（化工过程机械专业论文）膨胀锚杆锚固层制造与性能研究.pdf

摘要 摘要 膨胀锚杆是一类锚固机理独特的摩擦型锚杆，其锚固作用形式不同于传 统的锚杆，克服了现在常用锚杆对软岩和大变形巷道适应性差的缺陷，锚固 性能优越，成本低，可回收复用。本研究具有重要的学术意义和工程意义， 同时也具有良好的经济和社会效益。 作者的主要工作是设计制造出膨胀锚杆，并研究其各项性能。作者首先 根据膨胀锚杆的几何尺寸和最大膨胀直径要求，设计出了满足机构可行的c 型锚固层；调研、分析了类c 型钢的各种塑性成型方法，经过对比筛选，最 终确定了用辊式冷弯。成型的方式制造膨胀锚杆锚固层c 型结构，并做了c 型结构的冷弯成型设计，开制出成型模具，加工出了膨胀锚杆c 型锚固层。 然后，利用a n s y s 有限元分析软件对膨胀锚杆的受力、变形、与围岩 锚固接触等进行分析计算，来指导锚杆设计与加工制造，主要工作有：膨 胀锚杆锚固层膨胀性能分析( 主要分析密封层橡胶的膨胀性能，锚固层c 环 的滑动变形情况，考察锚固层的最大膨胀直径以及所能承受的最大密封层压 力) ；围岩半径对接触力影响的分析( 考察围岩半径大小对锚杆与围岩之 间接触力的影响，为膨胀锚杆锚固性能分析做准备，同时为布锚设计提供依 据) ；膨胀锚杆拉锚性能分析( 分析不同锚孔直径下，内注压力和锚固接 触力之间的关系，并得出锚杆所能提供的最大接触力) ；膨胀锚杆杆体抗 拉性能分析( 分析不同锚孔直径下，膨胀锚杆在满足所要求的拉锚固性能的 同时，锚杆本身的强度是否满足要求，即锚杆在松动围岩的摩擦拉拔之下， 是否会发生破坏) 。 数值模拟表明，膨胀锚杆能对围岩发挥有效的锚固作用，克服传统锚杆 对软岩与大变形巷道适用性差的缺陷，锚杆结构合理，性能可靠。 关键词膨胀锚杆；辊式冷弯成型；拉锚力；接触应力 a b s t r a c t a b s t r a ct e x p a n d a b l eb o l t ，w h i c hh a sau n i q u ea n c h o r i n gm e c h a n i s m ，i so n ek i n do f f r i c t i o nb o l t i ti sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lb o l ti na n c h o r i n ga c t i o n ，o v e r c o m i n g t h e s h o r t a g e o fc o m m o nb o l t s - b a d a d a p t a b i l i t y t os o f tr o c ka n dl a r g e d e f o r m a t i o nt u n n e l i th a sl o w e rc o s t ，e x c e l l e n ta n c h o r i n gc a p a b i l i t ya n dc a nb e c a l l e db a c kt h e nr e u s e d s ot h es t u d yh a sb o t ha ni m p o r t a n ta c a d e m i cm e a n i n g a n de n g i n e e r i n gm e a n i n g ，a sw e l la sg o o ds o c i a la n de c o n o m i cv a l u e s t h em a i nw o r ko ft h ea u t h o ri st om a n u f a c t u r ee x p a n d a b l eb o l ta n ds t u d yi t s v a r i o u sc a p a b i l i t i e s f i r s t l y , a c c o r d i n gt od i m e n s i o n so fe x p a n d a b l eb o l ta n dt h e l a r g e s te x p a n s i o nd i a m e t e r ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ec s e c t i o ns h a p eo fa n c h o r i n g l a y e r ；t h e ng a t h e r e da n da n a l y z e da l lp l a s t i cm o l d i n gm e t h o d so ft h ec s e c t i o n s t e e l a f t e rc o m p a r i n g ，t h ea u t h o rd e c i d e dt om a c h i n i n gt h ecs e c t i o ns t e e l c o m p o s i n gt h ea n c h o r i n gl a y e ro ft h en e wb o l tw i t hc o l dr o l l - f o r m i n gm e