地脚螺栓装置的制作方法

专利名称:地脚螺栓装置的制作方法
本发明涉及地脚螺栓装置，更具体地涉及用于装有可凝固的粘接材料的钻孔中的延迟拉力螺栓装置，这种装置在系紧重型机械、建筑构件和矿顶支撑件中是很有用的。
在矿顶支撑件和相近的紧装置中使用和可凝固的粘接材料结合的机械式膨胀系统来拉紧螺栓是众所周知的。这种普通的粘接材料设置在隔开的包装中，其中树脂以及用于树脂的催化剂是分开的。这样的系统公开于美国专利4，280，943号中。但树脂和催化剂的适当混合以及地脚螺栓的最终拉紧就成问题。树脂和催化剂的混合必须在非常短的时间内进行，螺栓装置插入钻孔中并以高速旋转来实现混合。
在一些应用机械式膨胀元件和可凝固的粘接材料的装置中，拉紧几乎在螺栓旋转开始后就立刻进行，在这种装置中大部分的拉紧是在树脂软化状态时进行的，而在其它装置中拉紧延迟到树脂开始硬化时才进行。
典型的矿顶螺栓包括一个长螺杆、一个锚固装置、一个支撑件，例如顶板和一个位于螺栓头和顶板间的淬硬平垫圈。淬硬垫圈的用途记录在美国材料试验学会标准F432-83和30联邦规章条例(CFR)75篇中。
具有各种轮廓形状的地脚螺栓被用来促进混合，锚固装置的一种类型的例证是美国专利4，393，638中显示的那种，具有螺旋形状的槽和脊的锥形螺栓是用来促进树脂的混合并迫使树脂进入孔的内底端，在美国专利4，564，315中展示了一个在靠近其端部具有螺旋槽的螺栓。这类装置都需切削加工或成型并且生产起来也较昂贵。
螺栓的拉紧是使用各种螺栓杆和膨胀外壳结构来实现的，在美国专利4，413，930中显示的螺栓杆和外壳组合体，通过送入一个偏心塞而拉紧，该塞是通过锚固外壳而旋上螺栓杆。当螺栓是处在拉紧状态时外壳上的膨胀指抓紧孔壁，使其定位。这种机械式装置，虽然很有效拉紧螺栓，但却在钻孔壁上产生可断裂孔壁的高集中的载荷。美国专利4，655，645展示了一个固定在螺栓上的预制的螺旋杆的组合件。螺旋杆是和膨胀外壳或联接装置结合使用，预制螺旋杆是一附加的费用。
在拉紧螺栓的过程中，由于支撑装置和围绕钻孔的表面间的摩擦力，有相当一部分用于拉紧螺栓的能量消耗在螺栓头上，除非设置一个机构来减小这个摩擦力。这个能量损失导致加热螺栓头，引起拉紧度的降低(否则的话是可以达到的)和各个螺栓拉紧程度不一致。
根据本发明，提供有一个简化结构的地脚螺栓装置，该装置可提供良好的树脂混合以及拉紧特性的组合而不需偏心塞或膨胀指爪。为促进混合，一个基本直的杆或金属丝装在一个在其一端具有一个头部和支撑装置而在其另一端有一个适于接纳一个螺帽的螺纹部分的螺栓上，杆或金属丝是以不同强度的焊接或其它方式而固定到螺帽和螺栓上，焊接点选择或杆沿螺栓的长度上成直线或稍稍螺旋形，为防止螺栓头在拉紧过程中被拉入钻孔中，螺栓头可有一增大的台肩，或顶板、垫圈或其组合件可位于螺栓的头部端。当该地脚螺栓装置被压入一容有隔开包装的可凝固的粘接材料的钻孔中并且螺栓旋转时，螺栓、杆和螺帽作为一个整体来旋转，混合树脂和催化剂。当树脂凝固时，杆上的滞动力就增加，并且最终杆在其最弱点开裂或分离。当杆开裂成自由时，该自由长度盘绕在螺栓杆上，使得催化剂和树脂的混合体向着钻孔的顶部运动。此刻，螺帽和螺栓相互自由旋转。当部分凝固的树脂强硬到足以阻止螺帽旋转时，螺栓就自己旋入螺帽中，螺帽被向下拉入部分凝固的树脂中，使得树脂成压缩状态并使树脂扩展到钻孔壁上。螺帽向下移动直到树脂达到一个足够的凝固强度来停止其运动。这就停止了螺栓的旋转。此时安装完毕，并且螺栓处于拉紧状态。
