УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ АНКЕРНАЯ ГАЙКА ИЗ АРМИРОВАННОГО ВОЛОКНОМ ПОЛИМЕРА
IMPROVED ANCHOR NUT FROM FIBRE-REINFORCED POLYMER

Предложенное на рассмотрение изобретение относится к анкерной гайке в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
Такого рода анкерные гайки, в общем и целом, известны. Они используются как детали из многослойного волокнистого материала, в частности, на анкерных болтах для горных пород, которые также могут состоять из полимера.
В частности, для анкерного крепления минеральных, скальных или боковых пород в подземных горных разработках используются клеевые анкеры с кратковременным перемещением. Для этого после образования буровой скважины отверстие для анкера почти на половину длины заполняется, по меньшей мере, двумя наполненными синтетической смолой, предпочтительно полиэфирной смолой, клеевыми патронами. Такие клеевые патроны состоят из тонких, эластичных связующих пленок и в соответствии со своей длиной разделены на две камеры, в которые разливается смола или отвердитель. Особый патрон, который заполняется отвердителем с ускоренной реакцией, вводится на дно скважины первым. Другие патроны имеют существенно более медленную реакцию смол и подаются затем в отверстие для анкера в качестве последующих патронов.
Скальный анкер состоит из стали или полимерного материала с профилированной поверхностью или с крупной резьбой для лучшего соединения с массой смолы. Далее он состоит из установленной со стороны нижнего конца анкера заточки, наклонной вершины или вершины буровой коронки, посредством которой анкер вводится в буровую скважину, а также из верхнего конца анкера, который после перемещения анкера выступает из буровой скважины и, по меньшей мере, из образующей верхнюю часть анкера анкерной плиты и анкерной гайки.
Гайка после монтажа на анкере временно фиксируется на резьбе анкера для устранения дальнейшего поворота таким образом, что, прежде всего, блокируется дальнейшее навинчивание гайки на резьбу с крутящим моментом, значение которого ниже заданного минимального значения крутящего момента. Такое ограничение крутящего момента временно предотвращает дальнейшее вращение гайки.
После заполнения отверстия для анкера клеевыми патронами анкерный стержень с быстрым вращением, однако с медленным линейно-поступательным перемещением, подается в отверстие для анкера, причем следом друг за другом пленки и камеры патронов разрываются, и их содержимое интенсивно перемешивается для того, чтобы запустить процесс отверждения «медленной» и «быстрой» смолы.
После того как стержень анкера оказывается полностью утопленным в отверстии для анкера, привод для приведения во вращение и перемещения анкера останавливается и несколько секунд находится в положении выстоя для того, чтобы предоставить время для достижения смолой быстро реагирующих патронов стадии начального отверждения, которой достаточно для того, чтобы зафиксировать анкер и установить его без возможности вращения в буровой скважине. По истечении нескольких секунд времени ожидания поворотный механизм привода снова активируется и установленная в верхней части анкера анкерная гайка высвобождается посредством того, что было превышено ограничение на крутящий момент, и гайка теперь свободно завинчивается и посредством анкерной плиты заклинивается относительно скальной породы.
Для временного закрепления, составляющего от нескольких часов до нескольких недель, или для защиты от коррозии используются анкеры предпочтительно из армированного волокном полимера (FVK), к примеру из стеклопластика (GFK). Если, к примеру, в горнодобывающей угольной промышленности закрепляются сами угольные породы, то для механической добычи, то есть для обрезки и строгания угля, стальной анкер должен либо, прежде всего, опять демонтироваться с затратами по времени, либо же анкер из полимера может расфрезеровываться посредством машины.
