CN102636397A - 锚杆综合力学性能的快速测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明锚杆综合力学性能的快速测试装置及方法，属于锚杆检测装置技术领域，所要解决的技术问题是提供一种能够全面、快速检测锚杆的综合性能的锚杆综合力学性能的快速测试装置，所采用的技术方案为：锚杆综合力学性能的快速测试装置，包括：机架、万能定心装置、轴向力加载装置和液压旋转动力装置，万能定心装置安装在机架的一端，轴向力加载装置安装在机架的中部，液压旋转动力装置安装在机架的另一端，所述万能定心装置的轴心、轴心力加载组件的轴心和液压旋转动力装置的轴心在一条直线上；本发明广泛用于锚杆综合力学性能的检测。

Description

锚杆综合力学性能的快速测试装置及方法

技术领域

本发明锚杆综合力学性能的快速测试装置及方法，属于锚杆检测装置技术领域。 

背景技术

锚杆支护，作为一项先进的主动支护技术，已经在煤矿井巷支护中得到了广泛应用。 

为了确保安全，在锚杆支护工程施工之前，采用适当的方法对锚杆支护材料进行全面检测，确保其质量性能符合相关支护设计及相关标准的要求，是一项十分重要的工作。 

 目前，评价锚杆质量性能的基本方法，是根据相关标准，采用多种方法和仪器，对锚杆及其配套部件、材料的各项质量指标分别进行检测，然后根据单项指标的检测结果，对锚杆质量是否合格进行评价。以煤矿使用最多的树脂螺纹钢锚杆为例，质量检测的基本方法是根据MT/T146.1及MT/T146.2标准，对锚杆的锚固力、杆体力学性能(屈服强度、破断强度、断后延伸率)、尾部螺纹承载力、托盘承载力、锚固剂物理化学性能等指标分别进行测试，然后通过测试结果对锚杆和锚固剂的质量性能分别进行评价。 

但在一般工程设计和施工管理中，以上评价锚杆质量性能的基本方法，以下称为“标准方法”，存在下列不足。 

1、“标准方法”的检测结果不能直观地反映锚杆的综合性能。 

“标准方法”的检测对象，实质上是组成锚杆的材料和配件，并不是锚杆整体。而实际工程设计和施工管理过程中，技术人员更为关注的问题是锚杆整体的综合性能，并不是锚杆的材料和配件本身的质量。事实上，锚杆是一个由杆体、头部承载组件(化学锚固剂或机械锚固头)、尾部承载组件(托盘及螺母等)共同组成的一个复合承载体系。这个承载体系的综合性能，不仅与组成体系的材料、配件本身的性能指标有关，而且与这些材料、配件的性能指标是否能够良好地匹配有关。由于实际情况的复杂性，根据锚杆材料、配件的单向性能指标，很难通过简单方法精确推算出锚杆整体的综合性能指标。因此，通过分别检测锚杆材料和配件的单向性能来评价锚杆总体质量性能的方法，是不完善、不科学的。有必要探索可直接检测锚杆整体性能的新方法。 

2、“标准方法”的检测项目多，工作量大，周期长 。 

根据“标准方法”检测锚杆，需要将全长锚杆截割为锚头(锚固段)、杆体(中段)和尾部螺纹段三段，然后采用不同的装备和方法，分别检测锚头(锚固段)的锚固力、杆体三项力学性能(屈服强度、破断强度、断后延伸率)及尾部螺纹承载力。必要时，还需要对锚固剂的物理、化学性能(凝胶时间、胶泥稠度、试块抗压强度等)。通常情况下，检测一套锚杆样品，需要2～3人协同作业2～3个工作日，才能提交检测结果。这显然无法满足实际工程中对大量锚杆按比例抽样检测的要求。因此，有必要探索可快速检测锚杆整体性能的新方法。 

3、“标准方法”缺少锚杆整体预紧扭矩和延伸能力特性的检测项目。 

（1）预应力锚杆的实际支护效果，很大程度上取决于锚杆在安装时是否产生了足够的轴向预紧力(即初始张拉力)。由于生产工艺的分散性，相同材质、不同规格的锚杆，或者相同规格、不同材质的锚杆，甚至相同材质、相同规格的锚杆，按照相同的扭矩预紧加载螺母，其杆体产生的实际轴向预紧力，可能会有较大的差别。为了准确地判断锚杆的加载螺母在预紧到规定的扭矩值时，杆体的实际轴向预紧力是否达到规定值，或者反言之，为了保证杆体的轴向预紧力达到规定值，至少应对加载螺母施加多大的预紧扭矩值，就有必要对锚杆的预紧扭矩特性(即螺母预紧扭矩与杆体轴向预紧力之间的对应关系)进行量化测试。因此，有必要探索可测试锚杆螺母预紧扭矩特性的新方法。而目前的“标准方法”无此检测项目。 

