CN112901228A - 一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，涉及矿井支护技术领域，其解决了恒阻大变形锚杆制作材料要求高的问题。该锚杆包括托盘、锁具螺母、恒阻装置、转接套筒和锚杆杆体，锚杆通过托盘和锁具螺母固定在锚杆孔内，锚杆杆体的一端和转接套筒相连，恒阻装置与转接套筒之间通过螺纹连接；恒阻装置包括摩擦套筒、限位端头、丝杠螺杆、丝杠螺母、滚珠、弹性垫片、摩擦片，该恒阻装置可以将锚杆的轴向运动转化为丝杠螺母的旋转运动，并通过摩擦片与摩擦套筒之间的摩擦阻力控制丝杠螺杆伸长的启动拉力，从而实现恒阻大变形。该锚杆的变形来源于机械运动，所以套筒和杆体的材料不会发生变形，降低了对材料的要求，制作成本更低。

Description

一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆
技术领域
本发明涉及矿井支护技术领域，尤其是一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆。
背景技术
随着矿产资源开采、隧道水利工程等地下空间工程建设逐步向深部发展，围岩大变形问题日益突出。锚杆(索)支护是围岩控制的重要手段。深部岩体具有大变形特性，因此要求锚杆(索)即具有高强的锚固力，抑制围岩变形，同时又具有较大的变形能力，以适应围岩大变形。
目前，现有的恒阻大变形锚杆形式多样，按其机理主要分为套筒变形式、杆体拉伸式，但是这种结构都是通过不可逆的套筒或杆体变形，实现锚杆***的整体增长。此类恒阻大变形锚杆对材料变形能力及强度要求高，常需研发特种合金材料，导致恒阻大变形锚杆成本高，严重增加工程造价。
为了解决恒阻大变形锚杆变形过程中变形和锚杆强度的矛盾，减小锚杆对制作材料的依赖，降低锚杆的生产成本，需要对现有恒阻大变形锚杆的结构和变形方式做进一步的改进。
发明内容
为了解决了恒阻大变形锚杆对制作材料要求高的问题，改进恒阻大变形锚杆的恒阻让变方式，降低锚杆制作成本，本发明提供了一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，具体的技术方案如下。
一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，包括托盘、锁具螺母、恒阻装置、转接套筒和锚杆杆体，托盘和锁具螺母固定安装在锚杆孔的孔口位置，所述锚杆杆体的一端和转接套筒相连，恒阻装置与转接套筒之间通过螺纹连接；所述恒阻装置包括摩擦套筒、限位端头、丝杠螺杆、丝杠螺母、滚珠、弹性垫片、摩擦片，所述限位端头通过螺纹与摩擦套筒相配合，丝杠螺杆的一端与转接套筒相连，另一端收纳在摩擦套筒内；所述丝杠螺母配置在摩擦套筒内并与丝杠螺杆配合，滚珠配置在丝杠螺母和丝杠螺杆之间，弹性垫片和摩擦片配置在丝杠螺母和摩擦套筒之间。
优选的是，弹性垫片、摩擦片和丝杠螺母固定连接，同步转动；所述丝杠螺母、丝杠螺杆和滚珠配合形成滚珠丝杠结构。
优选的是，摩擦套筒的外壁上设置有螺纹；所述摩擦套筒的一端与限位端头连接，另一端与锁具螺母配合连接。
还优选的是，摩擦套筒为变径管，摩擦套筒的长度根据设定的围岩变形量确定，所述摩擦套筒内壁设置有摩擦纹。
还优选的是，丝杠螺杆和转接套筒的连接段加工有外螺纹，所述丝杠螺杆和丝杠螺母的连接段加工有丝杠螺纹，丝杠螺纹和滚珠配合。
还优选的是，弹性垫片包裹在丝杠螺母的外壁，摩擦片包裹在弹性垫片上，弹性垫片与摩擦片之间设置有让变槽。
进一步优选的是，锚杆孔所在围岩发生大变形时，锚杆杆体受到向围岩内侧的拉力，锚杆杆体通过转接套筒向丝杠螺杆传递拉力；丝杠螺杆拉力经过丝杠螺母和滚珠转化扭矩力，丝杠螺母、弹性垫片和摩擦片固定连接，摩擦片和摩擦套筒内壁之间产生扭矩力；当扭矩力大于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母转动，锚杆整体伸长。
进一步优选的是，锚杆整体伸长后，围岩对锚杆杆体的拉力减小，摩擦片和摩擦套筒内壁之间的扭矩力减小，当扭矩力小于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母停止转动，锚杆长度保持不变。
进一步优选的是，摩擦片和摩擦套筒之间的滑动摩擦力通过改变弹性垫片的厚度、摩擦片和摩擦套筒之间的接触面积、摩擦片和摩擦套筒接触面的粗糙度进行调节。
