CN1086589A - 采用挤压塑料紧固的锚固件 - Google Patents

Abstract

一种用于对坚实墙壁进行高强度的锚固的方法 和锚固元件，其中，一坚实的塑料柱塞插在一坚实墙 壁上的孔中，将一直径和塑料柱塞基本相同的螺钉拧 入柱塞内以形成锚固。柱塞的塑料是可挤压材料，螺 钉的拧入使在螺钉的相邻螺纹间的塑料高度压缩，并 形成高度压缩的基本上包住螺纹的一层薄膜，塑料的 挤压和高度压缩的区域产生了非常高的防止柱塞从 墙孔中拔出的阻力。

Description

本发明涉及用于紧固到实心墙壁上的锚固件，尤其涉及塑料插入式实心墙壁锚固件。

在属于本申请转让人的美国专利No.4，752，170中描述了一种实心墙壁锚固件，其中外形像子弹或柱塞一样的锚固件由构成一塑料实心柱塞的相互配合的几部分组成，即有一供螺钉用的起始孔但不是中空的。由于在给定的孔径中增加了压实的材料，在螺钉拧入后，锚固件的坚实特性使螺钉能比其它类似的但空心的锚固件承受大得多的重量。这些锚固件能提供比许多具有相同尺寸的金属锚固件更大或至少也可以与之相比的锚固强度。

本发明的一个目的是提供一种能使实心墙壁塑料锚固件的锚固强度大大增加的廉价的方法。

本发明的一个进一步的目的是提供一种独特的塑料和螺钉的组合，这种组合可构成强度很高的锚固元件。

通过以下的详细描述和附图，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加明显。

图1a和图1b是前述专利的锚固件的立体图和正视图，其分别处于打开和闭合状态;

图1c为图1a和1b所示的锚固件的另一个实施例;

图2为图1a和1b所示的锚固件在按已有技术的方法使用时并在从墙壁基材中拆出后拍摄正视图（为了详细而放大了）。

图3为图2所示的锚固件在按本发明的方法使用时并在从墙壁基材中拆出后所拍摄的正视图（为详细而放大了）;以及

图4为（图1a和1b所示的锚固件）在所插入的螺钉直径远远超过锚固件直径时并在从墙壁基材中拆出后拍摄的正视图。

概括地说，本发明包括一种用于使一塑料柱塞对一构成锚固要素的实心墙壁或其它基材形成高强度挤压联接的方法。本发明包括利用一有特殊机械性能的塑料制成的基本上为实心的柱塞;往其中旋入一特定尺寸的螺钉。本发明还包括塑料和螺钉的一种独特的组合，它能提供一强度很高的锚固元件。

根据本发明，将一紧实的、大体上呈管状的塑料柱塞入一形成在实心墙壁或其它实心基材上的一孔中。孔的初始深度超出塑料柱塞长度一个适当的量，以便它能容纳由螺栓的塞入引起的柱塞的挤压伸长并允许螺栓能完全地啮合。为使效果最佳，孔的深度应至少比柱塞的初始长度长大约30%;最好是至少大50%。但螺栓应不长于孔的深度和被固定的物件的厚度加起来的数值。

塑料柱塞的直径或沿其长度方向的一基本部分的截面最好是一致的，并且将它塞入孔内不到孔底的一个深度，余下的孔深要足以容纳塑料柱塞的挤压伸长。塑料柱塞的直径基本上和孔的直径相同。在实际应用中，特别是对于砖砌和混凝土的基材钻头会形成比其标称直径略大的（0.01-0.02″（1/4-1/2mm））的孔以使具有同一标称直径的物件能插入而不会卡滞不进。

一直径基本上和柱塞相同的螺钉（±0.02″（1/2mm））被可转动地插入塑料柱塞内以形成一锚固元件。螺栓可以是一金属板螺钉、木螺钉、方头螺钉（例如：AB和BP型自攻螺钉-ANSI/ASME  B18.6.4;木螺钉-ANSI/ASME  B18.6.1;以及方头螺钉-ANSI/ASME  B18.2.1）或其它类似的本身能够自攻塑料柱塞并且螺纹长度足以与最终完全伸长的柱塞啮合以达到最佳紧固强度的螺钉。

