錨桿螺紋結構與扭矩-預緊力轉化關系試驗研究

李遠清

（濟寧礦業(yè)集團朱家峁煤礦 ，陜西 榆林 719000）

隨著我國煤炭資源開采深度逐漸增加，深井巷道支護難度逐漸提高。預應力錨桿支護以其主動加固圍巖的特點，在深井巷道支護中更能充分發(fā)揮其有效作用[1,2]。通過高強預應力錨桿可以使圍巖由原來的破碎狀態(tài)變?yōu)闉橐粋€整體，破壞面的抗剪強度得到提高來實現(xiàn)的[3-5]。

對于高強預應力錨桿，許多學者研究了預應力錨桿錨固止裂效應和預緊力矩轉化的影響因素等[6,7]。李國彪等[8]通過試驗研究了錨桿尾部螺紋加工精度對預應力的影響。

目前，對于錨桿螺紋結構影響錨桿預緊力的問題研究較少，為提高煤礦巷道的預應力錨桿加固效果，本文研究了錨桿螺紋的螺距、牙高、形狀對錨桿預緊力的影響規(guī)律，優(yōu)選出扭矩-預緊力轉化率最高的錨桿螺紋結構。

1 試驗方法與試驗設備

研究錨桿螺紋結構對錨桿預緊力的關系，選取不同螺紋螺距、牙高、形狀的錨桿進行扭矩-預緊力轉化試驗，分析各組試驗對應的轉化效率，評價錨桿螺紋結構對錨桿預緊力的影響。試驗設備包括錨桿應力計、扭矩扳手和夾緊固定裝置。試驗裝置如圖1所示。

圖1 扭矩-預緊力試驗裝置示意圖

選取錨桿直徑為20mm，錨桿螺紋的螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm，研究螺紋螺距對錨桿扭矩-預緊力轉化的影響；固定螺紋螺距為2.0mm，選取錨桿螺紋的牙高為0.2mm、0.4mm、0.6mm，研究螺紋牙高對錨桿扭矩-預緊力轉化的影響；選取螺紋形狀為矩形螺紋、三角形螺紋和梯形螺紋，研究螺紋形狀對錨桿扭矩-預緊力轉化的影響。

2 試驗結果與分析

通過上述扭矩選取不同螺紋螺距、牙高、形狀的錨桿進行扭矩-預緊力轉化試驗，分析各組試驗對應的轉化效率。

2.1 不同螺紋螺距

圖2 不同螺紋螺距對應的錨桿扭矩-預緊力關系

圖2 為不同螺紋螺距對應的錨桿扭矩-預緊力關系。由圖2可知，隨著錨桿扭矩增大，其預緊力均逐漸增大。相同扭矩對應的不同螺距的錨桿預緊力是不同的，螺紋螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm的預緊力依次減小。當扭矩為300N·m時，螺距為1.0mm、2.0mm、3.0mm的錨桿預緊力分別為7T、4.8T、2.5T，對應的扭矩-預緊力轉化率分別為0.023T/N·m、0.016T/N·m、0.008T/N·m。

當扭矩大于300N·m之后，螺紋螺距3.0mm的錨桿扭矩-預緊力曲線基本平穩(wěn)，繼續(xù)增大扭矩，其預緊力變化不會太大，而螺紋螺距1.0mm的錨桿尚有逐漸增大的趨勢，繼續(xù)增大扭矩能夠獲得更大的預緊力。

說明螺紋螺距越大，錨桿扭矩-預緊力轉化率越低，螺紋螺距越大對應的螺母與桿體之間的摩擦力越大，扭矩轉化為有用的預緊力的部分越少，所以減小螺紋螺距是提高錨桿扭矩-預緊力轉化率的一種方法。

2.2 不同螺紋牙高

圖3為不同螺紋牙高對應的錨桿扭矩-預緊力關系。由圖3可知，相同扭矩對應的不同螺紋牙高的錨桿預緊力是不同的，螺紋牙高為0.2mm、0.4mm、0.6mm的預緊力依次降低。當扭矩為200N·m時，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的錨桿預緊力分別為4T、2.6T、1.8T，對應的扭矩 -預緊力轉化率分別為0.02T/N·m、0.013T/N·m、0.009T/N·m；當扭矩為 400N·m時，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的錨桿預緊力分別為6.8T、4.9T、2.9T，對應的扭矩-預緊力轉化率分別為0.017T/N·m、0.012T/N·m、0.007T/N·m。

