CN108699786B - 结构轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构轴承(1)，该结构轴承(1)具有由包含至少一种聚合物塑料的滑动材料制成的至少一个滑动元件(6、7)，其中，滑动材料具有大于210℃的熔点温度以及在根据DIN ISO 527‑2的拉伸测试中小于1800MPa的弹性模量。

Description

结构轴承

技术领域

本发明涉及具有由包含至少一种聚合物塑料的滑动材料制成的滑动元件的结构轴承。

背景技术

此处，结构轴承指的是通常设置在建筑物中以支承建筑物或其部件的这种轴承。特别地，这些轴承符合欧洲标准EN 1337的规定。也就是说，这些轴承可以是下述部件：该部件允许两个建筑部件之间的旋转并传输相关要求中限定的载荷并防止位移(固定轴承)、或者允许在平面的一个方向上的位移(导引轴承)或者在平面的所有方向上的位移(活动轴承)。

最常见的结构轴承在EN 1337的自2004年当前有效版本(EN 1337-1:2004)的第1部分中的表1中阐述。然而，在其他标准中可以找到其他设计和变型。因此，在EN 15129中，特别地，使用于地震隔离的轴承标准化。在此，本发明还特别涉及具有不同形状的滑动轴承，比如例如EN 15129中提及的并用于地震隔离的球面滑动轴承或滑动隔离摆动式轴承等。

此处，滑动元件指的是结构轴承的下述部件：所述部件分别确保并允许结构轴承的部件之间的滑动运动。特别地，这些部件符合EN 1337的自2004年版本(EN 1337-2:2004)中的第2部分的规定。

然而，与EN 1337-2:2004中所确定的不同，本发明不仅涉及具有由聚四氟乙烯(PTFE，商品名为特氟隆)制成的滑动元件的结构轴承，而且通常还涉及由其它聚合物塑料、特别是热塑性塑料比如例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰胺(PA)及其混合物制成的滑动元件的结构轴承。

基本上，对用作滑动材料的聚合物塑料的要求是已知的。一方面，该聚合物塑料应当允许作用在结构轴承上的载荷的均匀分布和传递。另一方面，聚合物塑料必须吸收结构轴承中的滑动运动(平移运动和/或旋转运动)，使得——至少在使用状态下——建筑物不会被损坏。就此而言，可以通过对摩擦系数的特定应用要求来实现滑动运动。例如，EN1337-2:2004限定了对摩擦系数的这种要求，但仅限于由PTFE制成的滑动部件。在EN 15129中，特别在第8.3节中，又限定了用于确定地震期间消耗的摩擦的一般测试设置，即使得适用于所称的抗震轴承(seismic bearing)。此外，当然这种滑动材料应当抵抗诸如例如温度、湿度之类的环境影响，而且还抵抗诸如酸雨或空气污染之类的侵蚀性介质，并且具有最大的可能的耐磨性。

经验表明，聚合物塑料具有不同的显著性能，使得可以仅通过在对应的要求特征中进行各种折中而考虑在这种结构轴承中的用途对聚合物塑料进行选择。

申请人通过其

滑动材料获得了特别对承重的、耐磨的滑动材料而言特别好的折中方案，其也抵抗环境的影响。这以滑动元件的形式使用，所述滑动元件形成为平坦和/或弯曲的滑动盘，但也可以形成引导件。特别成功的是不仅在滑动轴承领域中使用，例如在所称的球面滑动轴承中使用，而且还用于滑动隔离摆动式轴承中的隔震。此处，MSM滑动材料实际上导致了结构轴承在构造方面的变革，这是因为MSM滑动材料以较低的制造成本引起轴承的耐久性的显著提高。

