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Ausdehnbarer Anker, insbesondere für den Grubenausbau Die Erfindung
bezieht sich auf ausdehnbare Anker zur Sicherung z. B. der Firste von Grubenräumen.
Die infolge der fortschreitenden Mechanisierung des Bergbaues notwendig gewordenen
großen Breiten der Strecken und Abbauräume, die möglichst frei von Stempeln und
Pfeilern offen gehalten werden müssen, hat zur Entwicklung des Ankerausbaues geführt,
mit dessen Hilfe die zum Hereinbrechen neigenden Schichten, die dicht über der Firste
liegen, an tragfähigeren, höher im Gebirge befindlichen Schichten aufgehängt werden.
Zu diesem Zweck werden senkrechte oder geneigte Bohrlöcher hergestellt, in denen
die Anker, die an ihrem aus dem Bohrloch herausragenden Ende mit einer Tragplatte
versehen sind, befestigt werden. In ähnlicher Weise können. auch die Stöße oder
Sohlen von Grubenräumen gesichert werden.
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Es sind Anker mit in Längsrichtung unterteilten Spreizhülsen bekannt,
welche durch die konische Mutter oder einen vielflächigen Kopf des Ankerbalzens
beim Anziehen der Ankerschraube auseinandergedrückt werden.
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Diese Art von Ankern arbeitet jedoch nicht zufrieden.stellen.d, weil
die erreichbare größte Ausdehnung des Querschnitts sowohl durch die Wandstärke als
auch durch den Durchmesser der Spreizhülse begrenzt ist. Diese Begrenzung liegt
auch dann vor, wenn das dickere Ende der konischen Mutter oder eines vielflächigen
Kopfes den äußeren Abmessungen der Spreizhülse angeglichen und dadurch eine maximale
Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Querschnitts des Bohrloches möglich wird.
Ferner sind diese bekannten Ausführungsformen auch wegen des sogenannten »Durchziehens«
nachteilig, eine Erscheinung, die dann auftritt, wenn die auf den Ankerbolzen wirkende
Last den Dehnungswiderstand der Spreizhülse übersteigt. In einigen Fällen tritt
ein »Durchziehen« sogar dann auf, wenn die Spreizhülse durch einen ungeschlitzten
Teil begrenzt wird.
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Sofern die inneren Wandungen der Spreizhülse nicht der Form der konischen
Mutter oder des vielflächigen Kopfes angepaßt sind, werden die Stellen, an denen
der breiteste Teil der Mutter oder des Kopfes im Inneren der Spreizhülse anliegt,
außerordentlich hoch beansprucht. Dabei kann die Belastungsgrenze des Materials
überschritten werden. Wird jedoch die Innenwandung der Spreizhülse an der Eintrittsstelle
der Mutter oder des Kopfes konisch ausgebildet, so verteuert dies die Fertigung
des betreffenden Teils, welches außerdem noch hinsichtlich seiner Festigkeit geschwächt
wird.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Anker
zu schaffen, bei dem diese Nachteile vermieden werden und welcher einfach und wirtschaftlich
hergestellt werden kann. Gegenstand der Erfindung ist ein ausdehnbarer Anker, insbesondere
für den Grubenausbau, bestehend aus einer Spreizhülse, die zwei diametral gegenüberliegende,
von ihrem dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Ende über einen wesentlichen Teil ihrer
Länge durchlaufende Trennfugen aufweist, und aus einem Ankerbolzen, der sich durch
die Spreizhülse hindurch erstreckt, annähernd deren inneren Querschnitt ausfüllt
und zwei diametral gegenüberliegende, in Längsrichtung keilförmig verlaufende Lamellen
aufweist, deren kleinste Keilbreite den Trennfugen zugekehrt ist. Gemäß der Erfindung
ist vorgeschlagen, daß die Trennfugen der Spreizhülse vor dem Verspannen des Ankerbolzens
parallel zueinander verlaufen und die größte Keilbreite der Lamellen größer als
der Durchmesser des Bolzens, jedoch kleiner als der Außendurchmesser des Spreizkopfes
bemessen ist.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist vorgesehen,
daß sich die Trennfugen an ihrem den Lamellen zugekehrten Ende verbreitern und die
Lamellen in Richtung ihrer kleinsten Keilbreite stumpf enden. Hierdurch wird einerseits
erreicht, daß beim Ausdehnen der Spreizhülse die Lamellen in der richtigen Lage
in die Trennfugen eintreten, wie auch die abgestumpften Lamellenenden verhindern,
daß die Spreizhülse über die Länge der Trennfugen hinaus zerschnitten wird.