圖3 不同螺紋牙高對應的錨桿扭矩-預緊力關系

根據(jù)曲線變化趨勢可以看出，對螺紋牙高0.6的錨桿繼續(xù)增大扭矩，其預緊力提高幅度將基本不變；扭矩400N·m之后，螺紋牙高0.2mm的錨桿扭矩-預緊力轉化曲線依次呈逐漸增大的趨勢，說明繼續(xù)增大扭矩能夠獲得更大的錨桿預緊力。螺紋牙高越大，錨桿扭矩-預緊力轉化率越低。這是由于螺紋牙高越大，對應的螺紋升角越大，螺母旋轉需要克服的阻力越大，導致扭矩轉化為錨桿預緊力的有效部分減少，所以減小螺紋牙高是提高錨桿扭矩-預緊力轉化率的一種方法。

2.3 不同螺紋形狀

錨桿矩形螺紋、三角形螺紋和梯形螺紋的示意圖如圖4所示。不同螺紋形狀對應的錨桿扭矩-預緊力關系如圖5所示。

圖4 不同螺紋形狀示意圖

圖5 不同螺紋形狀對應的錨桿扭矩-預緊力關系

由圖5可知，不同形狀螺紋對應的錨桿扭矩和預緊力是不同的，相同扭矩情況下，三角形螺紋錨桿預緊力大于梯形螺紋錨桿預緊力大于矩形螺紋錨桿預緊力。當扭矩小于250N·m時，三角形螺紋錨桿和梯形錨桿的曲線變化相似，當扭矩大于250N·m時，三種形狀螺紋錨桿的扭矩-預緊力轉化差距越來越大。當扭矩為300N·m時，矩形螺紋錨桿、三角形螺紋錨桿、梯形螺紋錨桿的預緊力分別為2.6T、5.7T、4.5T，則對應的扭矩-預緊力轉化率分別為0.0087T/N·m、0.019T/N·m、0.015T/N·m。當扭矩為 450N·m時，矩形螺紋錨桿、三角形螺紋錨桿、梯形螺紋錨桿的預緊力分別為3T、8T、5.8T，則對應的扭矩-預緊力轉化率分別為0.0067T/N·m、0.018T/N·m、0.013T/N·m。

說明三角形螺紋錨桿的扭矩-預緊力轉化率較高，大于梯形螺紋錨桿，大于矩形螺紋錨桿。矩形螺紋和梯形螺紋的摩擦力較大，尤其是矩形螺紋，三角形螺紋的摩擦力較小，所以三角形螺紋錨桿的扭矩-預緊力轉化率高。且矩形螺紋錨桿的最大預緊力僅為3T，三角形螺紋錨桿的預緊力能夠達到8T，尚且能夠繼續(xù)增大。

2.4 試驗總結

由上述不同螺紋螺距、牙高、形狀的扭矩-預緊力轉化試驗分析可見，為提高錨桿扭矩-預緊力轉化效果，可以選取螺紋螺距1.0mm、螺紋牙高0.2mm、螺紋形狀為三角形的錨桿。

3 結 論

1）螺紋螺距越大，錨桿扭矩-預緊力轉化率越低，螺紋螺距越大對應的螺母與桿體之間的摩擦力越大，減小螺紋螺距是提高錨桿扭矩-預緊力轉化率的一種方法。

2）螺紋牙高越大，錨桿扭矩-預緊力轉化率越低。螺紋牙高越大，對應的螺紋升角越大，螺母旋轉需要克服的阻力越大，減小螺紋牙高是提高錨桿扭矩-預緊力轉化率的一種方法。

3）三角形螺紋錨桿的扭矩-預緊力轉化率較高，大于梯形螺紋錨桿，大于矩形螺紋錨桿。矩形螺紋和梯形螺紋的摩擦力較大，三角形螺紋的摩擦力較小，所以三角形螺紋錨桿的扭矩-預緊力轉化率高。

4）礦井巷道使用錨桿時，為提高錨桿扭矩-預緊力轉化效果，可以選取螺紋螺距1.0mm、螺紋牙高0.2mm、螺紋形狀為三角形的錨桿。