Из документа AU 2006100511 В4 известна анкерная гайка ранее описанного типа, состоящая из армированного волокном полимера и снабженная внутренней резьбой, посредством которой она может навинчиваться на резьбу анкера. Также на своей внешней стороне она имеет надлежащие профили или формообразования, посредством которых она с помощью работающего по принципу геометрического замыкания инструмента может навинчиваться на резьбу анкера. При этом в анкерной гайке предусмотрено первое средство ограничения крутящего момента, которое предотвращает дальнейшее навинчивание на частично завинченный анкер, если значение имеющегося для этого крутящего момента ниже первого предельного значения крутящего момента. Дополнительно предусмотрено еще и второе средство ограничения крутящего момента, которое предотвращает дальнейшую передачу крутящего момента на анкерную гайку через действующие по принципу геометрического замыкания профили или формообразования, если достигнуто или превышено второе предельное значение крутящего момента. Благодаря этому может быть предотвращено повреждение или разрушение анкерной гайки или анкера за счет чрезмерной затяжки гайки со слишком большим крутящим моментом.
Известная из AU 2006100511 В4 анкерная гайка состоит из двух участков, соединенных друг с другом через так называемое место ослабления. На первом участке, снабженном внутренней резьбой для навинчивания на резьбу анкера, в качестве первого средства ограничения крутящего момента находится предохранительная мембрана, которая сформирована на данном первом участке анкерной гайки. Не снабженный резьбой второй участок имеет наружные профили или формообразования, которые необходимы для работающего по принципу геометрического замыкания инструмента. Второе средство ограничения крутящего момента образуется посредством расположенного между обоими участками места ослабления, имеющего меньший диаметр, а также дополнительно выполненные там отверстия. Когда на второй участок подается соответствующий высокий крутящий момент, данное место ослабления должно переломиться и второй участок должен распасться на мелкие кусочки.
Недостатком этих обоих средств ограничения крутящего момента является то, что они не только относительно трудоемки, а тем самым дороги в изготовлении, но и, прежде всего, очень сложны в изготовлении с точным предельным значением в отношении ограничиваемого крутящего момента. Таким образом, изготовленные непосредственно методом литья под давлением сопряжения в форме мест ослабления имеют сильную зависимость эффективного срезного момента от используемой скорости угла поворота и других воздействий, таких как возникающий при этом наложенный момент и имеющееся усилие подачи, которые, в свою очередь, также трудно определяемы.
Кроме того, срезание и разрушение всего второго участка анкерной гайки для осуществления второй функции ограничения крутящего момента неизбежно означает также необходимость большей конструктивной длины всей гайки для того, чтобы после срезания и потери второго участка длины, который поэтому не был несущим в направлении спереди внутрь, необходимые удерживающие усилия могли передаваться через оставшийся участок длины резьбы. Увеличенная общая длина анкерной гайки, в частности, и в отношении монтажа и с точки зрения складирования и транспортировки также является недостатком. Если бы этот недостаток увеличенной длины анкерной гайки можно было устранить, то это было бы возможно лишь при связанном с этим значительном ограничении общей несущей способности гайки, что также является недостатком. В любом случае, однако, остающийся на конце анкера остаток корпуса гайки с небольшим участком резьбы должен вынести всю нагрузку на нескольких витках резьбы с типичным для полимерной резьбы большим шагом. При этом на последующую перегрузку он реагирует возможностью перелома и из-за увеличивающейся механической нагрузки со стороны горной породы может внезапно отказать.
Недостатком является, кроме того, неконтролируемый разлом части корпуса анкерной гайки, обломки которого могут засорить или заблокировать инструмент или используемый для навинчивания гайки адаптер.
Из GB 2349679 А известен вариант установки анкера с помощью анкерной гайки, при котором используется установленный перпендикулярно продольной оси анкерной гайки штифт, через который имеющийся на анкерной гайке крутящий момент передается на анкер. Установленный в верхней кромочной зоне анкерной гайки штифт имеет два кольцевых паза в качестве мест запрограммированного разрушения, по которым штифт срезается, как только крутящий момент превысит заданное предельное значение крутящего момента. Верхняя кромочная зона гайки имеет при этом уменьшенную толщину стенки по сравнению с обычной, снабженной внутренней резьбой зоной анкерной гайки.
Кроме того, из WO 03/087538 А1 известен анкер, имеющий на конце либо расположенные аксиально на торцевой поверхности анкера, либо расположенные радиально по периферийной поверхности деформируемые выступы, через которые крутящий момент может передаваться от приводного устройства непосредственно на анкер до тех пор, пока значение этого крутящего момента остается ниже заданного предельного значения крутящего момента. Как только это предельное значение крутящего момента будет достигнуто или превышено, выступы срезаются. Анкерная гайка в данном предложенном здесь анкере не используется.