t h o d ， d e s i g n e dt h ef o r m i n gp r o c e s s ，m a d eas e to fr o l lf o r m i n gd i e sa n dm a n u f a c t u r e d t h ecs e c t i o ns t e e l s e c o n d l y ，t og u i d et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe x p a n d a b l eb o l t ，t h e a u t h o ra n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o no ft h eb o l tu n d e rt h ei n n e rp r e s s u r ea n dc o n t a c t s t r e s sb e t w e e nt h eb o l ta n dt h er o c kw i t ht h ef e ms o f t w a r ea n s y s t h em a i n w o r k ：( 1 ) a n a l y s i so ft h ee x p a n s i o nc a p a b i l i t yo ft h eb o l t ( i n c l u d i n ga n a l y z i n gt h e e x p a n s i o nc a p a b i l i t yo ft h ea i r p r o o fl a y e r ，t h es l i d i n ga n dd e f o r m a t i o no fcr i n g c o m p o s i n gt h ea n c h o r i n gl a y e r , t oo b t a i nt h el a r g e s te x p a n s i o nd i a m e t e ra n dt h e l a r g e s ti n n e rp r e s s u r et h a tt h eb o l tc a nb e a r ) ( 2 ) a n a l y s i so ft h ei m p a c to fr o c k d i a m e t e ro nt h ec o n t a c ts t r e s s ( g e t t i n gt h er o c kd i a m e t e ra tw h ic ht h es t r e s s b e t w e e nt h er o c ka n dt h eb o l tw i l lc h a n g el i t t l e ，t op r e p a r ef o rt h ea n a l y s i so f b o l t a n c h o r i n gc a p a b i l i t y , a sw e l l a sf o rt h eb o l td i s t r i b u t i n gd e s i g n ) ( 3 ) a n a l y s i so ft h ea n c h o r i n gc a p a b i l i t yo fe x p a n d a b l eb o l t ( a n a l y z i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ec o n t a c ts t r e s sa n di n n e rp r e s s u r eu n d e rd if f e r e n ta n c h o r i n gd i a m e t e r , g e t t i n gt h el a r g e s tc o n t a c ts t r e s st h ee x p a n d a b l eb o l tc a ns u p p l y ) ( 4 ) a n a l y s i so f 1 1 1 山东大学硕十学位论文 t h eb o l tb o d y sd r a w i n gr e s i s t a n c eo ft h ee x p a n d a b l eb o l t ( i n s p e c t i n gw h e t h e rt h e s t r e n g t ho ft h eb o l tb o d yi se n o u g hu n d e rd i f f e r e n ta n c h o r i n gd i a m e t e rw h i l e a n c h o r i n gc a p a b i l i t yi sa v a i l a b l e ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a t ：t h ee x p a n d a b l eb o l tc a ns u p p o r tt h e w a l lr o c ke f