ВИНТОВОЙ СТЕРЖЕНЬ

Полезная модель относится к производству винтового стержня методом горячей прокатки, применяемого, преимущественно, в горной промышленности (ГП).
Известен арматурный стержень периодического профиля с сердечником круглого сечения и наклонными незамкнутыми серповидными поперечными выступами на поверхности, расположенными на его поверхности по длине в четыре ряда при чем, вершины поперечных выступов расположены на поверхности сердечника стержня в шахматном порядке по винтовой линии, при этом вершины смежных продольных рядов поперечных выступов размещены в наклонных осевых плоскостях стержня, прилежащие углы наклона которых к осевым плоскостям, совпадающим с осями прокатки арматуры, составляют от 20° до 70°.( Патент РФ 2680153, опубл. 25.06.2018 г, бол. №18).
Целью данного профиля является повышение степени армирования стержня периодического профиля с бетоном, возможности механического стыкования и анкеровки стержней без сварки и нахлестки посредством резьбовых винтовых муфт и гаек.
Однако, известный арматурный стержень периодического профиля не может быть использован для горной промышленности, а именно, для узла «гайка-стержень» зажимного устройства анкера, так как поперечные выступы образуют двухзаходную винтовую линию с углом подъема винтовой линии более 10°. Применение этого профиля в узле «гайка-винт» зажимного устройства анкера не будет является самоконтрящимся.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является стержневая арматура для горной промышленности с диаметрально расположенными серповидными поперечными выступами, идущими по однозаходной винтовой линии, разделенными друг от друга двумя диаметрально расположенными продольными свободными зонами, при этом винтовой профиль имеет угол подъема винтовой линии не более 7° и шаг витка 9. (Патент РФ №107548, опубл. 20.08.2011 г, бюл. №23).
Данный винтовой профиль относится к области крепления подземных горных выработок, а именно, к анкерной крепи и решает задачу создания самоконтрящегося узла «гайка-стержень».
Недостатком данного профиля является то, что заявленные признаки выполнения ребер на стержне допустимы для одного диаметра профиля, конкретно для анкерной крепи, тогда как в горной промышленности для различных крепей используются профили разных диаметров. Например, 16 мм, 18 мм, 20 мм, 22 мм. Кроме того, для выполнения угла подъема винтовой линии до 7° требуется выдерживать шаг 9 мм, что в свою очередь для крупного профиля приведет к уменьшению ширины сечения витка в гайке и снижения прочностных свойств работы на смятие и срез. Уменьшение ширины сечения витка в винтовом стержне не целесообразно, так как при их формировании методом горячей прокатки проникновение металла на требуемую глубину в узкую канавку калибра будет ограниченным, соответственно высота витка уменьшиться.
Задачей полезной модели является создание горячекатаного винтового стержня, обеспечивающего достаточную прочность, чтобы передавать необходимые силы в анкерных или соединительных узлах, в которые вкручивается один конец арматурного стержня, создания самоконтрящегося узла «винт-гайка» для видов профилей различного (широкого диапазона) номинального диаметра, используемых в различных конструкциях и типов анкерных крепей для горной промышленности.
Задача решается тем, что винтовой стержень для горной промышленности с сердечником круглого сечения и наклонными незамкнутыми поперечными выступами, расположенными на его поверхности по длине в два ряда, разделенными друг от друга двумя диаметрально расположенными продольными свободными зонами, при этом поперечные выступы образуют однозаходную винтовую линию с углом подъема однозаходной винтовой линии в диапазоне от 7,1 до 8,1° и соотношением ширины выступа винтового стержня в основании к величине шага в диапазоне 0,55-0,59.
Совокупность заявленных признаков позволяет достичь эффект самоконтрящегося узла «винт-гайка» в заданном диапазоне угла подъема винтовой линии для выбранного номинального диаметра профиля, а так же достичь оптимальной ширины витка как в гайке, так и в винтовом стержне за счет заявленного в полезной модели соотношения ширины выступа винтового стержня в основании в диапазоне 0,55-0,59 к величине шага.