然而，尽管存在这些优异的性能，但已经表明，这些已经非常普遍的结构轴承在某些应用领域——特别是在炎热地区——达到了其能力极限。这是因为到目前为止在结构轴承(比如例如PTFE，UHMWPE)的构造中常见的聚合物塑料中，仅压缩稳定性在较高温度下降低，而摩擦数或摩擦系数相应地随升高的温度而变化。就此而言，在某些环境中不使用润滑油的情况下，能量消耗并不令人满意。此外，如果轴承具有用以消耗能量的限定的摩擦程度，则具有已知滑动材料的轴承通常具有较大的尺寸。

发明内容

因此，本发明的目的是提供下述结构轴承：该结构轴承适于在更高的温度和/或接触压力下使用，并且同时具有限定的摩擦性能，并且与常规的结构轴承相比，尺寸并没有更大。

该问题的解决方案通过根据权利要求1所述的结构轴承实现。本发明的有利改进在从属权利要求中给出。

此时，根据本发明的解决方案是，滑动元件的滑动材料具有大于210℃的熔点温度和在根据DIN ISO 527-2的拉伸测试中小于1800MPa的弹性模量。此处，这两个标准的相互作用使得对滑动材料的性能提出了特别关键的要求。通常，更晚一些熔化的材料——比如例如聚酰胺——比具有低熔点的材料更硬。

这是基于以下发现：为了确保在高温下也具有高承载能力，聚合物塑料不仅必须具有尽可能高的熔点温度，而且同时也不能太硬。迄今为止，通常在升高的温度下使用的硬的热塑性塑料表现出不令人满意的载荷传递行为。因此，制造公差或建筑物沉降难以仅通过轴承中的滑动材料或滑动元件进行补偿，这又容易导致结构轴承中滑动元件的相应较高负载区域的磨损的增加。

然而，如果两个标准都满足了——如申请人的实验证明的那样，则可以认为在更高的温度下仍存在限定的摩擦性能，而不必使结构轴承比常规轴承更大。而且，根据本发明的轴承具有显著增大的耐久性。

另外，减少了所称的粘滑现象。如例如从汽车中的雨刮器已知的，粘滑现象意指一种冲击式滑动运动(jerking sliding movement)。申请人的实验证明，由滑动材料制成的满足这种性能特征的滑动元件在静摩擦数与动摩擦数之间仍仅具有相对微小的差异。如此以来减少了粘滑现象。特别地，如果结构轴承也用于抗震保护，这将提高整个建筑物的安全性。

在进一步的研究中，结构轴承具有由下述滑动材料制成的滑动元件：该滑动材料具有在48℃的至少250MPa的特征抗压强度、和/或在70℃的至少220MPa的特征抗压强度、和/或在80℃的至少200MPa的特征抗压强度。此处，特征抗压强度的值可以在针对符合特定尺寸要求并由滑动材料制成的样品的接触压力实验中确定。

例如，在欧洲技术认可ETA06/0131及其认可指南中给出了具有尺寸要求和执行条件的适合的接触压力测试。因此，适合的接触压力测试意为这样的测试：在该测试中，对具有155mm的直径、8mm的厚度和5mm的嵌入深度的呈平坦圆盘形式的部分嵌入的样品在期望的温度和接触压力情况下进行加载(关于样品的形状、嵌入和载荷的其他信息在ETA 06/0131及其认可指南中给出)。此处，对比温度可以例如是35℃的典型温度。由于接触压力，在给定时间(通常为48小时)后，必须停止处理操作。释放样品之后，检查样品是否损坏(如是否存在裂缝)。

此处，特征抗压强度意为在EN 1337-2:2004中使用的特征抗压强度。这是所提及的停止处理并且还没有发生损坏的最大接触压力。因此，一般来说，通过几次这样的测试来反复地确定最大可吸收的接触压力以及因此的特征抗压强度。

