錨桿螺紋結(jié)構(gòu)與扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化關(guān)系試驗(yàn)研究

李遠(yuǎn)清

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)朱家峁煤礦 ，陜西 榆林 719000）

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采深度逐漸增加，深井巷道支護(hù)難度逐漸提高。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)以其主動(dòng)加固圍巖的特點(diǎn)，在深井巷道支護(hù)中更能充分發(fā)揮其有效作用[1,2]。通過(guò)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿可以使圍巖由原來(lái)的破碎狀態(tài)變?yōu)闉橐粋€(gè)整體，破壞面的抗剪強(qiáng)度得到提高來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3-5]。

對(duì)于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，許多學(xué)者研究了預(yù)應(yīng)力錨桿錨固止裂效應(yīng)和預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化的影響因素等[6,7]。李國(guó)彪等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了錨桿尾部螺紋加工精度對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響。

目前，對(duì)于錨桿螺紋結(jié)構(gòu)影響錨桿預(yù)緊力的問(wèn)題研究較少，為提高煤礦巷道的預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果，本文研究了錨桿螺紋的螺距、牙高、形狀對(duì)錨桿預(yù)緊力的影響規(guī)律，優(yōu)選出扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率最高的錨桿螺紋結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

研究錨桿螺紋結(jié)構(gòu)對(duì)錨桿預(yù)緊力的關(guān)系，選取不同螺紋螺距、牙高、形狀的錨桿進(jìn)行扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，分析各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率，評(píng)價(jià)錨桿螺紋結(jié)構(gòu)對(duì)錨桿預(yù)緊力的影響。試驗(yàn)設(shè)備包括錨桿應(yīng)力計(jì)、扭矩扳手和夾緊固定裝置。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 扭矩-預(yù)緊力試驗(yàn)裝置示意圖

選取錨桿直徑為20mm，錨桿螺紋的螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm，研究螺紋螺距對(duì)錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化的影響；固定螺紋螺距為2.0mm，選取錨桿螺紋的牙高為0.2mm、0.4mm、0.6mm，研究螺紋牙高對(duì)錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化的影響；選取螺紋形狀為矩形螺紋、三角形螺紋和梯形螺紋，研究螺紋形狀對(duì)錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)上述扭矩選取不同螺紋螺距、牙高、形狀的錨桿進(jìn)行扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，分析各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率。

2.1 不同螺紋螺距

圖2 不同螺紋螺距對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系

圖2 為不同螺紋螺距對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系。由圖2可知，隨著錨桿扭矩增大，其預(yù)緊力均逐漸增大。相同扭矩對(duì)應(yīng)的不同螺距的錨桿預(yù)緊力是不同的，螺紋螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm的預(yù)緊力依次減小。當(dāng)扭矩為300N·m時(shí)，螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm的錨桿預(yù)緊力分別為7T、4.8T、2.5T，對(duì)應(yīng)的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率分別為0.023T/N·m、0.016T/N·m、0.008T/N·m。

當(dāng)扭矩大于300N·m之后，螺紋螺距3.0mm的錨桿扭矩-預(yù)緊力曲線基本平穩(wěn)，繼續(xù)增大扭矩，其預(yù)緊力變化不會(huì)太大，而螺紋螺距1.0mm的錨桿尚有逐漸增大的趨勢(shì)，繼續(xù)增大扭矩能夠獲得更大的預(yù)緊力。

說(shuō)明螺紋螺距越大，錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率越低，螺紋螺距越大對(duì)應(yīng)的螺母與桿體之間的摩擦力越大，扭矩轉(zhuǎn)化為有用的預(yù)緊力的部分越少，所以減小螺紋螺距是提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率的一種方法。

2.2 不同螺紋牙高

圖3為不同螺紋牙高對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系。由圖3可知，相同扭矩對(duì)應(yīng)的不同螺紋牙高的錨桿預(yù)緊力是不同的，螺紋牙高為0.2mm、0.4mm、0.6mm的預(yù)緊力依次降低。當(dāng)扭矩為200N·m時(shí)，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的錨桿預(yù)緊力分別為4T、2.6T、1.8T，對(duì)應(yīng)的扭矩 -預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率分別為0.02T/N·m、0.013T/N·m、0.009T/N·m；當(dāng)扭矩為 400N·m時(shí)，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的錨桿預(yù)緊力分別為6.8T、4.9T、2.9T，對(duì)應(yīng)的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率分別為0.017T/N·m、0.012T/N·m、0.007T/N·m。