f e c t i v e l ya n do v e r c o m et h es h o r t a g e so ff i t t i n gb a d l yt os o f tr o c k a n d l a r g ed e f o r m m i o nt u n n e lo fc o m m o n b o l t s i t ss t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea n di t s p e r f o r m a n c ei sc r e d i b l e k e yw o r d se x p a n d a b l eb o l t ；c o l dr o l lf o r m i n g ；t e n s i l ea n c h o r i n gf o r c e ；c o n t a c t s t r e s s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人承担本声明的法律责任。 论文作者签名：红锄 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门与机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 做作者躲盈吐翩躲斑日期：华引 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 锚杆支护技术的发展与现状 岩土锚固技术【l 巧】是近代岩土工程领域中的一个重要分支。它是一种结 构简单的主动支护，能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，能有效地控 制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，把围岩从 荷载变为承载体，变被动支护为主动支护1 6 】。 近十几年来，锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途和经 济的造价，在岩土加固领域中显示出越来越旺盛的生命力。目前不仅广泛应 用于煤矿矿山工程，而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、土木建 筑等工程之中。伴随着“2 l 世纪一地下工程的世纪 的来临，可以预见，该 技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用【7 母】。目前世界上各类锚杆多达 6 0 0 多种。每年使用的锚杆量多达2 5 亿根，如果能设计制造出性能优良、 价格低廉的锚杆，会给多个行业做出很大贡献，并能创造出巨大的经济效益。 自l8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，采用锚固 技术以来，锚固技术至今己有1 0 0 多年的发展历史【1 0 。12 1 。其间涌现出了各式 各样的锚杆。工程上常按如下方法分类【1 3 舶】： 1 ) 按应用对象分，有岩石锚杆和土层锚杆； 2 ) 按有否施加预应力分，有预应力锚杆和非预应力锚杆； 3 ) 按锚固体传力方式分，有压力式锚杆、拉力式锚杆和剪力式锚杆； 4 ) 按锚杆锚固方式分，有端头锚固式锚杆和全长锚固式锚杆； 5 ) 按锚固机理分，有机械型锚杆、粘结型锚杆和摩擦型锚杆。 1 1 1 机械型锚杆 机械型锚杆1 7 1 通过锚头材料与围岩之间的机械阻力产生锚固作用。基本 形式有楔缝式锚杆、涨壳式锚杆和爆固式锚杆。 1 ) 楔缝式锚杆1 8 a 9 在锚杆头部的楔缝中插入楔子，通过岩石的反力及岩石同锚头材料的摩 擦阻力获取锚固力。主要应用于施工期间或使用年限较短的洞室中加固危 山东火学硕上学位论文 岩，防止塌落。其特点是施工快，但锚固力较小，且会随时间的增长而降低。 2 ) 涨壳式锚杆【2 0 】 把带有楔梢的插头或锥形螺母放入锚杆头部的涨壳内，同锚杆一起插入 锚孔内，使涨壳向外扩张，压紧岩层，从而获得锚固力。 3 ) 爆固式锚杆【2 1 】 用装有火药的钢管在插入锚孔后使之爆炸。由于钢管的扩张与岩层压紧 使之产生锚固力。这种形式的优点是在锚杆插入锚孔后，能瞬间同时完成许 多锚杆的安装。且适用于较软弱的岩层。 各种类型的机械型锚杆按其锚固方式而言均属于端头锚固式锚杆【1 7 , 2 2 】。 这类锚杆通过端部的锚头锚固在围岩中，在杆体另一端则由托板同岩面接 触，并通过拧紧螺栓使托板与岩面贴紧。显然，锚杆仅仅在两端与围岩联结 在一起，当围岩变形时，锚杆的变形在锚头和托板这两点上与之协调。在这 种变形过程中，锚杆通过托板对围岩提供一个集中的支护抗力，与此同时， 在锚头处也对岩体作用一相应的集中力，从而对围岩产生支护作用。 机械型锚杆的优点是：安装容易、工艺简单、安装后立即起到支护作用。 缺点是：锚固力小，杆体容易锈蚀；而且时间久了容易滑动，特别是在软岩 中，锚头锚固是不可靠的。 1 1 2 粘结型锚杆 粘结型锚杆是在锚杆与锚孔壁之间的空隙中放入粘结材料( 如水泥砂 浆、环氧树脂等) ，粘结材料凝固后产生锚固力。