对相对较高的特征抗压强度以及高熔点温度和相对较低的弹性模量的要求导致确保在未润滑的状态下所对应使用的聚合物塑料相应地具有限定的但不是必须的低摩擦数或摩擦系数的事实。该限定的摩擦可以用来消耗能量消耗型轴承中的动能。同时，由于该要求特征，还确保了材料在高温下具有高承载能力以便能够吸收尽可能多的能量。此外，申请人的测试也表明很少出现所称的粘滑现象，总之，实现了容易响应的轴承。也就是说，根据本发明的结构轴承的特征在于效率与防止建筑物高频低幅地发生损坏性震动的组合。

在进一步的研究中，在类似于EN 1337-2:2004的附录D中的短时间滑动摩擦力测试中，未润滑的滑动材料在21℃和60MPa的接触压力下具有至少0.05的最大摩擦系数。由于其是对未润滑的材料进行的测试，在根据EN1337-2:2004的常规测试的改型中此时滑动盘没有润滑孔。对摩擦系数的限制确保了用于消耗动能的限定的摩擦数，尤其在未润滑状态下更是如此。

在进一步研究中，滑动材料的静摩擦系数与动摩擦系数的比小于1.4。这确保几乎不会出现粘滑现象。

这在滑动材料具有大于15％、优选地达30％的屈服强度的情况下也是适合的。这使得滑动元件能够完全弹性地适应偏心变形的发生。此外，这种滑动元件几乎不会呈圆环形式，这降低了剪切此圆环的风险。这导致下述事实：这种结构轴承具有比常规结构轴承更大的固有旋转能力。这在平面滑动轴承的情况下尤其有利，因为如此以来，该结构轴承能够更好地补偿建筑物的倾斜(例如，由于建筑物的沉降(settlement)或者制造公差)。

在进一步的研究中，滑动材料包含作为聚合物塑料的聚酮。其中，聚酮由一氧化碳制备，并且由于在处理中，例如可以使用来自工业废气的一氧化碳，因此聚酮对环境而言是可接受的塑料。与UHMWPE或PTFE相比，聚酮被证明是组合了高熔点与相对较高的摩擦的材料。但仅在高温下，摩擦系数保持相对恒定，而在其他已知材料中，摩擦系数表现出强烈的温度依赖性。

同时，聚酮是具有较低弹性模量的聚合物塑料。由聚酮构成的滑动元件表现出良好的适应性和补偿制造公差或建筑物沉降的良好的能力。并且在轴承于高温下使用的情况下也不会使材料过度变形。而且，对聚酮的测试表明，滑动材料具有相当低的静摩擦系数与动摩擦系数的比，因此，考虑到粘滑问题，其也可以归类为特别适用。

就目前情况而言，这种长时间以来已为人所知的材料现在基于申请人的测试而第一次成为该应用领域的焦点。正是申请人的实验证明了，该材料没有突出的个体性能，但综合其各个个体性能，材料的总体性能特征非常显著。正是比如高熔点、低弹性模量、在相对较高但在高温下相对稳定的摩擦情况下静摩擦系数与动摩擦系数的有利比的性能的组合使得该材料几乎成为制造结构轴承的理想材料，特别对于能量消耗型轴承而言更是如此。

此外，滑动材料可以被硫化到弹性体上(比如例如橡胶)，例如以形成用于弹性体滑动轴承的滑动元件。

在进一步的研究中，滑动材料包含作为聚合物塑料的具有至少5％、优选地大于7％的水饱和度的聚酰胺。申请人的测试表明，借助水饱和式聚酰胺，约3000MPa的弹性模量可以降低至小于700MPa。也就是说，如果确保了适当的水饱和度，则聚酰胺就满足了上述性能特征。也就是说，根据本发明也可以很好地采用迄今为止被认为太硬的聚酰胺。仅需要确保聚酰胺具有至少5％、优选地大于7％的适合的水饱和度。这样，也可以减少或者适当地控制聚酰胺中特别明显的粘滑现象。

