脹套式錨杆的製作方法

2023-12-10 03:52:41

專利名稱：脹套式錨杆的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於礦山及隧道工程支護用的機械膨脹摩擦式錨杆。
目前國內外在礦山及隧道工程支護中普遍採用樹脂或水泥錨固劑錨杆，這類錨杆的錨固力是靠藥卷的粘結力將杆體固結在鑽孔內，固結力的大小與藥卷的攪拌時間(或泡水時間)密切相關，施工質量難以準確掌握，有效率僅為60～75％，從而存在不安全隱患。
現有技術公開的各種機械膨脹摩擦式錨杆尚存在下面不足之處1)在鬆軟的巖體或煤體中錨固力小，一般為3～4噸，達不到支護要求。因這類錨杆結構是在錨杆杆體端頭另裝一塊錐體塊，如三稜台或錐錨或錐柄，錐體塊由於加工工藝限制，無法製得過長，故錨固後錐體塊與膨脹體、膨脹體與鑽孔壁接觸長度短，往往是點接觸，不能滿足一般煤礦巷道圍巖硬度係數f為1～7的錨固力要求。
2)延伸率小，對巷道圍巖的適應性差。如果巷道圍巖位移量大，則錨杆的軸向力就會增加很快，使錨杆過早地從其薄弱環節破壞。如最常見的破壞形式是杆體外端螺紋處被拉斷或託板被破壞。
3)結構及製作工藝複雜，成本高。如錨杆端頭裝的錐體塊與錨杆的杆體不是整體，用螺紋聯接；錐體塊加工工藝複雜，不能作得太長；上錐臺面常出現凸邊，在使用中易發生楔片或脹管或脹筒無法脹開，從而錨固力達不到施工質量要求。
4)安裝工藝複雜，安裝施工錨固力不易保證。因錨杆杆體與錐體塊用螺紋聯接，安裝使用增加一個薄弱環節，安裝時必須在孔外端旋轉杆體，旋轉杆體後，多片楔片易搞亂，尤其當孔徑較大時，分離的多片楔片最易轉到一側，無法實現錨固等敝病。
從以上可見，現有技術機械膨脹摩擦式錨杆，由於結構上存在問題，製作工藝複雜，錨固的脹固體與孔壁的接觸面小，錨固力和延伸率小，安裝不便，施工質量難以保證，不能滿足煤礦回採巷道的錨固要求。
本實用新型發明的目的，為了克服現有錨杆的不足之處，提出一種新型的脹套式錨杆，從結構上實現錨固力大、延伸量長、製作簡單、安裝方便、施工質量易保證的機構摩擦自鎖的脹套式錨杆，適用煤礦回採巷道的錨固要求。
本實用新型脹套式錨杆的技術方案如下


圖1為本實用新型脹套式錨杆結構示意圖；圖2為本實用新型脹套式錨杆c－c剖面圖；圖3為本實用新型脹套式錨杆受力關係示意圖；圖4、圖5為本實用新型脹套式錨杆預應力墊片主、俯視圖；圖6為本實用新型脹套式錨杆實施例錨杆力學特性曲線圖。
以下結合附圖和實施例詳細描述脹套式錨杆組成、結構特徵及工作原理。
本實用新型脹套式錨杆如
圖1、2所示，由杆體(1)、脹套(2)、導向片(3)、捆絲(4)、卡圈(5)、彈簧(6)、擋圈(7)、託板(8)、預應力墊片(9)、螺母(10)等組成，其結構特徵是1.杆體(1)為整根杆體，杆體上端部為對稱斜面的扁形錐體，錐面的傾斜角為α，杆體上端部設有導向片(3)，導向片(3)使脹套(2)與杆體(1)不發生相對轉動。
杆體(1)的下端尾部帶螺紋，用螺母(10)將託板(8)定位，在託板(8)與螺母(10)之間墊預應力墊片(9)，擋圈(7)焊接固定在杆體(1)上。
2.脹套(2)如
圖1、2所示，由二塊半園柱套組成，套在杆體上端部扁形錐體上。脹套(2)上部用捆絲(4)捆住，下部用卡圈(5)卡緊。脹套(2)內壁為園錐面，錐面β角與杆體上端部的扁形錐面的傾斜角α相匹配。脹套(2)外壁為帶鋸齒狀的園柱體。