基本形式有砂浆锚杆和树 脂锚杆。 1 ) 砂浆锚杆【2 3 2 6 】 锚杆插入锚孔后，在杆体和孔壁之间灌入水泥砂浆，把锚杆杆体和孔壁 岩石粘结为一体，以起到加固岩石的作用。常见的类型有普通钢筋砂浆锚杆、 螺纹钢筋砂浆锚杆和楔缝式砂浆锚杆1 2 7 1 。 2 ) 树脂锚杆1 2 8 , 2 9 】 以高分子合成树脂为粘结材料，把锚杆杆体和孔壁岩石粘结在一起的新 型锚杆。具有承载快、锚固力大、安装可靠、操作简便、劳动强度小和有利 于加快施工速度的特点，克服了砂浆锚杆中砂浆收缩引起的不可靠因素。但 2 第l 章绪论 造价高，材料来源受到一定限制。目前煤矿应用的较多一些。近年来法国、 美国和西德等国家大力发展了树脂锚杆。 粘结型锚杆的优点是：在整个锚孔壁上岩体与杆体紧密连接，具有较高 的锚固力，对围岩的适应性强，而且结构简单，加工、安装方便。缺点是： 锚杆粘结材料固结的慢，安装后不能立即受力，也不能施加预应力；而且抵 抗爆破震动的性能差 2 7 , 3 0 】。 1 1 3 摩擦型锚杆 摩擦型锚杆通过锚杆杆体与围岩之间的摩擦阻力产生锚固作用。基本形 式有管缝锚杆和s w e l l e x 锚杆。 1 ) 管缝锚杆 将纵向开缝的薄壁钢管强行推入较其外径要小的锚孔中，借助钢管对孔 壁的径向压力而起到摩擦锚固作用的锚杆。 管缝锚杆3 1 3 3 1 的优点是：可以用于软岩中，且可以及时发挥锚固作用， 安装方便，费工时少，成本低，同时它是在全长上锚固，故锚固力比较大； 缺点是：管缝式锚杆锚固力受管径与锚孔直径差值的影响较大，此差值小， 则安装困难，此差值大，则锚固力小，所以在l9 9 7 年以后全国各大型矿业 集团都将其列为淘汰产品，目前很少使用。 2 ) s w e l l e x 锚杆 s w e l l e x 锚杆又称水胀锚杆【3 4 铷】，是瑞典a t l a sc o p c o ( 阿特拉斯科普柯 公司) 于1 9 8 2 年投放市场的一种新型锚杆，它是将用薄壁钢管加工成的异 形空腔杆体送入锚孔中，通过向该杆件空腔高压注水使其膨胀并与孔壁产生 的摩擦力而起到锚固作用的锚杆。 s w e l l e x 锚杆的优点是：锚固力大、适应范围广，能适应从砂土、粘土 到最硬花岗岩等各种不同的地质条件，安装使用方便，埋设速度快，安装质 量受人为因素影响小；缺点是：耐腐蚀性差，并且成本较高，不具有回复利 用性能。 3 ) 柔性注压锚杆1 3 9 】 近几年由宋振骐院士、王威强教授、崔宝春和陈中合等人提出和发展起 来一种新型锚杆一柔性注压锚杆，该锚杆是一种摩擦型锚杆，属于“主动支 山东人学硕，l 学位论文 护”，在锚杆安装以后，锚杆就对围岩提供轴向和横向的支护阻力，且随着 围岩在一定的范围内变形，支护阻力不断增加，有较好的适应围岩变形的能 力，更有利于改善软岩巷道的支护状况，保持巷道围岩的长期稳定。 柔性注压锚杆( 见图1 1 ) 采用高强高分子材料做成空腔锚杆体，杆体 壁中采用纵向线性高强材料( 如高强钢丝) 对杆体纵向刚性增强，当向杆腔 注入压力后，锚杆可产生较大的整体径向变形，纵向变形微小，杆体在膨胀 力作用下，锚杆与锚孔通过摩擦作用提供锚固力。缺点是：锚杆径向变形仅 受控于锚孔，而在裸露处不受限制易破坏。 螺母 锚盘 密封结构空腔锚杆体 圈岩 盲端 图卜l 柔性注压锚杆的结构与安装示意图1 3 9 】 4 ) 环向限延伸柔性注压锚杆4 0 1 王威强、陈中合等人在柔性注压锚杆的基础上又提出了环向限延伸柔性 注压锚杆( 见图1 2 ) ，该锚杆的杆体壁内增加了高强环向变形限制层，克服 了柔性注压锚杆径向变形仅受控于锚孔，而在裸露处不受限制易破坏的缺 点，实现较大的整体径向有限变形( 变形量1 0 3 0 ) ，由杆体与围岩之间的 摩擦力和坎嵌变形产生的剪力来实现全长锚固。 比较发现，环向限延伸柔性注压锚杆的优势在于其柔性，在保持轴向具 有刚性锚杆的抗拉强度和轴向锚固力的同时，径向具有大变形特性，能满足 锚杆与松软、破碎围岩的变形相协调，施加对围岩的挤压作用。同时，该柔 性使得人们很容易控制锚杆的锚固力、便于检测锚杆内腔的压力和监测矿压 变化。 最近环向限延伸柔性注压锚杆已作为功能锚杆( 测压锚杆) 在煤矿推广 使用，表现出了优异的性能。有关环向限延伸柔性注压锚杆的加工制造方法 和性能研究详见文献e 4 1 】。 4 圈1 2 环向限延伸柔性注压锚杆结构示意图【4 0 l 5 ) 膨胀锚杆l 虻】 环向限延伸柔性注压锚杆的性能己经满足了锚固的要求，但是由于该 锚杆成车较高等原因，其应用范围受到了限制。其存在的主要问题有： 锚杆纵向增强和环向定长伸缩结构都包裹在高分子材料中，使得高 分子材料用料多，锚杆成本因此而偏高： 杆体需要共挤纵向增强材料与内层( 密封层) 、环向缠绕带状的限长 伸缩层以及挤出杆体外层( 耐磨层) 等多个工序连续完成，使得锚杆加工设 各较为复杂设备一次性投入高不便于分散加工； 纵向增强紧贴密封层胶管，对胶管的强度和密封性能有损伤。 针对环向限延伸柔性注压锚杆的不足，王威强教授和颜建成等又提出了 膨胀锚卡t ，膨胀锚杆的设计是在坚持环向限延伸柔性注压锚杆基本原理不变 的前提下，做出了如下改进： 简化锚杆结构，将其分为密封层、保护层和锚固层( 由内到外) 三 部分，各层之自j 相对独立实现分散加工和最后组装的加工工艺； 将环向限延伸柔性注压锚杆的带状环向定长伸缩结构改进成筒状结 构，无需缠绕置入； 将纵向增强安置在环向定长伸缩结构的外围，甚至将二者台二为一； 改进锚头结构设计。