锚杆螺母与垫圈的力学性能研究.pptx

1、锚杆螺母与垫圈的力学性能研究,解决途径,实 现,方 法,锚杆螺母与垫圈 的力学性能,研究,国内外研究的主要结论,螺纹根部存在着严重的应力集中现象；螺纹联接的前三圈螺纹牙承受总载荷的70%左右；螺纹联接的危险应力出现在第一对螺纹牙的根部；锚杆螺纹螺距对锚杆预紧扭矩转化为预紧力的影响很小；螺纹与螺母之间的摩擦系数对螺纹牙载荷分布影响很小。,由于调心球垫强度及尺寸设计不合理，起不 到应有的调心作用，在井下经常出现球垫被挤 压变形的现象。,现场调研,调心球垫对锚杆尾部受力的影响，并对球垫的调心过程进 行了受力分析：,转动条件：由上式得出：煤矿现有的调心球垫与托盘配合后，球垫与 托盘之间始终处于自锁状态

2、，锚杆尾部受到严重的弯曲应力。,对现有螺母进行强度和形状的优化研究确定新型的减摩方式，提高锚杆扭矩转化率分析调心球垫的应力分布，确定自锁条件优化球垫与球窝的形状和尺寸，避免发生自锁,螺纹联接各参数为：锚杆螺纹段大径，24mm，螺距3mm，螺纹牙型，三角形螺纹。,螺纹联接的前三圈螺纹牙承受总载荷的67%左右。因此，对锚杆螺纹联接进行分析时，侧重对前三圈 螺纹牙的受力分析。,螺纹联接强 度计算,结合现场锚杆的实际安装过程，主要考 虑预紧力锚杆螺纹连接强度计算：,扭矩产生 的剪应力,其中，为预紧力产生的应力,总应力由此计算出井下锚杆的受力状况：式中：F0锚杆安装后的预紧力；F2锚杆所受的总力。,球垫

3、调心范 围分析,式中：Dm锚杆直径22mm，R调心球垫的半径23mm。由此得出：调心范围最大时，=3042,考虑托盘厚度，一般为10mm时，最大调心范围=1826,螺母不同性能等级对螺纹联接的影响不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响不同螺母厚度对螺纹联接的影响不同螺母形状对螺纹联接的影响,螺母不同性能等级对螺纹联接的影响螺母的性能等级：5级、6级和8级。,5级6级8级随着对锚杆施加轴向力，5级螺母锚杆尾部螺纹联接段出现了 明显的脱扣现象，螺母的内螺纹逐渐被拉平；6级和8级螺母的实 验现象相似，螺纹联接保持完好，锚杆发生破断。,不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响,不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响螺纹牙齿高分

4、4种：0.6H、0.7H、0.8H和0.875H。,0.6H0.7H0.8H0.875H齿高为0.6H，锚杆轴向力为200kN左右时，螺纹联接发生了 破坏，并且一旦破坏后，螺纹联接的承载能力迅速下降；齿高为 0.7H、0.8H和0.875H时，螺纹联接始终完好，锚杆发生破断。,不同螺母厚度及形状对螺纹联接的影响螺母厚度：20mm、30mm；螺母形状：有无法兰螺母。,20mm,30mm有法兰,对比以上三组曲线可知：螺母性能等级为6级时，其厚度及形 状对锚杆螺纹联接的强度匹配性影响不大。螺母厚度为20mm且 无法兰螺母即可满足强度需要。,不同型号轴承与不同形状螺母的匹配关系不同型号轴承与锚杆强度的

5、匹配关系不同型号轴承对锚杆扭矩转化效率的影响,不同型号轴承配合不同形状螺母与锚杆强度的匹配关系轴承型号：51205、51206；螺母形状：有、无法兰螺母。,51205-无法兰螺母51206-无法兰螺母51206-有法兰螺母51205-无法兰螺母能够满足锚杆强度要求，锚杆发生破断；51206-无法兰螺母不能满足锚杆强度要求，轴承被压碎；51206-有法兰螺母能够满足锚杆强度要求，锚杆发生破断。,用JAW系列微机控制电液伺服万能试验机对51205号 轴承做压缩试验，所得压力位移曲线。,由曲线可知，51205号 轴承所能承受的最大轴向 压力为500kN左右，能够 完全满足煤矿井下锚杆强 度需要。,不

