專利名稱：脹套式錨桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于礦山及隧道工程支護(hù)用的機(jī)械膨脹摩擦式錨桿。
目前國內(nèi)外在礦山及隧道工程支護(hù)中普遍采用樹脂或水泥錨固劑錨桿，這類錨桿的錨固力是靠藥卷的粘結(jié)力將桿體固結(jié)在鉆孔內(nèi)，固結(jié)力的大小與藥卷的攪拌時(shí)間(或泡水時(shí)間)密切相關(guān)，施工質(zhì)量難以準(zhǔn)確掌握，有效率僅為60～75％，從而存在不安全隱患。
現(xiàn)有技術(shù)公開的各種機(jī)械膨脹摩擦式錨桿尚存在下面不足之處1)在松軟的巖體或煤體中錨固力小，一般為3～4噸，達(dá)不到支護(hù)要求。因這類錨桿結(jié)構(gòu)是在錨桿桿體端頭另裝一塊錐體塊，如三棱臺或錐錨或錐柄，錐體塊由于加工工藝限制，無法制得過長，故錨固后錐體塊與膨脹體、膨脹體與鉆孔壁接觸長度短，往往是點(diǎn)接觸，不能滿足一般煤礦巷道圍巖硬度系數(shù)f為1～7的錨固力要求。
2)延伸率小，對巷道圍巖的適應(yīng)性差。如果巷道圍巖位移量大，則錨桿的軸向力就會(huì)增加很快，使錨桿過早地從其薄弱環(huán)節(jié)破壞。如最常見的破壞形式是桿體外端螺紋處被拉斷或托板被破壞。
3)結(jié)構(gòu)及制作工藝復(fù)雜，成本高。如錨桿端頭裝的錐體塊與錨桿的桿體不是整體，用螺紋聯(lián)接；錐體塊加工工藝復(fù)雜，不能作得太長；上錐臺面常出現(xiàn)凸邊，在使用中易發(fā)生楔片或脹管或脹筒無法脹開，從而錨固力達(dá)不到施工質(zhì)量要求。
4)安裝工藝復(fù)雜，安裝施工錨固力不易保證。因錨桿桿體與錐體塊用螺紋聯(lián)接，安裝使用增加一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，安裝時(shí)必須在孔外端旋轉(zhuǎn)桿體，旋轉(zhuǎn)桿體后，多片楔片易搞亂，尤其當(dāng)孔徑較大時(shí)，分離的多片楔片最易轉(zhuǎn)到一側(cè)，無法實(shí)現(xiàn)錨固等敝病。
從以上可見，現(xiàn)有技術(shù)機(jī)械膨脹摩擦式錨桿，由于結(jié)構(gòu)上存在問題，制作工藝復(fù)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(zhì)量難以保證，不能滿足煤礦回采巷道的錨固要求。
本實(shí)用新型發(fā)明的目的，為了克服現(xiàn)有錨桿的不足之處，提出一種新型的脹套式錨桿，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)錨固力大、延伸量長、制作簡單、安裝方便、施工質(zhì)量易保證的機(jī)構(gòu)摩擦自鎖的脹套式錨桿，適用煤礦回采巷道的錨固要求。
本實(shí)用新型脹套式錨桿的技術(shù)方案如下


圖1為本實(shí)用新型脹套式錨桿結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型脹套式錨桿c－c剖面圖；圖3為本實(shí)用新型脹套式錨桿受力關(guān)系示意圖；圖4、圖5為本實(shí)用新型脹套式錨桿預(yù)應(yīng)力墊片主、俯視圖；圖6為本實(shí)用新型脹套式錨桿實(shí)施例錨桿力學(xué)特性曲線圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述脹套式錨桿組成、結(jié)構(gòu)特征及工作原理。
本實(shí)用新型脹套式錨桿如
圖1、2所示，由桿體(1)、脹套(2)、導(dǎo)向片(3)、捆絲(4)、卡圈(5)、彈簧(6)、擋圈(7)、托板(8)、預(yù)應(yīng)力墊片(9)、螺母(10)等組成，其結(jié)構(gòu)特征是1.桿體(1)為整根桿體，桿體上端部為對稱斜面的扁形錐體，錐面的傾斜角為α，桿體上端部設(shè)有導(dǎo)向片(3)，導(dǎo)向片(3)使脹套(2)與桿體(1)不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。
桿體(1)的下端尾部帶螺紋，用螺母(10)將托板(8)定位，在托板(8)與螺母(10)之間墊預(yù)應(yīng)力墊片(9)，擋圈(7)焊接固定在桿體(1)上。
2.脹套(2)如
