PL174788B1

PL174788B1 - Sworzeń wzmacniający

Info

Publication number: PL174788B1
Application number: PL94312939A
Authority: PL
Inventors: Winton J. Gale; Mieczysław W. Fabjanczyk; Maxwell T. Renwick
Original assignee: Broken Hill Pty Co Ltd
Priority date: 1993-08-12
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1998-09-30
Also published as: PL312939A1; ZA945959B; GB9602400D0; CN1133079A; CN1046785C; US5775850A; IN183201B; GB2296063B; GB2296063A; WO1995005525A1

Abstract

1. Sworzen wzmacniajacy zawieraja- cy rdzen, na którego powierzchni bocznej sa uformowane garby majace przeciwlegle sytuowane boczne sciany, znamienny tym, ze co najmniej jedna boczna sciana (6) garbu (3) ma uformowane co najmniej dwa seg- menty pierwszy (9) i drugi (11), pochylone wzgledem powierzchni rdzenia (5), przy czym wielkosc kata nachylenia pierwszego segmentu (9) wzgledem powierzchni rdze- nia (5) jest wieksza od wielkosci kata nachy- lenia drugiego segmentu (11) wzgledem po- wierzchni rdzenia (5). PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sworzeń wzmacniający. Tego typu sworzeń jest stosowany zwłaszcza w układzie sworzni do stabilizacji skał w kopalniach podziemnych i powierzchniowych, tunelach i wgłębieniach. Zespół sworzni przenosi obciążenia z osłabionych sekcji skał, za pośrednictwem zaprawy.

Znane są sworznie wzmacniające przystosowane do mocowania za pomocą cementu lub chemicznych żywic w otworze ukształtowanym w skale. Te znane sworznie zawierają rdzeń, na którym są uformowane profilowe ukształtowania zapewniające optymalne przenoszenie obciążenia oraz sztywność całego zastosowanego układu sworzni.

Aby układ sworzni funkcjonował w sposób odpowiedni musi przenosić maksymalne naprężenia ścinające jakie wytrzymuje utwór skalny/zaprawa i zaprawa/sworzeń oraz musi mieć odpowiednią sztywność. Znane ze stanu techniki sworznie nie zawsze zapewniają te cechy w jednakowym stopniu.

Sworzeń wzmacniający, według wynalazku zawierający rdzeń, na którego powierzchni bocznej są uformowane garby mające usytuowane przeciwlegle boczne ściany, charakteryzuje się tym, że co najmniej jedna boczna ściana garbu ma uformowane co najmniej dwa segmenty pierwszy i drugi pochylone względem powierzchni rdzenia, przy czym wielkość kąta nachylenia pierwszego segmentu względem powierzchni rdzenia jest większa od wielkości kąta nachylenia drugiego segmentu względem tej powierzchni.

Korzystnie rdzeń ma kształt cylindryczny, a bardziej korzystnie rdzeń ma postać litej bryły.

Przeciwlegle usytuowane segmenty pierwszy i drugi są zbieżne w punkcie wierzchołkowym.

Korzystnie dwie ściany boczne garbu mają ukształtowany pierwszy i drugi segment.

Korzystnie tylko jedna boczna ściana garbu zawiera pierwszy i drugi segment.

Co najmniej jeden z segmentów ścian bocznych jest płaski, korzystnie co najmniej jeden z segmentów ścian bocznych jest zakrzywiony.

Pierwszy segment ścian bocznych garbu jest usytuowany pomiędzy rdzeniem i drugim segmentem.

Pierwszy segment jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia pod kątem zawartym w zakresie od 40° do 80°.

Korzystnie pierwszy segment jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia pod kątem o wartości w zakresie od 45° do 65°.

174 788

Drugi segment jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia pod kątem o wartości w zakresie od 10° do 40°.

Korzystnie drugi segment jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia pod kątem o wartości w zakresie od 10° do 30°.

Korzystnie pierwszy segment jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy pierwszymi segmentami ścian bocznych ma wartość w zakresie od 40° do 100°.

Korzystnie pierwszy segment jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy pierwszymi segmentami ścian bocznych ma wartość w zakresie od 55° do 75°.

Korzystnie drugi segment jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy drugimi segmentami ścian bocznych ma wartość w zakresie od 100° do 160°.

Korzystnie kąt zawarty pomiędzy drugimi segmentami ścian bocznych ma wartość w zakresie od 120° do 160°.