(2) 锚杆在承载过程中，如果杆体实际承受的轴向载荷超过一定限度，杆体应能产生一定的轴向延伸，通过适当“让压”，避免出现自身出现先期破坏而失去支护能力的问题。因此，现代锚杆支护理论要求锚杆必须有一定的轴向延伸能力。理论研究和实际试验结果都表明，锚杆的整体延伸能力，并不是只与杆体材料的轴向变形能力有关，也与组成锚杆整体的其它材料、配件的变形能力及其应力——应变特性有关。“标准方法”提供了对锚杆杆体材料轴向延伸能力的测试方法，但没有提供对锚杆整体延伸能力的测试方法。因此，有必要探索可测试锚杆整体延伸(轴向变形)能力的新方法。 

出现上述问题的根本原因，是业界目前还没有可对锚杆综合性能进行快速测试的适用方法和专用装备。因此，如果能够研制出一种可对全长锚杆的综合性能直接进行整体测试的适用方法和专用装备，则检测工作就可以大大简化，且测试结果能够更准确、更全面地反应锚杆的实际性能，为工程设计和施工管理提供可靠的依据。 

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是提供一种能够全面、快速检测锚杆的综合性能的锚杆综合力学性能的快速测试装置及方法。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：锚杆综合力学性能的快速测试装置，包括：机架、万能定心装置、轴向力加载装置和液压旋转动力装置，万能定心装置安装在机架的一端，轴向力加载装置安装在机架的中部，液压旋转动力装置安装在机架的另一端，所述万能定心装置的轴心、轴心力加载组件的轴心和液压旋转动力装置的轴心在一条直线上； 

所述万能定心装置的结构为：所述定心钢筒平行于机架放置，所述定心钢筒的两端均设置有一个T型滑移支架，所述T型滑移支架的每个滑道上均设置有一个滑移光杠，所述每个滑移光杠通过两端设置的支架平行于机架的轴线安装在机架的上方，所述定心钢筒上均匀设置有多个定心卡盘；

所述轴向力加载装置的结构为：空心双作用油缸固定在机架的中部上方，所述空心双作用油缸的两端分别安装有第一法兰和第二法兰，所述第一法兰上设置有空心压力传感器，所述空心双作用油缸的下方设置有拉杆式位移传感器，空心双作用油缸的空心活塞杆的一端设置有承载顶盖。

所述液压旋转动力装置的结构为：第一机头底板安装在机架的另一端上方，所述第一机头底板的下方设置有第一滑轨，所述第一机头底板的两端上方设置有第一机头支架和第二机头机架，所述第一机头支架和第二机头支架上套装有高速马达的第一中空高速轴，所述高速马达固定在第一机头支架上，所述第一扭矩传感器套装在第一中空高速轴上，所述低速马达通过第一低速轴套装在第一中空高速轴上，所述第一扭矩传感器和低速马达位于第一机头支架和第二机头支架之间，所述第一扭矩传感器固定在第一机头支架上，所述低速马达的一端通过第三法兰与第一扭矩传感器连接固定，所述低速马达的另一端设置有第四法兰，所述第一低速轴和第四法兰之间设置有第一轴承。 

所述定心钢筒靠近轴向加载组件的一端设置有调心球轴承。 

所述液压旋转动力装置可用电机旋转动力装置代替；所述电机旋转动力装置的结构为：第二机头底板安装在机架的另一端上方，所述第二机头底板的下方设置有第二滑轨，所述第二机头底板的两端上方设置有第三机头支架和第四机头支架，空心轴电机通过第二中空高速轴安装在第三机头支架和第四机头支架上，所述空心轴电机的两端设置有第五法兰和第六法兰，所述第六法兰和第第四机头支架之间连接有第二扭矩传感器，所述第二低速轴和减速器套装在第二中空告诉轴上，所述减速器与第五法兰连接，所述第二低速轴安装在减速器上。 

所述减速器46与第二中空高速轴41的连接为键连接。 

锚杆综合力学性能的快速测试方法,按以下步骤进行： 

第一步，根据待检测锚杆的规格，选择模拟钻孔用的无缝钢管，钢管的长度比锚杆的公称长度短800mm；钢管的内径应比锚杆的公称外径大4～6mm；

第二步，将模拟钻孔用的无缝钢管装入定向钢筒中，并用定心卡盘夹紧，模拟钻孔用的无缝钢管的一端通过调心球轴承顶住空心双作用油缸上的空心压力传感器，然后将定向钢筒的位置暂时锁定；

