CN1198022C

CN1198022C - 锚定装置

Info

Publication number: CN1198022C
Application number: CNB018106099A
Authority: CN
Inventors: 克利福德·艾伦·帕克
Original assignee: CAP NUMBER ONE TRUST
Current assignee: CAP NUMBER ONE TRUST
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: US20030147704A1; US6824331B2; EP1417382A1; EP1417382A4; CN1432091A; AU2001252791B2; AU5279101A; WO2001077444A1

Abstract

本专利中发明了一种螺纹形的锚定装置(10)，用于螺旋地穿入宿主材料中。该锚定装置(10)包括一个具有操作端(12)和远端(13)的锚体(11)。螺旋线(22)是由多个始于远端的具有倾斜的螺纹形状(22a)形成的。每个倾斜的螺旋形状(22a)各有一个朝外的面(24)和一个相对远端而言朝下的面(25)。在优选方案中，从远离远端(13)的一点开始有一个突出的螺纹(26)。该突出的螺纹(26)延伸至锚体(11)的操作端(12)。

Description

锚定装置

技术领域

本发明涉及锚定装置的改进。

背景技术

众所周知，锚定装置是基于自攻螺丝结构的。此类基于锥形螺旋斜面的锚定装置在其要穿入其中的材料(所谓“宿主材料”)较坚硬，缺乏弹性和/或呈纤维状时，会丧失其穿透和锚定的能力。

传统的自攻螺丝具有从螺纹体上突出的翼片状螺旋线。所述翼片状突起部分明显地呈锥形，从而在其外侧顶端相当锋利。螺旋形翼片的锥角在翼片纵向中心轴两侧基本上相同。相邻两翼片之间的空间通常为U型或V型，或介于两者之间。该变化主要是由于在由锥度变化使周长变化时为获得给定的螺距所导致的螺旋部分上升角的必然变化所引起的。从螺旋线外周测量时，V型或U型可比直锥形形成更大的单位螺纹周长区域内总面积。

锥形螺纹适用于弹性或纤维性的宿主材料，但不适用于较硬的，缺乏弹性或/和纤维性的宿主材料。

传统自攻螺丝设计的锚定装置的失效主要有两个且通常是互相关联的原因。一方面，当对向内的穿透力、螺纹旋转力和螺纹强度有不恰当的要求时会发生失效。另一方面，螺旋线出现断裂或剥落也会发生失效。

自攻螺丝结构的锚定装置故障的可能原因和后果包括：

·整个螺旋线间凹处的空间和表面都滞留有宿主材料。这些材料很可能从其原有状态转变至具有弹性和流动性的状态，在这种状态受到压力作用开始粘附在螺纹表面上。其流动性是源于宿主材料的弹性或宿主材料破碎或呈粒状后的运动，或是二者兼有。

较硬的宿主材料会在锚定装置穿入其中时产生较高的体位移抗力和向上力作用于螺旋线上。该向上的力包含一个扭转力和一个膨张力，与它对应的是相对螺纹轴定向运动并将宿主材料转变至类似于流动的运动状态的力。V型或U型截留区具有较大表面积，使宿主材料粘附在表面上。螺纹穿入过程中的旋转运动进而要求螺纹与宿主材料间有与定向运动和力有关的剪力。

·宿主材料内部产生的力、螺纹与宿主材料的强度和螺纹结构进而决定了用于特定宿主材料自攻螺丝的限度。

·没有纤维的宿主材料，或超过纤维支撑范围的力使螺旋线封闭的宿主材料粘附在螺纹上，同时形成一条起码抗力的剪力线，从而不可避免地形成一个向上膨胀的锥形。如果螺纹螺旋线的结构强度大于力作用下的宿主材料，宿主材料在由螺纹外周确定的向上膨胀的锥形处剪切。如果宿主材料强度较高，所述剪力可能大到足以使螺旋线在螺纹体处转向导致螺旋线的剥落。另一方面，不规则地间隔在螺纹体与螺纹线之间，剪力线穿过螺纹边穿过宿主材料和剥落带。

