状态，以适应吊索转动过程中变化的的接触球面的动态密封。
为了便于密封圈的安装到位以及安装固定，所述异型密封圈设置有突出的定位挡边，所述缺口具有沿着轴承外圈径向延伸的台阶，所述挡边与台阶在轴承外圈的径向构成抵触实现定位。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本申请悬索桥吊索的连接结构连接构造采用在吊索上下两端的锚杯端部设置带销孔的吊索耳板，钢箱梁上设置梁端耳板，索夹上设置索夹耳板，顶部的吊索耳板与索夹耳板、底部的吊索耳板与梁端耳板分别通过销轴转动连接。并进一步在销轴与耳板销孔的配合处设置特殊设计的关节轴承，以此实现吊索的空间转角，当吊索的钢箱梁在顺桥向和横桥向荷载下移动时，关节轴承可满足旋转摆动和倾斜摆动，甚至两者的复合摆动，从而避免吊索发生弯折，消除了作用在吊索上的弯曲应力，提高吊索偏转的自由度，降低吊索拉弯疲劳。
本申请对关节轴承进行了特殊设计，属于一款大转角自润滑关节轴承。
(1)通过增加轴承内圈的宽度和轴承外圈的外径，提高了轴承的转角实现了吊索的大转角偏转。
(2)通过PTFE(聚四氟乙烯)纤维织物作为润滑层提高大转角关节轴承的抗磨损性能。普通关节轴承的润滑层多为二硫化钼、特氟龙等涂层材料(或使用PU铜网衬垫)，通过在轴承外圈内表面涂层(或粘贴衬垫)后，再与轴承内圈合套挤压而成。使用这些材料的自润滑关节轴承耐磨性能较差，轴承间隙大，在某些方面制约着部件的耐磨损寿命。选用PTFE(聚四氟乙烯)纤维织物为自润滑材料的关节轴承，则能弥补上述缺陷，并从承载强度、耐蚀性、摩擦磨损、使用。PTFE(聚四氟乙烯)纤维织物是PTFE与玻璃纤维(或芳纶纤维)等材料进行纺织，并经浸渍处理后制成的复合织物，具有强度高，摩擦系数小的特点。将这种纤维织物应用于吊索大转角自润滑关节轴承上，使吊索大转角关节轴承既保持了高承载、自动调心的特性，又兼有自润滑、耐冲击、长寿命等特点。
(3)采用特殊设计的密封槽和异形密封圈构成特殊的密封结构，能够对轴承外圈和轴承内圈活动的接触球面构成有效密封，能够防止异物侵入轴承工作表面而影响轴承的寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中吊索的结构示意图；
图2为图1所示结构的侧视图；
图3为索体界面示意图；
图4为索夹端吊索耳板与索夹耳板的连接结构；
图5为钢梁端梁端耳板与索夹耳板的连接结构；
图6为在钢梁顺桥向的移动条件下吊索及连接件的运动方式；
图7为在钢梁横桥向的移动条件下的吊索及连接件的运动方式；
图8为图7中A部放大图；
图9为本发明实施例中关节轴承的正视图；
图10位图9中AA剖视图；
图11为图10所示关节轴承向一侧偏转的最大角度。
图12为轴承内圈、轴承外圈配合结构的局部放大图；
图13为图12中A部放大图；
图14为异形密封圈的剖视图；
图15为异形密封圈的正视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例中的悬索桥吊索连接结构，吊索上下张拉在索夹和梁端之间，包括索体1，由扭绞的平行钢丝束101和包裹在钢丝束101外的内层聚乙烯护套102和外层聚乙烯护套103构成。钢丝束选自直径5mm-7mm的锌基合金镀层钢丝经3-4度扭转形成。索体1的上下端对应锚固于锚杯2内，上锚杯在其顶部、下锚杯在其底部分别设置有带销孔的吊索耳板3，吊索耳板3为双耳耳板。吊索顶端的吊索耳板3与带销孔的索夹耳板4通过销轴5转动连接，吊索底端的吊索耳板3与带销孔的梁端耳板6通过销轴5转动连接。索夹耳板4和梁端耳板6为单耳耳板，销轴5与梁端耳板6、销轴5与索夹耳板4的销孔配合处分别设置有关节轴承7。
关节轴承7是带密封结构的耐久型大转角自润滑关节轴承。
当吊索的钢箱梁在顺桥向和横桥向荷载下移动时，自润滑关节轴承可满足旋转摆动和倾斜摆动，甚至两者的复合摆动，从而避免吊索发生弯折，消除了作用在吊索上的弯曲应力，其吊索及连接件的运动方式，参见图6、7、8。
关节轴承包括轴承内圈701和轴承外圈702，轴承内圈701具有外球面，轴承外圈702具有内球面，以梁端耳板6为例，轴承外圈702固定设置在梁端耳板6的销孔内，轴承内圈701活动设置在轴承外圈702的球孔内且内、外球面构成活动的球面接触，轴承内圈01设置供销轴5穿过的销孔。
(1)通过增加轴承内圈的宽度和轴承外圈的外径，提高了轴承的转角，实现了吊索的大转角。如图11所示，轴承内圈的外球面弧长显著大于轴承外圈的内球面弧长，且内球面超出外球面的弧长差的一半所对应的圆心角即为轴承内圈相对轴承外圈偏转的最大转角，当轴承内圈的宽度越大，则偏转角度越大。
(2)通过在轴承内外圈的接触球面上设置PTFE(聚四氟乙烯)纤维织物提高大转角关节轴承的抗磨损性能，聚四氟乙烯纤维织物8作为润滑层，且优先将聚四氟乙烯纤维织物8设置在固定的轴承外圈702的内球面上，并控制润滑层8在外球面和内球面相对转动时始终不外露。
(3)为接触球面设置密封结构防止了异物侵入轴承工作表面而影响轴承的寿命。密封结构设置在轴承外圈702的两侧边缘处，由密封槽10和异型密封圈9构成，异型密封圈9设置在密封槽10内，该异型密封圈9既有与轴承外圈之间的定位功能又有与轴承内圈外球面之间的动接触密封功能。