在一个最佳实施例中，螺栓设有支撑装置，该装置在螺栓完全插入钻孔时起止推轴承的作用。该支撑装置可包括有具有贴接平面的零件组合件，例如，二个放置在螺栓头的台肩上的垫圈。零件的形状应选择成可在螺栓拉紧时防止螺栓头被拉入钻孔，以及把由拉紧螺栓所产生的压力散布在一个较大区域。至少支撑件的二个接触表面涂有一层潜润滑材料，涂层可根据使用的材料在厚度上从大约0.1mm到大约2.0mm之间变化，涂层的厚度并不重要。最好这二个接触表面可由润滑材料松开地互相粘接，当这个螺栓装置旋转时，由于螺栓头和支撑装置之间的摩擦力，在支撑装置内就产生热，当温度上升时，潜润滑材料就活化、熔解并起润滑剂的作用。此时当螺栓在钻孔中被拉紧时支撑装置起一个润滑止推轴承的作用。
优选的潜润滑材料是热熔粘性组合物，例如H.B富勒公司出售的HM-908，它在大约150℃左右熔化。也可使用其它对支撑件表面粘接良好并且在普通贮藏和运输条件下摸起来是干的潜润滑剂。这些材料包括商业上可买到的产品例如H.B富勒公司的HM-2047，联合树脂产品的80-7801和80-7923热熔粘性产品以及类似作用为潜润滑剂的产品。具体选择的材料根据例如在混合和拉紧过程中产生的温度、潜润滑剂材料的熔化温度和地脚螺栓装置的运输、贮存环境之类的因素而定，潜润滑材料也作用为防止对支撑件的腐蚀和其它损害以及有助于控制支撑件表面之间的污染的保护涂层。在一些使用中这种材料可被涂到螺栓装置的其它表面，例如螺纹处和轴部。当由于摩擦而使温度上升时材料将在这些表面上起润滑剂的作用。
图1是部分为剖面的地脚螺栓装置的侧视图，显示了一个位于长螺栓杆的螺纹端部的螺帽和连接到螺帽和螺栓上的长杆，而支撑装置为螺栓头上的台肩。
图2为类似于图1的视图，显示了该装置位于岩石层中，准备最后的拉紧，螺栓的螺纹端部旋入螺帽中，杆从螺杆上分离并绕螺栓杆盘旋，并且支撑装置和岩石层成贴接关系。
图3是用于螺栓的螺帽的俯视图，显示了螺帽的台肩的切除部分。
图4是部分为剖面的地脚螺栓装置的局部侧视图，显示了螺栓头和包括放置在螺栓头台肩上的由一个顶板和二个垫圈所组成的支撑装置。
本发明的地脚螺栓装置包括一个在一端有一凸缘13和螺栓头15的长螺栓11，螺栓11的另一相对端有一螺纹部25。该螺纹部25适于接纳螺帽29。如图1中所示，一个长杆31在点33连接到螺帽29上并在第二连接点35连接到螺栓11上，螺栓11上的凸缘13起支撑装置的作用。杆31的长度可根据钻孔中的粘接材料的量长点或短点。
杆31必须连接到螺帽29上并在远离螺帽29的螺栓11的长度上一点连接到螺栓上，它可根据需要在其它点连接到螺栓11上。
图2显示了一个位于钻孔39中的地脚螺栓装置，包括有垫圈19和21的螺栓装置以其螺纹部25首先被插入装有可凝固的粘接材料41(例如美国专利4，280，943中公开的材料)的钻孔中。当完全插入后，该装置快速地，例如以每分钟大约300～600的转数旋转大约5到10秒钟。在此期间由于摩擦在支撑装置间就产生热并且其涂层23开始润滑。当间隙几秒钟，例如5到25秒钟，螺栓11的旋转再次进行。螺栓11的连续旋转，位于支撑装置间的热量就熔化潜润滑材料23，垫圈21和23就作用为润滑的止推轴承，直到润滑剂从这二个垫圈的相邻表面间排出。螺栓11、杆31和螺帽29作为一个整体旋转来混合凝固中的粘接材料41。当粘接材料41的硬化开始进行时，杆31上的滞动力增加，使杆从连接点35处分裂，然后杆31就自由盘绕在螺栓杆11上，迫使粘接材料向着钻孔的顶部运动。当粘接材料凝固后，螺帽在粘接材料41中部分“冻结”时，螺栓11就开始旋入螺帽21中，最好是涂有防止凝固着的树脂把螺帽21粘接到螺纹上的防粘剂(没有显示出来)的螺栓11的螺纹部分25被拉下进入粘接材料中，使得树脂进入压紧状态并迫使粘接材料扩展贴靠着钻孔39的壁。防粘剂可是潜润滑材料，可把带有螺帽29的螺栓11的螺纹端部25浸没在一热熔材料中的而把该材料涂上成为涂层。