通常，为了达到最大限度的紧固，螺钉的螺纹部分的长度应比塑料柱塞的初始长度大至少30%，最好大50%。孔的深度应与之相适应。每英寸螺纹长度上螺纹稍多几圈的自攻螺钉和有较大根部截面的螺钉可产生较大的挤压作用和紧固强度。最好是螺钉有适用于高转矩的头部，例如六角头，以便于拧入。最好是螺钉头也比较结实，以便承受锚固件能支持的非常重的载荷。螺钉也应有一相当尖的末端，以使直接而方便地钻入柱塞的塑料中，这样比将锚固件推入孔中好。由于螺钉直径很大，若是螺钉端头太钝，它往往会在螺钉与柱塞啮合之前将柱塞向孔内推。

塑料柱塞的外部尺寸沿其塞入的长度上最好基本相同以便和插入孔的相同尺寸基本一致。采用可挤压性高的材料时，如果塑料柱塞随着螺钉的拧入而能与孔完全贴合，塑料柱塞相对于孔而言最初可以不是很圆的，塑料柱塞沿其长度的大部分横截面也是基本上完全实心的。

根据本发明，组合锚固件的塑料必须是一种在由螺钉施加的升高的压力和温度作用下可挤压或可变形的材料。在这一点上应该与许多锚固件用的尼龙或PVC之类的只能延伸一点就被拧入的螺钉切掉了的材料不同。此外，这种塑料还必须有从分子结构来看的高抗剪强度和高可压缩性，以便产生紧固能力。这种材料的实例可为：聚丙烯，高密度聚乙烯，以及它们的共聚体。为了便于拧入螺钉栓，塑料最好是自润滑型的，例如聚丙烯。常用锚固件用的尼龙或PVC不具有这些特性，因而拧入的螺钉有一种很强的不利于联接的趋势，如果螺钉的尺寸是规定范围内的较大者，情况就更加如此。

用本发明的方法（包括用一由有上述特性的塑料制成的塑料柱塞，并有一相对柱塞尺寸而言具有特定尺寸的很大的螺栓）按下列独特方式进行操作，可以相信，能够实现所需要的高强度压缩联结。由于螺钉是以旋转运动而拧入，螺钉的螺纹对受到极大限制的塑料施加巨大的压力并且伴有温度的升高，这足够使塑料流动和变形，达到与孔的壁面紧密贴合。塑料被螺旋形地挤压到壁面的许多凹凸不平处中。另外，螺钉的各螺纹之间的塑料几乎完全限制在各螺纹和相邻的孔壁表面之间，并被牢固地压挤贴在孔壁表面上，只有极少量的塑料能逃出这一限制。在高度压缩下，有少量的塑料变成处于螺钉螺纹的外圆周和孔的壁面之间一层薄膜。已经注意到，（有一层塑料膜包在挤平的螺纹上）在拧入过程中，螺钉的前部螺纹被挤平了，用超大尺寸的螺钉，螺纹在变平之前切穿塑料，因而会使锚固件失去作用，剩余的塑料被挤到螺钉的前头。由于高挤压压力，栓塞伸长达其初始长度的50%。塑料内的纵向发丝间隙或裂缝起到引导螺钉的作以保证塑料挤过拧入的螺钉螺纹的大部分圆周。特别是，上述专利中所示的锚固件的交替的齿倾向于基本上完全地包围住螺钉并将它锁入一适当的中心范围内。由于塑料具有自身重塑成形而完全符合螺钉之形状的能力，所以如果原来的螺钉从锚固件中拧出来了，锚固件还可以重复使用而不会损失紧固力。