本发明提供的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆的有益效果是：利用恒阻装置的滚珠丝杠结构，将直线运动转化为旋转运动，通过摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦控制旋转运动，实现锚杆的恒阻大变形。由于锚杆的变形来源于恒阻装置部件间的机械运动，所以不需要套筒或杆体材料发生变形，所以降低了锚杆的制作成本。
附图说明
图1是旋转摩擦式恒阻大变形锚杆的结构示意图；
图2是旋转摩擦式恒阻大变形锚杆的内部结构示意图；
图3是滚珠丝杠结构安装结构的示意图；
图4是旋转摩擦式恒阻大变形锚杆安装后的变形过程示意图；
图中：1、托盘；2、锁具螺母；3、恒阻装置；31、摩擦套筒；32、限位端头；33、丝杠螺杆；34、丝杠螺母；35、滚珠；36、弹性垫片；37、摩擦片；4、转接套筒；5、锚杆杆体；6、锚固端；7、围岩。
具体实施方式
结合图1至图4所示，对本发明提供的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆具体实施方式进行说明。
一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，包括托盘1、锁具螺母2、恒阻装置3、转接套筒4和锚杆杆体5，利用恒阻装置3可以将锚杆轴向运动转化为丝杠螺母34的旋转运动，并通过恒阻装置摩擦片与摩擦套筒之间的摩擦阻力控制丝杠螺杆伸长的启动拉力，从而实现阻力恒定的效果；锚杆恒阻大变形过程中不发生套筒或锚杆杆体的不可逆变形，对材料要求低，加工成本低。
其中，托盘1和锁具螺母2固定安装在锚杆孔的孔口位置，其中锚杆伸入锚杆孔的一端为前端，外露端为后端。锚杆杆体5一端和转接套筒相连，恒阻装置3与转接套筒4之间通过螺纹连接，锚杆杆体5深入锚杆孔内和围岩形成一体，恒阻装置3提供恒定的阻力并可以伸长，转接套筒4连接固定恒阻装置和锚杆杆体。恒阻装置3包括摩擦套筒31、限位端头32、丝杠螺杆33、丝杠螺母34、滚珠35、弹性垫片36、摩擦片37，限位端头通过螺纹与摩擦套筒相配合，丝杠螺杆的一端与转接套筒相连，另一端收纳在摩擦套筒内。丝杠螺母配置在摩擦套筒内并与丝杠螺杆配合，滚珠配置在丝杠螺母和丝杠螺杆之间，弹性垫片和摩擦片配置在丝杠螺母和摩擦套筒之间。
弹性垫片36、摩擦片37和丝杠螺母34固定连接，同步转动，该固定连接可以高强度粘结剂固定，或者是螺钉固定。丝杠螺母、丝杠螺杆和滚珠配合形成滚珠丝杠结构，滚珠丝杠机构可以将轴向伸缩转换为转动。
摩擦套筒31可以使用高强度钢材制作而成，摩擦套筒的外壁上设置有螺纹，螺纹分别与限位端头和锁具螺母配合。摩擦套筒的一端与限位端头连接，另一端与锁具螺母配合连接。摩擦套筒为变径管，与锁母螺母连接端的直径大，与限位端头连接端的直径小，摩擦套筒的长度根据设定的围岩变形量确定，丝杠螺杆和摩擦套筒的最大相对长度变化为锚杆的最大变形量。摩擦套筒内壁设置有摩擦纹，从而可以调整摩擦系数，进而改变让变阻力值。安装时，将丝杠螺母调节至合适位置，然后丝杠螺杆自摩擦套筒大直径端***，自小直径端头的通孔内穿出，安装过程中，经过摩擦套筒缩径端时，弹性垫片被压缩，使摩擦片与摩擦套筒内壁之间产生一定的挤压力。
丝杠螺杆33和转接套筒的连接段加工有外螺纹，丝杠螺杆和丝杠螺母的连接段加工有丝杠螺纹，丝杠螺纹和滚珠配合。弹性垫片包裹在丝杠螺母的外壁，摩擦片呈薄片状，摩擦片包裹在弹性垫片上，弹性垫片与摩擦片之间设置有让变槽，从而防止挤压时摩擦片褶皱变形。
另外该托盘、锁具螺母、恒阻装置、转接套筒还可以利用在锚索结构中，用于制作恒阻大变形锚索。锚杆杆体或锚索体可以使用一般的锚杆或锚索结构，在一端进行攻丝处理方便，转接套筒的连接。
锚杆孔所在围岩发生大变形时，锚杆杆体受到向围岩内侧的拉力，也就是锚杆杆体受到向前的拉力，锚杆杆体通过转接套筒向丝杠螺杆传递拉力，丝杠螺杆的与锚杆杆体的运动趋势相同。丝杠螺杆拉力经过丝杠螺母和滚珠转化扭矩力，直线运动的趋势转化为旋转运动趋势，丝杠螺母、弹性垫片和摩擦片固定连接，摩擦片和摩擦套筒内壁之间产生扭矩力；当扭矩力大于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母转动，丝杠螺杆向岩体深部做直线运动，锚杆整体伸长。锚杆整体伸长后，围岩对锚杆杆体的拉力减小，摩擦片和摩擦套筒内壁之间的扭矩力减小，当扭矩力小于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母停止转动，锚杆长度保持不变。
