一种抗倾覆转体球铰的制作方法

本发明涉及桥梁建筑，更具体地，涉及一种抗倾覆转体球铰。

背景技术：

1、随着铁路、公路及市政立交线路的大规模建设，现有交通路网布局越来越稠密，新建线路跨越既有线路的概率越来越大，情况越来越普遍。为了降低甚至避免新线路建设对既有铁路运营的影响，桥梁转体施工技术得到广泛应用。转体施工技术是在与既有线路平行的方向先行将需跨越既有线的桥梁修建完毕，后将预建桥梁按设计目标角度旋转，实现高效、安全跨越既有线路的施工技术。转体球铰做为实现桥梁转体施工的核心部件，其结构形式也在不断更新演变。转体球铰能够实现的功能也越来越丰富，功能主要有：承受转体桥梁t构上部重量，通过球面运动副实现桥梁水平转动，及转体到位后通过球面竖向转动实现桥梁标高精调（俗称桥梁调姿）。由于转体球铰能够同时在水平及竖向自由转动，使得水平转体过程中，转体t构极易失稳，发生竖向转动，产生倾覆。过大的竖向转动造成的倾覆，会使转体t构重心偏移，影响机构主体水平转动运动的平稳性，以及增大水平转动的摩擦力，对转体牵引设备造成冲击与损害，严重是可影响主体水平转体运动的安全性，危及转体t构安全。球铰主体重达几十吨甚至几百吨，直径长达10米。

2、1、申请号为202220031620.1，专利名称为一种复合转动体系转体支座的实用新型专利，公开了一种复合转动体系转体支座，其包括上球铰、下球铰、限位装置以及滑动组件，上球铰设置在下球铰上，且与下球铰转动配合；限位装置包括环形挡环和环形凹槽，其中一个设置在上球铰上，另一个设置在下球铰上，且环形挡环能够位于环形凹槽内；滑动组件夹设在上球铰和下球铰之间，滑动组件用于保证上球铰和下球铰之间的相对转动。相比于现有技术的利用销轴限位上球铰的结构，本实用新型提供的环形挡和环形凹槽的结构具有更大的受力面积，复合转动体系转体支座的抗倾覆能力更强。同时保证了当一层转动面不能正常使用时另外一层转动面仍能完成转体施工。

3、该专利设置环形挡环和环形凹槽的组合限位装置结构来实现抗倾覆，结构复杂，实施难度大。并且由于环形挡环和环形凹槽位于球铰的中间，抗倾覆作用点力臂较短。力臂较短，提供的抗倾覆力矩越小。倾覆力矩是一个定量，如果要达到抗倾覆效果，就要增大抗倾覆力矩，按该专利的结构，就需要提供更大的产品结构尺寸使力臂增长，这样会增加产品原材料用量。

4、2、申请号为202010757476.5，专利名称为可控式防倾覆转体球铰的发明专利申请，包括球铰支架、下球铰、限位销轴和上球铰。其中，下球铰固定于球铰支架上，上球铰同轴纵向叠置于下球铰上方，上球铰与下球铰呈球面转动装配，限位销轴固定于下球铰的中心位置，上球铰上设有供限位销轴插入的限位孔，限位销轴为钢管混凝土结构，上球铰呈圆环形凸球面结构，下球铰呈与上球铰适配的圆环形凹球面结构。相比于现有技术，本发明的上球铰和下球铰整体呈中空的圆环形设置，同等承载力情况下可以实现横断面更窄，更利于保证其底部混凝土浇筑的密实程度；可控式防倾覆转体球铰整体平面结构为环形，有利于转体作业完成后对中心部位的回填封固，确保后期桥梁安全使用。

5、该专利所述限位销轴固定于下球铰，上球铰上设有供限位销轴插入的限位孔的中心位置，该专利主要依靠混凝土限位销轴实现抗倾覆，结构与上一个专利类似，原理相同，也存在和上一个专利同样的问题。除此之外，结构庞大的抗倾覆球铰，使用限位销和限位孔配合的结构，很难保证有足够强度的限位销来保证强度，难以实现抗倾覆。

6、3、申请号为202020370170.x，专利名称为桥梁转体支承装置的实用新型专利，包括上盘、下盘；其中上盘、下盘整体呈中空的圆环形，上盘与下盘采用同轴纵向叠置且呈球面转动装配，与下盘的至少外侧或内侧相邻的上盘表面设有限位装置，该限位装置限制所述上盘与下盘之间发生的竖向转角超过设定值。本实用新型有效解决了现有技术中存在的浇筑不实、当结构倾覆力矩较大时转轴不能起到实际作用等问题，具有支承稳定、利于保证其底部混凝土浇筑的密实程度等优点。