Całkowita szerokość garbu mierzona w miejscu połączenia pierwszej sekcji z rdzeniem ma wartość zawartą w zakresie od 2 do 10 mm.

Korzystnie całkowita szerokość drugiej sekcji stanowi od 40 do 85% całkowitej szerokości garbu.

Wysokość garbu jest zawarta w zakresie od 5 do 20 mm.

Korzystnie wysokość garbu jest zawarta w zakresie od 6 do 12 mm.

Garby mają postać szeregu żeber, przy czym skok pomiędzy żebrami jest zawarty w zakresie od 5 do 20 mm, korzystnie w zakresie od 6 do 12 mm.

Korzystnie żebra mają postać gwintu.

Korzystnie gwint jest ciągły.

Korzystnie gwint jest nieciągły.

Korzystnie gwint jest lewoskrętny.

Korzystnie gwint jest prawoskrętny.

Korzystnie gwint jest pojedynczy.

Korzystnie .gwint jest wielozwojowy.

Korzystnie garby mają postać obręczy.

Sworzeń korzystnie zawiera wiele obręczy ułożonych w odstępach wzdłuż jego długości.

Sworzeń wzmacniający według wynalazku przenosi maksymalnie naprężenia ścinające występujące w utworach skalnych. Dzięki zastosowanej konstrukcji ma on odpowiednią sztywność.

Zgłaszający na podstawie badań przeprowadzonych przez siebie udowodnił, że układ sworzni zawierający wieloskokowe profile ma o wiele lepsze właściwości niż układ sworzni oparty na konwencjonalnym sworzniu.

Jak wynika z powyższego właściwości układu sworzni zależą od zdolności przenoszenia obciążeń przez jeden Sworzeń za pośrednictwem zaprawy, na skałę, która z kolei przenosi obciążenia w zależności od sztywności i zdolności przenoszenia obciążenia całego układu.

Teoretycznie optymalne właściwości układu sworzni mogą być określone na podstawie wytrzymałości na obciążenie pod wpływem gwałtownego wzrostu obciążeń. Zgłaszający stwierdził na podstawie eksperymentu, że zastosowanie profilu wieloskokowego pozwala na osiągnięcie wyżej wymienionych właściwości. Większe przekazywanie obciążeń jest możliwe gdy układ .działa wzdłuż profilu sworznia, jak dowiodła eksperymentalna praca zgłaszającego, podzielonego na nieciągłe segmenty pierwszy i drugi.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 jest widokiem z boku fragmentu sworznia wzmacniającego według jednego z korzystnych przykładów wykonania, fig. 2 jest widokiem sworznia w kierunku oznaczonym strzałką A na fig. 1, fig. 3 jest powiększonym widokiem obszaru oznaczonego na fig. 1 kółkiem, fig. 4 jest widokiem z boku fragmentu przedstawionego na fig. 1 lecz obróconego o 90° wokół wzdłużnej osi sworznia, fig. 5 przedstawia widok z boku fragmentu sworznia w kolejnym przykładzie wykonania według obecnego wynalazku, fig. 6 jest widokiem sworznia w kierunku oznaczonym strzałką A na fig. 5, fig. 7 jest powiększonym wido174 788 kiem obszaru oznaczonego na fig. 5 kółkiem, fig. 8jest widokiem z boku fragmentu sworznia z fig. 5 obróconego o 90° wokół wzdłużnej osi sworznia, fig. 9 - widok z boku fragmentu sworznia w kolejnym przykładzie wykonania, fig. 10 jest widokiem sworznia w kierunku oznaczonym strzałką A na fig. 9, fig. 11 - widok obszaru oznaczonego na fig. 9 kółkiem, w powiększeniu, fig. 12 jest widokiem z boku sworznia z fig. 9 lecz obróconego o 90° wokół wzdłużnej osi sworznia, fig. 13 - widok z boku sworznia w kolejnym przykładzie wykonania, fig. 14 jest widokiem sworznia w kierunku oznaczonym strzałką A na fig. 13, fig. 15 przedstawia obszar oznaczony na fig. 13 kółkiem, w powiększeniu, fig. 16 jest widokiem z boku sworznia z fig. 13 obróconego o 90° wokół wzdłużnej osi sworznia, fig. 17 jest powiększonym widokiem kolejnego przykładu wykonania sworznia, takim samym jak fig. 3, 7, 11 i 15, fig. 18 jest powiększonym widokiem kolejnego przykładu wykonania sworznia, takim samym jak fig. 3, 7, 11 i 17, fig. 19 ilustruje wzdłużne przekroje sześciu sworzni przetestowanych przez zgłaszającego, fig. 20 ilustruje wykres przenoszenia obciążeń dla każdego z sześciu sworzni przedstawionych na fig. 19.