3.杆體上端錐面的傾斜角α大小應滿足脹套(2)外壁對孔壁(11)的錨固力自鎖要求，即應滿足如下公式μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－為脹套(2)內壁與杆體(1)的摩擦係數；μ2－－為脹套(2)外壁與鑽孔壁(11)的摩擦係數；α－－為杆體(1)錐面的傾斜角。
圖3是本脹套式錨杆受力關係示意圖，圖中F－－為杆體(1)向下的拉拔力；F1－－為杆體(1)的上端部錐面對脹套(2)內壁的正壓力；f1－－為杆體(1)的上端部錐面與脹套(2)內壁的摩擦力；F1′－－為F1對杆體(1)上端部錐面的反作用力；f1′－－為f1對杆體(1)上端部錐面的反作用力；f2－－為脹套(2)外壁與鑽孔壁(11)之間的摩擦力；F2－－為鑽孔壁(11)對脹套(2)外壁的反作用力。
見圖3所示，錨杆安裝時，杆體(1)塞到鑽孔內一定長度後，杆體(1)向孔外拉拔時，杆體(1)上端部錐面對脹套(2)的作用力F1和摩擦力f1可分解為使脹套(2)向開膨脹的徑向力和使脹套(2)產生向外移動趨勢的軸向力，向開膨脹的徑向力使脹套(2)與鑽孔壁(11)壓緊，產生足夠的摩擦力f2。設計調整杆體(1)上端部錐面傾斜角α和脹套(2)內壁的錐面角β，可使錨杆在不同類型圍巖的鑽孔中都能自鎖，即不論杆體的軸向力F的大小，脹套(2)都能使杆體卡死在鑽孔中。
4.在脹套(2)下端部的杆體(1)上套有彈簧(6)，彈簧(6)置在杆體(1)的擋圈(7)上，擋圈(7)焊接固定在杆體(1)上。
彈簧(6)的作用是當錨杆塞進鑽孔內的過程中，彈簧(6)的反彈力將脹套(2)向上推，由於杆體(1)上端部錐面與脹套(2)內壁園錐面的作用，使脹套(2)脹開，以保證在將錨杆向孔內送進的過程中，脹套(2)的外壁時刻與鑽孔壁(11)接觸，脹套(2)的內壁時刻與杆體(1)的上端部錐面面接觸，使安裝方便。
當杆體(1)塞進到一定長度錨固後，杆體(1)受力向外拉拔時，杆體(1)上端部錐面將與脹套(2)發生一定的相對位移，從而克服了由於巷道圍巖位移量大，錨杆軸向力增加快而導致錨杆過早破壞的缺點。如圖6所示，本錨杆外端的位移量大於200mm，在錨固力較大的情況下，仍能實現較大的延伸量，所以本錨杆屬大延伸錨杆，克服了剛性大的普通錨杆錨固後過早失效、不適合有動壓影響大和圍巖位移量大的回採巷道內使用的致命缺點。當鑽孔直徑與脹套(2)外徑相差不大於2mm時，可以不加彈簧(6)。
5.預應力墊片(9)置於託板(8)與螺母(10)之間，預應力墊片(9)的受力面(12)沿園周均勻伸出數個支腳(13)，支腳(13)的腳面呈曲率半徑為R的園柱面。在墊片(9)的材料及厚度δ相同條件下，擰緊螺母使杆體(1)中產生的預應力的大小與支腳(13)的曲率半徑成反比，與支腳(13)的個數成比例，支腳(13)一般2～6個為宜。
預應力墊片(9)受力面(12)的受力大小與本錨杆的拉拔力大小相等，拉拔力使墊片(9)的支腳(13)產生變形。錨杆安裝後，根據預應力墊片(9)的壓縮變形狀態，便能直觀地知道錨杆軸向力的大小，故墊片(9)又稱測力墊片。本實施例的墊片(9)的完全壓縮時，軸向力為4噸，觀察預應力墊片(9)的測力特性——支腳(13)的變形狀態，就能方便地監督施工安裝質量。
本實用新型脹套式錨杆實施例如
圖1、2所示，現將主要結構件加工及聯接說明如下1)杆體(1)採用鋼筋製成，一般直徑為φ14～20mm，將杆體(1)鋼筋的上端模鍛成扁形錐體，加工簡單，並且強度高。杆體(1)下端尾部加工成螺紋；導向片(3)焊接在杆體(1)的上端部；擋圈(7)固定焊在杆體(1)上。
2)脹套(2)是二塊半園柱金屬套，其長度為140mm左右，脹套外壁的鋸齒錐度、齒數為任意，脹套壁厚與孔徑大小成正比，脹套(2)用捆絲(4)和卡圈(5)捆綁於杆體(1)上端部的扁形錐體上。