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Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Ankerbolzen mit
im wesentlichen unverändertem Durchmesser von der Seite der kleinsten Keilbreite
her
in die Keilflächen der Lamellen übergeht. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise
die Entstehung eines geschwächten Querschnitts im Ankerbolzen vermieden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Ausdehnung
der Lamellen in Richtung der Schlitzachse der Spreizhülse im wesentlichen gleich
dem Durchmesser der Spreizhülse ist und die Ecken des breiteren Lamellenteils in
der Weise abgeschrägt, abgerundet oder dergleichen geformt sind, daß der Querschnitt
der Lamellen den äußeren Umfang der nicht ausgedehnten Spreizhülse nicht überschreitet.
Durch diese vorteilhafte Ausbildungsform kann die Keilbreite der Lamellen an dem
dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Ende wesentlich größer bemessen sein und infolgedessen
hierdurch eine erheblich größere Ausdehnung der Spreizhülse erzielt werden, als
es bei anderen bekannten Ankern bisher möglich war.
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Die Spreizhülse des ausdehnbaren Ankers nach der Erfindung ist in
vorteilhafter Weise aus einem rinnenförmigen Profil aus Walzstahl oder anderem geeignetem
Werkstoff gefertigt, welches zwischen seinen Enden quer zur Längsrichtung in der
Weise gefaltet ist, daß die Endflächen im wesentlichen in einer Ebene und die Kanten
einander gegenüber- oder aneinanderliegen und daß die auf diese Weise gebildete,
auf gegenüberliegenden Seiten in Längsrichtung gespaltene Hülse an der Faltstelle
eine Bohrung zur Aufnahme des Ankerbolzens aufweist. Die Spreizhülse des erfindungsgemäßen
Ankers wird also aus einem außerordentlich einfachen Rohwerkstück hergestellt, das
keinerlei besondere die Herstellungskosten verteuernde Bearbeitungsvorgänge benötigt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer
Spreizhülse für ausdehnbare Anker, welches im wesentlichen darin besteht, daß ein
Werkstück erforderlicher Länge von einem rinnenförmigen Profil aus Walzstahl oder
anderem geeignetem Werkstoff abgetrennt wird, mindestens eine in der Mitte oder
annähernd in der Mitte des Werkstücks gelegene Querzone auf eine Temperatur erhitzt
wird, bei der das Werkstück verformbar ist, das Werkstück gefaltet wird, daß seine
Endflächen im wesentlichen in einer Ebene und seine Kanten einander gegenüberliegen
und eine Öffnung in dem geschlossenen Ende der auf diese Weise gebildeten Hülse
zum Hindurchführen eines Endes des Ankerbolzens in das Innere der Spreizhülse hergestellt
wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von
Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1
eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ankers mit Ankerbolzen und Spreizhülse
in seiner Lage im Bohrloch vor der Ausdehnung, Fig.2 eine Ansicht wie Fig. 1, jedoch
den Anker um 90° gedreht, Fig.3 eine Draufsicht auf das Ende der größten Keilbreite
der Lamellen, Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie III-111 der Fig. 1, Fig. 5
den erfindungsgemäßen Anker im eingebauten Zustand in einem Bohrloch nach dem Ausdehnen,
Fig. 6 eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, einer Maschine zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Spreizhülse, Fig. 7 ein Werkstück zur Herstellung einer Spreizhülse
vor der Bearbeitung in perspektivischer Ansicht, Fig. 8 eine fertiggestellte Spreizhülse
im Längsschnitt und Fig. 9 eine Draufsicht auf die Spreizhülse nach Fig. B.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Anker am
hinteren Ende des Bohrloches 10. Das Bohrloch kann sich in der Firste oder im Stoß
einer Strecke oder eines Abbauraumes in einem Bergwerk befinden und ist so lang,
daß es eine ausreichend feste Gebirgsschicht erreicht, an der die den offenen Raum
begrenzende, zum Hereinbrechen neigende Schicht verankert werden kann. Der Anker
selbst besteht aus einem Spreizkopf 11/22 und einem Ankerbolzen 12, der an seinem
dem Bohrlochmund zugekehrten Ende 13 ein normales zur Aufnahme einer Mutter 14 besitzt.
