Анкер стальной фрикционного типа

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для крепления выработок.
Из существующего уровня техники известно решение по патенту США № 7780377 (опубликован 24.08.2010). Фрикционный анкер, выполненный в виде трубки с пазом по всей длине, и снабжен в нижней части приваренным опорным кольцом с отверстием, не совпадающим с пазом. Верхняя часть анкера имеет конусообразную форму.
Из существующего уровня техники известно решение по патенту США № 4334804 (опубликован 15.06.1982). Фрикционный анкер, содержащий металлический корпус с прорезью, которая проходит по всей длине за исключением конца стержня, опорное кольцо, при этом конец стержня - заходная часть выполнена конусообразной с наконечником цилиндрической формы.
Из существующего уровня техники известно решение по патенту США № 5931606 (опубликован 31.10.1997), выбранное в качестве наиболее близкого аналога. Фрикционный анкер выполнен в виде трубки с пазом по всей его длине, а также снабжен дополнительным вырезом. Анкер имеет в нижней его части приваренное опорное незамкнутое кольцо с отверстием, верхняя часть анкера имеет конусообразную форму.
Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточная надежность. Продольный вырез по всей длине стержня от края до края существенно снижает продольную жесткость анкера, а незамкнутая верхняя конусообразная часть при забивании анкера в шпур может раскрыться при столкновении с породой на пути движения анкера.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является устранение указанных недостатков, расширение арсенала технических средств, расширение эксплуатационных характеристик и функциональных возможностей анкера стального фрикционного типа за счет упрощения монтажа анкера фрикционного типа с сохранением высокой несущей способности, повышение надежности функционирования анкера.
Техническим результатом заявленного решения является повышение надежности анкера.
Технический результат достигается за счет того, что в анкере стальном фрикционного типа, который включает полый стержень с цилиндрической задней частью и конической передней частью, опорное кольцо, закрепленное посредством сварного соединения со стороны внешнего края цилиндрической задней части, и два продольных выреза, расположенные на противоположных сторонах стержня относительно его продольной оси и параллельно ей, при этом один из указанных вырезов расположен в конической передней части стержня и его длина менее длины конической передней части, согласно заявляемой полезной модели, второй вырез выполнен от внешнего края цилиндрической задней части до первой трети конической передней части, а две трети конической передней части выполнены замкнутыми посредством сварного шва, опорное кольцо выполнено замкнутым.
Все подобные стальные анкеры, как и заявляемый, имеют основную (заднюю) цилиндрическую часть и переднюю коническую часть, выполненные из единого листа металла, и, как минимум, одну прорезь, проходящую, как правило, по всей длине анкера. Коническая часть служит для центрирования анкера при установке в шпур и не является рабочей частью в процессе эксплуатации. Поэтому важно выполнить данную коническую часть как можно меньшей длины, чтобы не сокращать рабочую длину цилиндрической части анкера. Для уменьшения сопротивления при установке анкера также важно выполнить конус с как можно меньшим диаметром передней его части. Коническая передняя часть получается за счет обжима листа металла и при незамкнутом продольном вырезе достичь минимального диаметра конической части сложно, так как сталь, из которой выполняют анкер, обладает упругостью и без дополнительной обработки (например, термической) границы выреза не смыкаются. Если же границы выреза выполнить сомкнутыми (для уменьшения диаметра конуса), например, сварным швом, то сталь испытывает неравномерное напряжение в короткой деформируемой конусообразной части. Такое напряжение влияет на прочностные характеристики и надежность стального анкера. Анкер испытывает огромные ударные нагрузки как в процессе эксплуатации, так и при монтаже, часто анкер в процессе монтажа деформируется. Для устранения неравномерного напряжения стали и легкого формирования короткого конуса в передней части анкера в заявляемой полезной модели предложено в передней конусообразной части дополнительно сформировать вырез, расположенный с противоположной стороны от основной прорези, длина которого не превышает длину передней части. Такая конструкция позволяет обжимать переднюю часть полого стержня, получая конус, в котором будут максимально равномерно распределены напряжения стали, что позволяет повысить надежность анкера, который может воспринимать повышенные нагрузки при монтаже и эксплуатации. При такой конструкции снижается вероятность изгиба и залома передней части при монтаже анкера в шпур, при столкновении с породой на пути движения анкера. Указанные параметры получены опытным путем и многократно протестированы.
Также благодаря наличию продольных вырезов в стержне улучшается фрикционное сцепление анкера стального с массивом горных пород и повышается надежность работы устройства. При этом анкер имеет необходимые прочностные характеристики, так как ни один из вырезов не проходит по всей длине стержня. Таким образом повышается надежность работы устройства как при монтаже, так и в процессе эксплуатации, что также установлено опытным путем.
Опорное кольцо, закрепленное посредством сварного соединения по всему периметру примыкания кольца к стержню со стороны внешнего края его цилиндрической задней части также обеспечивает требуемую надежность, так как анкер,  является элементом крепления горной выработки и в процессе эксплуатации именно данное кольцо воспринимает нагрузки от опорной пластины, с которой оно взаимодействует в рабочем положении.
Далее решение, в частном случае своего выполнения, поясняется фигурой, на котором изображен анкер стальной фрикционного типа (общий вид).
