本申请要求于2015年7月20日提交的、序列号为62/194,716的美国临时专利申请的权益和优先权，该专利申请的内容通过参引并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于下述盖或覆盖件的紧固系统，所述盖或覆盖件用于在各种地下工业中使用的处于地下或地平面处的拱顶室上。
背景技术：
在公共事业、安全部门以及铁路部门或其他工业中应用的地下的或埋入的拱顶室、坑室或箱可以容纳共轴纤维或光导纤维、铜线缆以及气体、电力线和其它导管、工业阀门、WI-FI天线等。用于地下公共事业的拱顶室和坑经常需要被打开以进行维修或者改善服务。典型地，公共事业拱顶室和坑包括混凝土盖、聚合物混凝土盖或塑料盖，所述盖通过一端具有钩的工具或镐打开。该钩插入穿过盖或覆盖件中的孔并且用于撬动盖或覆盖件使其离开拱顶室或坑顶上的开口。
在使用地下箱的过程中，覆盖件或盖可以安装在大致地平面处。由诸如塑料、混凝土、聚合物混凝土和纤维增强复合材料之类的各种材料形成的这些覆盖件或盖通过例如直螺栓或L螺栓等各种方法固定就位。所述螺栓通常穿过覆盖件并且进入到地下箱中，在该地下箱中，螺栓拧入被保持的螺母或者类似装置中，从而将覆盖件紧固至该箱。该紧固系统非常容易失效并且许多已安装的箱/覆盖件单元被故意损坏以再次进入该箱室中并接近例如铜或光纤的外壳之类的内部的基础设施。在通常定位在相对角上的螺栓将覆盖件附接至箱的情况下，该损坏通常是但不限于破环覆盖件的角。当然，这意味着覆盖件不再固定至箱并且该覆盖件显著减弱至下述程度：该覆盖件将不可能传递接近车辆负载的该实施所规定的载荷要求。由于覆盖件不再被螺栓——所述螺栓通常包括防损坏特征，比如需要不常用的专用工具来接近的“五角”头部设计——固定，因此公共事业拱顶室经受破坏，由于易于接近意在被这些安全特征所保护的基础设施，该事实造成容易进行盗窃或不期望的破坏。
紧固系统的失效通常通过两种机制发生，即，螺栓和螺母咬粘在一起并且螺栓不能被转动来移除，或者螺栓和螺母咬粘，并且该螺母脱离其保持器并且当其转动时与螺栓一起旋转。在一些系统中，存在另外的失效模式，在该失效模式中，螺栓螺纹被剥离并且螺栓不能被移除。所有这些情形防止了覆盖件的移除并且致使技术人员破环覆盖件以得以进入。由于用于制造覆盖件的先进复合材料的最新发展和配置，所述先进复合材料不会如旧的材料那样在角处破碎，并且在保持系统失效的条件下需要极端措施以重新进入箱中，使得这个问题进一步恶化。这些情形对于配置包括但不限于电信、交通、能源分配和其他公共事业的地下箱的所有公共设施公司来说是寻常和普遍的。
已经试过用于解决紧固系统失效的各种尝试。例如，为了解决螺栓/螺母咬粘的一些方面，比如当不锈钢螺母和螺栓磨伤而引起螺母和螺栓咬粘时，螺母或螺栓已经由黄铜螺母或螺栓取代或者添加防咬粘化合物以防止不锈钢对不锈钢的磨伤。然而，尽管磨伤会是一个问题，但是更大的问题是颗粒特别是砂子、土壤、水泥和聚合物混凝土颗粒对螺纹的污染。由于这些安装在土壤或人行道中进行，颗粒几乎总是污染螺纹，并且防咬粘化合物的添加对颗粒提供了油脂状化合物以使颗粒粘附至螺栓/螺母的螺纹界面并且将颗粒运送至螺栓/螺母的螺纹界面中。因此，大多数的失效是由于螺纹的污染并且当前的解决方案没有解决这一问题。
因此需要提供一种用于将盖或覆盖件附接至地下的或埋入的拱顶室、坑、室或箱的改进的紧固系统，所述改进的紧固系统解决了先前的紧固系统的缺点并且允许在不破坏盖或覆盖件的条件下进入所述箱的室中。
技术实现要素：