螺栓11的拉紧一直进行直到螺栓和螺帽29最终在钻孔中固定住，此时垫圈19和21压紧在一起，提供一个将螺栓拉紧而产生的压力均匀分散到一个紧邻钻孔口的较大区域上的整体结构。
在另一个实施例中(没有显示出来)，杆31可以在连接点33和35的一个中间点上故意做得薄弱点，当粘接材料41开始硬化时，杆31在其薄弱点断裂，留下二个自由端。杆的二端在螺栓旋转时自由旋绕螺栓并且处于绷紧状态。
在还有一个实施例中(没有显示出来)，杆31从连接点33处开裂并向下朝头部15处盘绕。杆31当然可以用焊接以外的其它手段连接到螺栓11和螺帽29上，只要在安装地脚螺栓装置时杆可在一个连接点处开裂。
如图3中所示，螺帽29有一个切去一部分的台肩，螺帽29的形状和直径选择成使螺帽可进入钻孔和使得螺帽和钻孔壁之间有通过粘接材料的通道。如果支撑装置是在螺帽29旋上螺栓11后再放置在螺栓11上，支撑装置上的开口必须足够大以通过螺帽29。
图4显示了在拉紧地脚螺栓时将压力分散到围绕钻孔的较大区域上的支撑装置的另一个实施例，一个顶板43和二个垫圈45和47接合使用，二个垫圈由潜润滑材料23涂层可分离地互相粘接在一起。
在实验室做过比较试验来测量使用类似于图4中所示的本发明的支撑装置的摩擦损失，螺栓，螺帽和杆装置类似于图1中所示的装置，并且焊接强度使得杆可优先地从其在螺杆上的连接点分离。可凝固的粘接材料是杜邦公司的“Fasloc”岩石螺栓粘接材料，该材料在分别装有树脂和催化剂的包装中。在其中一次试验中，支撑装置有一如美国材料试验学会标准F432-83中描述的标准的、没有涂层的平垫圈。而在其它试验中该垫圈上涂有潜润滑材料，使用二个标准的镀锌钢垫圈。所有垫圈具有5cm的外径和1.9cm的内径。使用的潜润滑材料是H.B富勒公司的热熔粘性的HM-908。润滑材料加热到大约175℃并且支撑装置的垫圈在涂料前加热到大约82℃。垫圈的接触表面上涂料并且然后压在一起，使其互相粘合。在进行试验时，垫圈被放在具有1.43cm直径和1.22m长的长螺栓上。对于每一个试验，一个在图4中所示类型的矿顶板安置在垫圈顶部的螺栓上，并且一个具有15cm直径、1.25cm厚度和其中部有2.5cm孔的圆钢垫片设置在矿顶板的顶部。螺栓的相对于头部的一端插入一个模拟钻孔的直径为2.54cm的钢的试验孔中。整个装置然后放在一个机器中，该机器有一个钳部来直立地、刚性地固定试验孔，有一个液压马达来驱动一个啮合螺栓头并旋转该头部的卡盘和一个把螺栓推入试验孔的推力装置。推力可从0到34，700牛顿变化，马达的每分钟转数可从0到500变化，并且由该马达产生的转矩可以从0到540牛顿·米变化。参数由传感器测量并记录在一长条记录纸上。螺栓的拉紧通过施加一个推力在螺栓头上而得到模拟，该螺栓头部依次将此推力传递到垫圈、矿顶板、垫片和试验孔上。螺栓以450转/分钟的转速旋转，并且旋转所需的转矩被测量并和三个不同的模拟值相比较(旋转所需的转矩代表在螺栓实际安装并拉紧时经受的一种能量损失)。在第一次试验中，使用了单一的标准淬硬垫圈和顶板，其类型如美国材料试验学会标准F432-83所述，没有使用潜润滑材料。