类金刚石膜仿生支座的制作方法

本发明涉及一种桥梁支座，具体是涉及一种球型桥梁支座。

背景技术：

桥梁支座有多种类型，例如球型支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座等，桥梁支座的作用主要有两点，其一是将桥梁载荷（动载和静载）有效传递到桥墩，其二则是用以克服梁体因受制动力、环境温度、混凝土收缩或徐变以及载荷作用等引起的位移产生的梁体偏压。例如在桥体横向，如果因环境温度发生变化，导致梁体边长，而墩柱之间的间距不变，若梁体与墩柱之间是刚性的连接，则刚性连接的部分有可能会被剪断或者梁体对连接部分产生很大的剪切力。桥梁支座则使梁体尽可能正压在墩柱上。

其中，球型支座是在盆式橡胶支座的基础上发展而来，我国在70年代开始研制球型支座，经历了多年的研制，球型支座技术逐渐趋向成熟。球型支座的设计转角可以远远大于盆式橡胶支座的设计转角，摩擦性能也较好，但是从2016年京福高速的桥梁支座的检视中发现，部分支座出现球面聚四氟乙烯板老化问题，严重影响了支座的使用寿命。

桥梁支座需要承载巨大的载荷，因此，提供适应变形的桥梁支座中的移动接合面（适应直线位移或角位移）是否处于良好的工作状态非常重要，即移动接合面的摩擦系数应比较小。前述的球面聚四氟乙烯板的老化，则使得球面配合部分的摩擦状况极为恶劣。

由于桥梁支座应用于重载场合，受此影响，桥梁支座普遍采用面接触的摩擦面配合，球型支座也不例外。为了保证桥梁支座实现正常的工作状态，目前常采用的措施是保证摩擦面的表面清洁，例如移动型支座中的滑板支座的四氟板表面和与之摩擦的不锈钢表面清洁。并在摩擦接合面施以润滑剂，例如5201-2硅脂润滑油。然而，即便如此，摩擦接合面的摩擦系数仍然非常大，对变形的响应能力比较差。

典型地，如中国专利文献CN101476284B公开了一种转体球型支座，该支座提供了三个摩擦减磨板，并提供一个由球型支撑体与球面凹腔形成的球面摩擦面，所有的摩擦面均是滑动摩擦，摩擦系数相对较大。

而中国专利文献CN105064205A公开了一种球型支座，其说明书第48段指出，通过在上支座与下支座之间设置活动座以实现球型支座的转动和滑动的功能分离，可避免支座局部功能叠合造成卡死应力集中，一定程度上能够克服摩擦环境为滑动摩擦时滑动环境恶劣的问题，但由于其摩擦结构的配置仍然是常规的聚四氟乙烯板与球窝之间的配合，对摩擦环境的改善作用有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种类金刚石膜仿生支座，可以大幅的降低主要摩擦面的摩擦系数，而能够有效提高球型桥梁支座的使用寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种类金刚石膜仿生支座，包括上支座板和具有球窝的下支座板，以及与球窝配合的球冠衬板和介于球冠衬板与上支座板间的滑板组件，所述滑板组件包括：

橡胶板，该橡胶板的下表面与球冠衬板间形成固定的平面配合，而上表面则阵列有第一凹槽和第一圆坑；

聚四氟乙烯板，该聚四氟乙烯板的下表面具有与第一凹槽相应的凸起和与第一圆坑相应的凸头，从而该聚四氟乙烯板的下表面与橡胶板的上表面对位配合而形成仿生板；

滑板，该滑板的下表面与聚四氟乙烯板的上表面形成第一摩擦结构，该滑板的上表面则与上支座板的下表面配合；

所述球窝的表面形成有类金刚石膜，用于与球冠衬板形成滑动配合。

上述类金刚石膜仿生支座，可选地，所述第一凹槽是直槽；

直槽的走向是第一凹槽阵列的一个方向，且在该方向上，第一凹槽依序连接相邻第一圆坑。

可选地，第一凹槽的走向与顺桥向平行。

可选地，所述第一凹槽的深度为橡胶板厚度的一半。

可选地，相邻第一圆坑间距为35mm~55mm。

可选地，所述球冠衬板的上表面形成有凹坑，以使橡胶板中下部嵌入到凹坑中而形成在球冠衬板上的固定。

可选地，在上支座板下表面与球冠衬板上表面间，围绕凹坑设有密封圈。

可选地，所述球窝阵列有第二凹槽和第二圆坑，其中，在选定的一个阵列方向上，第二圆坑通过第二凹槽连通。

可选地，在第二凹槽和第二圆坑阵列的外围设有密封圈。

可选地，上支座板和下支座板间围绕滑板组件以及球窝和球冠衬板设有防尘围板。

依据本发明，橡胶板与聚四氟乙烯板取代现有的面面配合，两者除了配合之外，还存在第一凹槽与凸起、第一圆坑与凸头连接，当聚四氟乙烯板与滑板产生动摩擦或者静摩擦时，上述连接所产生的变形能够产生一定的耗能，从而能够有效的保护聚四氟乙烯板。而对于球冠衬板，基于前述的变形以及所构造的类金刚石膜在具有较能量冲击的条件下，自身摩擦界面的摩擦系数降低，能够提高球冠衬板的使用寿命，并减轻橡胶板的负担。整体而言，能够提高整个支座的使用寿命。