如图13所示，密封槽10沿着轴承外圈的轴向形成外露的缺口，异型密封圈具有溢出于该缺口的斜边唇口，斜边唇口具有接触切面，通过该接触切面与轴承内圈701的外球面贴合。该斜边唇口与轴承内圈过盈配合而实现始终贴紧轴承内圈的外球面。
最外面斜边唇口的过盈量最大，斜边唇口上设置一沟槽，主要是增加密封唇的弹性，密封圈装配后轴承的球面也产生了一定的过盈量，使密封圈密封唇部与关节轴承内圈外球面相接触，实现密封。
该密封结构采用挡边定位，该异型密封圈设置突出的定位挡边901，密封槽缺口沿着轴承外圈径向延伸成型一台阶11，定位挡边901与台阶11在轴承外圈的径向构成抵触。
密封圈的装配时必须采用专用夹具，其装配方法：将关节轴承平放在专用夹具上→放入密封圈→密封圈先从一处位置压入密封槽槽位→压入后延一个方向平缓压入→两头对接上后，凸起位置采用专用工装压入→检查密封圈是否安装到位→转动轴承内圈观察密封圈和内套球面贴合程度，当整体贴合不留空隙即安装完毕。
(4)关节轴承的内圈和外圈均采用高硬度及高耐磨性的不锈钢40Cr13或者类似材料，保证关节轴承的防腐寿命和抗磨损寿命。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种悬索桥空间大转角吊索连接结构，吊索上下张拉在索夹和梁端之间，包括索体，索体的上下端对应锚固于上锚杯、下锚杯内，所述上锚杯在其顶部、所述下锚杯在其底部分别设置有带销孔的吊索耳板，吊索顶端的吊索耳板与带销孔的索夹耳板通过销轴转动连接，吊索底端的吊索耳板与带销孔的梁端耳板通过销轴转动连接，其特征在于：销轴与耳板的销孔配合处设置有关节轴承，该耳板包括吊索耳板与索夹耳板其中之一、吊索耳板与梁端耳板其中之一，关节轴承满足吊索能够在非垂直销轴的平面内进行偏转。
2.根据权利要求1所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述索体主要是由扭绞的平行钢丝束和包裹在钢丝束外的内层聚乙烯护套和外层聚乙烯护套。
3.根据权利要求1所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述钢丝束选自直径5mm-7mm的锌基合金镀层钢丝。
4.根据权利要求1所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述关节轴承包括轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈具有外球面，轴承外圈具有内球面，轴承外圈固定设置在耳板的销孔内，轴承内圈活动设置在轴承外圈的球孔内且内、外球面构成活动的球面接触，轴承内圈设置供所述销轴穿过的销孔。
5.根据权利要求4所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：轴承内圈的外球面弧长显著大于轴承外圈的内球面弧长，且内球面超出外球面的弧长差的一半所对应的圆心角即为轴承内圈相对轴承外圈偏转的最大转角。
6.根据权利要求4所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：外球面和内球面的接触面上设置聚四氟乙烯纤维织物作为润滑层。
7.根据权利要求6所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述聚四氟乙烯纤维织物设置在轴承外圈的内球面上，且在外球面和内球面相对转动时始终不外露。
8.根据权利要求4所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述轴承外圈或轴承内圈在内球面或外球面处设置有密封结构，该密封结构构成防止入侵接触球面的密封。
9.根据权利要求8所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述密封结构设置在轴承外圈的两侧边缘处，由密封槽和异型密封圈构成，异型密封圈设置在密封槽内，该异型密封圈与轴承内圈外球面保持滑动接触的密封效果。
10.根据权利要求9所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述密封槽沿着轴承外圈的轴向形成外露的缺口，所述异型密封圈具有溢出于该缺口的斜边唇口，该斜边唇口与轴承内圈过盈配合而实现始终贴紧轴承内圈的外球面。
11.根据权利要求10所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述斜边唇口上开设有沟槽或内孔使具有弹性特征。
12.根据权利要求10所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述斜边唇口具有接触切面，通过该接触切面与轴承内圈的外球面贴合。
13.根据权利要求10所述的悬索桥空间大转角吊索连接结构，其特征在于：所述异型密封圈设置有突出的定位挡边，所述缺口具有沿着轴承外圈径向延伸的台阶，所述挡边与台阶在轴承外圈的径向构成抵触。
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