在进一步的研究中，用于确保滑动材料的永久性水饱和度的供水件被分配至滑动元件。此处，供水件意为向滑动元件并且因此向滑动材料供给水的非常普通类型的设施。例如，供水件可以是喷洒系统，但也可以是其中布置有滑动元件的蓄水池。此处，蓄水池仍然非常普遍地译意指能够防止水流失的设施。例如，水可以是保留的暴雨水，或者也可以是填充到池中并且至少在较长时间内不会流失的水。仅重要的是确保滑动元件尽可能长时间地与水接触。

滑动元件至少部分地被水蒸气保持壳体包围也是合适的。例如，这可以是包裹滑动元件的合适的薄膜，使得没有水或仅有少量水蒸气逸出。在此，在有疑问的情况下，壳体将仅被布置在滑动元件的不属于滑动元件的与其滑动对应件——比如例如滑板——接触的接触表面的侧部处。

特别优选地，根据本发明的结构轴承构造为能量消耗型轴承，优选地构造为滑动隔离摆动式轴承(由于限定的摩擦，其也可以被称为摩擦摆动式轴承)。尤其在此处，不仅摩擦力特别低，而且在高温下摩擦力也特别恒定。后者发生在由于高加速度而发生大动荡的情况下。

根据本发明的结构轴承构造为弹性体滑动轴承的情况也是合适的。在滑动元件具有作为滑动材料的聚酮时，聚酮可以以特别简单的方式被硫化到弹性体上。

在进一步的研究中，滑动材料除了包含所述至少一种聚合物塑料之外，还包含至少一种另外的聚合物塑料——特别是UHMWPE或PTFE或PA——、至少一种填充物和/或添加物。此处，填充物意为不是聚合物塑料的物质。添加物意为以某种方式仍进一步影响塑料性能的混合物，比如例如包含固体润滑剂。

在进一步的研究中，滑动材料还可以借助于辐射和/或化学处理而被进行交联。因此，通过交联可以分别增加或增强额外的特定性能。例如，申请人的测试已经表明，通过对例如滑动盘的边缘区域进行交联，可以使滑动材料被影响成：使得其耐磨性得到改进而不会对滑动盘的整体摩擦系数产生负面影响。

在进一步的研究中，滑动元件构造为平坦的和/或弯曲的滑动盘。最后，结构轴承还可以进一步发展成使得滑动盘以分段的形式构造并且具有至少两个子部段。因此，通过将滑动盘分段，也可以选择性地调节及影响摩擦性能和能量消耗性能。

在滑动盘由多个子部段构成、而所述多个子段又优选构造成圆形并且具有20mm至50mm的直径的情况下，摩擦性能的选择性调节是特别成功的。因此，每个单独的子部段的摩擦系数可以通过实验来确定。通过选择性地设置多个这样的子部段，可以累积地设定期望的总体性能特征。另外，例如通过移除或添加单个子部段，可以随后对整体摩擦系数进行调节。此外，特别地，在滑动材料的高抗压强度下，轴承的较大的表面接触压力以及因此较小的支承表面是可能的。因此，与大的单个的滑动盘相比，几乎可以任意地减小高偏心接触压力的风险。

此处，滑动盘的各个子部段由另一种滑动材料、优选地由聚酰胺、PTFE和/或UHMWPE构成的情况可能是有用的。因此，通过智能材料混合，可以更加有选择地使用轴承中各个子部段的积极的性能，并且可以更好地调节总体性能。

附图说明

在下文中，借助于示例对本发明进行详细地说明。此处：

图1示意性地示出了穿过根据本发明的具有盘状滑动元件的结构轴承的部分截面。

具体实施方式

图1以局部截面图示(图示的左侧部分)示出的结构轴承1为滑动轴承，该滑动轴承被构造为基本上已知设计的所称的球面滑动轴承。此处，示出该结构轴承1仅用于图示出结构轴承基本上是什么样子的。然而，就本发明而言，轴承的设计并不重要。也就是说，轴承也可以是具有根据本发明的滑动元件6的任意不同设计的结构轴承。