在一种没有张让性的材料例如混凝土中，用直径和横断面基本相同的一塞入孔、一柱塞式锚固件和一螺钉来产生一种有用的锚固一直被认为是不可能的。预料或者螺钉由于没有供其占用的足够空间而不能插入，或者即使插入了它也不能被转动，并将由于螺钉的合成剪切作用而“锁住”。或者，预料增加的压力无处卸荷将导致基材裂开而大大丧失紧固力。用由不可挤压性材料例如：尼龙或PVC制成的普通柱塞式锚固件，即使柱塞已有一可减轻一些压力的中心孔，当螺钉能够被插入时，也确实会产生锁住和剪断现象或者基材裂开以提供挤胀的余地，市场出售的所有的螺钉锚固件，无论是用于实心墙壁的还是用于空心墙壁的，都附有应选用直径比插入孔的直径小的螺钉的说明。但是已经发现，用聚丙烯之类的材料制成的锚固件以及按本文引以为参考的美国专利No.4，752，170的说法制成那些锚固件，在一个名义直径和锚固件的直径相同（上至+0.02″（1/2mm））的孔中，用基本上与锚固件的直径相配的螺钉尺寸（±0.02″（1/2mm））可以产生意想不到的高强度锚固，而不存在螺钉拧不进、剪断或基材裂开的问题。在这种应用中，锚固件经历一种独特的变形，其中锚固件被拉伸得很长，螺栓的各螺纹之间的部分锚固件的材料以高度压缩的方式填满，并且有一层塑料薄膜包住螺栓螺纹的外边缘的大部分。聚丙烯之类塑料的薄膜还会填塞如疏松的混凝土的硬质材料中的插入孔壁的相邻孔隙中。但若利用一个比插入孔和锚固件大的螺钉（大的程度超过了一最小允许量）将导致螺钉螺纹切掉锚固件材料以及大大损失紧固力。

用有相配的螺栓并从混凝土基材中拆出的锚固件，锚固件的直径比它的初始直径及孔的初始直径大了大约10-20%。所以说，当锚固件保持在孔中时，聚丙烯被挤压到这一程度，从而在分子一级上产生了很高的挤压强度。本发明的锚固元件的紧固力，由于有高强度的挤压联结和高度挤压，大大地超过了具有相似尺寸的金属锚固件的紧固力，并等于或者甚至好于高成本的化学粘结锚固件。通常制作柱塞式锚固件的几乎没有屈服能力的致密材料，例如尼龙，都不允许这种过份挤压。若采用与螺钉具有相配尺寸的这种材料的锚固件，将导致螺钉不能完全拧入而被锁住在一个位置上，而在这个位置上再加转动压力就会使螺钉自己切断。此外，采用这种材料的柱塞时，螺钉的强力拧入将会使基材裂开，即使是高密度的混凝土基材也要裂的。

除了上述特性之外，还发现本发明的塑料柱塞式锚固元件可以重复使用而紧固力不会严重丧失。已被挤压了的塑料，在被重新挤压时即使在施加一相当大的载荷后，还是简单地自身变形到适应新拧入的螺钉，塑料的挤压和形成薄膜的情形是相同的。而其它的塑料锚固件会被重新拧入的螺钉切成碎片。

还很重要的是，塑料柱塞应以一种足以防止柱塞自旋或被迫进到插入孔底的方式被紧固在位。很大的螺栓在最初塞入时很有可能会引起使螺栓很难甚至不可能进一步旋入的破坏性的自旋，但是，塑料柱塞和孔壁之间的超强结合而将会在最初就阻止柱塞向孔中的塞入。因此最好选用最小尺寸的防旋转措施，例如在柱塞的外端设置两个或多个小肋片，它们将楔靠在孔壁的表面上从而使塑料柱塞在螺钉旋入时固定在位，而不会自转或沉向孔底。

参见各附图，图1a描述了模铸有臂4的已有技术的塑料柱塞式锚固件10，且臂4是处于外张状态。每一臂4的表面都有两组（a和b）连续的波状凸起10a和10b的凹槽11a、11b，它们沿平行于臂4的长度方向延伸。波状凸起和凹槽组互相交错，因此波状凸起10a在各个壁上和凹槽11b横向对齐，同样地，凸起10b和凹槽11a在横跨宽度方向上也横向地对齐。于是一个臂4上的波状凸起和凹槽与另一臂上的凹槽和凸起形成楔合关系，这样，当将两臂叠合在一起时，如图1b所示，每一臂上的凸起10a与另一臂上的凹槽11a相啮合，每一臂上的凸起10b与另一臂上的凹槽11b相啮合。这样，在柱塞基干1上方，锚固件10在横截面内是基本上完全实心的。