6、同型号轴承对锚杆扭矩转化率的影响轴承型号：51105、51205、51305和51405。各轴承对应锚杆扭矩转化率,51105号轴承与尼龙垫片转化系数,调心球垫与托盘之间强度、刚度的匹配关系调心球垫调心效果的实验室试验,调心球垫与托盘之间强度、刚度的匹配关系球垫与托盘分别选用：漳村矿、新乡鼎盛、五阳矿和晋城利晨。,漳村新乡五阳晋城对比以上四组曲线可知：四组不同厂家托盘及球垫配合后，所 能承受的最大载荷为：350kN、270kN、250kN和370kN。基本 上都能满足煤矿井下锚杆强度需要。,四组不同托盘与球垫试验前（右）后（左）变形对比。,漳 村 矿新乡鼎盛 五阳矿晋城利晨,调心球垫调心效果的

7、实验室试验试验所用托盘与球垫和各构件的安装顺序。,漳 村 矿,新乡,各 构 件 组 合,托盘与球垫在不同角度下对扭矩转化系数的影响。,对比不同角度下锚杆扭矩转化为锚杆轴向力的关系可知：不同 岩面角度对锚杆扭矩转化率的影响较小。,不同厂家托盘与球垫配合时，球垫的调心效果。,漳 村 10,漳 村 15,新乡10,新乡 15,由以上四组曲线可知：两种调心球垫都发挥了一定的调心作用，但并不能避免锚杆弯曲；漳村矿球垫的调心效果明显优于新乡球垫；目前使用的球垫调心范围较小，最大为6.5。,本章小结锚杆屈服强度为500MPa时，螺母性能等级应不小于6级。锚杆尾部螺纹段螺纹的齿高取0.7H为宜。锚杆直径为22

8、mm时，若减摩轴承的轴径为25mm，螺母 采用有无法兰螺母均可；若轴承轴径为30mm，锚杆螺母必 须选择法兰螺母。减摩方式采用轴承比采用尼龙垫片转化系数提高了1倍。调心球垫与托盘之间的夹角对球垫调心范围的影响很大。锚杆弯曲对扭矩转化系数的影响较小。,不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响不同螺纹牙间隙对螺纹联接的影响不同性能等级螺母对螺纹联接的影响不同螺母厚度及形状对螺纹联接的影响不同受力形式对螺纹联接的影响,不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响不同齿高分别为：0.875H、0.8H、0.7H和0.6H。,第一圈第二圈第三圈根据螺纹联接前三圈螺纹牙受力曲线可知：齿高为0.875H、0.8H和0.7H时，三者

9、螺母受力及变形基本相同，螺纹联接保持完好；齿高为0.6H时，螺纹联接发生破坏，不能充分发挥锚杆螺纹段的强度。,不同螺纹牙齿高对螺纹联接的影响不同齿高分别为：0.875H、0.8H、0.7H和0.6H。,不同螺纹牙间隙对螺纹联接的影响不同螺纹牙间隙分别为：0mm、0.05mm和0.1mm。,螺纹与螺 母间隙,螺纹间隙示意图,不同间隙下，前三圈螺纹牙受力曲线。,第一圈第二圈第三圈根据螺纹联接前三圈螺纹牙受力曲线可知：间隙为0.1mm、0.05mm时，两者螺母受力基本相同，均高于间隙为0mm时螺纹 牙受力；间隙0.1mm时螺母变形比间隙为0.05mm时螺母变形相 差很大，0.1mm时螺纹联接发生破坏

10、。,不同性能等级螺母对螺纹联接的影响不同性能等级分别为：5级、6级和8级。,第一圈第二圈第三圈根据螺纹牙受力曲线可知：螺纹牙受力达到屈服应力前，不同 性能级别螺母受力基本相同；螺母性能等级越低，其第二圈、第三 圈螺纹牙受力越大；性能等级为5级时，螺纹联接发生破坏。,不同螺母厚度及形状对螺纹联接的影响不同厚度及形状分别为：24mm、38mm和法兰螺母。,不同螺母厚度及形状对螺纹联接的影响不同厚度及形状分别为：24mm、38mm和法兰螺母。,第一圈第二圈第三圈根据螺纹牙受力曲线可知：螺母厚度38mm与24mm，各圈螺 纹牙受力基本相同，且厚度大于24mm后螺母各圈螺纹牙基本不受 力；法兰螺母使各圈