Jak to przedstawiono na fig. 1-4, Sworzeń wzmacniający 1 zawiera cylindryczny rdzeń 5, którego przeciwległe powierzchnie 17 są płaskie. Na rdzeniu 5, są ukształtowane garby 3 rozmieszczone na linii śrubowej, tworzące gwint pochylony pod kątem 5° do poprzecznej osi sworznia wzmacniającego 1.

Sworzeń wzmacniający 1 jest korzystnie ukształtowany za pomocą znanych środków i z dowolnie dobranego materiału. Korzystnie Sworzeń wzmacniający 1 jest ukształtowany ze stali, zaś garby 3 gwintu są uformowane na rdzeniu 5 za pomocą walcowania na gorąco lub innego procesu kształtowania na zimno. Aby na Sworzeń wzmacniający 1 mogła być nakręcona nakrętka (nie pokazana), dla podtrzymania jego przez zaprawę w wywierconym otworze skalnym (nie pokazanym), sworzeń korzystnie ma na jednym końcu ukształtowany gwint znanego rodzaju (nie pokazany). W przypadku gdy gwint nie jest uformowany na rdzeniu 5 musi on być wykonany na zimno lub maszynowo na miejscu.

Garb 3 przedstawiony na fig. 1-4 ma ściany boczne 6, usytuowane przeciwlegle, przy czym są one zbieżne w wierzchołku 7.

Ponadto, każda ściana boczna 6 garbu 3 zawiera pierwszy segment 9, którego zadaniem jest optymalizacja sztywności układu sworzni według wynalazku, oraz drugi segment 11, który jest płaski i przenosi obciążenia układu sworzni. Pierwszy i drugi segment 9,11 są pochylone względem powierzchni rdzenia 5. Pierwszy segment 9 jest pochylony pod większym kątem niż kąt nachylenia drugiego segmentu 11.

Jak to przedstawiono na fig. 1-4 kąt zawarty pomiędzy pierwszymi segmentami 9 garbu 3 wynosi 60°, zaś kąt pomiędzy drugimi segmentami 11 ma wartość 140°.

Wymiary pierwszych i drugich segmentów 9, 11 są dobrane w zależności od potrzeb, przy czym muszą one zapewniać odpowiednią sztywność oraz muszą przenosić określone obciążenia. Gwint w postaci garbów 3 jest wyprofilowany w celu regulowania przekazywania naprężeń pomiędzy utworem skalnym a sworzniem wzmacniającym 1 za pośrednictwem zaprawy. W szczególności wielostopniowo ukształtowane garby wzmacniają wytrzymałość sworznia na wzrost obciążenia, a przez to poprawiają nośność zaprawy oraz przenoszenie obciążenia pomiędzy połączoną zaprawą/utworem skalnym i połączeniem zaprawą/sworzeń.

Sworzeń wzmacniający 1 korzystnie ma dowolne wymiary (w zależności od potrzeb), gdy jest on stosowany w pokładach węgla lub rud żelaza korzystnie rdzeń 5 ma średnicę od 12 do 44 mm, zaś otwory (nie przedstawione) wywiercone w utworze skalnym mają luz od 1 do 5 mm, korzystnie 2 mm.

Wymiary i pozostałe charakterystyki sworznia według wynalazku, przedstawionego na fig. 1-4 mają rdzeń o średnicy 28 mm.

Wymiary i charakterystyki Całkowita wysokość garbu (mierzona

Korzystny kształt

174 788 od powierzchni rdzenia do wierzchołka 7) 2.0 mm

Wysokość garbu pomiędzy rdzeniem 5 i połączeniem pierwszego i drugiego segmentu 9,11 1.27 mm

Szerokość wierzchołka (to znaczy łączna szerokość drugiego segmentu 11) 4.0 mm

Szerokość dolnej części garbu (tj. łączna szerokość pierwszego i drugiego segmentu 9,11) 5.47 mm.