实现杆体锚固层与锚头的可涨缩连接结构。 经过改进后的膨胀锚杆的断面结构( 包括密封层、保护层和锚固层) 如 山东大学硕。1 ：学位论文 图1 3 所示。 锚固层是膨胀锚杆的最外层，主要起到与围岩挤压接触时产生摩擦力， 从而提供锚杆轴向拉锚力的作用，因此该层须应具有较高的抗拉抗压强度和 抗剪强度，其外表面粗糙以利于产生摩擦力；该层还应具备一定膨胀伸缩功 能，以利于内层密封层橡胶管的膨胀变形；另外，通过研究发现，在长时间 的使用过程中，密封层胶管高分子材料将产生蠕变等变形，锚杆杆体承压性 能降低，尤其是遇到被锚固的岩土孔壁存在蜂窝空隙或孔口坍塌时，锚杆会 产生锚杆体环向局部破损，锚固失效。所以需要在锚杆锚固层植入环向定长 伸缩结构，对杆体进行环向增强。 密封 内c 图1 - 3 膨胀锚杆断面结构示意副4 3 j 1 2 问题的提出及研究意义 膨胀锚杆的总体结构如图1 4 所示。颜建成在其硕士学位论文1 4 3 j 中对膨 胀锚杆做了大量的研究工作，完成了膨胀锚杆密封层、保护层和配件( 包括 锚头、锁紧套、盲堵和堵头等) 的结构设计、材料选择和加工制作，并对锚 固层结构做了初步研究，认为c 型结构锚固层具有锚固性能和结构上的优 势，进而用简易方法加工出试验用锚固层c 型结构，最后组装成锚杆完成了 膨胀锚杆性能测试实验，得出了一些实验数据。要想实现膨胀锚杆的工业化 生产，需要使用一种高效廉价的方式批量地生产锚固层c 型结构；另外目前 缺乏膨胀锚杆膨胀性能、拉锚性能和杆体抗拉性能的分析计算，而且锚杆与 围岩相互作用的分析和计算也有待于进一步深化。 6 第1 章绪论 堵头盲堵密封层保护层锚固层密封锚头托盘螺母 图1 4 膨胀锚杆整体结构示意图1 4 3 1 膨胀锚杆既具有一般摩擦型锚杆的基本作用，又能承受较大围岩变形、 持续维持膨胀作用。因此，膨胀锚杆具有许多优点：全长锚固、对围岩施加 挤压加固效应、摩擦型锚固适应围岩变形且不易因围岩大变形而失效、很容 易控制锚杆的锚固力、便于检测锚杆内腔的压力和监测矿压变化、容易实现 锚杆的回收复用，而且锚杆成本低，安装使用方便和耐腐蚀等。因此完成膨 胀锚杆锚固层的连续化生产和各项性能的分析计算对膨胀锚杆的工业化应 用和丰富锚杆类型、锚固理论具有十分重要意义。 1 3 主要研究内容 1 ) 设计出满足机构可行的锚固层c 型结构； 2 ) 确定最适合锚固层c 型结构的成型方式，设计并加工出整套成型模 具，用所加工模具制造出锚固层c 型结构： 3 ) 分析膨胀锚杆锚固层受内压膨胀时的受力变形，考察锚固层膨胀性 能，并分析在多大的内注压力下锚固层c 型结构会达到屈服点； 4 ) 分析膨胀锚杆与围岩之间的接触力，考察膨胀锚杆是否满足所要求 的拉锚性能； 5 ) 分析在膨胀锚杆满足所要求的拉锚性能时，锚杆杆体本身是否满足 抗拉性能。 第2 章膨胀锚杆锚同层设计与制造 2 1 引言 第2 章膨胀锚杆锚固层设计与制造 要想实现膨胀锚杆的批量生产，关键在于锚固层c 型结构的制造。锚固 层的大致结构是由内、外c 环构成，为了满足锚固层的膨胀性能要求，需要 对c 环的结构进行分析设计。然后针对所设计的c 型结构选择最优的制造 方式，并对其成型过程进行设计计算。 2 2c 型锚固层结构设计 2 2 1 机构可行尺寸的确定 由图1 3 可知，膨胀锚杆锚固层结构设计的基本思想为：由两种c 型结 构组成，内c 环和外c 环。内圈由三段内c 环组成，外圈由三段外c 环组 成，每个c 环的圆周跨度都为1 2 0 度，环环相扣。 图2 1 膨胀锚杆c 型锚固层结构示意图 根据锚杆的要求：未膨胀时锚固层外径为2 7 r a m ，内部的密封层胶管直 径为1 4 r a m ，外c 环板材厚度为2 m m ，内c 环板材厚度为0 7 5 m m ，由此应 取外c 环中间弯曲段的外径为2 7 m m ，内c 环中间弯曲段的内直径可取为 1 4 6 r a m 。因为又要求锚杆的最大膨胀直径要达到3 5 m m ，作者经过反复调整、 尝试得出如图2 1 所示结构，此结构可满足“锚固层未膨胀时c 环不脱落， 膨胀时最大膨胀直径达到3 5 m m ”的要求。膨胀开的锚固层如图2 2 所示。 9 山东大学硕1 ：学位论文 图2 - 2 达到最大膨胀量的锚固层 内、外c 环的结构如图2 3 所示，外c 环可分为三部分：未弯曲不等厚 段、，弯角、和弯曲段；内c 环可分为五部分：弯曲段、， 弯角、，直边段、，弯角、和弯曲段。 图2 - 3 外、内c 环弯曲段划分示意图 内、外c 环都是等厚度的，外c 环厚度2 r a m ，内c 厚度o 7 5 r a m ，为 了使得锚固层能膨胀到3 5 m m ，结构设计中对外c 环的、段做了一定的 处理。可以使用某种金属压力加工方法加工出如图2 4 所示的外c 环，然后 再对、段磨削或铣削即可得到图2 3 所示的外c 环，此方法有待于进一 步研究，本文中只论述内c 环和图2 4 所示外c 环的的设计制造。锚固层内、 外c 环的部分尺寸如图2 5 所示。 