11、螺纹牙的受力更加均匀。,不同受力形式对螺纹联接的影响对螺母施加不同的力：400N.m扭矩和100kN轴向力。,400N.m100kN对螺母施加扭矩比直接施加轴向力时，螺母各圈螺纹牙之间的 应力差值变小；对螺母施加扭矩，会导致螺母各圈螺纹牙的受力增加。,调心球垫与托盘之间强度匹配关系调心球垫与托盘之间夹角对调心效果的影响调心球垫与托盘之间摩擦系数对调心效果的影响调心球垫调心效果对锚杆受力的影响,托盘球窝受力球垫应力集中处受力,球垫无应力集中处受力,球垫强度不同时，托盘受力基本一致，且最终受力超出屈服应力10%左右；球垫取三种不同强度时，其受力超出屈服强度分别为：24.3%、10.9 和2.5%。

12、,调心球垫与托盘之间强度匹配关系托盘强度为235MPa，球垫强度分别为：235MPa、285MPa和335MPa。,调心球垫与托盘之间夹角对调心效果的影响三种不同夹角为：30、45和60。,夹角30,夹角45,夹角60,调心球垫与托盘之间夹角对调心效果的影响三种不同夹角为：30、45和60。,夹角30夹角45夹角60球垫能够发挥一定的调心作用，但不能避免锚杆发生弯曲；球垫与托盘之间夹角越大，球垫发挥作用时，锚杆弯曲的角度越小；球垫一旦发挥调心作用，锚杆弯曲程度不会增加。,调心球垫与托盘之间摩擦系数对调心效果的影响三种不同摩擦系数为：0.18、0.3和0.4。,摩擦系数0.18,摩察系数0.3摩

13、擦系数0.4,摩擦系数越大，球垫开始发挥调心作用时，锚杆弯曲角度越大；摩擦系数越大，锚杆最终弯曲的角度越大，球垫一旦发挥调心作用，锚杆弯曲程度不会增加。,时，锚杆应力增 加了58.6%。,使杆用未调发心生球弯垫曲比时，锚,调心球垫调心效果对锚杆受力的影响锚杆三种不同状态为：锚杆不弯曲、不使用球垫和使用球垫。不使使用用球调垫心后球，垫比锚,锚杆使未锚发杆生受弯力曲减,杆应力少增了加66了%124.6%。,本章小结螺纹牙齿高最小为0.7H。锚杆的屈服强度为500MPa时，螺母的性能等级为6级；杆体屈服强度为600MPa时，螺母性能等级为8级。当螺母的厚度大于24mm时，螺母各圈螺纹牙的受力基本 一

14、致。球垫的强度应比托盘的强度高20%左右。调心球垫与托盘球窝之间的角度最好为30左右。调心球垫与托盘球窝之间的摩擦系数对球垫的调心效果影 响较大。,现场锚杆支护中的减摩方式采用51105号轴承；锚杆支 护构件有的使用调心球垫，有的不使用调心球垫。由于时间 原因，锚杆构件采用矿上现有的螺母、调心球垫及托盘。,由于螺母与杆体螺纹段不匹配，导致锚杆尾部螺纹联接失效，从而影响整个锚杆支护强度。,有无调心球垫对锚杆受力的影响,无调心球垫的锚杆安装后，锚杆尾部的受力更加复杂，锚杆 的弯曲程度明显增加，不利于锚杆杆体强度的发挥。,有无调心球垫对锚杆断裂形式,有球垫锚杆断裂,无球垫锚杆断裂,井下球垫发生挤压变

15、形,无调心球垫时，锚杆弯曲过程中卡住托盘，使锚杆尾部螺纹 段发生破断；由于调心球垫强度及尺寸的不合理，影响球垫调心作用的发 挥，同样使锚杆螺纹段发生破断。,实验室试验和现场试验的51105号轴承锚杆扭矩转化关系,锚杆采用51105号轴承的作为新型的减摩方式时，现场试 验与实验室试试验的锚杆扭矩转化效率基本相同。现场试验中51105号轴承发生破坏现象,由于51105号轴承的强度不够，且不能承受巷道中的冲击 载荷，在锚杆安装过程中和围岩进一步变形的过程中，51105号轴承发生了破坏现象。,锚杆杆体屈服强度为500MPa时，螺母的性能等级为 不小于6级；锚杆杆体杆体屈服强度为600MPa时，螺母 的性能等级为不小于8级。锚杆尾部螺纹段齿高最小不能低于0.7H。螺母厚度取24mm为宜，法兰螺母比无法兰螺母的受 力更加均匀，各圈螺纹牙之间的应力差值更小。调心球垫与托盘之间的夹角取30为宜。调心球垫与托盘球窝之间的摩擦系数越小，锚杆弯曲 的角度越小。球垫的强度应高于托盘的强度20%左右。减摩轴承最好选择51205号轴承。,祝大家新春快乐,谢谢,