其中，摩擦片和摩擦套筒之间的滑动摩擦力通过改变弹性垫片的厚度、摩擦片和摩擦套筒之间的接触面积、摩擦片和摩擦套筒接触面的粗糙度进行调节，实现了让变阻力值可调可控。
旋转摩擦式恒阻大变形锚杆在使用初期，围岩变形较小，锚杆受力未达到其恒阻值，恒阻装置未让变，锚杆整体长度较短。当围岩发生变形时，锚杆受力达到其恒阻值，恒阻装置发生让变，锚杆整体伸长，适应围岩大变形的同时可以给围岩提供足够的锚固力，抑制围岩的进一步劣化。
该锚杆通过滚珠丝杠结构将直线运动转化为旋转运动，并通过摩擦阻力进行旋转运动控制，实现锚杆的恒阻大变形，同时由于锚杆变形来源于机械运动，并不需要套筒或杆体变形，所以对材料变形能力要求低，仅需要高强度钢铁材料即可实现上述功能，解决了现有恒阻大变形锚杆对制作材料变形能力要求高的难题，降低工程成本。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，包括托盘、锁具螺母、恒阻装置、转接套筒和锚杆杆体，托盘和锁具螺母固定安装在锚杆孔的孔口位置，其特征在于，所述锚杆杆体的一端和转接套筒相连，恒阻装置与转接套筒之间通过螺纹连接；所述恒阻装置包括摩擦套筒、限位端头、丝杠螺杆、丝杠螺母、滚珠、弹性垫片、摩擦片，所述限位端头通过螺纹与摩擦套筒相配合，丝杠螺杆的一端与转接套筒相连，另一端收纳在摩擦套筒内；所述丝杠螺母配置在摩擦套筒内并与丝杠螺杆配合，滚珠配置在丝杠螺母和丝杠螺杆之间，弹性垫片和摩擦片配置在丝杠螺母和摩擦套筒之间。
2.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述弹性垫片、摩擦片和丝杠螺母固定连接，同步转动；丝杠螺母、丝杠螺杆和滚珠配合形成滚珠丝杠结构。
3.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述摩擦套筒的外壁上设置有螺纹；所述摩擦套筒的一端与限位端头连接，另一端与锁具螺母配合连接。
4.根据权利要求3所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述摩擦套筒为变径管，摩擦套筒的长度根据设定的围岩变形量确定，所述摩擦套筒内壁设置有摩擦纹。
5.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述丝杠螺杆和转接套筒的连接段加工有外螺纹，所述丝杠螺杆和丝杠螺母的连接段加工有丝杠螺纹，丝杠螺纹和滚珠配合。
6.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述弹性垫片包裹在丝杠螺母的外壁，摩擦片包裹在弹性垫片上，弹性垫片与摩擦片之间设置有让变槽。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述锚杆孔所在围岩发生大变形时，锚杆杆体受到向围岩内侧的拉力，锚杆杆体通过转接套筒向丝杠螺杆传递拉力；丝杠螺杆拉力经过丝杠螺母和滚珠转化扭矩力，丝杠螺母、弹性垫片和摩擦片固定连接，摩擦片和摩擦套筒内壁之间产生扭矩力；当扭矩力大于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母转动，锚杆整体伸长。
8.根据权利要求7所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述锚杆整体伸长后，围岩对锚杆杆体的拉力减小，摩擦片和摩擦套筒内壁之间的扭矩力减小，当扭矩力小于摩擦片和摩擦套筒之间的摩擦力时，丝杠螺母停止转动，锚杆长度保持不变。
9.根据权利要求8所述的一种旋转摩擦式恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述摩擦片和摩擦套筒之间的滑动摩擦力通过改变弹性垫片的厚度、摩擦片和摩擦套筒之间的接触面积、摩擦片和摩擦套筒接触面的粗糙度进行调节。
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