导致螺纹失效的另一个原因可来自于体位移抗力。较硬的材料有在体积或距离上浮，或是抵抗锚定装置的体积穿透的强度。体积位移抗力的有向力既影响剪切力的方向，也影响其在螺旋线上的剪切效果，这样螺旋转动就会分离出一个胡萝卜形的锥体并导致螺旋线失效。主要由于侧向力，弹性和纤维性材料产生对扭转的摩擦抗力。经验表明，土壤和软的岩石中的体积位移抗力是导致剥落的首要原因。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种螺纹形的锚定装置，它能够在宿主材料强度更高、更坚硬、缺乏挠性和纤维性时，更好地控制作用于螺纹和宿主材料以使之实现功能的力。

根据本发明的一个广义的方面，提供了一种螺纹形的锚定装置，包括具有操作末端和远端的锚体、由多个从所述远端延伸向所述操作端的有锥角的螺旋线组成的螺纹、每个倾斜的螺纹有一个相对于远端向上的朝外的面；一个相对远端朝下的面以及一个突出的螺旋线，它始于远离远端的一点并延伸向操作端。该突出的螺旋线可是连续或不连续的。

在本发明的优选实施形式中，向下的面实质上垂直于锚体的纵向对称轴。在优选实施形式中，所述体的远端是尖的。突出的螺旋线可以从自所述多个螺旋线之一得出。

首选地，突出的螺旋线至少在其长度的一部分上有向外和向上的面。首选地，突出的螺旋线在接近其远离远端的尾端部分的边缘有向外和向下的周边面。

根据本发明的实施方案之一，所述螺旋线中的一个或多个螺旋线可在距所述远端一定距离的一点合并。该合并可发生在突出的螺旋线起始点之前或之后。

本发明的一个实施方案中，螺旋线在突出的螺旋线起始点之后是不连续的。

突出的螺旋线可以是锥形的，也可以有固定的外径，或者二者兼有。

在本发明的实施方案之一中，锚体在操作端与包括螺旋线的扩展锚体相连。也可以采用多个所述扩展锚体，并且沿对于锚定装置纵向地端对端连接。

附图简要说明

图1所示为根据本发明的一个具体实施方案的锚定装置的透视图，与用于将锚定装置插入宿主材料的相应工具结合在一起。

图2所示为图1中所示锚定装置的放大透视图。

图3所示为图1和图2中所示锚定装置的另一种实施方案的侧视透视图。

图4所示为图3中所示锚定装置的另一侧视透视图。

图5所示为仅示出下文所述L-螺纹的锚定装置的透视图。

图6所示为根据本发明的第四实施方案的锚定装置的透视图。

图7所示为图6中所示锚定装置插入宿主材料中的示意图。

图8所示为图1和图2中所示锚定装置的改进形式。

图9示出根据本发明的锚定装置支撑的框架或结构。

图10所示为有本发明的锚定装置锚定的栅栏线柱的层叠示意图。

图11所示为图7中所示具体实施方案的示意图。

图12示出体现本发明的带孔锚定装置。

图13所示为由本发明的锚定装置锚定其基座的柱或塔的示意图。

图14所示为图8中所示锚定装置的另一个视角的示意图。

图15所示为本发明另一种具体实施方案的锚定装置示意图图，图示出采用了非连续的突出螺旋线。

图16所示可安装在锚定装置体上形成图15中所示非连续突出螺旋线的短螺旋的透视图，以及

图17所示为图16中所示短螺旋结构的另一透视图。

具体实施方案

先参见图1和图2，如图所示，锚定装置10包括一个带有操作端12和远端或尖端13的锚体11。操作端12具有可以施加使锚定装置10沿其纵向中心轴15转动的力的形式。

例如，通过图1所示方式采用工具16可施加所述转动作用力。如图中所示，工具16可包括主体17，主体17在其一端有横向延伸的手柄19(最好可拆卸)。主体17的另一端可有开口18，锚定装置10的端12可接合于其中。在优选实施方案中，锚定装置10的端12具有成角形截面，并至少有一部分与开口18的形状一致。这样，当端12在开口18中时，绕体17纵轴的转动可转变成锚10绕轴15的转动。