Анкер стальной фрикционного типа представляет собой полый стержень. Задняя часть - 1 стержня выполнена цилиндрической, передняя часть – 2 стрежня конической, в частности, в форме усеченного конуса, соединенным своим большим основанием с цилиндрической частью. На конце задней части – 1 приварено замкнутое кольцо – 3, в частности на расстоянии равном толщине кольца от края стержня. Стержень имеет продольный вырез – 4, выполненный параллельно центральной оси стержня и расположенный в конической передней части – 2 стержня. Продольный вырез – 4 имеет длину меньшую, чем длина передней конической части – 2. А также стержень имеет продольный вырез – 5 (прорезь), выполненный параллельно центральной оси стержня и расположенный в задней цилиндрической части – 1 стержня и в части конической части – 2, а именно вырез – 5 выполнен от самого края задней цилиндрической части – 1 до первой трети передней конической части -2 стержня.
Анкер стальной работает следующим образом:
Анкер направляют в шпур, образованный буровой коронкой в массиве горных пород, прикладывая продольное усилие к его цилиндрической задней части – 1 (хвостовику), тем самым продвигая анкер фрикционного типа внутрь шпура до упора опорного кольца - 3 с опорной пластиной, а опорной пластины с массивом горных пород. Так как передняя коническая часть - 2 анкера имеет вырез с противоположной стороны от продольного выреза, выполненного по всей длине цилиндрической части, то он максимально способен сохранять жесткость в задней цилиндрической части и оказывает сопротивление её деформациям во время движения анкера по шпуру, с другой стороны имеет требуемую упругость и малый диаметр в передней части, обеспечивающие надежное центрирование и прохождение анкера по шпуру, без существенных деформаций в передней части и закрепление его.
Возможность достижения заявляемого технического результата подтверждается проведенными испытаниями.
Для испытаний использовали анкера диаметром 48 мм и длиной 1850 мм, где цилиндрическая часть составляет 1750 мм, коническая – 100 мм. Нормативная несущая способность анкера должна составлять не менее 50 кН. Замеры проводились при помощи штанговыдергивателя ПКА1 с максимальным тяговым усилием 110 кН. Для каждого примера произведено 4 испытания, ниже приведены усредненные показатели несущей способности по группе испытаний.
Пример 1. Производили монтаж анкера стального фрикционного типа с передней частью конической формы, опорным кольцом на хвостовике, вырез выполнен по всей длине анкера, при этом обжим передней конической части выполнен с малым углом наклона конуса без смыкания выреза, дополнительный вырез с противоположной стороны отсутствует. При монтаже указанного анкера возникали сложности центрирования при монтаже в связи с недостаточным углом конусности. При погружении анкера, конус упирается в породу провоцируя несоосное погружение, в результате чего деформируется анкер, затрудняется монтаж анкера, ухудшается фрикционное сцепление его с породой.
По результатам испытаний выявлено:
При установке анкера на глубину 750 мм несущая способность составила 32 кН.
При установке анкера на глубину 1250 мм несущая способность составила 45 кН.
При установке анкера на глубину 1850 мм несущая способность составила 60 кН.
Пример 2. Производили монтаж анкера стального фрикционного типа с передней частью конической формы, опорным кольцом на хвостовике, вырез выполнен по всей длине анкера, дополнительный вырез с противоположной стороны выполнен с длиной, равной длине передней конической части. При монтаже указанного анкера зафиксировано увеличение сопротивления погружению анкера, так как во время движения анкера по шпуру деформируется конус – происходит распирание концов конуса в результате попадания элементов породы в вырезы конуса, ухудшается фрикционное сцепление его с породой.
По результатам испытаний выявлено:
При установке анкера на глубину 750 мм несущая способность составила 25 кН.
При установке анкера на глубину1250 мм несущая способность составила 41 кН.
При установке анкера на глубину 1850 мм несущая способность составила 53 кН.
Пример 3. Производили монтаж заявленного анкера стального фрикционного типа, с передней частью конической формы, опорным кольцом на хвостовике, основной вырез выполнен от внешнего края задней цилиндрической части до начала передней конической части, дополнительный вырез с противоположной стороны выполнен с длиной, меньшей длины передней конической части. При монтаже указанного анкера не зафиксировано увеличение сопротивления погружению анкера в виду достаточного угла конуса правильно выдержанной конусности.
После установки анкера несущая способность составила 65 кН. Отмечено достаточное фрикционное сцепление анкера с породой за счёт снижения упругости основной цилиндрической части анкера.
По результатам испытаний выявлено:
При установке анкера на глубину 750 мм несущая способность составила 45 кН.
При установке анкера на глубину1250 мм несущая способность составила 56 кН.
При установке анкера на глубину 1850 мм несущая способность составила 65 кН.
Пример 4. Производили монтаж заявленного анкера стального фрикционного типа, с передней частью конической формы, опорным кольцом на хвостовике, основной вырез выполнен от внешнего края задней цилиндрической части до первой трети передней конической части, дополнительный вырез с противоположной стороны выполнен с длиной, меньшей длины передней конической части. При монтаже указанного анкера не зафиксировано увеличение сопротивления погружению анкера. После установки анкера его несущая способность составила 95 кН .
По результатам испытаний выявлено:
При установке анкера на глубину 750 мм несущая способность составила 50 кН.
При установке анкера на глубину1250 мм несущая способность составила 67 кН.
При установке анкера на глубину 1850 мм несущая способность составила 95 кН.
Таким образом, из результатов испытаний следует, что наиболее качественный монтаж, обеспечивающий надежную установку анкера в шпур, достигается при использовании анкеров с конструкцией согласно примерам 3-4. При этом выдерживаемая заявленным анкером стальным фрикционного типа нагрузка является максимальной при использовании параметров конструкции анкера, согласно примеру 4. Достижение заявленного технического результата – повышение надежности анкера стального фрикционного типа подтвержден примерами 1-4.
Таким образом, в результате использования предложенной конструкции анкера стального фрикционного типа увеличивается его надежность.