Таким образом, отличие предлагаемого винтового профиля от известного заключается в обеспечении не только эффект самоконтрящейся конструкции узла «винт-гайка», но и повышения прочности узла за счет уравновешивания прочностных свойств работы на смятие и срез витков как гайки, так и винтового стержня.
При выполнении винтового стержня необходимого диаметра с углом подъема винтовой линии менее 7,1° ведет к уменьшению шага, что в свою очередь приводит к утонению ширины витков, преимущественно, в гайке, широкие витки на профиле ослабляет прочностные характеристики витков на гайке.
Выполнении винтового стержня, выбранного диаметра, с углом подъема винтовой линии более 8,1° приведет к увеличению шага, что негативно скажется на устойчивости соединения гайки и винта, «узел «гайка-винт» зажимного устройства анкера не будет являться самоконтрящимся.
При выполнении стержневой арматуры винтового профиля с соотношением ширины выступа в основании к величине шага менее 0,55 ведет к уменьшению площади витка стержня, работающей на срез, что может привести к ослаблению прочностных характеристик витков стержня.
При выполнении винтового стержня с соотношением ширины выступа в основании к величине шага более 0,59 в узле «гайка-винт» получаем ширину витка на винтовом стержне больше, чем ширина витка на гайке, что приведет к уменьшению площади витка гайки, работающей на срез, что повлечет «срыв» гайки с резьбы и ослаблению прочностных характеристик витков гайки.
Технический результат, который достигается при использовании в узле «гайка-стержень» арматуры с предлагаемыми признаками заключается в создании оптимальных условий для обеспечения самоконтрящейся конструкции узла «винт-гайка» и повышения прочности узла за счет уравновешивания прочностных свойств работы на смятие и срез витков как гайки, так и винтового стержня.
Винтовой профиль изображена на Фиг., где
t - величина шага, b - ширина выступа в основании, h - высота поперечного выступа, dв - наружный диаметр тела стержня в вертикальной плоскости, dc - средний диаметр винтового стержня, α - угол подъема винтовой линии.
Пример исполнения полезной модели.
Необходим винтовой стержень №18 с заданными размерами: dв = 17,4 мм с допуском Δd=±0,35 мм - по требованию потребителя.
Высота поперечного выступа h=1,5 мм с допусками Δh=(+0,5, -0,15) - по требованию потребителя.
Определяем величину шага t по формуле:
t=(tgα×π×dc)/n (ГОСТ 11708-82, СТ СЭВ 2631-80, Таблица Общие понятия, п. 35 Угол подъема резьбы), где n - количество заходов
При однозаходной винтовой линии n=1.
Определяем средний диаметр резьбы dc, с учетом максимальных допусков:
dc=(dB+Δd)+(h+Δh)=(17,4+0,35)+(1,5+0,5)=19,75 мм.
Определяем шаг при заявленных крайних предельных отклонениях величины угла подъема винтовой линии:
1) При α=7,1 получаем шаг t=(tg7,1×π×19,75)/1=7,49 мм.
Принимаем для расчета шаг t=7,5 мм.
2) При α=8.1 получаем шаг t=(tg8,1×π×19,75)/1=8,56 мм.
Принимаем для расчета шаг t=8,5 мм.
Определяем предельные величины ширины поперечного выступа у основания
при t=7,5 vv величина b=(0,55÷0,59)t=4,13÷4,43 мм.
Принимаем ширину поперечного выступа в основании b=4.2 мм.
при t=8,5 мм величина b=(0,55÷0,59) t=4,68÷5,02 мм.
Принимаем ширину поперечного выступа в основании b=4,8 мм.
При высоте поперечного выступа h=1,8 мм с допусками Δh=(+0,5, -0,15) - по требованию потребителя, проводя аналогичные расчеты, получим величину шага t=8,6 мм, ширину поперечного выступа в основании b=4,9 мм.
Аналогичным образом проводится расчет геометрических параметров для винтовых стержней различных номинальных диаметров.
Производство винтового стержня осуществляется на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» в МСЦ и позволило расширить сортамент для видов профилей различного номинального диаметра, используемых в различных конструкциях и типов анкерных крепей для горной промышленности.