本发明是一种用于地下的或埋入的拱顶室、坑、室或箱的覆盖件或盖的紧固系统，其解决了先前的紧固系统的问题并且能够在不损坏盖的情况下容易且廉价地进入到所述箱的室中。本发明是一种紧固系统，其包括螺母螺栓布置，该螺母螺栓布置减少了失效的机会，并且当失效发生时，失效模式改变成使得仍可以在不损坏覆盖件或箱的情况下进入到拱顶室中，并且已失效的部件可以容易且廉价地进行替换。本发明的紧固系统提供了配置在地下的箱和覆盖件内的两种类型的螺母保持设计，其中，一种是将固定的螺母附接至箱，此时，该螺母保持静止，并且第二种是浮动的螺母设计，此时，允许该螺母在箱中的轨道或笼内移动以弥补一定程度的不对准。
本发明的紧固系统的失效模式已经移动至由螺母包含的螺纹，使得螺栓、螺母保持器和螺母附接点保持完好。在该实施方式中，螺母在不损坏其他任何物体的情况下脱离。通过仔细选择用于形成紧固件的螺母、螺栓和保持器的材料，实现了期望的失效模式并且失效模式的性能设计成对有用的结果起作用，特别是螺纹和螺母在任何其他失效模式之前脱离。
用于螺母的材料是复合类型材料，例如但不限于玻璃填充尼龙，该玻璃填充尼龙具有良好的强度，但是允许螺母螺纹在任何其他失效模式之前剪切。通过控制螺纹接合的长度以及相对于螺栓直径的孔直径，紧固件能够满足扭矩需求并且仍允许螺母螺纹首先失效。通过对材料、孔直径和螺纹接合的调整，获得期望的失效模式。由于螺纹形成期间高应力集中在螺母中，因此需要适当的导引倒角以防止螺母的破裂，通常是1/16英寸至1/8英寸对边距的45度倒角。
与部件的材料选择相结合，某些几何结构特别是部件界面处的几何结构被优化成确保失效以期望的模式并且在期望的部件中发生。可以应用很粗的方头螺栓型螺纹，这是因为其善于在复合材料中形成螺纹并且允许螺母材料获得最终在剪切作用下失效的所需的高扭矩极限。通过参照以下详细描述和附图将更加清楚地理解本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
图1是本发明的紧固系统的俯视图；
图2是图1的紧固系统的部分剖视图；
图3是替代性实施方式紧固系统的部分剖视图；
图4是具有由图1或图3的紧固系统附接的盖或覆盖件的地下拱顶室、坑、室或箱的立体图；以及
图5是图4的剖视图。
具体实施方式
参照图1和图2，示出了本发明的紧固系统10。该紧固系统包括螺栓12、螺母14和螺母保持器16。紧固系统10用来将盖或覆盖件附接至地下的或地平面的拱顶室、坑、室或箱，所述地下的或地平面的拱顶室、坑、室或箱随后将在文中更加详细的描述。螺栓12通常是具有粗螺纹18以与螺母14接合的方头螺栓，其中，该粗螺纹18定位在延伸穿过螺母的孔24的螺纹接合部段22中。该螺栓的螺纹在安装期间将切入到螺母的螺纹接合部段中，从而在螺母中形成螺纹。
螺栓12包括头部19，该头部19可以是传统的头部设计或者可以包括防损坏特征，例如需要专用工具来操纵的五角头部设计。具有细螺纹的螺栓也可以用于该紧固件。延伸穿过螺母的孔24包括延伸至螺栓对准部段28的螺栓导入倒角26，该螺栓对准部段28延伸至定位在螺栓对准部段28与螺纹接合部段22之间的螺纹接合部段导入倒角30。导出倒角32从该螺母的螺纹接合部段延伸至螺栓遮盖部段34。该螺母还包括凸耳36和38，所述凸耳36和38位于该螺母的邻近导入倒角26和螺栓对准部段28的上部部分的两侧上。所述凸耳还可以沿着螺母的其他部分定位。