Из документа GB 2273538 А известна анкерная гайка в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Она имеет первое средство ограничения крутящего момента, которое предотвращает дальнейшее завинчивание частично завинченного анкера с крутящим моментом, значение которого ниже первого предельного значения крутящего момента. Это первое средство ограничения крутящего момента образовано при этом посредством штифта, который перпендикулярно продольной оси анкерной гайки пересекает внутреннюю резьбу.
Задача предложенного на рассмотрение изобретения состоит в создании недорогой при изготовлении и легкой при использовании анкерной гайки ранее указанного типа, которая не имеет описанных выше недостатков и благодаря которой посредством простых конструктивных решений предотвращается повреждение или разрушение самой анкерной гайки или анкера при перемещении анкера в просверленное отверстие, при этом анкерная гайка имеет высокую и независящую от изменяемых условий при навинчивании точность ограничивающих крутящих моментов. При этом анкерная гайка при уменьшенной общей длине должна иметь высокую несущую способность и надежно предотвращать блокировку инструмента, используемого для навинчивания.
Эта задача решается в соответствии с изобретением посредством анкерной гайки в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения выявляются на основании последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
Существенным при решении в соответствии с изобретением является то, что анкерная гайка снабжена вторыми средствами ограничения крутящего момента, которые предотвращают дальнейшую передачу крутящего момента на анкерную гайку через действующие по принципу геометрического замыкания профили или формообразования, если достигнуто или превышено второе предельное значение крутящего момента, и что вторые средства ограничения крутящего момента образованы посредством двух или нескольких состоящих из полимера выступов, которые цельно сформированы на наружной поверхности анкерной гайки.
При этом основное преимущество состоит в том, что даже при переменных условиях эксплуатации при навинчивании гаек надежно предотвращается повреждение анкера, а также гаек. Необходимые крутящие моменты в данном случае для обоих средств ограничения крутящего момента, несмотря на то, что изготовлены они из полимера, могут быть отрегулированы высокоточным образом. При этом сопротивление крутящему моменту для соответствующего срабатывания у первого средства сопротивления крутящему моменту может регулироваться до желаемого значения предпочтительно посредством толщины штифта, а у второго средства сопротивления крутящему моменту посредством выбора количества, формы и размера выступов.
Кроме того, конструкция, прежде всего в отношении обоих средств ограничения крутящего момента, существенно упрощается, так что расходы на изготовление анкерной гайки значительно снижаются.
Предотвращается также разделение гайки на два участка, а также неконтролируемое раздробление участка и сопровождающая его опасность блокировки соответствующего инструмента. В результате срезания наружных выступов прекращается дальнейшая передача на стержень анкера, без причинения вреда функции резьбы анкера или гайки.
Особо предпочтительно вторые средства ограничения крутящего момента образованы посредством нескольких выступов, которые сформированы с равномерным распределением по наружной периферии анкерной гайки. В предпочтительном варианте располагаются от трех до шести выступов, причем волокна образующего гайку многослойного материала предпочтительно имеются и в образующих вторые средства ограничения крутящего момента выступах.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что выступы выполнены в форме зубьев или же имеют призматическую или пирамидальную форму. Благодаря этому одновременно может быть достигнуто простое насаживание и простое центрирование инструмента для навинчивания. Выступам необходимо при этом лишь на очень коротком участке с геометрическим замыканием войти в зацепление в сформированные соответствующим образом выемки внутренних фасок инструмента.
Особо предпочтительно образующий первое средство ограничения крутящего момента прочный штифт состоит из полимера, хрупкого на разлом. Благодаря этому достигается то обстоятельство, что выполненный из полимера штифт разламывается таким образом, что оба его оставшиеся в корпусе гайки конца не выступают за шаг резьбы и не нарушают свободного хода гайки. Отломленная центральная часть выполненного из полимера штифта также не будет, таким образом, зажата и при помощи конца анкера сможет легко извлекаться в процессе навинчивания.