圖3 不同螺紋牙高對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系

根據(jù)曲線變化趨勢(shì)可以看出，對(duì)螺紋牙高0.6的錨桿繼續(xù)增大扭矩，其預(yù)緊力提高幅度將基本不變；扭矩400N·m之后，螺紋牙高0.2mm的錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化曲線依次呈逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明繼續(xù)增大扭矩能夠獲得更大的錨桿預(yù)緊力。螺紋牙高越大，錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率越低。這是由于螺紋牙高越大，對(duì)應(yīng)的螺紋升角越大，螺母旋轉(zhuǎn)需要克服的阻力越大，導(dǎo)致扭矩轉(zhuǎn)化為錨桿預(yù)緊力的有效部分減少，所以減小螺紋牙高是提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率的一種方法。

2.3 不同螺紋形狀

錨桿矩形螺紋、三角形螺紋和梯形螺紋的示意圖如圖4所示。不同螺紋形狀對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系如圖5所示。

圖4 不同螺紋形狀示意圖

圖5 不同螺紋形狀對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩-預(yù)緊力關(guān)系

由圖5可知，不同形狀螺紋對(duì)應(yīng)的錨桿扭矩和預(yù)緊力是不同的，相同扭矩情況下，三角形螺紋錨桿預(yù)緊力大于梯形螺紋錨桿預(yù)緊力大于矩形螺紋錨桿預(yù)緊力。當(dāng)扭矩小于250N·m時(shí)，三角形螺紋錨桿和梯形錨桿的曲線變化相似，當(dāng)扭矩大于250N·m時(shí)，三種形狀螺紋錨桿的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化差距越來(lái)越大。當(dāng)扭矩為300N·m時(shí)，矩形螺紋錨桿、三角形螺紋錨桿、梯形螺紋錨桿的預(yù)緊力分別為2.6T、5.7T、4.5T，則對(duì)應(yīng)的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率分別為0.0087T/N·m、0.019T/N·m、0.015T/N·m。當(dāng)扭矩為 450N·m時(shí)，矩形螺紋錨桿、三角形螺紋錨桿、梯形螺紋錨桿的預(yù)緊力分別為3T、8T、5.8T，則對(duì)應(yīng)的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率分別為0.0067T/N·m、0.018T/N·m、0.013T/N·m。

說(shuō)明三角形螺紋錨桿的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率較高，大于梯形螺紋錨桿，大于矩形螺紋錨桿。矩形螺紋和梯形螺紋的摩擦力較大，尤其是矩形螺紋，三角形螺紋的摩擦力較小，所以三角形螺紋錨桿的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率高。且矩形螺紋錨桿的最大預(yù)緊力僅為3T，三角形螺紋錨桿的預(yù)緊力能夠達(dá)到8T，尚且能夠繼續(xù)增大。

2.4 試驗(yàn)總結(jié)

由上述不同螺紋螺距、牙高、形狀的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)分析可見(jiàn)，為提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效果，可以選取螺紋螺距1.0mm、螺紋牙高0.2mm、螺紋形狀為三角形的錨桿。

3 結(jié) 論

1）螺紋螺距越大，錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率越低，螺紋螺距越大對(duì)應(yīng)的螺母與桿體之間的摩擦力越大，減小螺紋螺距是提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率的一種方法。

2）螺紋牙高越大，錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率越低。螺紋牙高越大，對(duì)應(yīng)的螺紋升角越大，螺母旋轉(zhuǎn)需要克服的阻力越大，減小螺紋牙高是提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率的一種方法。

3）三角形螺紋錨桿的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率較高，大于梯形螺紋錨桿，大于矩形螺紋錨桿。矩形螺紋和梯形螺紋的摩擦力較大，三角形螺紋的摩擦力較小，所以三角形螺紋錨桿的扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率高。

4）礦井巷道使用錨桿時(shí)，為提高錨桿扭矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效果，可以選取螺紋螺距1.0mm、螺紋牙高0.2mm、螺紋形狀為三角形的錨桿。