螺母14定位在包括腔40的螺母保持器16内，其中，腔40的尺寸与螺母的凸耳部相比过大，使得该腔与凸耳之间在侧部和底表面上存在空隙，从而本质上允许螺母在腔40内浮动。腔40包括孔42，使得螺母的剩余部分——即螺纹接合部段和螺栓遮盖部段——可以延伸穿过该保持器。孔42的直径小于凸耳的外部尺寸，使得螺母的上部部分保持在腔内。螺母保持器16还包括凸台44和46，所述凸台44和46定位在螺母保持器16的两侧上并且具有安装孔以接纳用于将保持器附接至拱顶室的螺钉48和49，如文中随后将讨论的。图1和图2的紧固系统10是浮动螺母类型，其中，允许螺母在保持器内移动以在某种程度上补偿被紧固在一起的部件的不对准。
图3示出了替代性实施方式的紧固系统50，该紧固系统50使用固定螺母52和螺栓54。紧固系统50不与紧固系统10类似地使用螺母保持器，是因为固定螺母52包括用于分别接纳螺钉60和62的孔56和58，其中，螺钉60和62用于将该螺母刚性地固定至待紧固在一起的部件中的一个部件，如文中随后将更加详细地讨论的。此外，固定螺母52类似于螺母14具有均处于延伸穿过该螺母的孔78内的螺栓导入倒角64、螺栓对准部段66、螺纹接合部段导入倒角68、螺纹接合部段70、螺栓遮盖部段导出倒角74和螺栓遮盖部段76。
本发明的紧固系统的两个实施方式都已经被设计用于将盖或覆盖件80附接至如图4和图5中所示的拱顶室、坑、室或箱82。盖80可以由混凝土、聚合物混凝土、铸铁、镀锌钢或塑料制成，并且最近可以由包括不饱和聚酯热固性树脂基体、玻璃纤维增强材料和无机或矿物质填充物的玻璃纤维增强的聚合物基质材料制成。拱顶室82还可以由这些材料中的任意材料制成。覆盖件或盖80包括定位在该盖的相对角中的通孔84和86。结合紧固系统10或50中的任一者以将盖80刚性地附接至拱顶室82，为了说明的目的，紧固件10被示出为穿过通孔84定位而紧固件50穿过通孔86定位。应该理解的是，所述紧固系统中的任一者或两者可以根据特定需求进行使用。对于紧固系统10，螺母保持器16将被紧固至拱顶室的内壁的周界边缘，使得螺栓12将被拧入到定位在盖下方的螺母14中。螺栓19将盖固定至拱顶室的边缘。紧固系统50需要将固定螺母52固定至内壁的边缘，使得螺栓54将穿过通孔86而被拧入到螺母中，从而将盖夹紧到拱顶室上。
本发明的紧固系统的优点在于该系统的失效模式已经移动至由螺母包含的螺纹，使得螺栓、螺母保持器和螺母附接点保持完好，从而本质上允许螺母脱离而不破坏其他物体并且仍可以移除螺栓。通过对制成螺母、螺栓和保持器的材料的仔细选择，实现了期望的失效模式并且该失效模式的性能被设计成允许螺纹和螺母在任何其他失效模式之前脱离。这通过由例如但不限于玻璃填充尼龙的复合材料制造螺母来实现，其中，玻璃填充尼龙具有良好的强度但允许螺母螺纹在任何其他失效模式之前剪切。通过控制螺纹接合的长度以及相对于螺栓直径的孔直径，紧固系统能够满足标准的扭矩要求，并且还允许螺母螺纹在过度扭转时首先失效。因此，对材料、孔直径和螺纹接合的调节可以设计成实现期望的结果。由于在螺纹形成期间高应力集中在螺母中，因此导入倒角和导出倒角防止了螺母的破裂并且所述倒角可以是具有1/16英寸到1/8英寸长度的对边距的45度倒角。通常，很粗的方头螺栓型螺纹被用于螺母的螺纹接合部段，因为所述很粗的方头螺栓型螺纹对于由复合材料形成螺纹是理想的，从而允许螺母材料获得所需的高扭矩极限，但是最终引起螺母螺纹在剪切作用下失效。该螺母的复合材料和设计几何结构以互补的方式工作，使得螺栓即使在螺纹和螺母已被剥离之后仍可以被移除。此外，在大多数情况下，即使在非常低的夹紧载荷的水平下，螺栓仍可以被重新安装和移除。这在不能立即获得替换部件时是非常有用的，并且在最终获得修理之前，所述螺栓仍为覆盖件或拱顶室组件提供一定水平防损坏能力。