Diese Mutter drückt eine gelochte Tragplatte 15 im Bereich des Bohrlochmundes gegen
das Gebirge und schließt das Bohrloch ab.
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Das äußere Ende 13 des Ankerbolzens kann auch zur Befestigung von
Maschinen oder anderen Ausrüstungen an der Firste oder den Stößen benutzt werden.
Die Sicherung der Firste oder des Stoßes bildet jedoch das wichtigste Anwendungsgebiet
des Ankers.
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Die Spreizhülse 11 kann zylindrische Form mit einheitlicher Wandstärke
haben.
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Vorteilhafterweise wird die Spreizhülse aus Stahl von folgender Zusammensetzung
hergestellt: Kohlenstoff .............. 0,15 bis 0,23"/o Silicium ... .. ............
0,05 bis 0,35% Mangan ... .. ...... ...... 0,4 bis 0,9% Schwefel . . . . . . . .
. .. . . . . . 0,06'% maximal Phosphor . . . . . . . .. .. . . .. . 0,06°/o maximal
Rest .................... Eisen Selbstverständlich können auch anders zusammengesetzte
Stähle, z. B. um besonderen Erfordernissen gerecht zu werden, Verwendung finden.
Dort, wo mit starker Korrosion gerechnet werden muß, können auch andere Metalle
als Stahl verwendet werden.
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Im Fall, daß der Ankerbolzen stark beansprucht wird, soll die Wandstärke
der Spreizhülse 0,25 bis 0,75 ihres inneren Durchmessers betragen. Es wurde gefunden,
daß mit einer Wandstärke in den Bereichen von 0,3 bis 0,5 des Durchmessers zufriedenstellende
Ergebnisse im Grubenbetrieb erzielt wurden.
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Der hülsenartige Spreizkopf ist mit zwei diametral gegenüberliegenden,
von dem dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Ende ausgehenden Trennfugen 17 versehen,
die sich über einen wesentlichen Teil seiner Länge erstrecken und bei 19, nahe dem
dem Bohrlochmund zugekehrten Ende des Spreizkopfes, enden. In dem ungeschlitzten
Teil 20, der die Segmente 21 verbindet, ist eine Öffnung für den Durchtritt des
Ankerbolzens 12 angeordnet.
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Um eine ausreichende Sicherheit gegen das »Durchziehen« zu schaffen,
soll die Länge des ungeschlitzten Teils 20 vorzugsweise nicht weniger als ein Drittel
des äußeren Durchmessers der Spreizhülse betragen. Zur bestmöglichen Ausnutzung
der Länge des Spreizkopfes, zur Erzielung eines sicheren Angriffs beim Ausdehnen
sowie zur ausreichenden Sicherung gegen das »Durchziehen« ist es vorteilhaft, die
Trennfugen 17 so zu bemessen, daß sie 0,75 bis 0,95 der Gesamtlänge der Spreizhülse
ausmachen. Besonders günstig ist ein Verhältnis von Spreizhülsen zu Trennfugenlänge
von etwa 1 : 0,87.