图1所示的结构轴承1具有上板2、球形帽3、下板4、滑板5以及与滑板5滑动地接触的滑动元件6，滑动元件6由聚合物塑料制成且呈平坦的滑动盘的形式。此外，轴承具有第二弯曲滑动元件7。第二弯曲滑动元件7与球形帽3的弯曲表面滑动地接触。

此处所示的结构轴承1是下述结构轴承：在根据本发明的该结构轴承中，所使用的用于滑动元件6和7的滑动材料具有大于210℃的熔点温度和在根据DIN ISO 527-2的拉伸测试中小于1800MPa的弹性模量。

在目前的情况下，滑动材料由聚酮构成并且在高温下也具有相对较高的特征抗压强度值：在48℃下约为250MPa，在70℃下约为220MPa，在80℃下约为200MPa。

而且，滑动材料具有达30％的相对较高的屈服强度。这使得滑动元件能够弹性地适应所发生的偏心变形。只是对于平坦的滑动轴承(如此处所示)而言，这是特别有利的，这是因为这样可以更好地补偿建筑物的倾斜(例如由于建筑物的沉降或制造公差)。

Claims (21)

1.一种结构轴承(1)，所述结构轴承(1)具有至少一个滑动元件(6、7)，所述滑动元件(6、7)由包含至少一种聚合物塑料的滑动材料制成，其特征在于，

所述滑动材料具有大于210℃的熔点温度以及在根据DIN ISO 527-2的拉伸测试中小于1800MPa的弹性模量,

其中，所述滑动材料还具有在48℃处为至少250MPa、和/或在70℃处为至少220MPa、和/或在80℃处为至少200MPa的特征抗压强度，并且其中，所述滑动材料包含作为聚合物塑料的聚酮。

2.根据权利要求1所述的结构轴承(1)，其特征在于，在类似于EN1337-2：2004的附录D的短时间滑动摩擦测试中，未润滑的滑动材料在21℃和60MPa的接触压力下具有至少为0.05的最大摩擦系数。

3.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料的静摩擦系数与动摩擦系数之比(μ_s/μ_dyn)小于1.4。

4.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料的屈服强度大于15％。

5.根据权利要求4所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料的屈服强度达30％。

6.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料被硫化在弹性体上。

7.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料包含作为聚合物塑料的具有至少5％的水饱和度的聚酰胺。

8.根据权利要求7所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料包含作为聚合物塑料的具有大于7％的水饱和度的聚酰胺。

9.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动元件(6、7)被分配有用于确保所述滑动材料的永久性水饱和度的供水件。

10.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动元件(6、7)布置在蓄水池中。

11.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动元件(6、7)至少部分地被水蒸汽保持壳体包围。

12.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料除了包含所述至少一种聚合物塑料之外，还包含至少一种另外的聚合物塑料以及/或者至少一种填充物和/或添加物，其中，所述至少一种另外的聚合物塑料为PA、UHMWPE或PTFE。

13.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动材料借助于辐射和/或化学处理而被进行交联。

14.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述结构轴承(1)构造为能量消耗型轴承。

15.根据权利要求14所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述结构轴承(1)构造为摩擦摆动式轴承。

16.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述结构轴承(1)构造为弹性滑动轴承。

17.根据权利要求1或2所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动元件构造为平坦的滑动盘(6)和/或弯曲的滑动盘(7)。

18.根据权利要求17所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动盘(6、7)以分段的形式构造并具有至少两个子部段。

19.根据权利要求18所述的结构轴承(1)，其特征在于，所述滑动盘(6、7)由为圆形并具有20mm至50mm的直径的多个子部段构成。

20.根据权利要求18所述的结构轴承(1)，其特征在于：所述滑动盘(6、7)的各个子部段由另外的滑动材料构成。

21.根据权利要求20所述的结构轴承(1)，其特征在于：所述另外的滑动材料为聚酰胺、PTFE和/或UHMWPE。

Images