ФРИКЦИОННЫЙ АНКЕР

Область техники
Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована при креплении поверхности выработок анкерами фрикционного типа.
Предшествующий уровень техники
Известен анкер, включающий пустотелый стержень с замком, из продольно разрезанных стенок стержня и опорную плиту на выступающем конце. При этом стержень снабжен дополнительными замками, которые размещены вдоль него с интервалом друг от друга, при этом каждый последующий замок ориентирован в направлении выступающего конца стержня и выполнен с площадью разрезов меньше предыдущих (см. а.с. СССР №968439, E21D 21/00).
Недостатком известного устройства является низкая надежность. Анкерная крепь фиксируется в скважине за счет того, что производится сжатие пустотелого стержня с последующей потерей устойчивости замков и их деформацией в продольном направлении. Однако при нагружении анкерной крепи слоем пород на участке расположенном между первым замком, от дна скважины, и опорной плитой происходит растяжение пустотелого стержня. Как следствие, замки, расположенные в пределах этого участка раскрываются, давление на стенки скважины снижается, появляется возможность движения слоя пород в направлении опорной плиты. Подвижность породы ведет к снижению надежности работы анкерной крепи.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является фрикционный анкер, включающий полый удлиненный корпус, в виде трубы с кольцевым поперечным сечением, и внешним размером больше диаметра шпура для его установки, продольный паз, выполненный на большей части трубы, усиление, формирующее опорную поверхность и образованное частями трубы, лежащими в плоскости перпендикулярной стенке трубы анкера (см. патент US 4126004, 21.11. 1978, E21D 20/00). Кроме того, усиление может быть выполнено за счет катанки приваренной к внешней поверхности трубы.
В известном решении усиление, формирующее опорную поверхность, лежит в плоскости перпендикулярной к поверхности трубы и образует с ним прямой угол. В зоне перехода от внешней поверхности трубы к усилению создаются значительные напряжения, приводящие даже к разрушению (утверждение автора патента, приведенное в описание и ссылка на fig.2). При воздействии на усиление опорной плиты наибольшее напряжение возникает в этой зоне перехода. Этот вариант реализации анкера является ненадежным. В связи с этим автор патента рекомендует использовать вместо усиления упор в виде приваренного кольца.
Реализация варианта изложенного в соответствии с п. 10 - приварка кольца из проволоки, ведет к ослаблению металла трубы в зоне сварного шва. Как результат расчетная нагрузка на анкер меньше величины допускаемой трубой анкера. Прочностные расчеты показывают - усилие среза сварного шва на 20-30% меньше усилия вызывающего начало пластической деформации трубы. Данное решение приводит к неэффективному использованию материала анкера. Кроме того, при использовании тонкостенной трубы (толщина меньше 2,5 мм) решение является трудно реализуемым, в силу опасности прожога стенки трубы.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, повышение надежности функционирования трубчатого анкера.
Раскрытие полезной модели
Техническая задача решается тем, что в известной конструкции анкера выполненного в виде трубы с кольцевым поперечным сечением, внешний размер которой превышает диаметр шпура, продольным пазом по всей длине, передним концом конической формы, и усилением, выполненным на заднем конце из участков трубы расположенных оппозитно и под наклоном к поверхности трубы, задний конец трубы перед усилением, выполнен конической формы с меньшим диаметром обращенным к переднему концу и длиной 20…100 мм, предпочтительно 50 мм. При этом угол конуса составляет 3…10 град, предпочтительно 7 град, а угол наклон оппозитного участка усиления, обращенного к переднему концу, выполнен с углом наклона больше 90° к сопряженному участку трубы. Оппозитные участки усиления могут выполнятся с контактом и без контакта их внутренних поверхностей. Задний конец трубы, выступающий за усиление, выполняется длинной 5-15 мм, предпочтительно 10 мм, а внешний размер самого усиления превышает внешний размер трубы на 16…30 мм, предпочтительно 24 мм. Сопряжение усиления с конической частью трубы выполняется по поверхности с радиусом от 3 до 12 мм, предпочтительно 6 мм.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется изображениями.
На фиг. 1 представлен вид фрикционного анкера, совмещенный с продольным разрезом. На фиг. 2 и 3 представлены поперечные сечения анкера. На фиг. 4 представлен вид задней части анкера, совмещенный с продольным разрезом выполненный в соответствии с п. 2.
Вариант осуществления полезной модели
шп
Фрикционный анкер выполняется в виде трубы 1 (фиг. 1) с кольцевым поперечным сечением. Форма кольцевого сечения может быть круглой (фиг. 2), овальной (фиг. 3), или профильной. Наибольший внешний размер поперечного сечения D выполняется больше диаметра шпура d.
шп
Передний конец анкера 2 имеет коническую форму. При этом размер на переднем торце d выполняется меньше диаметра шпура d в который будет устанавливаться анкер. По всей длине анкера выполнен продольный паз 3, благодаря этому в поперечном сечении труба имеет форму незамкнутого контура.
Задний конец анкера 4 имеет участок 5 с конической поверхностью и углом конуса γ. Меньший диаметр конической поверхности обращен к переднему концу 2. На заднем конце анкера 4 выполнено усиление 6 из материала трубы. Усиление 6 состоит из двух участков 7 и 8 расположенных оппозитно. Поверхность участка 7, обращенного к переднему концу 2, наклонена к образующей поверхности 5 под углом а превышающем 90°. Угол α следует выполнять в пределах 93…120°, предпочтительно 98°. Большая величина используется при выполнении технического решения в соответствии с пунктом 2. Часть заднего конца 9, расположенная за усилением 6, выполняться с длинной b от 5 до 15 мм предпочтительно 10 мм. Коническая форма поверхности 5 обеспечивает меньшую величину деформации в зоне 10 (фиг. 4). Благодаря этому при формировании усиления 6 не создаются напряжения ведущие к разрушению растянутых волокон трубы зоны 10.
