基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘的制作方法

本实用新型属于锚固支护施工技术领域，尤其是涉及一种基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘。

背景技术：

矿山井巷工程、边坡支护工程、基坑支护工程等施工过程中需大量使用各种形式的锚杆(或锚索)对开挖后的变形岩体、土体进行支护。锚杆(或锚索)支护系统中，托盘的作用至关重要，起传递锚杆(或锚索)荷载的作用。锚杆(或锚索)最佳的受力状态是单向拉伸状态，如果有其它方向的力作用于锚杆(或锚索)时将削弱锚杆(或锚索)的承载能力并极易导致断裂。实际支护施工过程中，也常发生锚杆(或锚索)断裂的现象，其断裂的部位大都发生在尾部螺纹处，断裂形式基本为拉剪作用的结果，造成这种现象的主要原因是托盘本身结构存在许多致命的缺陷，在一定的安装条件下将使锚杆(或锚索)尾部处于受剪状态，从而导致锚杆(或锚索)断裂。另外，由于围岩变形包括一部分不可控的变形，支护构件须具有让压功能以让掉不可控的变形，而目前支护所用的托盘，如平板形托盘、铸铁托盘、蝶形托盘、M形托盘等的脆性都较大，当围岩变形压力大时易突然变形并出现卸载或断裂，适应变形能力差，不具有让压性或让压能力差，与高强锚杆(或锚索)难以匹配。另外，现如今工程技术人员结合耦合支护原理一直致力于实现柔性支护，即让支护材料具备一定让压功能，但要实现这一功能要使锚杆(或锚索)采用可变形结构，不仅参数难以控制，并且成本高。因此，随着锚固支护技术的发展，锚杆(或锚索)趋向于高强度和超高强度，要求相配套的托盘不仅要有较高的强度，并且还需具有较好的让压性能。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能解决现有托盘存在的适应变形能力差、不具有让压性或让压能力差、难以与高强度的锚杆或锚索匹配使用等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征在于：包括安装在锚固装置尾部的后托盘、位于后托盘前侧的前托盘和多个均安装在后托盘前侧壁上的截锥螺旋压缩弹簧，所述锚固装置为锚杆或锚索，所述锚杆和所述锚索上均装有锚具，所述后托盘位于锚具前侧；所述后托盘和前托盘均套装在锚杆或所述锚索上，后托盘和前托盘上均开有一个供锚杆或所述锚索安装的安装孔；多个所述截锥螺旋压缩弹簧的结构和尺寸均相同，多个所述截锥螺旋压缩弹簧均沿锚杆或所述锚索的长度方向进行布设，多个所述截锥螺旋压缩弹簧的外径均由前至后逐渐增大；每个所述截锥螺旋压缩弹簧的前端均支顶在前托盘的后侧壁上，且每个所述截锥螺旋压缩弹簧的后端均固定安装在后托盘的前侧壁上。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述截锥螺旋压缩弹簧的数量不少于三个。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述锚具为对后托盘进行限位的限位件。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述后托盘和前托盘均为平板且二者呈平行布设，所述后托盘和前托盘均与锚杆或所述锚索呈垂直布设。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述后托盘和前托盘均为矩形。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述后托盘和前托盘均为正方形，所述后托盘的宽度B＝250mm～350mm，所述前托盘的宽度为后托盘宽度的1.2～1.5倍。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述截锥螺旋压缩弹簧的数量为四个，四个所述截锥螺旋压缩弹簧分别布设在一个正方形的四个顶点上，每个所述截锥螺旋压缩弹簧中部与后托盘中心处的间距均为a，其中

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：多个所述截锥螺旋压缩弹簧沿圆周方向均匀布设或呈梅花形布设。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述截锥螺旋压缩弹簧的弹簧自由高度H₀＝60mm～120mm。

上述基于截锥螺旋压缩弹簧的让压托盘，其特征是：所述后托盘和前托盘均为钢托盘，所述截锥螺旋压缩弹簧后端焊接固定在后托盘的前侧壁上。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单且加工制作简便，投入成本较低。