Сопротивление на срез для этого временно действующего, выполненного из полимера штифта может быть отрегулировано в предпочтительном варианте таким образом, что оно, с одной стороны, не будет слишком мало, так что штифт за счет увеличивающейся вязкости смоляной массы и сопротивления кручению анкера сработает в буровой скважине слишком рано. Таким образом можно обеспечить достаточное смешивание смоляных масс. С другой стороны, сопротивление на срез для выполненного из полимера штифта может быть в предпочтительном варианте одновременно отрегулировано и таким образом, что передаваемый крутящий момент будет не очень большим, так что будет предотвращено расщепление армированного волокном полимерного материала, из которого выполнен анкер (аналогично древесине).
В предпочтительном варианте на режим срабатывания выполненного из полимера срезного штифта может оказывать воздействие соответствующим образом согласованный модуль упругости, соответствующая геометрия и/или, в частности, также финишная обработка поверхности желаемым образом. Установленный уже перед окончательным монтажом гайки на верхней части анкера, поперек в корпус гайки, выполненный из полимера штифт прилегает к торцевой поверхности стержня анкера и временно предотвращает дальнейшее вращение гайки, без необходимости забуривания анкера и трудоемкого монтажа гайки. При этом решения с использованием полимера предоставляют возможность для высокой вариативности при одновременно низких расходах на материал и трудозатраты.
В соответствии со вторым особо предпочтительным вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что анкерная гайка в продольном направлении выполнена, по меньшей мере, из двух уступов, имеющих различные диаметры или протяженность в плоскости, расположенной перпендикулярно продольной оси анкерной гайки. Эти уступы прочно соединены друг с другом. В предпочтительном варианте уступы выполнены в форме цилиндров, причем обращенный к анкерному диску уступ с передней стороны имеет больший наружный диаметр, чем уступ с задней стороны. В предпочтительном варианте передняя торцевая поверхность переднего уступа для компенсации углов может быть выполнена выпуклой или конической.
Особо предпочтительным является при этом, если вторые средства ограничения крутящего момента сформированы в месте контакта между двумя уступами, в частности в месте контакта между первым и вторым уступами, на внешней периферии меньшего уступа.
При этом благоприятным является далее, если вторые средства ограничения крутящего момента дополнительно сформированы и на торцевой поверхности большего уступа, причем перпендикулярно продольной оси анкерной гайки максимальная протяженность вторых средств ограничения крутящего момента меньше или равна протяженности большего уступа. Это означает, тем самым, что вторые средства ограничения крутящего момента не выступают наружу за пределы периферии большего уступа.
В предпочтительном варианте, кроме того, может быть предусмотрено, что анкерная гайка имеет наружные формообразования, посредством которых она при помощи работающего по принципу геометрического замыкания инструмента и после срабатывания вторых средств ограничения крутящего момента может и дальше затягиваться или снова отпускаться. Таким образом, может беспроблемно осуществляться дополнительное затягивание или удаление анкерной гайки.
При многоступенчатом варианте осуществления анкерной гайки формообразования могут быть выполнены предпочтительно посредством многоугольного внешнего контура на меньшем уступе. В частности, этот внешний контур может быть выполнен параллельно с двумя гранями или тригонально в виде трехгранника, или гексагонально в виде шестигранника.
Особенно высокая несущая способность анкерной гайки может быть получена благодаря тому, что внутренняя резьба проходит по всей длине анкерной гайки. При этом она располагается также, в частности, проходя через несколько имеющихся, в случае необходимости, уступов анкерной гайки. Анкерная гайка в соответствии с изобретением может быть выполнена при этом при условиях самоторможения с различным шагом для различной резьбы анкера.
Предложенное на рассмотрение изобретение относится далее к инструменту для навинчивания анкерной гайки ранее описанного типа. Он отличается тем, что имеет внутренний профиль, который выполнен в соответствии со вторыми средствами ограничения крутящего момента. Передача крутящего момента может производиться предпочтительно с помощью отсадочного инструмента со специально сформированным шестигранным углублением (орех) со специально выбранными выемками для выступов вторых средств ограничения крутящего момента по периферии анкерной гайки. После срезания данных выступов дальнейшая передача крутящего момента на анкерный стержень прекращается без оказания негативного воздействия на функционирование резьбы анкера и анкерной гайки.