Внутренние поверхности 11 и 12, оппозитных участков 7 и 8, могут контактировать между собой (фиг. 1) или, как вариант выполнения, не иметь точек контакта (фиг. 4). При контакте поверхностей 11 и 12 размер задней части анкера уменьшается. Как результат, при укреплении поверхности груди забоя нагрузки на анкер, обусловленные взрывными работами, уменьшаются. При реализации варианта с не контактирующими поверхностями 11 и 12, угол между поверхностями участков 5 и 7 увеличивается. Это обеспечивает дополнительное снижение напряжений в зоне 10, и вероятности разрушения.
В результате экспериментальных работ были установлены наиболее рациональные размеры выполнения составляющих фрагментов анкера: участок 5 длиной l=20…100 мм, предпочтительно 50 мм; угол конуса γ в пределах 3-10°, предпочтительно 7°, радиус перехода R (зона 10), заключенного между участками 5 и 7, от 3 до 12 мм, предпочтительно 6 мм, внешний размер В усиления 6, больше внешнего размера анкера D на 16…30 мм, предпочтительно 24 мм.
Длина l, участка 5, определяет условие формирование переходной зоны 10. При длине l меньше 20 мм зона 10 накладывается на зону сопряжения конической и прямолинейной части, где так же имеют место напряжения вызванные изгибом. Как следствие увеличивается величина абсолютной деформации и напряжения. Превышение 7 более 100 мм увеличивает выступающую часть анкера из шпура. Предпочтительно длину l выполнять равной 50 мм. При такой величине выбирается исходный зазор между поверхностью отверстия в опорной плите и поверхностью участка 5, но не происходит его заклинивания.
Выбор угла конуса у определяет, в совокупности с величиной радиуса перехода R, снижение напряжений в зоне 10. При выполнении угла у меньше 3 град, напряжения вызванные растяжением практически не снижаются по сравнению с углом равным 0. Увеличение у более 10 град сопряжено с увеличением длины l, и выступающей за габарит опорной плиты задней части анкера. Наиболее рациональным является угол у равной 6 град, при величине радиуса 6 мм. С увеличением радиуса более 10 мм ухудшаются условия сопряжения усиления 6 с опорной плитой. Возникают кромочные нагружения. При величине радиуса R менее 3 мм, резко возрастают напряжения вызванные изгибом в зоне 10, т.к. в этом случае R становится меньше толщины стенки трубы.
Внешний размер В, усиления 6, определяется исходя из обеспечения действующих контактных напряжения на поверхности участка 7 (от усилий передаваемых опорной плитой) меньше допускаемой величины. При выборе предельных размеров В нагрузка со стороны опорной плиты варьировалась от регламентированной ГОСТ 31559-2012 в 50 кН, до предельной по условию прочности анкера диаметром 48 мм и толщиной стенки 3 мм.
Было установлено, что разность величин В и D должна быть больше 16 мм. Предпочтительно 24 мм. Разность больше 30 мм ведет к необоснованному увеличению затрат на изготовление. При величине разности менее 16 мм действующие контактные напряжения на поверхности участка 7 приближаются к допустимым.
Вариант усиления 6 с не контактирующими поверхностями 11 и 12 обеспечивает снижение напряжения вызванное изгибом на участке перехода поверхности 7 к поверхности 8. Это исключает, при малой разности В и D, наложение напряжений в этой зоне на напряжения возникающие в зоне 10.
Функционирование фрикционного анкера.
Перед установкой анкера в шпур на него, со стороны переднего конца 2, надевается опорная плита. Диаметр отверстия в опорной плите, как правило превышает на 3-5 мм максимальный размер трубы в поперечном сечении.
Анкер устанавливается с помощью модернизированной установки для бурения шпуров. Передний конец вводится в направляющие люнеты, а задний, частью 9 в специальный пуансон. За счет ударных воздействий анкер вводится в шпур. В завершающей стадии установки анкера зазор между конической поверхностью участка 5 и поверхностью отверстия в опорной плите уменьшается, и они входят в контакт. Далее участок 7 поджимает опорную плиту к укрепляемой поверхности выработки.
Благодаря конической поверхности участка 5 обеспечивается одновременное взаимодействие с опорной плитой участков 5 и 7. Соответственно нагрузка с опорной плиты передается на анкер за счет трения по конической поверхности участка 5 и нормального давления на участок 7. Обеспечивается распределение нагрузки с опорной плиты на два участка анкера. Как результат изгибные напряжения в зоне 10, от действия опорной плиты снижаются, уменьшается вероятность разрушения - повышается надежность функционирования анкера.
В совокупности с уменьшенными напряжениями изгиба, вызванных при формированием усиления 6, при угле наклона больше 90 град достигается эффект большей надежности самой нагруженной, при функционировании анкера, зоны 10.
Сопряжение анкера с пуансоном обеспечивается за счет участка 9. При этом длина b участка большая по длине 5 мм обеспечивает достаточное центрирование анкера и пуансона, и исключает выход участка 9 из пазов пуансона. Это обеспечивает надежность выполнения операции установки анкера в шпур при несоосном расположении оси шпура и направляющей буровой установки.
Таким образом, совокупность предлагаемых технических решений отраженная в отличительных признаках, обеспечивает снижение напряжений возникающих в наиболее нагруженной зоне 10 на стадии изготовления и при его функционировании. Снижения напряжений позволяет снизить вероятность разрушения как при изготовлении так и при нагружении анкера породами при установке в шпур и обеспечивает повышение надежности функционирования.