在本发明的首选实施方案中，经开口14固定在端12上中的挠性件20可伸过体17(最好为中空)以终止于，例如，接片或平板21。

如果需要，把适当的紧固件(未示)经锚定装置10的12端接合的体17端部相邻的开口18’插过可防止锚定装置10与体16的轴向相对运动。该紧固件可与12部分的表面、凹槽或类似物12’接合从而防止12部分与体17间发生轴向相对运动。

在本发明的一个实施方案中，使用工具16可将锚定装置插入宿主材料(如大地)并深入至土中合理的深度。如果锚定装置需要被深埋，则埋入的深度受由工具体17的可用长度的限制。锚定装置放好后工具体17(假定没有用紧固件通过开口18将其与锚定装置固定在一起)可以被收回，留下挠性件20和在地面以上的接片或平板21与需要被锚定的物体相连。例如，当锚定装置用于锚定钢缆、绳索或类似东西时，挠性件或类似东西应该与平板21连接。

然而，如果工具体17与锚定装置10固定连接，则工具体17保留在地下，尽管在这种情况下手柄19需要移去以使需要锚定的东西能够与体17相连。或者，体17可以做为需要被锚定或支撑的结构的一部分。

通过将挠性件20穿过中空工具16并拉紧挠性件20，同时使工具沿柔性件20向下操作作为引导，可以确定体17的位置，从而使之与锚定装置10的12部分重新接合。这样就可以对锚定装置施加反向旋转的操作，从而将锚定装置从宿主材料中旋出。

参见如图5所示为锚定装置10的基本结构。L-螺纹22被加工在体11上，所述螺纹由多个从远端13沿锚体11伸出一定距离的有一角度的螺旋线22a构成。L-螺纹22由多个倾斜螺旋线22a中的每一条形成为锥形，每一螺旋线的每个螺距上都有一个向上和向外(方向如图中箭头所示)的螺旋面24。因而，L-螺纹22在每个螺距上有多个有一角度的螺旋线22a，沿垂直于锚体10的轴向对称轴15观察时，这些螺旋面环绕形成锥体并呈台阶状。因此，螺旋线22a在外观上切入锚体10的表面，因而有一个与向上和向外的面24接近直角关系的向下的面25。

优选地，如图7中所示，所有螺旋线的顶点都进行倒圆以消除小的突起并使表面积尽可能最小。

如图所示，每个倾斜螺旋线都始于尖锐的远端13，如同一个角度迅速增大的浅凹槽，以匹配较大周长的恒定的螺距。

根据本发明，螺旋线26可从L-螺纹22上向外突出形成一个常规的螺旋线(所谓的“突出的螺旋线”)，并具有一个向外和向上外周面27(其方向如箭头28所示)。或者，它可以完全转化成常规螺旋线。螺旋线26上的面29实质上与L-螺纹22上向下的面25对应。

L-螺纹22(与图8中所示不同)计划应用于中等至较高硬度的土壤，因此，如图中所示在一个螺距上有四到八条螺旋线。仅作为示例也可以使用多于八条或少于四条的螺旋线22a。如图所示，它保持所有“等螺距”螺旋线都在一个“分级切削”的螺旋线结构中。经过预定的圈数且锚体上前进一定距离后，一条螺旋线的侧面突出于其它螺旋线之外从而形成突出的螺旋线26。突出的螺旋线26保留了外周面27原有的实质上平的“向外和向上”的方向，直至其达到了最大周长，在此处它转变为实际上削尖的或更为常规的螺旋线边26a。

如图所示，例如，在图2中L-螺纹22上的三条未突出的螺旋线22a最终在24a向内融入了锚体11中。

L-螺纹22的螺旋线22a可以随着锥形直径增加而融合为一条螺旋线22b，从而可以在不削弱锚定装置强度的情况下允许更深的切入。融合可以通过将一个螺旋线表面从切削状态突出至凸起状态，例如使螺旋线26凸起。或者，融合可以通过突出外侧螺旋线以使面24与较高螺旋线的面24对齐，从而使两螺旋线合并成较大的螺旋线32。