2、结构设计合理，主要包括安装在锚固装置尾部的后托盘、位于后托盘前侧的前托盘和多个均安装在后托盘前侧壁上的截锥螺旋压缩弹簧，多个截锥螺旋压缩弹簧均沿锚固装置的长度方向进行布设且其均安装于后托盘与前托盘之间。

3、安装简便、使用操作简便且使用效果好，通过多个截锥螺旋压缩弹簧与前后两个托盘相配合实现让压，让压能力好、让压效果明显且适应变形能力强，能够很好控制支护体变形，能与高强锚杆匹配使用；同时，让压距离监测简便且易于控制，根据监测到的让压距离能对岩体的实时力学参数变化规律进行判断，以便进一步优化支护形式，并提高支护工程质量，降低施工成本，最大限度地发挥经济效益。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能有效解决现有托盘存在的适应变形能力差、不具有让压性或让压能力差、难以与高强度的锚杆或锚索匹配使用等问题。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的使用状态参考图。

图2为本实用新型后托盘与截锥螺旋压缩弹簧的结构示意图。

图3为本实用新型后托盘与截锥螺旋压缩弹簧的平面结构示意图。

图4为本实用新型截锥螺旋压缩弹簧在后托盘上的安装位置示意图。

图5为本实用新型截锥螺旋压缩弹簧的特性曲线示意图。

附图标记说明:

1—后托盘；2—截锥螺旋压缩弹簧；3—前托盘；

4—锚杆；5—锚具。

具体实施方式

如图1、图2、图3及图4所示，本实用新型包括安装在锚固装置尾部的后托盘1、位于后托盘1前侧的前托盘3和多个均安装在后托盘1前侧壁上的截锥螺旋压缩弹簧2，所述锚固装置为锚杆4或锚索，所述锚杆4和所述锚索上均装有锚具5，所述后托盘1位于锚具5前侧；所述后托盘1和前托盘3均套装在锚杆4或所述锚索上，后托盘1和前托盘3上均开有一个供锚杆4或所述锚索安装的安装孔6；多个所述截锥螺旋压缩弹簧2的结构和尺寸均相同，多个所述截锥螺旋压缩弹簧2均沿锚杆4或所述锚索的长度方向进行布设，多个所述截锥螺旋压缩弹簧2的外径均由前至后逐渐增大；每个所述截锥螺旋压缩弹簧2的前端均支顶在前托盘3的后侧壁上，且每个所述截锥螺旋压缩弹簧2的后端均固定安装在后托盘1的前侧壁上。

本实施例中，所述锚具5为对后托盘1进行限位的限位件。

并且，所述锚具5为锁紧件且其以螺纹方式安装在锚杆4或所述锚索上。

本实施例中，所述后托盘1和前托盘3均为平板且二者呈平行布设，所述后托盘1和前托盘3均与锚杆4或所述锚索呈垂直布设。

实际加工时，所述后托盘1和前托盘3均为矩形。

本实施例中，所述后托盘1和前托盘3均为正方形。

并且，所述后托盘1的宽度B＝250mm～350mm，所述前托盘3的宽度为后托盘1宽度的1.2～1.5倍。

本实施例中，所述后托盘1的宽度B＝300mm。实际加工过程中，可根据具体需要，对后托盘1和前托盘3的宽度与厚度分别进行相应调整。

实际安装时，多个所述截锥螺旋压缩弹簧2沿圆周方向均匀布设或呈梅花形布设。

本实施例中，如图4所示，多个所述截锥螺旋压缩弹簧2沿圆周方向均匀布设。实际使用过程中，多个所述截锥螺旋压缩弹簧2也可以呈梅花形进行布设，并且多个所述截锥螺旋压缩弹簧2也可以呈星形等其它形状进行布设。

实际使用时，所述截锥螺旋压缩弹簧2的数量不少于三个。

本实施例中，所述截锥螺旋压缩弹簧2的数量为四个。四个所述截锥螺旋压缩弹簧2分别布设在一个正方形的四个顶点上，每个所述截锥螺旋压缩弹簧2中部与后托盘1中心处的间距均为a，其中