3)杆體(1)上端部錐面的傾斜角α與脹套(2)內壁的β角相等，調整傾斜角直接影響膨脹力，一般傾斜角α＝β＝2～8°。
本脹套式錨杆的主要優點1.結構科學，充分利用脹套(2)的摩擦自鎖原理，使脹套(2)內壁全長與杆體(1)上端部錐面面接觸，使脹套(2)外壁全部與孔壁(11)接觸，接觸面大，從而實現錨固力大。本實施例脹套式錨杆，在硬度指數f＝1.5的煤體中試驗，錨固力達16噸以上，達到現有其它型式錨杆最大錨固力的二倍，詳見圖6所示。
2.結構簡單，加工製造方便，成本低。如錨杆(1)上端部的扁形錐體與杆體下半部分是整根杆體，不需要專門精細加工錐體塊，也不需要裝配，結構強度高等。
3.延伸量長，本錨杆外端的總位移量大於200mm，在錨固力較大的情況下實現較大的延伸量，如圖6所示。
4.安裝十分方便，安裝時將捆絲(4)去掉，將錨杆塞入鑽孔中，裝上託板(8)、預應力墊片(9)、螺母(10)即可，無特殊技術要求，無需專用設備，錨杆塞入鑽孔後，錨杆只能向孔內進入，而不能向外退出。杆體(1)向外拉拔時，脹套(2)與杆體(1)上端部錐面以及孔壁(11)處於自鎖狀態，擰緊螺母(10)，觀察預應力墊片(9)的變形狀態，便可掌握錨杆的錨固力是否達到施工要求，故本錨杆又稱為脹套傻瓜式錨杆。避免了因施工人員技術素質低而造成無作用力錨杆，施工質量很容易保證。
5.適用於各種不同類型巷道圍巖，錨固力不受巖石硬度的影響，錨杆塞入孔中自鎖後，其破壞載荷取決於杆體的強度，經試驗在硬度指數f為1.5的軟煤體中，拉拔力達16噸，其錨固點仍沒失效。
權利要求1.脹套式錨杆，主要包括杆體、脹套、導向片、捆絲、卡圈、彈簧、擋圈、託板、預應力墊片、螺母組成，其特徵在於1)杆體為整根杆體，上端部為扁形錐體，其上設有導向片；2)脹套由二塊半園柱套組成，套在杆體上端部，外壁為帶鋸齒狀的園柱體，內壁為園錐面；3)彈簧套在脹套下端部的杆體並置在擋圈上；4)預應力墊片置於杆體下端部的託板與螺母之間，墊片受力面沿園周均勻伸出數個支腳，腳面呈曲率半徑為R的柱面。
2.根據權利要求1所述的脹套式錨杆，其特徵在於杆體上端部錐面的傾斜角α大小，應滿足脹套外壁對鑽孔壁的錨固力自鎖要求，即應滿足如下公式 μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－為脹套內壁對杆體的摩擦係數μ2－－為脹套外壁對鑽孔壁的摩擦係數α－－為杆體上端部錐面的傾斜角。
3.根據權利要求1、2所述的脹套式錨杆，其特徵在於脹套內壁的傾斜角β應與杆體上端部錐面的傾斜角α相匹配。
4.根據權利要求1所述的脹套式錨杆，其特徵在於預應力墊片，在材料及厚度δ相同條件下，擰緊螺母，在杆體中產生的應力大小與支腳腳面的曲率半徑R成反比，與支腳的個數成比例，支腳個數一般2～6個為宜。
專利摘要本錨杆主要由杆體、脹套、彈簧、託板、墊片、螺母等組成，其特徵杆體上端部為扁形錐體；脹套由二塊半圓柱套組成，套在杆體上端部，外壁為帶鋸齒狀的圓柱體，內壁為圓錐面；彈簧套在脹套下端部的杆體置在擋圈上；託板與螺母間裝墊片。本錨杆利用脹套的自鎖原理，使脹套全長與杆體上端的錐體面接觸，外壁全部與孔壁接觸。錨固力可達16噸，延伸量長，製作、安裝簡便。適用於礦山及隧道工程中的各種類型的圍巖加固。
文檔編號E21D21/00GK2175829SQ93218320
公開日1994年8月31日 申請日期1993年7月14日 優先權日1993年7月14日
發明者尚廣來, 張克昌, 郝運興, 崔東生, 戴麗珍 申請人:戴麗珍