Skok 9.5 mm

Powierzchnie pomiędzy rowkami (odległość pomiędzy połączeniami gwintu) 4.03 mm

Średnica rdzenia 28.0 mm

Średnica zewnętrzna rdzenia 32.0 mm

Kąt zarysu gwintu pierwszych segmentów 9 60°

Kąt zarysu gwintu drugich segmentów 11 140°

Przykład wykonania sworznia, według wynalazku, przedstawiony na fig. 5-8 jest podobny do przykładu przedstawionego na fig. 1-4, lecz różnią się od siebie następującymi cechami.

Sworzeń wzmacniający 1 przedstawiony na fig. 5-8 ma prawoskrętny gwint (w przeciwieństwie do gwintu sworznia 1 z fig. 1-4).

W sworzniu 1 z fig. 5-8 pierwsze segmenty 9 każdego garbu 3 tworzą kąt zarysu gwintu równy 80° (w przeciwieństwie do 60° według fig. 1-4).

Garby 3 są pochylone pod kątem 10° do poprzecznych osi sworznia przedstawionego na fig. 5-8 (w przeciwieństwie do 5°).

Jak przedstawiono na fig. 11 garb 3 w kolejnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 9-12 jest podobny do przedstawionego na fig. 5-8 lecz szerokość garbów jest mniejsza niż w przypadku sworznia z fig. 5-8.

Kolejny przykład wykonania przedstawiony na fig. 13-16 jest podobny do przykładu z fig. 1-4, przy czym garb 3 ma kąt nachylenia równy 7° do poprzecznej osi sworznia przedstawionego na fig. 13-16 (w przeciwieństwie do 5° przedstawionego na fig. 1-4).

Rdzeń 5 ma kształt cylindryczny (w przeciwieństwie do rdzenia cylindrycznego 5 z płaskimi bocznymi powierzchniami 17 z fig. 1-4).

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 17-18 tylko jedna ściana boczna 6 garbu 3 zawiera pierwszy i drugi segment 9, 11 a pozostałe segmenty mają odpowiednio pochylone powierzchnie 31.

W przypadku garbów z fig. 17 jego kształt jest powtórzony wzdłuż długości sworznia, zaś w przypadku z fig. 18 sąsiednie garby 3 są lustrzanym odbiciem.

Zgłaszający przeprowadził wiele badań nad opracowaniem optymalnego kształtu garbu 3. W wyniku czego opracował przedstawiony na fig. 1-4 (gwint A na fig. 14), z fig. 1-4 (gwint D) i dalsze próby (gwint B, C, E, F) kształty sworzni (patrz fig. 19).

Test przeprowadzono na sworzniach o średnicy 70 mm osadzonych za pośrednictwem żywicy w 50 mm metalowych cylindrach mających wewnętrzną powierzchnię (gwintowaną) zabezpieczającą przed przedwczesnym połączeniem żywicy z rdzeniem. Po utwardzeniu żywicy Sworzeń został wepchnięty pod wpływem kontrolowanego naprężenia poprzez żywicę po czym został obciążony, zaś wielkość obciążenia oraz przemieszczenie zostały zilustrowane na fig. 20 (gwint A do F).

Jak to przedstawiono na fig. 20 Sworzeń według obecnego wynalazku (gwinty A i D) znacząco przewyższają inne 4 sworznie (gwint F).

Każdy z przykładów wykonania według obecnego wynalazku zawiera dwuskokowy profil mający pierwszy segment 9, który jest pochylony względem powierzchni rdzenia pod większym kątem niż drugi segment 11, przy czym obecny wynalazek nie jest ograniczony i obejmuje sworznie mające więcej niż dwa segmenty.

174 788

Dodatkowo każdy przykład wykonania sworznia 1, według wynalazku, zawiera płaski pierwszy i drugi segment 9 i 11, które mogą mieć również inny niż płaski kształt, na przykład zakrzywiony, pod warunkiem, że kształt i wymiary będą zapewniać efektywne przenoszenie obciążeń oraz odpowiednią sztywność.

Ponadto w każdym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1-12 Sworzeń 1 zawiera rdzeń 5 mający przeciwległe, płaskie powierzchnie 17, a na fig. 13-16 rdzeń 5 nie ma płaskich powierzchni 17, korzystnie rdzenia 5, ma kształt owalny lub eliptyczny.