实际使用过程中，可根据具体需要，对截锥螺旋压缩弹簧2的数量进行相应调整。

本实施例中，所述后托盘1和前托盘3均为钢托盘。所述截锥螺旋压缩弹簧2后端焊接固定在后托盘1的前侧壁上。

本实施例中，所述截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧自由高度H₀＝60mm～120mm。

实际使用时，弹簧自由高度H₀在满足稳定性要求的前提下，可根据工程地质情况进行选择。

本实施例中，所述截锥螺旋压缩弹簧2为等节距截锥螺旋压缩弹簧。

以下对截锥螺旋压缩弹簧2的性能进行分析：

所述截锥螺旋压缩弹簧2承受荷载时，在簧圈相互接触前，力与变形符合胡克定律；当所受荷载逐渐增大时，弹簧圈从大圈开始出现并死(即并圈且卡死)，这一阶段力与变形是非线性的。在与截锥螺旋压缩弹簧2的中心线相垂直的后托盘1上的投影是一条阿基米德螺旋线。在相同物理参数情况下，所述等节距截锥螺旋压缩弹簧的各项性能优越于等螺旋升角截锥螺旋弹簧，因此本实用新型采用的截锥螺旋压缩弹簧2，并且所采用的截锥螺旋压缩弹簧2能满足高强度、耐腐蚀等性能要求。

实际安装时，所述截锥螺旋压缩弹簧2焊接在后托盘1上。如图5所示，当弹簧形变曲线(也称为弹簧特性曲线)介于o～p段时，弹簧刚度相对于p～d段较低，当弹簧高度超过一定量后，会发生失稳现象。因此，当截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧自由高度H₀过高时，要对其进行径向稳定性校验，径向稳定性包括弹性稳定性和倾覆稳定性两方面，保证径向弹性稳定性应满足的条件为：保证倾覆稳定性的条件为：[F]≥F_max(2)；公式(1)中，k_q为截锥螺旋压缩弹簧2的横向刚度且其单位为N/mm，k为截锥螺旋压缩弹簧2的径向刚度且其单位为N/mm，x₁为弹簧变形量且其单位为mm，H₁为弹簧工作高度且其单位为mm；公式(2)中，[F]为弹簧许用负荷且其单位为N，F_max为弹簧最大负荷且其单位为N；

当弹簧形变曲线介于p～d段时，弹簧大圈出现并死，随着并死圈数增多，有效圈数相应减少，弹簧刚度逐渐增大，直至簧圈完全压并。随着所有弹簧圈被压落在后托盘1上，弹簧的稳定性逐渐增强。此阶段不易出现失稳现象。

图5中，x为截锥螺旋压缩弹簧2的压缩长度(也称弹簧变形量或弹簧让压距离)，F为截锥螺旋压缩弹簧2的弹性力(即让压值)。

另外，当弹簧形变曲线介于o～p段时，让压值可通过胡可弹簧定律计算：F＝nk·x(3)，公式(3)中F为负荷且其单位为N，x为弹簧让压距离且其单位为mm，n为后托盘1上截锥螺旋压缩弹簧2的数量；

当弹簧形变曲线介于p～d段时，力与让压量的关系为非线性渐增型，p点的让压值为：d点的让压值为：公式(4)和公式(5)中，G为截锥螺旋压缩弹簧2所用线材(即钢丝)的刚性模数，d₀为钢丝直径(即线径)且其单位为mm，R₁为截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧丝小端头(即截锥螺旋压缩弹簧2前端)的曲率半径且其单位为mm，R₂为截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧丝大端头(即截锥螺旋压缩弹簧2后端)的曲率半径且其单位为mm，H₀为截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧自由高度且其单位为mm，m为截锥螺旋压缩弹簧2的弹簧工作参数(即截锥螺旋压缩弹簧2的工作圈数)且其单位为圈。

所述截锥螺旋压缩弹簧2的让压距离x易于测量，最大让压距离为支护体变形量。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。