能量损失在13，300牛顿螺栓拉力时是86牛顿·米;在17，800牛顿螺栓拉力时能量损失是140牛顿·米;在31，100牛顿螺栓拉力时能量损失是300牛顿·米。对于一个给定的螺栓拉力，该能量损失随着地脚螺栓装置的旋转时间而增加。试验在用二个标准镀锌钢垫圈代替单一的淬硬垫圈时重复，没有使用潜润滑剂。螺栓拉力为13，300牛顿时记录的能量损失为76牛顿·米，螺栓拉力为17，800牛顿时能量损失为140牛顿·米，在螺栓拉力为31，100牛顿时能量损失为300牛顿·米。同样能量损失随着地脚螺栓装置的旋转时间而增加。试验在用图4中显示的本发明的支撑装置，(该装置有潜润滑材料)后再重复，能量损失在螺栓拉力高达17，800牛顿·米时保持16牛顿·米的恒量，并且在螺栓拉力为31，100牛顿时不高于32牛顿·米。
地脚螺栓装置的安装在矿山中通过使用图4中显示的本发明的支撑装置而得以实现。地脚螺栓装置是改进为包括图4中显示的顶板和垫圈的图1中所示的装置。一个橡胶压缩垫置于紧邻顶板的螺栓上以测量螺栓拉力。潜润滑材料是H.B富勒公司的热熔粘性HM-908，它涂在外径为5cm、内径为1.9cm、厚度为4mm的镀锌钢垫圈上。所有的螺栓是长1.22mm和直径1.43cm。连接到螺栓装置上的长杆长为30.5cm和直径为3.2mm。杆的一端焊接到螺帽上，而其另一端焊接到螺栓上。焊接的强度允许杆可优先地从其和螺栓的连接点处分离。可凝固的粘接材料是杜邦公司的“Fasloc”岩石螺栓粘接材料。该材料装在含有树脂和催化剂的隔开的包装中。该包装标定的直径为2.3cm和长为40cm。树脂和催化剂的混合时间是典型的5-8秒钟，凝固时间是典型的15-20秒钟。具有直径为2.54cm的钻孔在矿顶上钻到深度为1.22m。在每次试验中，一包粘接材料，插入钻孔中。地脚螺栓装置插入钻孔中，刺破含有粘接材料的包装。树脂和催化剂的混合是通过以大约560每分钟转数来旋转螺栓装置5-8秒钟而实现的。混合然后停止大约15-20秒钟来让粘接材料凝固。螺栓再次旋转直到机器停车。俄亥俄州圣玛丽的古德伊尔橡胶公司生产的压缩垫计和顶板螺栓压力垫被用来测量螺栓的拉力。拉力通过测量使用标有刻度以指明螺栓拉力的压力仪的古德伊尔压缩垫的周长增量而被测定。用来钻孔并且插入和拉紧螺栓的机器是可以直立地钻孔和安装螺栓的标准矿顶螺栓机。该机器可输出用来拉紧螺栓的最大转矩是340牛顿·米。本发明的支撑装置的使用在和以前使用单一的标准淬硬垫圈和顶板时相比可增加一倍的螺栓拉力。在五次螺栓试验中，拉力为45，400;52，00;56，000;51，600和56，900牛顿。
各种结构的材料都可用来生产本发明的地脚螺栓装置。当高强度的应用例如在矿顶的应用时，钢是优选的材料。在系紧机械或其它不需如此高强度的使用时，各种塑性材料也是可行的。可凝固的粘接材料包括聚酯，环氧化合物，其它市场可买到已知合成的树脂和无机薄浆，一个特别理想的材料是杜邦公司的商标为“Fasloc”名义下出售的材料。
权利要求
1.一个用于固定在一个有可凝固的粘接材料的钻孔里的螺栓的地脚螺栓装置包括(a)一个在其一端具有一个头部和支撑装置而在其另一端有一螺纹部分的长螺栓；(b)一个旋在所述螺栓上的并加工成使得其可进入所述的钻孔并使得在所述螺帽和所述钻孔的壁之间有可凝固的粘接材料的通道的螺帽；(c)一个在其一端和所述螺帽有连接点并沿着所述螺栓的长度上远离所述螺帽和螺栓有至少另一连接点的杆。
2.权利要求