第三步，将锚固剂药卷从空心双作用油缸的活塞杆上的中心孔装入，并用待测锚杆将锚固剂药卷轻轻推到模拟钻孔用的无缝钢管的底部；

第四步，将液压旋转动力装置的第一中空高速轴通过搅拌接杆与待测锚杆尾部螺纹段连接，通过高速马达带动待测锚杆旋转搅拌药卷，并以已设定的速度，在要求的时间内将待测锚杆平稳推进到模拟钻孔用的无缝钢管中，当待测锚杆尾部露出50mm～60mm时，高速马达停止旋转；

第五步，待凝胶时间达到要求后，卸掉搅拌接杆，在待测锚杆尾部安装托盘、调心球垫和螺母，然后将液压旋转动力装置的第一低速轴通过套筒与锚杆尾部的螺母连接；

第六步，低速马达带动螺母旋转，为待测锚杆平稳加载扭矩，加载过程中，采集和记录加载扭矩值和待测锚杆杆体的安装预紧力，当加载扭矩达到设定值或最大值时，自动停止加载；

第七步，空心双作用油缸，慢速为待测锚杆施加轴向拉力，连续采集和记录待测锚杆承受的轴向拉力和杆体的延伸量，待测锚杆出现破坏失载或拉力、延伸量达到最大量程时，空心双作用油缸自动停止运行；

第八步，收集检测结果。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：本发明以锚杆整体为对象，通过模拟不同规格锚杆、不同尺寸钻孔的实际安装、加载、破坏过程，对锚杆的综合力学性能进行快速检测，检测过程自动化完成，检测更加全面、快速、检测结果更加直观准确。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

图1为本发明的结构示意图。 

图2为图1中万能定心装置的结构示意图。 

图3为图1中轴向力加载装置的结构示意图。 

图4为图1中液压旋转动力装置的结构示意图。 

图5为本发明中电机旋转动力装置的结构示意图。 

图中：1为机架，2为万能定心钢筒装置，3为轴向力加载装置，4为旋转动力装置，5为定心钢筒，6为T型滑移支架，7为滑移光杠，8为支架，9为定心卡盘，10为空心双作用油缸，11为压力传感器，12为调心球轴承，13为承载顶盖，14为第一机头底板，15为第二滑轨，16为第一机头支架，17为第二机头支架，18为高速马达，19为第一中空高速轴，20为第一扭矩传感器，21为低速马达，22为第一法兰，23为第二法兰，24为第一低速轴，25为第一轴承，30为第一法兰，31为第二法兰，35为电机旋转动力装置，36为第二机头底板，37为第二滑轨，38为第三机头支架，39为第四机头支架，40为空心轴电机，41为第二中空高速轴，42第五法兰，43第六法兰，44为第二扭矩传感器，45为第二低速轴，46为减速器。 

具体实施方式

如图1至图5所示，锚杆综合力学性能的快速测试装置，包括：机架1、万能定心装置2、轴向力加载装置3和液压旋转动力装置4，万能定心装置2安装在机架1的一端，轴向力加载装置3安装在机架1的中部，液压旋转动力装置4安装在机架1的另一端，所述万能定心装置2的轴心、轴心力加载组件3的轴心和液压旋转动力装置4的轴心在一条直线上； 

所述万能定心装置2的结构为：所述定心钢筒5平行于机架1放置，所述定心钢筒5的两端均设置有一个T型滑移支架6，所述T型滑移支架6的每个滑道上分别设置有一个滑移光杠7，所述每个滑移光杠7通过两端设置的支架8平行于机架1的轴线安装在机架1的上方，所述定心钢筒5上均匀设置有多个定心卡盘9；

所述轴向力加载装置3的结构为：空心双作用油缸10固定在机架1的中部上方，所述空心双作用油缸10的两端分别安装有第一法兰30和第二法兰31，所述第一法兰30上设置有空心压力传感器11，所述空心双作用油缸10的下方设置有拉杆式位移传感器，空心双作用油缸10的空心活塞杆的一端设置有承载顶盖13。