塑料柱塞式锚固件10在其各臂4上的中央有加强筋15，它们把各臂上的波状凸起和凹槽横向间隔开。两臂并拢后，中央加强筋15的两对置部分之间的发丝间隙或缝隙起到为螺栓16的旋入提供一狭窄导槽的作用（加强筋的各部分的高度是波状凹槽的底至波状凸起的顶的高度之半）。因此，螺钉旋入后，它正中地限位于波状凸起10a和10b之间。另外，除筋15的并列部分之间的狭窄的发丝缝隙外，一基本上实心材料的前部用于导引螺钉前进。如图1b所示，设置防转肋片6用于双重目的：当从插入起始孔2向锚固件内拧螺钉时防止转动，以及当由螺钉施加压力于锚固件上时它们也楔靠在孔壁上防止下沉。

图1c描述了图1a、1b的锚固件的另一个实施例，其上两臂4′是以凸缘5'为基座，和图1a和b的锚固件一样，波状凸起10a′10b′将分别啮合进凹槽11a′、11b′，以构成一基本上完全实心的柱塞。

如图2的照片所示，它是按照已有技术中的那样使用而后从一个墙孔内完整地拨出的其中拧有一个正常尺寸的螺钉的图1b的锚固件，这一锚固件表现出伸长了一些，其外表面大致保持为基本上与锚固件的最初轮廓相同的圆柱形。与这一情形相比，图3照片所示的锚固件，其中螺钉适配于锚固件和墙孔，也伸长了并且在螺钉螺纹的限制区域形成一有环带状凹痕的薄膜，薄膜包住了螺钉螺纹的边缘。由于高度的压缩作用，薄膜在这区域内变成半透明的和几乎是透明的。各条环带状凹痕之间的凸起部分被高度压缩的，并在所示的照片中，其直径大约比锚固件拨出的孔的直径大15%。

如图4所示，采用直径比锚固件的直径大得多的螺钉，其结果将是螺栓螺纹的边缘切穿锚固件，并且材料仅留在螺钉的螺纹内。这有很大的紧固力损失，因为锚固件的切断削弱了锚固的有效性。只有螺钉螺纹和孔壁之间的剩余紧固力使螺钉保持在位。

为了更加全面的理解本发明的特点，举出以下实例来说明。应该理解，这些例子是用于说明特点的，其中的细节不能认为是对本发明的限制。

例子1A（已有技术）

将如图1b所示的外径为8mm、长39mm的聚丙烯锚固件塞入一位于24.1N/mm²（3500pai）的混凝土块上的8mm孔中（孔深60mm以上）。将一6mm螺钉（建议的公制尺寸）旋入锚固件内，并用一逐渐增大的拉伸载荷施加螺钉头上。在拉力达到约为563kg时锚固件开始松动。图2是带有拧入的螺钉的这一锚固件的照片。

例子1B（已有技术）

将一1/4″（6.35mm）螺钉（推荐的最大的标准粗牙螺纹尺寸）拧入第二个直径8mm的锚固件，锚固件和壁孔的尺寸都与上例相同。与1A例的锚固件相比，拉出力没有显著增加。

例子1C（已有技术）

将一外径5mm、长24mm的锚固件塞入同一块混凝土上的5mm孔中（深度至少为36mm），并将一4mm螺钉拧入锚固件。施加以拉伸载荷，当拉出力达约360kg时锚固件开始松动。

例子2

将和例子1A和1B一样的外径8mm的聚丙烯锚固件塞入一位于24.1N/mm²的混凝土块上的8mm孔中。一8mm的六角头螺钉很容易地旋入锚固件中（混凝土块没有裂开螺钉也没剪断），并施加一逐渐增大的拉伸载荷。在拉力达约885kg时，锚固件开始松动，紧固力比例子1A和1B增加了约60%。图3是带有拧入的螺钉的这一锚固件的照片。

例子2A（改进的已有技术）

将一中心开有空孔的并且原始尺寸与例子2相同的尼龙柱塞式锚固件插入一位于24.1N/mm²混凝土块上的8mm孔中。将一8mm六角头螺钉旋入锚固件，在螺钉还未完全到位之前，螺钉就剪断成两段。