附图说明

图1为依据本发明的一种类金刚石膜仿生支座的主视半剖结构示意图。

图2为仿生板部分结构示意图。

图3为仿生板俯视结构示意图。

图4一种下支座板主视半剖结构示意图。

图5为一种下支座板俯视结构示意图。

图中：1.上支座板，2.螺栓，3.平面不锈钢板，4.聚四氟乙烯板，5.橡胶板，6.密封圈，7.球冠衬板，8.密封圈，9.防尘围板，10.下支座板，11.类金刚石膜，12.螺栓，501.第一凹槽，502.第一圆坑，101.第二凹槽，102.第二圆坑。

具体实施方式

关于类金刚石镀膜（DLC，Diamond-like carbon），是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质。类金刚石薄膜是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，从而引起了摩擦学界的重视。

DLC膜不仅具有优异的耐磨性，而且具有很低的摩擦系数，一般低于0.2，是一种优异的表面抗磨损改性膜。DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化，其摩擦系数最低可达0.005。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数，但加入H能提高润滑作用，环境也对摩擦系数有一定的影响。

图1中所示的桥梁支座是对传统球型支座的进一步改进，采用了仿生结构和减磨结构，整体上称为类金刚石膜仿生支座。

图1中，上支座板1上设置的螺栓2用于与例如桥梁的梁体连接，用于将梁体产生的振动（震动）、移动传递到上支座板1上，或者说由上支座板1进行承载。

下支座板10则使用图1中所示的螺栓12安装在例如桥梁墩柱上，最终把载荷转嫁到例如桥梁墩柱上。

桥梁支座不是刚性的转接，需要具有一定的对滑移、转动、震动等产生一定的响应能力，该响应能力源于桥梁支座自身的结构。

对于球型支座，响应能力是其球型构造部分和球型构造部分上部的滑板组件部分。

具体地，对于本发明概念条件下的类金刚石膜仿生支座，其基本结构与传统球型支座一样，均包括上支座板1和具有球窝的下支座板10，以及与球窝配合的球冠衬板7和介于球冠衬板7与上支座板间的滑板组件，其中关于球窝的开设位置等常规结构在此不再赘述，本领域的技术人员对此应有清楚的理解。

相对于传统的球型支座，基于本发明的类金刚石膜仿生支座的结构改动主要涉及两个地方，一个地方是如图1中所示的由依序自上而下叠置的平面不锈钢板3、聚四氟乙烯板4和橡胶板5所形成的滑板组件，另一个地方则是球冠衬板7与球窝的配合结构，两个地方的改动存在相互影响，首先是对于两个滑动界面，一个是球冠衬板7与球窝配合的滑动界面，另一个是滑板组件所具有的滑动界面，在仿生板部分性能改善的条件下，对滑动界面的冲击会被降低，而滑动性能的提升，则对仿生板部分的影响减弱。

下面先看第一个地方，即所述滑板组件，其包括：

橡胶板5，该橡胶板5的下表面与球冠衬板7间形成固定的平面配合，即橡胶板5与球冠衬板7之间是固定连接的，但应当理解，由于橡胶板5存在上下的承压关系，在该方向上受到桥梁支座属性条件下自身结构的约束。而在水平方向上，则采用与球冠衬板7之间的直接连接。

橡胶板5的结构具体可以参见说明书附图2和3，可见不同于传统的橡胶板5上表面的平面结构，而是在橡胶板5的上表面则阵列有第一凹槽501和第一圆坑502。

传统的平面结构主要用于提供一个摩擦结构，据以产生多个摩擦结构，以降低整体的摩擦系数，从而提高对上支座板1承载载荷的响应能力，但如前所述，该种结构尽管摩擦结构多，但却容易损坏聚四氟乙烯板4或者橡胶板5（主要用于减隔震），尽管通过上述结构减少了一个摩擦结构，但可以通过变形来耗能，当变形过大时，既存的摩擦结构可以起作用，又不会损坏耗能部分，即橡胶板5。

关于聚四氟乙烯板4，其结构与橡胶板5则是对位结构，从而该聚四氟乙烯板4的下表面具有与第一凹槽501相应的凸起和与第一圆坑502相应的凸头，从而该聚四氟乙烯板4的下表面与橡胶板5的上表面对位配合而形成如图2所示的仿生板，该种结构类同于榫接，但不用于传统的连接，而是用于产生变形，从而用于缓冲或者产生耗能。

此处类同于人体组织，在受到例如皮肤表面的冲击的时候，会产生变形，在变形容许的范围内，不会损伤皮肤，当然，如果产生滑动摩擦，则有可能将皮肤擦破。例如膝盖部分，如果膝关节处于蜷曲状态，皮肤表面紧绷，其在皮肤表面的缓冲作用就会下降，而比较容易被擦伤。