Предметом представленного на рассмотрение изобретения является также анкерный комплект, который включает в себя, по меньшей мере, одну анкерную гайку в соответствии с изобретением ранее указанного типа, а также, по меньшей мере, один анкер, причем анкер предпочтительно также состоит из армированного волокном полимера.
В предпочтительном варианте этот анкерный комплект может включать в себя дополнительно, по меньшей мере, одну анкерную плиту, которая предпочтительно также состоит из армированного волокном полимера.
Кроме того, анкерный комплект или анкерная гайка в соответствии с изобретением могут быть также скомбинированы с инструментом ранее описанного типа.
Предложенное на рассмотрение изобретение относится далее к способу для установки или перемещения анкера в буровую скважину с использованием анкерной гайки в соответствии с изобретением ранее описанного типа. При этом несколько наполненных отверждаемыми смоляными массами клеевых патронов загружаются в буровую скважину, причем введенный вначале клеевой патрон содержит смоляную массу, которая отверждается быстрее, чем смоляная масса последующих клеевых патронов. Независимо от этого анкерная гайка навинчивается на анкер до тех пор, пока образующий первое средство ограничения крутящего момента срезной штифт не соприкоснется с торцевой поверхностью анкера. После этого анкер посредством образующих второе средство ограничения крутящего момента выступов анкерной гайки с вращением смещается в буровую скважину, причем он по очереди, один за другим, разрывает клеевые патроны. После разрыва введенного вначале клеевого патрона воздействующий на анкерную гайку привод для приведения во вращение и подачи анкера останавливается на определенный промежуток времени, продолжительность которого, по меньшей мере, такова, что смоляная масса введенного вначале клеевого патрона достигает, по меньшей мере, начальной степени отверждения, благодаря которой анкер без возможности вращения фиксируется в буровой скважине. По истечении этого времени привод для приведения во вращение анкерной гайки снова активируется, причем срезной штифт подвергается перегрузке и разламывается. Благодаря этому анкерная гайка может и дальше навинчиваться на анкер до тех пор, пока она не соприкоснется с препятствием, в частности с расположенной на анкере анкерной плитой, причем тогда выступы подвергаются перегрузке и срезаются.
Другие преимущества и признаки изобретения выявляются из последующего описания и представленных на чертежах примеров осуществления, на которых показано:
фиг.1 - пример осуществления анкерной гайки в соответствии с изобретением на виде сбоку;
фиг.2 - вид обратной стороны анкерной гайки с фиг.1, в направлении стрелки II;
фиг.3 - отсадочный инструмент в соответствии с изобретением на виде сбоку;
фиг.4 - вид спереди отсадочного инструмента с фиг.3, в направлении стрелки IV;
фиг.5 - схематичный вид первого промежуточного положения при перемещении анкера посредством анкерной гайки в соответствии с изобретением;
фиг.6 - схематичный вид второго промежуточного положения при перемещении анкера с фиг.5.
Фиг.1 демонстрирует пример осуществления выполненной из многослойного волокнистого материала, двухступенчатой анкерной гайки 1 в соответствии с изобретением. Она включает в себя цилиндрический буртик в качестве первого уступа 2 и цилиндрический сегмент в качестве второго уступа 3, причем первый уступ 2 имеет больший диаметр, чем второй уступ 3. На передней торцевой стороне уступа 2 сформирована имеющая форму усеченного конуса опорная зона 4 для изображенной здесь лишь схематично анкерной плиты 14. Второй уступ 3 имеет сходящий на конус шестигранный конец 5. Внутренняя резьба 6 проходит по всей аксиальной длине анкерной гайки 1.
Для обеспечения, с одной стороны, высококачественного перемешивания смоляного столба в буровой скважине 15, а с другой стороны, не влекущего за собой каких-либо разрушений перемещения анкера 16 анкерная гайка 1 в соответствии с изобретением наделена двумя комбинированными, ограничивающими крутящий момент функциями, которые во время перемещения скального анкера активируются друг за другом, однако за один рабочий ход.