例子3

将如例子1c的外径5mm的聚丙烯锚固件插入一位于24.1N/mm²混凝土块上的5mm孔中。将一5mm螺钉旋入锚固件内，并施加一渐增的拉伸载荷。当拉出力达约500kg时锚固件开始松开，与例子1c相比，紧固力增大约40%。

例子4

将一如例子2的外径为8mm的聚丙烯锚固件插入一位于24.1N/mm²混凝土块上的8mm孔中。将一8mm六角头螺钉旋入锚固件内，并施加一渐增的拉伸载何。在拉力达225kg时（大约为例子2中的锚固件的极限载荷的1/4以模拟标准的安全载荷率4∶1）将载荷释放，把螺钉拧了出来。再用第二个螺钉重新旋入锚固件，第二次渐增载荷。当拉出力超过950kg时锚固才开始松动。

例子5（已有技术）

将一如图1A所示的外径6mm、长29mm的聚丙烯锚固件插入一位于24.1N/mm²混凝土块上的6mm孔中（深45mm）。将一5mm螺钉旋入锚固件，并施加一渐增的拉伸载荷。当拉出力达620kg时锚固件开始松动。

例子6

将一如例子5的外径为6mm的聚丙烯锚固件插入一位于24.1N/mm²混凝土块上的6mm孔中。将一1/4″（6.35mm）螺钉旋入锚固件，并施加一渐增的拉伸载荷。当拉出力达到270kg时锚固件开始松动。对从混凝土块中拆出的锚固件的检查揭示出螺钉的螺纹已完全切穿了锚固件的塑料，这从图4中可看得较清楚。

应该明白，上述例子只是为了举例说明特性，只要不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围，可以改变材料和尺寸。

Claims (12)

1、一种用于在坚实墙壁基材上形成高强度锚固元件的方法，它包括以下步骤：在所述的坚实墙体上作成一孔；将一基本上实心的、通常呈管状的塑料柱塞完全地插入所述孔内；以及将一螺钉拧入所述塑料柱塞式锚固件中；其特征在于：所述塑料件由一种在由螺栓引起的增高的压力和温度下是可挤压的并具有高剪切强度的材料制成，所述塑料柱塞式锚固件的直径基本上和所述孔的直径相同，而且其所述螺钉的直径基本上和所述柱塞式锚固件的直径相同；因而所述螺钉的拧入造成施加在塑料上的压力并进一步使塑料变得足够热，从而使塑料被挤压成下列形态：

a)塑料被挤压在所述螺钉的各相邻螺纹之间，处于非常高度的压缩状态；

b)围绕所述螺钉螺纹的外部边缘的大部分形成一高度压缩的塑料膜；以及

c)塑料被挤入孔壁表面上的各凹凸不平处中。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述墙孔的直径比所述塑料柱塞的直径大0.2″（1/2mm）;以及所述螺钉的直径和所述塑料柱塞直径相差±0.2″（1/2mm）。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述墙孔的深度比塑料柱塞的初始长度至少长30%。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述螺钉有尖利的端部，因而使它能在将柱塞推向孔底之前就完全进入塑料柱塞内。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述螺钉有一六角头部以使于所述的拧入。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑料可以是聚丙烯、聚乙烯以及聚丙烯和聚乙烯的共聚体。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑料柱塞还包括防止其随所述螺钉的拧入而转动的结构。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述防转结构包括位于易于受到所述螺钉的拧入影响的所述塑料柱塞式锚固件的周边上的两个或多个小助片，在柱塞插入孔内时，所述肋片楔在柱塞和孔壁之间。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述楔入的肋片还包括能够防止锚固件因螺钉拧入的压力而向墙体内下沉的结构。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柱塞式锚固件还包括纵向缝隙，拧入的螺钉基本上由此缝隙引导至所述柱塞内的一大致中心的拧入区内，并且其中所述缝隙允许塑料基本上圆周地包住所述螺钉。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述缝隙构成所述柱塞式锚固件的两纵向臂元件之间的一结合面，两臂元件互相啮合以形成所述的基本上实心的、通常呈管状的塑料柱塞。

12、一种按权利要求1所述的方法制造的包括一塑料柱塞和一螺钉的锚固元件。

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