7、该专利在上盘上设有限位装置，当产生竖向转角时，通过上盘限位装置与下盘边缘限位，避免因竖向转角过大导致的倾覆现象。发生倾覆时，此种结构是线接触，易导致接触应力大，容易导致圆柱面局部应力过大而变形，甚至撕裂圆柱接触面。

8、4、申请号为201922247721.3，专利名称为抗倾覆转体支座的实用新型专利，包括上球铰、球面耐磨板、下球铰、上限位螺栓、限位板和下限位螺栓；上球铰、球面耐磨板、下球铰从上至下依次层叠设置，上球铰的底面为第一凸球面，球面耐磨板的顶面为第一凹球面，述球面耐磨板的底面为第二凸球面，下球铰的顶面为第二凹球面，第一凸球面与第一凹球面配合，第二凸球面与第二凹球面配合；限位板设置在上球铰和下球铰的外周面，上限位螺栓将限位板与上球铰连成一体，下限位螺栓将限位板与下球铰连成一体。抗倾覆转体支座结构简单，为混凝土桥的转体施工提供支承与转动，防止由于桥梁结构施工过程中失去平衡导致结构发生倾覆，保证施工安全，降低施工难度。

9、该专利所述限位板通过上限位螺栓连接所述上球铰、通过下限位螺栓连接所述下球铰，即将上下球铰连接起来限制上下球铰的相对运动，这样可以保证运输及安装过程中上球铰与下球铰保持固定，防止发生倾覆。但是这样只是保证球铰运输和安装时不发生倾覆，是防止球铰自己发生偏转，而不是在转体球铰上部已完成混凝土浇注后转体时发生的，与本发明解决的技术问题不同，本发明是要防止桥梁转体施工过程中发生倾覆，即球铰使用过程中的防倾覆问题。

10、5、申请号为201821970758.8，专利名称为一种抗倾覆桥梁转体支座的实用新型专利，包括上球摆、下球摆和抗倾覆装置，抗倾覆装置设置在上球摆与下球摆之间；上球摆包括上支座板和下支撑板，上支座板的直径大于下支撑板的直径；下支撑板的底面具有凸球面，凸球面的中心处设置有销孔；下球摆包括上支撑板和下支座板，上支撑板的直径小于下支座板的直径；上支撑板的顶面具有凹球面，凹球面的中心处设置有锁销；凸球面与凹球面匹配设置；销孔与锁销匹配设置，销孔的侧壁与锁销的侧壁形成具有夹角的间隙。本技术能够保证转体桥偏心严重或环境因素造成转体装置抗倾覆能力不足时，为桥梁转体支座增加二次抗倾覆防线，保证桥梁转体支座在大风沙环境下的安全，避免出现倾覆事故。

11、该专利在抗倾覆桥梁转体支座增设抗倾覆挡环和弹性缓冲垫，所述抗倾覆挡环和弹性缓冲垫可以为闭合的环状结构。弹性缓冲垫，从名称来看，其实际上是一种软质材料，其起到缓冲的作用，在发生倾覆时，依靠的是抗倾覆挡环和上支撑板两者的支撑，除去弹性缓冲垫的缓冲作用，起抗倾覆作用的只有抗倾覆挡环， 见该专利的附图2，上支座板11和上支撑板21之间的距离较大，由于球铰本身重量重达几十吨甚至几百吨，直径长达10米，如果抗倾覆挡环要起到抗倾覆的效果，那么抗倾覆挡环的厚度很大，大大增加了材料用量和球铰重量，并且抗倾覆挡环的厚度不易控制。

12、以上所有的专利，还存在共同的不足之处：组成运动副的上球铰和下球铰中都设置有抗倾覆结构，对于大部件，这样的结构较为复杂，大大增加了加工难度，生产效率低。并且这样凹凸配合的结构，并不能完全避免倾覆事故，还有倾翻的可能，因此常常还需要第二层抗倾覆防线，比如第5个专利就设置了抗倾覆挡环和弹性缓冲垫用于增加二次抗倾覆防线。第1、3、4、5个专利，上球铰和下球铰相配合的抗倾覆结构，都是线接触，线接触应力高，易导致接触面变形，影响桥体质量。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术抗倾覆转体球铰的上球铰和下球铰结构复杂、加工困难，抗倾覆效果差的不足，提供一种结构简单、抗倾覆效果稳定的抗倾覆转体球铰。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：

3、一种抗倾覆转体球铰，包括上球铰和下球铰，上球铰和下球铰呈球面转动装配；上球铰与下球铰的配合面的横截面均为ω形状或者均为倒扣的ω形状，所述配合面包括球面和沿球面周向伸出的环形平面，上球铰的环形平面和下球铰的环形平面之间具有间隙。