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Die Dimensionierung hängt im wesentlichen von der Belastung ab, der
der Anker ausgesetzt wird. In der Praxis ist es besonders in Kohlenbergwerken üblich,
Bohrlöcher mit einem Durchmesser von etwa 42 mm
oder mehr herzustellen,
in die ein Anker mit einem Durchmesser von 38 mm eingeführt wird. Der innere Durchmesser
der Spreizhülse beträgt hierbei 21,4 mm. Dies ermöglicht ein leichtes Einbringen
eines Ankerbolzens von 19 mm Schaftdurchmesser und eine gute Ausnutzung des inneren
Querschnitts der Spreizhülse. Bei diesen Abmessungen beträgt die Gesamtlänge der
Spreizhülse vorzugsweise 127 bis 152 mm.
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Der Ankerbolzen kann aus Stahl folgender Zusammensetzung hergestellt
werden: Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . 0,3 bis 0,35 % Silicium . ... .
.. .... . . .... 0,05 bis 0,35% Mangan ................. 0,6 bis 1,0% Schwefel ................
0,06% maximal Phosphor . . . . . . . . . . . . . . . . 0,06% maximal Rest ....................
Eisen Das Gewinde 13 kann durch ein Gewindeschneidverfahren hergestellt und das
dem Bohrlochtiefsten zugekehrte Ende des Bolzens durch zwei seitlich angeschmiedete
keilförmige Lamellen in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise geformt werden.
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Die Ausdehnung der Lamellen entspricht in-Richtung der Schlitzebene
im wesentlichen dem Durchmesser der Spreizhülse 11. Die Ausdehnung des letzteren
erfolgt beim Eintritt der Lamellen in die Trennfugen, wie der Fig. 5 zu entnehmen
ist.
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Die oberen Enden der Trennfugen 19 sind mit divergierenden Öffnungen
23 versehen. Die keilförmigen Lamellen 22 verjüngen sich von ihrem dem Bohrlochtiefsten
zugekehrten Ende in Richtung zum Bohrlochmund und haben eine Länge, die im wesentlichen
der der zugehörigen Trennfuge 19 entspricht, so daß sie nach dem Eindringen in die
Spreizhülse die in Fig. 5 gezeigte Stellung einnehmen.
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Der Schaft des Ankerbolzens geht in die sich verjüngenden Lamellen
über (Fig. 2, Bezugszeichen 24). Oberhalb dieses Übergangs können die Lamellen sich
fortsetzen und mit einem rechteckigen Querschnitt enden (Fig. 3).
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Die Lamellen haben an den Enden ihrer größten Keilbreite einen größeren
Querschnitt als der Durchmesser des Schaftes 12. Der Lamellenquerschnitt darf jedoch
nicht über den äußeren Umfang der Spreizhülse hinausragen. Deshalb sind die Ecken
der Lamellen bei 25 abgerundet oder abgeschrägt. Da die Lamellen an ihren breiten
Enden eine Breite aufweisen können, die die doppelte Wandstärke der Spreizhülse
übersteigt, und da sie in Trennfugen hineingezogen werden, die ursprünglich überhaupt
keine Weite besitzen, ist die erreichbare Ausdehnung wesentlich größer, als sie
beim Gebrauch einer konischen Mutter oder eines vielflächigen Kopfes erzielbar ist.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die
der Spreizhülse zugekehrten Enden der kleinsten Keilbreite der keilförmigen Lamellen
bei 26 stumpf enden. Diese Flächen 26 verhindern eine weitere Bewegung in Axialrichtung
des Ankerbolzens, wenn die Lamellen bis zum Ende der Trennfuge 19 vorgedrungen sind.
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Vorteilhaft ist ferner, daß der ungeschlitzte Teil 20 infolge seiner
besonderen Ausführungsform keiner Dehnbeanspruchung ausgesetzt ist, wie es bei Verwendung
eines anderen inneren Expansionsgliedes, z. B. einer konischen Mutter, der Fall
wäre.
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Der Spreizkopf kann aus einem Walzprofil von C-förmigem Querschnitt
hergestellt werden (Fig.7). Nach der Bearbeitung eines derartigen Werkstücks in
der in Fig. 6 abgebildeten Maschine werden die Ecken 26 durch Schleifen oder durch
einen anderen Bearbeitungsvorgang abgeschrägt oder abgerundet, um divergierende
Öffnungen 29 zu schaffen (Fig. 8).