在本发明的另一个实施方案中，螺旋线面可以向内融合与较低的螺旋线面对齐。

较高与较低(或类似)的参照标准为锚定装置的尖端为最低点，操作端为最高点。

L-螺纹22中在突出的螺旋线26上面的一条螺旋线可以与较低的螺旋线融合以形成合并螺旋线30(见图6)，以消除较大面积上的宿主材料滞留空间。同样如图6所示，突出的螺旋线26(不论其是否为常规形式)可沿锚体10保持连续上行不确定长度。图6中还示出了为与不同锚定和驱动装置装配而修改了的远端12的结构。

因此，图6所示为本发明的一种螺旋线没有固定分布的锚定装置具体实施方案的示意图。如图所示，L-螺纹22从远端13开始延伸并与突出的螺旋线26融合，螺旋线24在突出的螺旋线26以上连续并在24a点融入锚体11中。图6中还示出了一些螺旋线与锚体融合然后又在突出的台阶处，如切痕22’处，重新开始的方式(如图中31所示)。

图7所示为锚定装置10及其沿纵轴15的一部分剖面图，图中示出了宿主材料中的作用力和压力。材料的密度表明有一个从图中箭头A所示的转动螺旋线表面开始并在B所示处消失的作用于材料中的心形压力区。图中还示出了在锚体11’和11”处减少的截面面积。

图8所示为本发明的另一个具体实施方案。这次，图中所示为锚定装置的剖面图，该实施方案例如可用作诸如用于使不稳定的泥土稳定的泥土钉或用于把多层建筑产品固定在一起的固定螺栓。此类产品可能有一层或多层坚硬的混凝土类的材料或性能较低的可支撑纤维和弹性复合体。

多个较浅的螺旋切槽(图中虚线所示)可以使螺旋线始于尖端13附近而又不会因为螺旋线槽使锚体被过度削弱，并使诸如混凝土、石头、冰或人造硬质材料等宿主材料被穿透时的抗力最小。

图8中再次示出了始于端点13并延伸至32处融合为一个螺旋线的、构成螺旋线22的切割表面。锚体11的锥度如点划线T所示。

通常为圆形截面并带有常规螺旋线34的延伸部分33嵌入锚体10中。如图所示，体33有一个轴向伸出的凸台35，该凸台的截面有角并接合在锚体10上形状与之匹配的凹槽中。销钉37或类似的零件可贯穿在锚体10和凸台35中以将体33的嵌入端固定在锚定装置10上。

领域内一般技术人员可以看出多个体33首尾相接嵌入连接以提供所需要的长度。

其上部分面积有与突出的螺旋线加工在一起的L-螺纹的锥形的“T”圆锥体的总表面积小于采用常规螺旋线螺纹的锚定装置的总表面积。因而，本发明比常规方式具有更小的初始自攻螺丝突起，因而优选地把螺纹或者说螺部固着在宿主材料中。因此，与常规外侧咬入螺旋线的情况相反，向外和向上的剪切面具有最大的面积并使宿主材料在其周围的滞留最少。不管采用何种自攻螺丝，本发明的锚定装置实现其功能的主要取决于保持其螺纹穿入，起到作用。

上突出螺旋线26通过剪切已被L-螺纹22的螺旋线在土壤中建立的面增加锚定力。这与其它采用常规螺旋线螺纹的锚定装置相比具有更大锚定/支持力。

因此，L-螺纹提供了主要的扩展穿透并为突出的螺旋线建立了螺纹线。因而紧随L-螺纹22的较常规的螺旋线在更大“深度”上旋入宿主材料中，从而使本发明的锚定装置可用于以前不易于被“自动攻丝”的宿主材料中。

图9至13所示为本发明所述任何形式的锚定装置的最终使用方式。图9所示为具有底部或腿的框架或塔结构38与锚定装置10连接。所述连接可通过延伸部分或安装件39以适当方式与腿40的连接实现。