JE⁷.8.

174 788

¹⁷⁴ 788

174 788

JE⁷.//.

174 788

Gwint p &4 788

J5F. 4

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sworzeń wzmacniający zawierający rdzeń, na którego powierzchni bocznej są uformowane garby mające przeciwlegle usytuowane boczne ściany, znamienny tym, że co najmniej jedna boczna ściana (6) garbu (3) ma uformowane co najmniej dwa segmenty pierwszy (9) i drugi (11), pochylone względem powierzchni rdzenia (5), przy czym wielkość kąta nachylenia pierwszego segmentu (9) względem powierzchni rdzenia (5) jest większa od wielkości kąta nachylenia drugiego segmentu (11) względem powierzchni rdzenia (5).
2. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (5) ma kształt cylindryczny.
3. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (5) ma postać litej bryły.
4. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że przeciwlegle usytuowane segmenty pierwszy i drugi (9,11) są zbieżne w punkcie wierzchołkowym (7).
5. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że dwie ściany boczne (6) garbu (3) mają ukształtowany pierwszy i drugi segment (9,11).
6. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że tylko jedna boczna ściana (6) garbu (3) zawiera pierwszy i drugi segment (9,11).
7. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden z segmentów (9,11) ścian bocznych jest płaski.
8. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden z segmentów (911) ścian bocznych (6) jest zakrzywiony.
9. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy segment (9) jest usytuowany pomiędzy rdzeniem (5) i drugim segmentem (11).
10. Sworzeń według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy segment (9) jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia (5) pod kątem w zakresie od 40° do 80°.
11. Sworzeń według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy segment (9) jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia (5) pod kątem o wartości w zakresie od 45° do 65°.
12. Sworzeń według zastrz. 4, znamienny tym, że drugi segment (11) jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia (5) pod kątem o wartości w zakresie od 10° do 40°.
13. Sworzeń według zastrz. 4, znamienny tym, że drugi segment (11) jest pochylony do wzdłużnej osi rdzenia (5) pod kątem o wartości w zakresie od 10° do 30°.
14. Sworzeń według zastrz. 5, znamienny tym, że pierwszy segment (9) jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy pierwszymi segmentami (9) ścian bocznych (6) ma wartość w zakresie od 40° do 100°.
15. Sworzeń według zastrz. 5, znamienny tym, że pierwszy segment (9) jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy pierwszymi segmentami (9) ścian bocznych (6) ma wartość w zakresie od 55° do 75°.
16. Sworzeń według zastrz. 5, znamienny tym, że drugi segment (11) jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy drugimi segmentami (11) ścian bocznych (6) ma wartość w zakresie od 100° do 160°.
17. Sworzeń według zastrz. 5, znamienny tym, że drugi segment (11) jest płaski, a kąt zawarty pomiędzy drugimi segmentami (11) ścian bocznych (6) ma wartość w zakresie od 120° do 160°.
18. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że całkowita szerokość garbu (3) mierzona w miejscu połączenia pierwszej sekcji (9) z rdzeniem (5) ma wartość zawartą w zakresie od 2 do 10 mm.
19. Sworzeń według zastrz. 18, znamienny tym, że całkowita szerokość drugiej sekcji (11) stanowi od 40 do 85% całkowitej szerokości garbu (3).
20. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokość garbu (3) jest zawarta w zakresie od 5 do 20 mm.

174 788
21. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokość garbu (3) jest zawarta w zakresie od 6 do 12 mm.
22. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że garby (3) mają postać szeregu żeber.
23. Sworzeń według zastrz. 22, znamienny tym, że skok pomiędzy żebrami jest zawarty w zakresie od 5 do 20 mm.
24. Sworzeń według zastrz. 22, znamienny tym, że skok pomiędzy żebrami jest zawarty w zakresie od 6 do 12 mm.
25. Sworzeń według zastrz. 22, znamienny tym, że żebra mają postać gwintu.
26. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest ciągły.
27. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest nieciągły.
28. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest lewoskrętny.
29. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest prawoskrętny.
30. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest pojedynczy.
31. Sworzeń według zastrz. 25, znamienny tym, że gwint jest wielozwojowy.
32. Sworzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że garby mają postać obręczy.
33. Sworzeń według zastrz. 32, znamienny tym, że zawiera wiele obręczy ułożonych w odstępach wzdłuż jego długości.