1中的地脚螺栓装置，其特征在于所述的支撑装置包括有装在所述螺栓上的第一和第二支撑件，所述的第一支撑件有一个紧邻钻孔口的周围区域的平面和一个由潜润滑材料而可分离地粘到所述第二支撑件的接触表面的相反的表面，所述的潜润滑材料当所述螺栓在所述钻孔中旋转时，由于产生的热而变为活性润滑剂。
3.权利要求
1中的地脚螺栓装置，其特征在于有一端焊到螺帽上而另一端焊到螺栓上的杆是基本直线的，当所述的螺栓在所述的钻孔中旋转时对应于可凝固的粘接材料的滞阻，所述的杆被优先地从其在所述螺栓上的连接点分离。
4.权利要求
3中的地脚螺栓装置，其特征在于该杆优先地从它和螺栓的连接点分离，从而提供一个在螺栓旋转时自由旋绕所述螺栓的自由端。
5.一个用于固定一个在有可凝固的粘接材料的钻孔中的螺栓的地脚螺栓装置包括(a)一个长螺栓;(b)当所述螺栓旋转时混合在所述钻孔中的所述粘接材料的装置;(c)套在所述螺栓上来使作用力作用在围绕所述钻孔口的区域的支撑装置具有位于所述螺栓上的和第一第二支撑件，所述第一支撑件有一个紧邻所述区域的平面和由潜润滑材料而可分离地粘到所述第二支撑件的接触表面的相反的表面，所述的润滑材料在所述螺栓旋转时由于产生的热而变为活性润滑剂，和在所述的粘接材料形成凝固硬化状态时拉紧所述螺栓的装置。
6.权利要求
5中的地脚螺栓装置，其特征在于所述的潜润滑材料为热熔性粘结材料。
7.权利要求
6中的地紧螺栓装置，其特征在于所述混合装置有一个旋在所述螺栓上的螺帽和一个在其一端和所述螺帽有连接点并在沿着所述螺栓的长度上远离所述螺帽的一点和螺栓有另一连接点的杆，当所述的螺栓在所述的钻孔中旋转时，由于可凝固的粘接材料的阻滞，所述的杆被优先地从其在所述螺栓上的连接点分离。
8.一个用于固定在有可凝固的粘接材料的钻孔中的螺栓的地脚螺栓装置包括(a)一个在其一端有一个头部并在其另一端有一个带有旋上的螺帽的螺纹部分的长螺栓;(b)用于在所述孔中混合所述粘接材料的装置，它有一个其一端连接到所述螺帽而其另一端连接到所述螺栓上的杆;(c)套在所述螺栓上来使作用力作用在围绕所述钻孔口的区域的支撑装置，它包括位于所述螺栓上的第一和第二支撑件，所述的第一支撑件有一个紧邻所述区域的平面和由潜润滑材料而可分离地粘到所述第二支撑件的接触表面的相反表面，所述的润滑材料在所述螺栓在所述钻孔中旋转时由于产生的热而变为活性润滑剂。
9.权利要求
8中的地脚螺栓装置，其特征在于所述的杆优先地从其和螺栓的连接点分离从而提供一个在螺栓旋转时自由旋绕所述螺栓的自由端。
10.权利要求
8中的地脚螺栓装置，其特征在于所述杆的二端由焊接连接到装置上。
11.权利要求
9中的地脚螺栓装置，其特征在于所述的杆以一个当装置旋转时迫使所述粘接材料向着螺帽运动的方向旋绕所述的螺杆。
12.权利要求
8中的地脚螺栓装置，其特征在于紧邻螺帽的所述螺栓的表面覆盖有上述的潜润滑材料。
专利摘要
用于固定在装有可凝固的粘接材料的钻孔中的螺栓的地脚螺栓装置，它使用一个在一端有一个头部而在另一端制有螺纹以接纳一个螺帽的标准光滑的螺栓或钢条。粘接材料混合的改善和螺栓拉紧的改善是由连接一根杆或金属丝到螺帽或头和沿螺栓上的另一点而实现的，设置有涂有潜润滑材料的、将压力作用在围绕钻孔口区域的支撑件，该潜润滑材料在螺栓在孔中旋转并拉紧时由于产生的热而变为活性润滑剂。
文档编号E21D21/00GK87105613SQ87105613
公开日1988年2月24日 申请日期1987年8月11日
发明者沃尔特·约翰·西蒙斯, 杰克·沃纳·利利斯, 罗纳德·德韦恩·昂格尔 申请人:纳幕尔杜邦公司