延伸部分39可以是图1中所示的体17，并通过一个操作臂或交叉板或类似工具19’安装。

所述锚定装置于篱笆桩或栅栏线L的支柱方面特别有用。每个支柱P可以具满足最终使用要求的适当形状并可以包括多个诸如开口41，可供钢丝W接合。支柱P的下端42可与装在地上时固定在锚定装置10上的基板43接合。

图11示出用于使泥土稳定、地下管道安装或类似用途的可伸螺栓，图12示出可用于砖石类材料的带孔螺栓。驱动杆可穿过带孔螺栓E上的孔44以沿锚定装置10纵轴施加旋转运动，从而使带孔螺栓插入各种宿主材料，甚至插入冰山中，以使固定船的缆线可固定在其上。

最后，图13示出带有伸入宿主材料M中的锚定装置的柱或塔基45。锚定装置10的操作端部分12可以被放入被适当的填充材料47填满的凹槽46中。

图14所示为图7中所示锚定装置实施方案的另一示意图。图中示出了锚体11的远端13有由多个始于远端13的倾斜螺旋线22a形成的螺纹22。一定数量的螺旋线22a融合以形成具有较宽向外和向上的面24的连接线22b。图中还示出了从最后一个倾斜螺旋线22a的终止点伸出过的螺旋线26。然而，在本发明的该实施方案中，突出的螺纹的周边有一个向外和向上的面27(如前所述)，但该面转变成朝向向外和向下突起的突出的螺旋线终点外周边面27a。

图15至17所示为本发明的另一个实施方案，其中突出的螺旋线26是由短螺纹段50(参见图16和17)构成，所述短螺纹段在锚体11的表面凸起并朝向操作端12。如图15中所示，这些短螺纹段50排列可以它们有效地形成一条并不连续的螺旋线。

如图14中所示的结构，短螺旋线段的外周边可以是向外和向上倾斜或向外和向下倾斜的，尽管如图17中所示更优选的实施方案是每个螺旋线段都有一个从向外和向上的面52转变为向外和向下的面53的外周面51。

通过使用多个从锚定装置尖端以恒定的螺距伸出倾斜的螺纹，相对于锚定装置插入宿主材料中时整个宿主材料位移的体积，尖端穿入的体积被最小化了。因而，就获得了比现有自动攻丝型锚定装置低的初始尖端穿入抗力。

使用多个倾斜的螺纹的降低了磨擦边缘，减轻了材料的粘着，后者使得宿主材料能开始在锚定装置的合成引入面上滑动。例如，事实表明，采用塑性形成的、每个螺距有八条从尖端伸出的倾斜螺纹的锚定装置，锚定装置的整体性能显著提高。

宿主材料在倾斜的螺旋线面上的滑动且表现出更多的上下方向而不是类似于常规螺纹那样地向四周滑动，还对保持非纤维性宿主材料剪切强度的压力作用下的受控有向力起作用，不然它会随宿主材料的流体运动而减少。该力的方向开始向下，随着所述体部锥度扩大而转为向上向外，而螺距形常规螺纹，同时倾斜的螺旋面继续降低摩擦力和锚定装置的转矩。

倾斜的螺旋的融合可以方便地实现更深地切入，这种情况下尖端的载荷由直径越来越大的锥体来支撑，很大程度与锚定装置材料的应力成比例。这产生不断加宽的可供连续滑动的光滑滑动面、和与所述体锥形直径成比例增加的，受到高于通常剪切阻力的压力的材料的面积(或体积块)。该体积块在材料中的向上和向外方向增长，对抵抗尖端穿透时向下的抗力。

该结构一直持续，直至锥形扩张到对希望的最终用途或宿主材料类型形成能够自持的螺纹所适用尺寸为止。这将导致最低锚定装置转动力。通过突出的螺纹，可以提高采用这种锚定装置的锚定效果(不论是要抵抗锚定装置在宿主材料被拉出或推入更深)。