基于上述结构，由于存在垂直于法向的变形部分和可以滑移的部分，两者相互配合，在变形容许的范围内可以进行缓冲，而在超出缓冲的范围外，首先缓冲消耗掉了一定的能量，然后是滑移，滑移则进一步消耗能量，整体上对滑板组件的损伤被降低。

下面再看能够产生滑移的部分，如图3中所示的平面不锈钢板3，与聚四氟乙烯板4配合构成滑移结构。

具体地，平面不锈钢板3构成滑板，该滑板的下表面与聚四氟乙烯板4的上表面形成第一摩擦结构，该滑板的上表面则与上支座板1的下表面配合，在产生的水平方向的移动较小时，该第一摩擦结构处于一种静摩擦状态，而前述的仿生结构会产生变形，以消耗能量。当第一摩擦结构产生动摩擦状态时，仿生结构部分则起到了缓冲作用的条件下，自身受到的损伤也被降低。

再一个摩擦结构则是所述球窝的表面与球冠衬板7的球冠部分球面所形成的滑动摩擦结构，此处进一步提供一个摩擦结构，该部分结构主要产生转动的响应，在一些条件下，也可以产生微量的移动响应，降低其摩擦系数也有利于保护橡胶板5，具体地，在球窝的表面形成有类金刚石膜11，用于与球冠衬板7形成滑动配合，改善球型支座的摩擦工况。

球型支座的球冠衬板7与球窝摩擦工况的改善，可以进一步减轻滑板组件的负担，使橡胶板5受到的损伤减小。

关于第一凹槽501的形状，如果仅仅考虑变形，其形状可以是简单的圆槽或者方槽，并且加工也相对简单，只需考虑聚四氟乙烯板4的配合即可。

在优选的实施例中，所述第一凹槽501是直槽，直槽的变形方向更容易控制，并且在特定的方向上，其变形能力高于其他方向，或者说呈现出一种各向异性的特点，从而可以据此确定预设的容许最大变形的方向为桥梁支座安装时需要确定的方向，例如顺桥向。

进一步地，直槽的走向是第一凹槽501阵列的一个方向，且在该方向上，第一凹槽501依序连接相邻第一圆坑502，从而如图3所示，图中所形成的相当于第一圆坑502通过第一凹槽501连接的串列，多个串联具有第一排列方向，即直槽的走向，而对于直槽垂直的方向上，则是阵列的另一个方向，图3中可以清晰的显示出该种阵列方式。

一般而言，顺桥向和横桥向是容易产生较大变形的方向，第一凹槽501的走向与顺桥向平行，用于承载可能最大的变形。

此外直槽与圆坑的配合所形成的槽型，在例如顺桥向可以具备一定的导向能力，聚四氟乙烯板4在顺桥向于槽型内具有预定的活动空间，此时，槽型与聚四氟乙烯板4上形成的突出结构并不完全匹配，直槽的宽度小于第一圆坑502的直径，用以产生滑行的结构适配直槽的宽度，相对而言，第二圆坑502内可以储存润滑油或者润滑脂，顺次连接的第二圆坑502可以储存相对较多的润滑油或者润滑脂。

优选地，所述第一凹槽501的深度为橡胶板5厚度的一半，一方面减少对橡胶板5的损伤，同时，使变形可处于可控的最大可能。

进一步地，考虑减少对橡胶板5的损伤条件下，获得尽可能大的变形能力，相邻第一圆坑502间距为35mm~55mm。

所述球冠衬板7的上表面形成有凹坑，以使橡胶板5中下部嵌入到凹坑中而形成在球冠衬板7上的固定，固定方式简单，并且基于凹坑形成的周向约束，将橡胶板5可靠地限制在球冠衬板7上。

优选地，在上支座板1下表面与球冠衬板7上表面间，围绕凹坑设有密封圈6，用于保护摩擦结构，尤其是，在桥梁支座所应用的领域中普遍环境恶劣，为保持摩擦结构处于良好的状态，需要对其进行一定程度的密封。

此外，为了进一步改善球冠衬板7与球窝之间的摩擦环境，所述球窝阵列有第二凹槽101和第二圆坑102，其中，在选定的一个阵列方向上，第二圆坑102通过第二凹槽101连通，该种结构尽管使得摩擦面面积减小，承载环境变得恶劣，但由于凹槽和圆坑可以储存润滑脂或者润滑油，能够有效的改善摩擦条件。

此外，对于类金刚石膜11，其厚度不宜过大，否则制作成本太高，将其厚度控制在0.01mm较为合适。

对于第二凹槽101或者第二圆坑102的厚度，深度控制在1mm左右，具体可以选择1mm。

基于同样的考虑，在第二凹槽101和第二圆坑102阵列的外围设有密封圈8，以对摩擦结构进行保护。

整体上，上支座板1和下支座板10间围绕滑板组件以及球窝和球冠衬板7设有防尘围板9。