4、上球铰与下球铰的配合面的横截面均为ω形状或者倒扣的ω形状是指两种情况：上球铰上、上球铰与下球铰配合的面为ω形状，下球铰上、下球铰与上球铰配合的面为ω形状；此时，上球铰为凹球面，下球铰为凸球面。上球铰上、上球铰与下球铰配合的面为倒扣的ω形状，下球铰上、下球铰与上球铰配合的面为倒扣的ω形状；此时，上球铰为凸球面，下球铰为凹球面。

5、本发明上球铰和下球铰的配合面为ω形状组成的运动副，其中的球面实现抗倾覆球铰的水平转动，利用上下球铰球面边缘圆周额外延伸设计成的环形平面，形成平面移动运动副结构，当转体球铰产生的倾覆转角达到设计值时，ω形状的边缘的上下环形平面会产生局部接触限位，提供抗倾覆力矩，从而终止转体t构继续倾覆，使转体过程保持稳定。

6、ω形状的配合面，抗倾覆作用点力臂从球铰中心至环形平面，力臂长，能保证较大的抗倾覆力矩，相比现有技术，不用通过增大产品尺寸的方法来增大抗倾覆力矩。在发生倾覆时，上球铰的环形平面与下球铰的环形平面接触，两两接触为面接触，相较于现有技术抗倾覆结构线接触，不存在局部应力，保证了结构的稳定性。本发明的结构简单，相比现有技术抗倾覆结构没有设置于配合面中，降低了加工难度。

7、进一步地，所述上球铰的环形平面和下球铰的环形平面之间的间隙为h，h=r*sinθ，其中θ=r*180/π，r为转体球铰预设转角弧度值，θ为转体球铰预设转角弧度值r对应的竖向转动角度值，所预设角度用于转体后姿态调整，r为转体球铰ω形状结构的凹球面的球半径。

8、转体球铰的球面运动副需要实现水平转动使桥梁转向，还需要实现竖向转动进行桥梁调资，两两环形平面之间的间隙h非常重要，太宽了会有失稳的风险，太窄了会限制竖向转动，无法进行桥梁标高精调。间距太大时，发生倾覆时，上球铰转角太大，会使抗倾覆失稳的风险大大增加，导致上球铰很难回位。间距太小时，无法实现球面竖向转动进行桥梁标高精调。本技术人经过研究，提供了间隙h的计算公式，其中的r根据设计需要设置。能保证转体球铰既能进行桥梁标高精调，又不会有失稳的风险，具有良好的抗倾覆效果。

9、进一步地，在所述配合面中的凹球面上开有凹槽，凹槽中安装有耐磨板，耐磨板从凹槽中凸出与凸球面接触。

10、更进一步地，所述凹槽的底面与凹球面平行，凹槽的中心与凹球面的球心一致。凹槽弧度的走向与凹球面弧度的走向一致。

11、进一步地，所述凹槽由多个扇形凹槽组成，扇形凹槽围绕凹球面的中轴线向周围辐射布置。多个是指两个及两个以上。

12、所述凹槽的弧度走向与凹球面弧度走向一致，凹槽可为与凹球面平行的球冠形状，由于球铰的直径高达上十米，要将球冠形的凹槽铺满耐磨板，没有那么大的整块耐磨板，因此设置多个扇形凹槽，将耐磨板分块布置。另一方面，将耐磨板分块的原因还在于，如果使用整块球冠形的凹槽难以周向定位，容易和凸球面一起发生旋转。

13、更进一步地，所述凹球面中间部分和端部凸起，中间部分和端部之间为所述凹槽；所述凹槽中的耐磨板从凹槽中凸出与凸球面接触，使得凹球面的中间部分与凸球面之间具有间隙，也使得凹球面的端部与凸球面之间具有间隙。

14、更进一步地，所述上球铰具有凸球面，所述下球铰具有与所述凸球面相配合的凹球面，所述凹槽开在所述下球铰的凹球面中。

15、本发明具有以下有益效果：

16、1、ω形状的配合面，抗倾覆作用点力臂从球铰中心至环形平面，力臂长能保证较大的抗倾覆力矩，相比现有技术，不用通过增大产品尺寸的方法来增大抗倾覆力矩。2、发生倾覆时，两两环形平面接触，接触面积大，具有足够的强度。3、上球铰的环形平面与下球铰的环形平面接触，两两接触为面接触，相较于现有技术抗倾覆结构线接触，不存在局部应力，保证了结构的稳定性。4、本发明的结构简单，相比现有技术抗倾覆结构没有设置于配合面中，降低了加工难度。5、本发明是对上球铰和下球铰的配合面形状进行改进，没有增加材料用量和球铰的重量。