l o 第2 章膨胀锚杆锚同层设计与制造 图2 4 等厚度外c 环结构 图2 5 外、内c 环部分尺寸 2 2 2 弯角部分尺寸的确定 根据弯曲理论，在弯曲变形中，弯曲段的最小内侧半径是有临界值的。 设弯曲后板材内侧表面的曲率半径，i 、内侧表面至中性层的距离为k t o ( k 为中性层系数，f o 为为板材厚度) ，则板材外侧表面产生的最大拉应力为： f ：些 。叫 ，：+ k t o 故占一与，i 成反比。因此弯曲半径过小时，s 一会超过材料的破坏极限， 板的外侧表面会产生弯曲裂纹等缺陷4 引。 材料弯曲时，允许使用的最小弯曲半径数值与材料性能、材料热处理状 态有关，最小许可弯曲半径见表2 1 。 当弯曲线与板料纤维方向( 纹向) 夹角为9 0 。或0 0 时，分别取表2 1 中 垂直或平行的相应数值。 山东人学硕上学位论文 表2 1 最小许可弯曲半径【4 5 1 退火状态冷作硬化状态 材料弯曲线位置( 与纤维方向) 垂直 平行垂直平行 0 8 、10 、q 2 150 1 ，0 4 t0 4 t0 8 f q 2 4 5 、q 2 3 5 o 2 f0 5 t0 6 t1 2 f 4 5 、q 2 5 5 0 5 ，l tl t1 7 f 6 5 m n 、t 7 l ，2 ，2 t3 t 半硬黄铜0 5 ，1 2 f 软黄铜 0 4 t0 8 f 0 1 t 0 4 t 纯铜 i ，2 t 铝o 5 ，l t 铝合金 2 t3 r3 ，4 t 磷青铜 |l t3 ， 注：1 表列数值为弯曲9 0 0 时2 表中，为弯曲材料厚度 当工件的弯曲角( 弯曲部分两边之间的夹角) 小于9 0 0 时，可将表2 1 中相应数值乘以表2 2 中所列修正系数。 锚固层c 型结构的材料在0 8 、1 0 、q 2 1 5 、q 2 3 5 、q 2 4 5 几种钢材中选 取，且为退火状态，弯曲线方向与纤维方向垂直。 根据最小弯曲半径要求和2 2 1 节中所提及的锚固层最大膨胀直径要 求，设计外c 环弯角部分、和内c 环弯角部分、的内径 尺寸如图2 - 6 所示，且根据弯曲理论，弯曲部分的内外圆弧同心，且半径差 为毛坯厚度( 暂不考虑弯曲减薄) 等，可推算内、外c 环各弯角部分的外径 尺寸。以上尺寸确定后，便可确定c 环各部分的弯曲角度，如图2 7 所示。 表2 - 2 最小弯曲半径修正系数1 4 4 1 弯曲角修正系数 9 0 0 l 6 0 0 - 9 0 01 3 1 1 4 5 0 - 6 0 01 5 1 3 1 2 第2 章膨胀锚杆锚同层设计j 制造 图2 - 6 外、内c 环弯曲段部分尺寸 9 3 。 图2 7 外、内c 环各部分弯曲角度 2 2 3 带科展开尺寸计算 为了得到尺寸正确的制品，弯曲前必须准确确定坯料长度。因为板材弯 曲部分的厚度要减小、长度要增加。所以实际下料尺寸要比按产品几何形状 直接展开所得尺寸略小一些。坯料长度计算方法如下【4 4 1 ，弯曲部分形状如图 2 8 所示。 弯曲时的伸长量因r j t o 比值、弯曲角度、板材材质及加工方法而异。一 般是近似确定中性层位置后按其长度展开。在塑性弯曲过程中，毛坯的中性 层不在板料的正中。对板料弯曲，中性层在弯曲中心的内侧，相对半径，i f o 越小，即变形程度越大，中性层离毛坯内侧越近。中性层的弯曲半径厂为： ，= + k t 。( k 为中性层系数) 山东大学硕十学位论文 鼢。 ! 彳 图2 - 8 弯曲减溥不慈图 则利用下式求得的坯料长度即可满足精度要求： = m + + 在州+ 瓯) 焉 ( 2 1 ) 其中，工坯料长度，m m ；m ，_ 未弯曲段长度，m m ；彳弯曲段 坯料长度，m m 。 对于铝合金、铜合金等易拉伸的板，从板表面到中性层的距离应采用 0 o 2 t ，但对于冷轧钢板，可取肛0 5 t 4 6 1 ，本设计取胙0 5 即可满足要求。 1 ) 外c 环坯料展开尺寸计算 直边段、毛坯( 中性层) 长度：厶、5 = 3 6 5 m m 弯角、毛坯( 中性层) 长度： - ( 0 5 2 + 0 5 2 ) 警“1 3 8 一 弯曲段毛坯( 中性层) 长度： 厶：( 1 1 “0 5 2 ) 等= 2 0 2 8 9 衄 故可得外c 环坯料宽度为： l o = 2 l 1 + 2 l 2 + l 3 = 2 x 3 6 5 + 2 x 4 1 3 8 + 2 0 2 8 9 = 3 5 8 6 5 m m 2 ) 内c 环坯料展开尺寸计算 弯曲段、毛坯( 中性层) 长度： - q , 9 = ( 1 0 7 5 + o 5 x 0 7 5 ) 面n x l 6 = 3 1 0 7 衄 1 4 第2 帝膨胀锚杆锚同层设计j 制造 弯角、毛坯( 中性层) 长度： l 2 , 8 - ( 0 5 5 + 0 5 0 7 5 ) 警_ 1 7 2 7 m m 直边段、毛坯( 中性层) 长度：上3 、7 = 1 4 5 r a m 弯角、毛坯( 中性层) 长度： l 4 , 6 = 以7 5 + o 5 x 0 7 5 ) 篙= 1 5 7 1 m l n 弯曲段毛坯( 中性层) 长度： l 5 - - - ( 7 3 + 0 5 0 7 5 ) 警= 1 3 33 9 5 m m 故可得内c 环坯料宽度为： 三i = 2 三l + 2 2 + 2 三3 + 2 4 + 5 = 2 3 1 0 7 + 2 x 1 7 2 7 + 2 x 1 4 5 + 2 x 1 5 7 1 + 1 3 3 9 5 = 2 9 1 0 5 m m 2 3 锚固层c 环成型方法研究 锚固层c 型结构的制造是课题的重点和难点。