所述液压旋转动力装置4的结构为：第一机头底板14安装在机架1的另一端上方，所述第一机头底板14的下方设置有第一滑轨15，所述第一机头底板14的两端上方设置有第一机头支架16和第二机头机架17，所述第一机头支架16和第二机头支架17上套装有高速马达18的第一中空高速轴19，所述高速马达18固定在第一机头支架16上，所述第一扭矩传感器20套装在第一中空高速轴19上，所述低速马达21通过第一低速轴24套装在第一中空高速轴19上，所述第一扭矩传感器20和低速马达21位于第一机头支架16和第二机头支架17之间，所述第一扭矩传感器20固定在第一机头支架16上，所述低速马达21的一端通过第三法兰22与第一扭矩传感器20连接固定，所述低速马达21的另一端设置有第四法兰23，所述第一低速轴24和第四法兰23之间设置有第一轴承25。 

所述定心钢筒5靠近轴向加载组件3的一端设置有调心球轴承12。 

所述液压旋转动力装置4可用电机旋转动力装置35代替；所述电机旋转动力装置35的结构为：第二机头底板36安装在机架1的另一端上方，所述第二机头底板36的下方设置有第二滑轨37，所述第二机头底板36的两端上方设置有第三机头支架38和第四机头支架39，空心轴电机40通过第二中空高速轴41安装在第三机头支架38和第四机头支架39上，所述空心轴电机40的两端设置有第五法兰42和第六法兰43，所述第六法兰43和第第四机头支架39之间连接有第二扭矩传感器44，所述第二低速轴45和减速器46套装在第二中空告诉轴41上，所述减速器46与第五法兰42连接，所述第二低速轴45安装在减速器46上。 

所述减速器46与第二中空高速轴41的连接为键连接。 

本发明的操作方法为：第一步，根据待检测锚杆的规格，选择模拟钻孔用的无缝钢管，钢管的长度比锚杆的公称长度短800mm；钢管的内径应比锚杆的公称外径大4～6mm； 

第二步，将模拟钻孔用的无缝钢管装入定向钢筒5中，并用定心卡盘9夹紧，模拟钻孔用的无缝钢管的一端通过调心球轴承12顶住空心双作用油缸10上的空心压力传感器11，然后将定向钢筒5的位置暂时锁定；

第三步，将锚固剂药卷从空心双作用油缸10的活塞杆上的中心孔装入，并用待测锚杆将锚固剂药卷轻轻推到模拟钻孔用的无缝钢管的底部；

第四步，将液压旋转动力装置4的第一中空高速轴19通过搅拌接杆与待测锚杆尾部螺纹段连接，通过高速马达18带动待测锚杆旋转搅拌药卷，并以已设定的速度，在要求的时间内将待测锚杆平稳推进到模拟钻孔用的无缝钢管中，当待测锚杆尾部露出50mm～60mm时，高速马达18停止旋转；

第五步，待凝胶时间达到要求后，卸掉搅拌接杆，在待测锚杆尾部安装托盘、调心球垫和螺母，然后将液压旋转动力装置4的第一低速轴24通过套筒与锚杆尾部的螺母连接；

第六步，低速马达24带动螺母旋转，为待测锚杆平稳加载扭矩，加载过程中，采集和记录加载扭矩值和待测锚杆杆体的安装预紧力，当加载扭矩达到设定值或最大值时，自动停止加载；

第七步，空心双作用油缸10，慢速为待测锚杆施加轴向拉力，连续采集和记录待测锚杆承受的轴向拉力和杆体的延伸量，待测锚杆出现破坏失载或拉力、延伸量达到最大量程时，空心双作用油缸10自动停止运行；

第八步，收集检测结果。

本发明中电机旋转动力装置与液压旋转动力装置的使用方法相同。 

Claims (6)

1.锚杆综合力学性能的快速测试装置，包括：机架（1）、万能定心装置（2）、轴向力加载装置（3）和液压旋转动力装置（4），其特征在于：万能定心装置（2）安装在机架（1）的一端，轴向力加载装置（3）安装在机架（1）的中部，液压旋转动力装置（4）安装在机架（1）的另一端，所述万能定心装置（2）的轴心、轴心力加载组件（3）的轴心和液压旋转动力装置（4）的轴心在一条直线上；

所述万能定心装置（2）的结构为：所述定心钢筒（5）平行于机架（1）放置，所述定心钢筒（5）的两端均设置有一个T型滑移支架（6），所述T型滑移支架（6）的每个滑道上均设置有一个滑移光杠（7），所述每个滑移光杠（7）通过两端设置的支架（8）平行于机架（1）的轴线安装在机架（1）的上方，所述定心钢筒（5）上均匀设置有多个定心卡盘（9）；

所述轴向力加载装置（3）的结构为：空心双作用油缸（10）固定在机架（1）的中部上方，所述空心双作用油缸（10）的两端分别安装有第一法兰（30）和第二法兰（31），所述第一法兰（30）上设置有空心压力传感器（11），所述空心双作用油缸（10）的下方设置有拉杆式位移传感器，空心双作用油缸（10）的空心活塞杆的一端设置有承载顶盖（13）。