圖1、2所示，由二塊半園柱套組成，套在桿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(nèi)壁為園錐面，錐面β角與桿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.桿體上端錐面的傾斜角α大小應(yīng)滿足脹套(2)外壁對孔壁(11)的錨固力自鎖要求，即應(yīng)滿足如下公式μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－為脹套(2)內(nèi)壁與桿體(1)的摩擦系數(shù)；μ2－－為脹套(2)外壁與鉆孔壁(11)的摩擦系數(shù)；α－－為桿體(1)錐面的傾斜角。
圖3是本脹套式錨桿受力關(guān)系示意圖，圖中F－－為桿體(1)向下的拉拔力；F1－－為桿體(1)的上端部錐面對脹套(2)內(nèi)壁的正壓力；f1－－為桿體(1)的上端部錐面與脹套(2)內(nèi)壁的摩擦力；F1′－－為F1對桿體(1)上端部錐面的反作用力；f1′－－為f1對桿體(1)上端部錐面的反作用力；f2－－為脹套(2)外壁與鉆孔壁(11)之間的摩擦力；F2－－為鉆孔壁(11)對脹套(2)外壁的反作用力。
見圖3所示，錨桿安裝時(shí)，桿體(1)塞到鉆孔內(nèi)一定長度后，桿體(1)向孔外拉拔時(shí)，桿體(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(chǎn)生向外移動(dòng)趨勢的軸向力，向開膨脹的徑向力使脹套(2)與鉆孔壁(11)壓緊，產(chǎn)生足夠的摩擦力f2。設(shè)計(jì)調(diào)整桿體(1)上端部錐面傾斜角α和脹套(2)內(nèi)壁的錐面角β，可使錨桿在不同類型圍巖的鉆孔中都能自鎖，即不論桿體的軸向力F的大小，脹套(2)都能使桿體卡死在鉆孔中。
4.在脹套(2)下端部的桿體(1)上套有彈簧(6)，彈簧(6)置在桿體(1)的擋圈(7)上，擋圈(7)焊接固定在桿體(1)上。
彈簧(6)的作用是當(dāng)錨桿塞進(jìn)鉆孔內(nèi)的過程中，彈簧(6)的反彈力將脹套(2)向上推，由于桿體(1)上端部錐面與脹套(2)內(nèi)壁園錐面的作用，使脹套(2)脹開，以保證在將錨桿向孔內(nèi)送進(jìn)的過程中，脹套(2)的外壁時(shí)刻與鉆孔壁(11)接觸，脹套(2)的內(nèi)壁時(shí)刻與桿體(1)的上端部錐面面接觸，使安裝方便。
當(dāng)桿體(1)塞進(jìn)到一定長度錨固后，桿體(1)受力向外拉拔時(shí)，桿體(1)上端部錐面將與脹套(2)發(fā)生一定的相對位移，從而克服了由于巷道圍巖位移量大，錨桿軸向力增加快而導(dǎo)致錨桿過早破壞的缺點(diǎn)。如圖6所示，本錨桿外端的位移量大于200mm，在錨固力較大的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)較大的延伸量，所以本錨桿屬大延伸錨桿，克服了剛性大的普通錨桿錨固后過早失效、不適合有動(dòng)壓影響大和圍巖位移量大的回采巷道內(nèi)使用的致命缺點(diǎn)。當(dāng)鉆孔直徑與脹套(2)外徑相差不大于2mm時(shí)，可以不加彈簧(6)。
5.預(yù)應(yīng)力墊片(9)置于托板(8)與螺母(10)之間，預(yù)應(yīng)力墊片(9)的受力面(12)沿園周均勻伸出數(shù)個(gè)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，擰緊螺母使桿體(1)中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力的大小與支腳(13)的曲率半徑成反比，與支腳(13)的個(gè)數(shù)成比例，支腳(13)一般2～6個(gè)為宜。
預(yù)應(yīng)力墊片(9)受力面(12)的受力大小與本錨桿的拉拔力大小相等，拉拔力使墊片(9)的支腳(13)產(chǎn)生變形。錨桿安裝后，根據(jù)預(yù)應(yīng)力墊片(9)的壓縮變形狀態(tài)，便能直觀地知道錨桿軸向力的大小，故墊片(9)又稱測力墊片。本實(shí)施例的墊片(9)的完全壓縮時(shí)，軸向力為4噸，觀察預(yù)應(yīng)力墊片(9)的測力特性——支腳(13)的變形狀態(tài)，就能方便地監(jiān)督施工安裝質(zhì)量。
本實(shí)用新型脹套式錨桿實(shí)施例如
圖1、2所示，現(xiàn)將主要結(jié)構(gòu)件加工及聯(lián)接說明如下1)桿體(1)采用鋼筋制成，一般直徑為φ14～20mm，將桿體(1)鋼筋的上端模鍛成扁形錐體，加工簡單，并且強(qiáng)度高。桿體(1)下端尾部加工成螺紋；導(dǎo)向片(3)焊接在桿體(1)的上端部；擋圈(7)固定焊在桿體(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(shù)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)捆綁于桿體(1)上端部的扁形錐體上。