在制造方式的选择上，作 者做了大量的工作，理论上可以用于c 型结构加工的塑性成型方法有冷挤压 成型、拉拔成型、压弯、拉弯和辊式冷弯。作者对以上压力加工方法进行了 比对，如下： 1 ) 冷挤压成型【4 7 5 0 1 在室温的条件下，将冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具型腔内， 在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凹模 与凸模的间隙或凹模出口，压出或挤出空心零件或者断面比毛坯断面要小的 实心零件，以获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力学性能挤压件。 冷挤压成型一般适用于较软的金属，对于较硬金属不适合用挤压成型的 方式制造。 2 ) 拉拔成型 4 8 , 4 9 , 5 1 】 拉拔成形是指在外加拉拔力作用下，使金属通过面积依次减小的模孔， 拉制成圆形或异型断面的塑性加工方法。拉拔后的制品不仅断面减小，长度 山东大学硕j j 学位论文 增加，而且由于冷作硬化使制品强度增加，塑性降低。 拉拔被广泛应用于管、棒、型、线材制品的生产。 3 ) 压弯拉弯【5 2 5 4 】 压弯拉弯属冲压加工中的弯曲加工工艺，是利用冲模在冲压设备上对 板料施加压力( 或拉力) ，使其产生变形，从而获得一定形状、尺寸和性能 的制件的加工方法。 冲压加工的对象一般为金属板料( 或带料) 、薄壁管、薄型材等，板厚 方向的变形一般不侧重考虑。 4 ) 辊式冷弯4 6 】 辊式冷弯成型也属冲压加工中的弯曲加工工艺，是通过顺序配置的多道 次成形轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断 面型材的工艺技术。 辊弯加工的对象一般为金属板料( 或带料) 、薄型材等，板厚方向的变 形一般不侧重考虑，适用于连续化生产。 由此可以看出，冷挤压适用于比较软的金属，并且内、外c 环的纵向长 度为两米，不适合用冷挤压的方法加工；课题组最初考虑用拉拔成型的方式 制造c 型结构，但拉拔成型一般用于拉拔管、棒、型、线材，工程中还没有 使用拉拔的方式实现弯曲的实例，如果用拉拔成型的方式制造c 型结构，则 型材和模具之间的摩擦力太大，对模具的材料有很高的要求，且有可能会把 型材拉断；如果用压弯拉弯的方式，则模具长度过大，且生产率低：经研 究，辊式冷弯成型是加工c 型结构最合适的方式。 辊式冷弯成形又称冷弯成形( c o l dr o l lf o r m i n g ) ，即在一排串联的成型 轧机上，连续通过金属板和金属板带，顺次使其弯曲，将平板加工成所需的 截面形状的塑性加工方法，如图2 - 9 所示。冷弯成形是一种节材、节能、高 效、先进适用的板金属成型工艺。 利用冷弯成型方法，以带状钢板为坯料，可以成型有缝钢管、轻质钢材、 空腹钢窗坯管、瓦楞钢板等。一般要使用数台以上的轧机，经过多道次连续 辊轧逐渐成形为产品【4 4 1 。 由于冷弯成型影响因素多，产品品种繁多，因此理论解析十分困难。孔 型和工具设计任务繁重，长期依靠设计者的经验和反复的试制。7 0 年代国 1 6 第2 章膨胀锚杆锚斟层设计与制造 外开始使用计算机进行冷弯工具设计，从此冷弯成型工具设计进入r 一个新 的发展阶段。国内也于8 0 年代初做了大量卓有成效的工作。自8 0 年代末以 来，国外又相继在冷弯成型力学、冷弯成型实验分析技术、有限元分析技术 等方面取得较大进展，从而有力地推动了冷弯成型研究的发展 ”。 国内外研制的冷弯成型计算机辅助辊型设计( c o m p u t e ra i d e dr o l l e r d e s i g n ，c a r d ) 系统很多其中较为完善的是德国的c o p r a 系统，澳大利亚 的c a d r o f 系统，英国的o r t i c 系统1 5 6 , 5 7 l 。 图2 - 9 上海乐孚明辊弯成型机组 1 ) c o p r a 系统 c o p r a 系统起源于德国慕尼黑大学的一项冷弯研究，其主要功能是： 优化冷弯成型工艺、进行冷弯工具和轧机的设计、计算工具成本、绘制工程 图纸以及提供与数控机床联接手段。该系统具有以下特点：在产生辊花图 ( 型材连续变形图) 方面，针对某一产品可按系统本身的设计模型来确定其 变形过程也可按用户新加入的设计模型来设计。系统含有多种计算和分析 模型，可检验各变形工步的合理性，优化变形过程设计。在轧辊设计方面， 系统针对所用机组，先建立一个机器文件，其中包括机组机架数、速比、最 大辊宽、中心距及调节范围等参数，以便设计出的轧辊切实可用。通过与数 控机床的联接，可把设计出的轧辊数据转换成机加工程序。 建立了辊片库， 最大限度地利用已有的轧辊，节约成本。 2 ) o r t i c 系统 山东人学硕，l ：学位论文 o r t i c 系统是英国r o l l s e cd e s i g n 有限公司开发研制的，其最大特点是 在设计方法上强调经验与理论的结合。