2.所述液压旋转动力装置（4）的结构为：第一机头底板（14）安装在机架（1）的另一端上方，所述第一机头底板（14）的下方设置有第一滑轨（15），所述第一机头底板（14）的两端上方设置有第一机头支架（16）和第二机头机架（17），所述第一机头支架（16）和第二机头支架（17）上套装有高速马达（18）的第一中空高速轴（19），所述高速马达（18）固定在第一机头支架（16）上，所述第一扭矩传感器（20）套装在第一中空高速轴（19）上，所述低速马达（21）通过第一低速轴（24）套装在第一中空高速轴（19）上，所述第一扭矩传感器（20）和低速马达（21）位于第一机头支架（16）和第二机头支架（17）之间，所述第一扭矩传感器（20）固定在第一机头支架（16）上，所述低速马达（21）的一端通过第三法兰（22）与第一扭矩传感器（20）连接固定，所述低速马达（21）的另一端设置有第四法兰（23），所述第一低速轴（24）和第四法兰（23）之间设置有第一轴承（25）。

3.根据权利要求1所述的锚杆综合力学性能的快速测试装置，其特征在于：所述定心钢筒（5）靠近轴向加载组件（3）的一端设置有调心球轴承（12）。

4.根据权利要求1所述的锚杆综合力学性能的快速测试装置，其特征在于：所述液压旋转动力装置（4）可用电机旋转动力装置（35）代替；所述电机旋转动力装置（35）的结构为：第二机头底板（36）安装在机架（1）的另一端上方，所述第二机头底板（36）的下方设置有第二滑轨（37），所述第二机头底板（36）的两端上方设置有第三机头支架（38）和第四机头支架（39），空心轴电机（40）通过第二中空高速轴（41）安装在第三机头支架（38）和第四机头支架（39）上，所述空心轴电机（40）的两端设置有第五法兰（42）和第六法兰（43），所述第六法兰（43）和第第四机头支架（39）之间连接有第二扭矩传感器（44），所述第二低速轴（45）和减速器（46）套装在第二中空高速轴（41）上，所述减速器（46）与第五法兰（42）连接，所述第二低速轴（45）安装在减速器（46）上。

5.根据权利要求3所述的锚杆综合力学性能的快速测试装置，其特征在于：所述减速器（46）与第二中空高速轴（41）的连接为键连接。

6.锚杆综合力学性能的快速测试方法,其特征在于：按以下步骤进行：

第一步，根据待检测锚杆的规格，选择模拟钻孔用的无缝钢管，钢管的长度比锚杆的公称长度短800mm；钢管的内径应比锚杆的公称外径大4～6mm；

第二步，将模拟钻孔用的无缝钢管装入定向钢筒（5）中，并用定心卡盘（9）夹紧，模拟钻孔用的无缝钢管的一端通过调心球轴承（12）顶住空心双作用油缸（10）上的空心压力传感器（11），然后将定向钢筒（5）的位置暂时锁定；

第三步，将锚固剂药卷从空心双作用油缸（10）的活塞杆上的中心孔装入，并用待测锚杆将锚固剂药卷轻轻推到模拟钻孔用的无缝钢管的底部；

第四步，将液压旋转动力装置（4）的第一中空高速轴（19）通过搅拌接杆与待测锚杆尾部螺纹段连接，通过高速马达（18）带动待测锚杆旋转搅拌药卷，并以已设定的速度，在要求的时间内将待测锚杆平稳推进到模拟钻孔用的无缝钢管中，当待测锚杆尾部露出50mm～60mm时，高速马达（18）停止旋转；

第五步，待凝胶时间达到要求后，卸掉搅拌接杆，在待测锚杆尾部安装托盘、调心球垫和螺母，然后将液压旋转动力装置（4）的第一低速轴（24）通过套筒与锚杆尾部的螺母连接；

第六步，低速马达（24）带动螺母旋转，为待测锚杆平稳加载扭矩，加载过程中，采集和记录加载扭矩值和待测锚杆杆体的安装预紧力，当加载扭矩达到设定值或最大值时，自动停止加载；

第七步，空心双作用油缸（10），慢速为待测锚杆施加轴向拉力，连续采集和记录待测锚杆承受的轴向拉力和杆体的延伸量，待测锚杆出现破坏失载或拉力、延伸量达到最大量程时，空心双作用油缸（10）自动停止运行；

第八步，收集检测结果。

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