突出的螺纹可在任何位置或间隔融入回锚体中。如果切割螺旋锥体何积被认为不足以释放锚体光杆部分的压力或可能形成滞留区域，螺纹可在滞留区域前融入锚体中。任何宿主材料的粘着都可能导致宿主材料在螺旋线外周边断裂并造成螺纹的剥落。

螺纹可在间隔一定空间和高度的后面和更高处以给定的螺距重新`开始，以减少因为滞留或表面粘着导致的宿主材料撕裂。通过使用径向分开的有间隔短螺旋线元件，一个短螺旋元件可被定位得与径向对齐的滞留物间间隔的高度上不沿同一径向对齐。

短螺纹元件外观上像螺旋浆叶片，且有从锚定装置体伸出的上升的圆周角，以使宿主材料的转动更容易。所述上升的角优选地有一个外角平整面，把在螺旋拧动时接触的材料向上和向下引导到到下向侧面上，并且有在向错着装置体返回并降低直降的上斜坡上具有向下向外的较平的表面角方向。

如果锚定装置要求重复使用，因此要求具有可较好地从宿主材料中螺旋退出的性能时，则上升的锥度体积和任何螺旋线不应该上升至锚定装置体和螺纹(如果有)的相应部分以上。可重复使用的锚定装置可以在锥体的顶部有一个大于锚体的上升体积，而且使切割出的螺纹从向上向外的面到向下向外的面融合，这样，压紧或固定后的拆出就可以用与插入锚定装置相同的表面力控制。

Claims

1.一种螺纹形的锚定装置(10)，包括具有操作端(12)和远端(13)的锚体(11)、由多个从所述远端(13)向所述操作端(12)伸出的锥形倾斜螺旋线(22a)形成的螺纹(22)，每个倾斜的螺纹(22)有向外的面(24)和相对所述远端向下的面(25)，其特征在于，所述向外的面(24)相对于所述远端(13)是向上的，一个突出的螺旋线(26)始于距远端(13)一定距离的一点并伸向操作端(12)。

2.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，所述向下的面(25)实际上垂直于锚体(11)的纵向对称轴(15)。

3.如权利要求1或2所述锚定装置，其特征在于，数个倾斜的螺旋线(22a)随锚体(11)截面直径的增加而终止。

4.如权利要求1或2所述锚定装置，其特征在于，远端(13)为尖端。

5.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)从所述多个倾斜的螺旋线(22a)之一引出。

6.如权利要求1或5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)至少在其长度的一部分上有向外和向上的外周边(27)。

7.如权利要求6所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)在接近其远离所述远端(13)终端时有向外和向下的外周边(27a)。

8.如权利要求5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)向外向远端外周边(26a)渐细。

9.如权利要求1或5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)是连续的。

10.如权利要求1或5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)是不连续的。

11.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，所有与倾斜的螺旋线(22a)和突出的螺旋线(26)相关的顶点都是倒圆的。

12.如权利要求3所述锚定装置，其特征在于，通过将两条或多条倾斜的螺旋线(22a)融合为一条单独的倾斜的螺旋线(22b)，倾斜的螺旋线(22a)的数目向着操作端(12)减少。

13.如权利要求12所述锚定装置，其特征在于，融合可以发生在突出的螺旋线(26)的起始点之前或之后。

14.如权利要求5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)沿所述锚体(11)向操作端(12)伸过倾斜的螺旋线(22a)的终端。

15.如权利要求5所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)可以是锥形的，也可以恒定外周径的，或者二者兼有。

16.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，锚体(11)在操作端(12)处与包括螺旋线(34)的延伸体(33)连接。

17.如权利要求16所述锚定装置，其特征在于，多个延伸体(33)相对锚定装置(10)纵向地首尾相连。

18.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，操作端(12)构成为可与一个工具(16)接合在一起，从而可将旋转运动施加到锚体(11)上。

19.如权利要求1所述锚定装置，其特征在于，突出的螺旋线(26)由多个分开的螺纹段(50)形成。

20.如权利要求19所述锚定装置，其特征在于，每个螺纹段(50)有一个沿其长度方向从向外和向上的面(52)转变为向外和向下的面(53)的外周边。