В соответствии с изобретением в качестве первого средства ограничения крутящего момента предусмотрен состоящий из полимера срезной штифт 7, который перпендикулярно продольной оси анкерной гайки 1 пересекает внутреннюю резьбу 6. В представленном на фиг.1 и 2 примере осуществления изобретения срезной штифт проходит через весь диаметр анкерной гайки 1, так что он с обеих сторон пересекает внутреннюю резьбу 6. В альтернативных вариантах осуществления анкерной гайки в соответствии с изобретением достаточно, однако, и того, что срезной штифт 7 пересекает внутреннюю резьбу 6 лишь на одном периферийном участке, так что он, таким образом, выходя из внутренней резьбы 6, свободным концом располагается радиально внутри. Во всех вариантах срезной штифт 7 может быть выполнен за одно целое с анкерной гайкой 1 или в виде отдельного элемента может быть установлен на анкерную гайку 1. Далее, в качестве вторых средств ограничения крутящего момента на наружной поверхности 9 второго уступа 3 анкерной гайки 1 сформированы цельными три выступа 8, состоящие из полимера и выполненные в данном случае в форме кулачков. В то же время выступы 8 сформированы также и на обратной торцевой поверхности 10 первого уступа 2.
Гайка 1 предварительно монтируется на представленном на фиг.5 и 6 анкере 16 посредством того, что навинчивается с торцевого конца до тех пор, пока срезной штифт 7 не соприкоснется с торцевой поверхностью 17 анкера 16, и дальнейшее навинчивание станет невозможным. Во время перемещения анкер 16 посредством гайки 1 с вращением смещается в буровую скважину таким образом, что, к примеру, представленный на фиг.3 осадочный инструмент 11 своими выемками 12, выполненными с возможностью геометрического замыкания, обхватывает выполненные в форме кулачков выступы 8 и через них передает крутящий момент. Подходящий для анкерной гайки 1 в соответствии с изобретением цельный или составной осадочный инструмент 11 может быть выполнен в предпочтительном варианте в форме адаптера с нижним выполненным с возможностью геометрического замыкания элементом 13 подгонки к обшивке бурильной машины или тому подобное.
После первоначального отверждения замешенной в самой глубокой части буровой скважины 15 и быстро отвердевающей смоляной массы 18 устанавливается анкер 16 и сопротивление кручению значительно повышается, так что срезной штифт 7 подвергается перегрузке и разламывается. Теперь гайка 1 может свободно перемещаться на конце анкера до соприкосновения своей торцевой поверхностью 4 с анкерной плитой 14 и не притягивания к ней (фиг.6). При этом остальная смоляная масса 19 еще находится в вязком состоянии, так что находящейся в данной зоне части стержня анкера сообщается предварительное напряжение, и отвержденная лишь после этого смола 19 «консервирует» и сохраняет осуществленное таким образом предварительное напряжение анкера 16. При дальнейшей затяжке гайки 1 зажимной момент возрастает и выполненный из полимера стержень анкера подвергается опасности быть свернутым. Если все же достигается предельный крутящий момент, то прежде всего срезаются выступы 8 по периферии гайки 1 и осадочный инструмент 11 прокручивается, не приводя далее в действие гайку 1 и анкер 16. После удаления осадочного инструмента 11, к примеру, с помощью наложения гаечного ключа на шестигранный конец гайка 1 может быть снова отпущена или затянута еще сильнее.
При достижении максимального значения сопротивления на срез первого средства ограничения крутящего момента выполненный из полимера штифт 7 относительно легко ломается таким образом, что два коротких концевых участка остаются в боковых отверстиях корпуса гайки, не повреждая этот корпус гайки, к примеру, за счет увеличения диаметра или разрыва отверстий, или за счет выхода за пределы профиля внутренней резьбы и оказания негативного воздействия на винтовую функцию за счет повышенного трения. Выломанная средняя часть штифта 7 при дальнейшем навинчивании гайки 1 посредством анкерного конца удаляется из гайки 1 и выталкивается на днище адаптера осадочного инструмента 11.