本发明的紧固系统的另一优点在于复合材料和螺纹几何结构极大地否定了螺母和螺栓螺纹界面中的颗粒的影响。用于螺母的更加柔顺但弹性的材料允许颗粒在一定程度上压入到螺母材料中而没有显著的损坏，所述颗粒与很粗的螺栓螺纹联接以防止螺栓螺纹和螺母螺纹锁定在一起。其次，由于对复合材料的选择，当螺栓螺纹在捕获在螺母中的颗粒上移动时，所述颗粒被压碎并且被研磨成越来越细小的颗粒，所述越来越细小的颗粒随后在移除螺栓时从螺母的底部被逐出或者掉落。该紧固件系统是自清洁的。
用于螺母的复合材料包括玻璃纤维填充尼龙或具有纤维或颗粒填充物的类似的工程塑料。这种填充物可以包括诸如凯夫拉尔和诺梅克斯之类的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、各种玻璃纤维、硼、金属丝和钨，这些填充物在螺栓被驱动到螺母中时提供了研磨颗粒的材料。聚合物的弹性与填充物的硬度和锋利的结合防止了螺母咬粘以及颗粒被研磨成更小的尺寸并且防止紧固系统的咬粘。代替纤维或者除了纤维以外，硬颗粒可以结合到复合基体中，比如碳化物、陶瓷或诸如石榴石和蓝宝石之类的矿物质以及其他，使得所述硬颗粒作为使颗粒进行研磨的介质。
图1和图2的紧固系统或浮动螺母类型的另一优点在于复合材料和几何结构的选择确保失效模式出现在螺母螺纹处而不是螺母与螺母保持器的界面处。先前的紧固系统提供了下述失效情形，其中，当螺母和螺栓螺纹咬粘在一起时，螺母将在保持器中旋转，从而防止了螺栓的移除。紧固系统10的复合材料选择和几何结构确保螺纹首先失效，从而确保了在失效的情况下移除覆盖件的能力。此外，凸耳36和38在X，Y和Z轴上提供了间隙以容置X轴和Y轴上的不对准以及角度不对准。尽管示出了两个凸耳，但是可获得其他的几何结构来进一步加强螺母和螺母保持器的界面的耐久性。这样的几何结构可以包括啮合在螺母与保持器之间的一个或者多于两个的突出部或凸耳、零推力角界面或花键，所述几何结构都设计成允许螺母与螺母保持器之间的相对运动，同时具有在螺母螺纹在剪切载荷作用下失效之前保持完好的能力。
本发明的紧固系统的另一优点在于螺母的螺栓对准部段。该螺栓对准部段接近螺栓的外径并且在进入螺纹对准部段之前与螺栓对准。自对准特征对于螺栓是常见的但是对于螺母是不常见的。该螺栓对准部段确保了螺栓在螺栓轴与螺母中心线接近对准时进入螺母，其产生了恒定的就位扭矩值以及失效扭矩值。
本发明的紧固系统的另一优点在于螺母中结合有螺栓遮盖部段，该螺栓遮盖部段覆盖了螺栓的延伸超过螺纹接合部段的部分。这在由于电传导原因而要求所有金属部件被覆盖的拱顶室应用中使用时是重要的，并且还为拱顶室中的物品提供了远离螺栓的物理保护。
本发明的紧固系统的另一优点在于用于螺母的复合材料显著地增大了用于从螺母移除螺栓的扭矩，并且大体上提高了对由于振动或其他应力而松脱的阻力。由于用于本发明的紧固系统的增大的有效扭矩特征，可以将非常高的扭矩施加至该紧固系统而没有单个部件的松脱。其结果是，需要非常低的轴向压缩、甚至零轴向压缩以使紧固系统保持就位。这在使复合材料或者其他压碎敏感材料匹配时是非常有利的。该敏感部件可以接合至其他压碎敏感材料或者接合至其他非压碎敏感材料，而不会损坏或者担心其他压碎敏感材料或其他非压碎敏感材料由于振动、膨胀/收缩周期、接头压缩蠕变或者应力松弛而随着时间的推移变得松脱。
应该理解的是，尽管本发明的紧固系统已经被开发用于地下的或地平面的容纳箱和覆盖件系统，但是该紧固系统在螺母/螺栓紧固系统中具有广泛的应用并且应该理解的是本发明同样适用于两个部件被接合的所有情形并且不限于只是公共事业拱顶室/覆盖件应用。
尽管本发明已经结合其各个实施方式被公开且示出，但是应该理解的是，还可以对其做出变化和改型，所述变化和改型在本发明的如文中所要求的全部预期范围内。