3)桿體(1)上端部錐面的傾斜角α與脹套(2)內(nèi)壁的β角相等，調(diào)整傾斜角直接影響膨脹力，一般傾斜角α＝β＝2～8°。
本脹套式錨桿的主要優(yōu)點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)科學(xué)，充分利用脹套(2)的摩擦自鎖原理，使脹套(2)內(nèi)壁全長與桿體(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(shí)現(xiàn)錨固力大。本實(shí)施例脹套式錨桿，在硬度指數(shù)f＝1.5的煤體中試驗(yàn)，錨固力達(dá)16噸以上，達(dá)到現(xiàn)有其它型式錨桿最大錨固力的二倍，詳見圖6所示。
2.結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，成本低。如錨桿(1)上端部的扁形錐體與桿體下半部分是整根桿體，不需要專門精細(xì)加工錐體塊，也不需要裝配，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等。
3.延伸量長，本錨桿外端的總位移量大于200mm，在錨固力較大的情況下實(shí)現(xiàn)較大的延伸量，如圖6所示。
4.安裝十分方便，安裝時(shí)將捆絲(4)去掉，將錨桿塞入鉆孔中，裝上托板(8)、預(yù)應(yīng)力墊片(9)、螺母(10)即可，無特殊技術(shù)要求，無需專用設(shè)備，錨桿塞入鉆孔后，錨桿只能向孔內(nèi)進(jìn)入，而不能向外退出。桿體(1)向外拉拔時(shí)，脹套(2)與桿體(1)上端部錐面以及孔壁(11)處于自鎖狀態(tài)，擰緊螺母(10)，觀察預(yù)應(yīng)力墊片(9)的變形狀態(tài)，便可掌握錨桿的錨固力是否達(dá)到施工要求，故本錨桿又稱為脹套傻瓜式錨桿。避免了因施工人員技術(shù)素質(zhì)低而造成無作用力錨桿，施工質(zhì)量很容易保證。
5.適用于各種不同類型巷道圍巖，錨固力不受巖石硬度的影響，錨桿塞入孔中自鎖后，其破壞載荷取決于桿體的強(qiáng)度，經(jīng)試驗(yàn)在硬度指數(shù)f為1.5的軟煤體中，拉拔力達(dá)16噸，其錨固點(diǎn)仍沒失效。
權(quán)利要求1.脹套式錨桿，主要包括桿體、脹套、導(dǎo)向片、捆絲、卡圈、彈簧、擋圈、托板、預(yù)應(yīng)力墊片、螺母組成，其特征在于1)桿體為整根桿體，上端部為扁形錐體，其上設(shè)有導(dǎo)向片；2)脹套由二塊半園柱套組成，套在桿體上端部，外壁為帶鋸齒狀的園柱體，內(nèi)壁為園錐面；3)彈簧套在脹套下端部的桿體并置在擋圈上；4)預(yù)應(yīng)力墊片置于桿體下端部的托板與螺母之間，墊片受力面沿園周均勻伸出數(shù)個(gè)支腳，腳面呈曲率半徑為R的柱面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脹套式錨桿，其特征在于桿體上端部錐面的傾斜角α大小，應(yīng)滿足脹套外壁對鉆孔壁的錨固力自鎖要求，即應(yīng)滿足如下公式 μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－為脹套內(nèi)壁對桿體的摩擦系數(shù)μ2－－為脹套外壁對鉆孔壁的摩擦系數(shù)α－－為桿體上端部錐面的傾斜角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的脹套式錨桿，其特征在于脹套內(nèi)壁的傾斜角β應(yīng)與桿體上端部錐面的傾斜角α相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脹套式錨桿，其特征在于預(yù)應(yīng)力墊片，在材料及厚度δ相同條件下，擰緊螺母，在桿體中產(chǎn)生的應(yīng)力大小與支腳腳面的曲率半徑R成反比，與支腳的個(gè)數(shù)成比例，支腳個(gè)數(shù)一般2～6個(gè)為宜。
專利摘要本錨桿主要由桿體、脹套、彈簧、托板、墊片、螺母等組成，其特征桿體上端部為扁形錐體；脹套由二塊半圓柱套組成，套在桿體上端部，外壁為帶鋸齒狀的圓柱體，內(nèi)壁為圓錐面；彈簧套在脹套下端部的桿體置在擋圈上；托板與螺母間裝墊片。本錨桿利用脹套的自鎖原理，使脹套全長與桿體上端的錐體面接觸，外壁全部與孔壁接觸。錨固力可達(dá)16噸，延伸量長，制作、安裝簡便。適用于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(yōu)先權(quán)日1993年7月14日
發(fā)明者尚廣來, 張克昌, 郝運(yùn)興, 崔東生, 戴麗珍 申請人:戴麗珍