该系统不仅能对任意断面形状的产品 进行工具设计，而且能对整条冷弯生产线上的设备，如机架、飞锯、输出辊 道、液压装置等进行设计。o r t i c 系统至今已发展了1 0 余年，已为十几个 国家设计开发过冷弯新产品及生产线【5 4 1 。 由于c a r d 软件比较昂贵，作者采用文 4 6 】中所提供的经验公式，计算c 型结构成型道次数和各道次弯曲角度，设计辊花图；并根据上海乐孚明机械 有限公司所用机组的轧机参数，设计各道次轧辊尺寸，用数控车床加工出轧 辊；最后将轧辊安装在轧机上，调试并加工膨胀锚杆的内、外c 环。 2 4 型钢辊式冷弯成型设计方法 2 4 1 成型道次数确定方法 冷弯成型设计最重要也是最难的问题，既要确定成型道次数。文【4 6 】中 根据日立金属产品目录n o 2 6 5 整理的关于5 1 种断面型材，提到当制品弯曲 部角度约为9 0 0 时，制品断面弯曲角数 与成型道次数的关系。图示断面 型材的板厚，主要在1 3 m m 范围内( 但例外的是n o 2 2 、n o 2 8 板厚为0 5 m m ， n o 3 0 为7 m m ，n o 3 2 为9 m m ，n o 3 8 为4 5 m m ，n o 5 1 为5 m m ) 。 两者之问关系虽然分散在较宽范围，但宏观来看也可以说成是比例关 系。成型道次数多的上方为非对称断面型材，厚板材较多，而成型道次数 少的下方为对称断面型材，薄板材较多。此外，可知弯曲角数刀越大，需要 越多的成型道次数。 在工程设计中，对于断面形状不太复杂的型钢，多根据经验确定其成型 道次数，道次数的小幅度增减可在模具调试中实现。 2 4 2 对称断面辊式成型弯曲角度分配方法 辊式成型弯曲角度的分配与辊式成型道次数的确定同样重要。因此，许 多辊式成型研究者致力于弯曲角度分配公式的推导。原则是：在辊式成型时， 考虑成型起始部分( 前段部) 与终结部分( 后段部) 板材的弯曲采用较小的 弯曲，但中间部分( 中段部) 用较大的弯曲，将这一经验规律函数化。 第2 章膨胀锚杆锚同层设计j 制造 对于对称断面辊式成型角度分配，如图2 1 0 所示，假设立边端部水平面 投影轨道用三次曲线表示时，板材弯曲角度分配是最佳的。 y 图2 1 0 轧辊弯曲角度分配的推导 图2 1 0 所示为槽形断面成型，假设全成型道次数，立边最终弯曲角度 秽o ，立边长度胃，第f 道次立边弯曲角度易，三次曲线的表达式与边界条件 为式( 2 - 2 ) ( 2 - 4 ) 。并且，各机架间距为等间距。 y = a x 3 + b x 2 + c i + d ( 2 2 ) 在x = o 及x = n 处： 尘：o 妙 在x - - o 处：y = 日；在x = n 处：y = h c o s o ；在x = i 处： y i = h c o s o i ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由此可得第f 道次辊式成型弯曲角度俄为： c o s o , = 1 + ( 1 - - c o s 0 0 ) 2 ( n ) 3 - 3 畴) 2 】 ( 2 - 5 ) 这样就可以将各成型道次从1 的变形角由上式中的总变形道次数 确定出来。取i = 1 ，2 ，刀代入公式( 2 5 ) ，可得各道次的辊式成型弯曲 角度。 为了调整轧辊角度分配，将变动指数k 代入公式( 2 5 ) 得 1 9 山东大学硕j ：学位论文 c 础。= l + ( 1 - c o s 0 。) 【2 畴) m 一3 畴) 2 “】 ( 2 - 6 ) 若赋予k 正值( 0 1 ，o 2 ) 则成型前段部分弯曲角度增量小，即变为 较细弯曲角度分配，但后段部分变为较粗的弯曲角度分配。若赋予k 负值 ( 0 1 ，0 2 “) 则正好相反。若机架间距为不等间距，可将上述变动指数 的值直接代入，以考虑间距的影响。 在工程设计中，也是多根据经验确定弯曲角度的分配，总的原则是成型 初始及结束部分采用较小的弯曲，中间段用较大的弯曲，弯曲角度尽量向整 数靠拢，并与其他弯曲段的弯曲角度相协调。 2 4 3 辊弯成型中弹性回弹和盲角的处理 2 4 3 1 弹性回弹的处理 塑形弯曲时，材料产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载 荷去除后，塑性变形保留下来，弹性变形消失。称为回弹( 回跳) 。回弹表 现形式有两种：曲率减小、弯曲角减小，如图2 11 所示。 然而影响回弹的因素众多，且又相互影响，理论分析计算既复杂又不精 确，因而一般采用查表法或经验计算方法求得回弹值后，再在模具调试中修 正1 5 8 1 。 图2 1 1 弹性回弹示意图 当r i t o o 8 2 2 s 1 4 02 00 0 钢( w c 0 0 8 - 0 2 ) l 55 03 0l o 56 0 4 0 2 0 5 l 5 02 00 0 钢( w c 0 2 5 0 4 5 ) l 56 03 0l o 58 05 03 0 s l 7 04 0 2 0 钢w c ( 0 5 o 6 ) 1 59 05 03 0 51 2 0 7 0 6 0 当r i t o 5 时，因，i