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Die Abtrennung des Werkstücks in geeignete Längen kann auf irgendeine
Art, z. B. mit einer Säge, durch autogenes Schneiden oder von Hand ausgeführt werden.
Das abgetrennte Stück wird in der Mitte oder annähernd in der Mitte zwischen den
Enden erhitzt und quer zu seiner Längsachse gefaltet. Dabei werden die Enden der
Rinne sowie die Kanten 28 beiderseits der Faltlinie aufeinandergelegt, so daß sie
höchstens durch einen kleinen Spalt von etwa 0,17 bis 0,32 cm Breite getrennt sind.
Ausgenommen davon ist die divergierende Öffnung 29 und in einigen Fällen eine Zone
30 in der Nähe der Faltlinie, wo die Kanten 28 auch durch einen etwas größeren Abstand
voneinander getrennt sein können.
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Die Bearbeitung der Spreizhülse wird vorteilhaft mit einer Maschine
nach Fig. 6 durchgeführt, die aus einem Tisch 31 besteht, auf dem eine Matrize 32
angeordnet ist, die auf einer Seite eine aufrecht stehende Platte 33 und eine einstellbare
Marke, vorzugsweise in Form eines Bolzens 34, aufweist, um einen Abschnitt des Werkstücks
35 auf der Matrize zu orientieren. In der Matrize ist eine Öffnung 36, die mit einer
gehärteten Einlage 37 umgeben ist und deren Mundstück sich glockenförmig nach unten
verengt, angeordnet.
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Über der Öffnung der Matrize ist ein auswechselbarer Stempel 38 in
einem Kreuzkopf 39, der seinerseits in Führungen 40 im Oberteil der Maschine gleitet
und durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. eine Kurbel oder einen Nocken, angetrieben
wird, befestigt.
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Unter der Einlage 37 befindet sich eine spitz zulaufende Führungshülse
41, die einen Teil der Stanzvorrichtung bildet. Ihr oberes Ende liegt an der Unterseite
der Matrize 32 in einer Halterung 42 und legt sich um die Öffnung 36. Der Unterteil
weist ferner eine offene Form 43 mit einer gehärteten Einlage 44 auf, deren Öffnung
den Stempel 37 aufnimmt.
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Die Form 43 ist auf irgendeine geeignete Art befestigt, z. B. mittels
eines sich nach unten erstreckenden zylindrischen Teils 45, der mit seinem unteren
Ende auf der Bodenplatte 46 der Maschine ruht.
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Das etwa auf 900 bis 1000° C erhitzte Werkstück 35 wird auf die Maschine
gebracht. Dann senkt sich der Stempel 37 und faltet das Stück, indem er es nach
abwärts in die durch die Matrize und die Hülse 41 begrenzte Öffnung hineindrückt.
Die Kanten 28 legen sich hierbei auf den gegenüberliegenden Seiten der Faltlinie
aufeinander oder nahe aneinander.
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Am Ende seiner Abwärtsbewegung durchstößt der Stempel 37 das geschlossene
Ende der Hülse und bildet eine Öffnung, die den gleichen Durchmesser besitzt wie
die durch das Falten entstandene Hülse. Nach dem Rückgang des Stempels 37 kann das
fertige Werkstück aus der Hülse 41 herausgenommen werden, die zu diesem Zweck nach
vorn offen ist.
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Der untere Rand der Öffnung in der Einlage 37 kann sich ebenso wie
die Hülse 41 nach unten verjüngen. Der Verjüngungswinkel für diesen unteren Rand
beträgt z. B. 5° gegenüber der Vertikalen, und die Hülse verjüngt sich auf einer
Strecke von 15,36 cm um 0,32 cm.
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Das Werkstück kann entweder auf der Maschine erhitzt werden oder auch
bevor man es auf die Maschine bringt. Weiterhin kann das Abschrägen zur Herstellung
einer divergierenden Öffnung am Ende der Trennfugen auch nach der Faltung mit Hilfe
einer Schleifscheibe mit V-Profil ausgeführt werden.