全螺纹玻璃钢锚杆成型技术研究(1).pdf

工学硕士学位论文 全螺纹玻璃钢锚杆成型技术研究 河北工程大学 2 0 13 年5 月 分类号堕 U D C 密级 单位代码 Q Q Z 鱼 工学硕士学位论文l ㈣| { } 烨 全螺纹玻璃钢锚杆成型技术研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 郎洪芳 潘越副教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 河北工程大学 AD i s s e r t a t i o nS ub m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g S t u d yo nF u ll - - t hr e a dGl a s sF ib e rR e in f o r c e d P l a s t i cB o l tM o l d i n gT e c h n o l o g y 1一，一一 C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t L a n gH o n g f a n g P r o f ．P a nY u e M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y C o ll e g eo fM e c h a n i c a la n d E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g M a y ，2 0 13 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦墨猩盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承j 旦。 。 学位论文作者签名宦p 蔼、苟签字日期缈f 多年夕月2 扣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦墨堡苤堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦兰猩盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名郎洪芳 签字R 期2 0 1 3 , 年s 月邀同 导师签名 签字同期勿哆年f 月衫日 摘要 摘要 玻璃钢即玻璃纤维增强塑料 G l a s sF i b e rR e i n f o r c e dP l a s t i c sG F R P ，因具有较 高的抗拉强度、易切割、耐腐蚀、抗疲劳性能好、重量轻和抗电磁性等优点，现 已成为代替钢材和铝材的一种新型煤矿巷道锚支护及土木建筑材料。 目前，拉挤／缠绕成型工艺是国内一项重要的技术创新成果，这项技术结合拉 挤和缠绕的特点使连续、批量化锚杆杆体的一次成型得以实现。全螺纹玻璃钢锚 杆类似于复合材料变截面的杆材，它的杆体表面是通体螺纹结构。这种工艺能够 完全解决拉挤预成型杆体和尾部模塑部分的界面粘结难题。生产的锚杆既有较高 的抗拉强度，又可以获得规则完整的螺纹形式。 本文以某支护材料有限公司的拉挤／缠绕成型机为研究对象，采用理论与实践 经验相结合的思想理念对玻璃钢锚杆成型进行技术改进。论文主要包括了以下内 容首先，介绍了锚杆的主要支护理论、国内外的锚杆支护应用现状以及玻璃钢 锚杆杆体成型工艺发展概况，分析了新型材料玻璃钢锚杆的使用前景。其次，介 绍了拉挤／缠绕生产工艺的具体流程，并且基于正交试验对影响锚杆力学性能的烘 道温度、加热时问、树脂粘度和冷却方式四项主要因素的三种水平进行了工艺参 数的优化。再者，基于p r o e 5 ．0 实体缠绕装置建模并简化模型导入A D A M S 仿真分 析了改造前后机构的稳定性。在电器控制上利用P L C 控制变频器实现成型丝放线 缠绕恒张力恒线速度的要求，具体表现在张力开环控制，矢量速度、转矩闭环控 制。最后是玻璃钢锚杆质量检测方法及未来发展趋势。 关键词玻璃钢锚杆成型拉挤／缠绕；正交试验；缠绕装置；矢量控制 A b s t r a c tA b s t r a c tG l a s sF i b e rR e i n f o r c e dP l a s t i c G F R P ，i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g ht e n s i l es t r e n g t h ，e a s yc u t t i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，g o o df a t i g u er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，l i g h tw e i g h ta n dr e s i s t a n c et oe l e c t r i cm a g n e t i c ，e t c ．I ti sr e g a r d e da san e wt y p em a t e r i a lo fc o a lr o a d w a ya n c h o ra n dc i v i lc o n s t r u c t i o ni n s t e a do fs t e e la n da l u m i n u m ．N o w , t h ep u l t r u s i o n ／w i n d i n gm o l d i n gp r o c e s st e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a li n n o v a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u l t r u s i o na n dw i n d i n gr e a l i z e dt h em o l d i n ga tat i m ew i t hc o n t i n u o u sa n dl o ts i z i n ga n c h o rr o db o d y ．T h ew h o l eb o d yo ft h eG F R Pa n c h o rr o dw i t ha l lt h r e a do nt h es u r f a c ei st h r e a ds t r u c t u r e ．I ti ss i m i l a rt ot h eb a ro fv a r i a b l ec r o s s ．s e c t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s ．T h i sp r o c e s sC a nc o m p l e t e l ys o l v et h ep r o b l e mo fp u l t r u s i o ni n t e r f a c i a lb o n dp r e f o r mr o db o d ya n dt a i lo ft h em o l d e dp o r t i o n ．T h eb o l th a sh i g h e rt e n s i l es t r e n g t h ，b u ta l s oC a no b t a i nt h et h r e a df o r mo ft h ec o m p l e t er u l e s ．T h i st h e s i s ，t a k i n gas u p p o r t i n gm a t e r i a lC O ．，L T D ．H a n d a np u l t r u s i o n ／w i n d i n gm o d e l i n gm a c h i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，a d o p t i n gt h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c ee x p e r i e n c ei d e a s ，t h ea n c h o rr o do ff o r m i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e d ．P a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s f i r s t ，i ti n t r o d u c e dt h em a i ns u p p o r t i n gt h e o r yo fa n c h o r , t h ea p p l i c a t i o ns t a t u sa b o u tt h eb o l ts u p p o r ta th o m ea n da b r o a d ，a n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h eG F R Pa n c h o rr o db o d ym o l d i n gp r o c e s s ．a n a l y s i st h eu s eo u t l o o ko ft h ea n c h o rr o da sn e wm a t e r i a l s ．S e c o n d ，i n t r o d u c e st h es p e c i f i cp r o d u c t i o np r o c e s so ft h ep u l t r u s i o n ／w i n d i n gm o d e l i n g ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r si nt h r e el e v e l so ft h ef o u rm a i nf a c t o r sa sb a k et e m p e r a t u r e ，h e a t i n gt i m e ，t h er e s i nv i s c o s i t ya n dt h ec o o l i n gw a y ，w h i c hi n f l u e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n c h o rh a sb e e nd o n eb a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ．M o r e o v e r , b a s e do nt h ep r o e 5 ．0s o f t w a r e ，t h ew i n d i n gd e v i c e ’Se n t i t ym o d e li se s t a b l i s h e d ，a n ds i m p l i f i e d ，t h em o d e li si m p o r t e di nA D A M S ．T h es i m u l a t i o ns o f t w a r ea n a l y s i st h es t a b i l i t yo fm e c h a n i s mb e f o r ea n da f t e rt r a n s f o r m a t i o n ．I nt e r m so fe l e c t r i cc o n t r o l ，u s i n gP L Ct Oc o n t r o lf r e q u e n c yc o n v e r t e rf o rc o n s t a n tt e n s i o na n dl i n e a rv e l o c i t yo ff o r m i n gw i r ep a y ．o 舒a n dw i n d i n g ．I te m b o d i e di nt h eo p e n - l o o pt e n s i o nc o n t r o l ，v e c t o rs p e e da n dc l o s e dl o o pt o r q u ec o n t r 0 1 ．F i n a ll yt h ep a p e ri so nt h eq u a l i t yd e t e c t i o nm e t h o d sa n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h eG F R Pa n c h o rr o d ． A ．b s t r a c t K e yw o r d s G F R P a n c h o rr o df o r m i n g ；p u l t r u s i o n ／w i n d i n g ；t h eo r t h o g o n a te x p e r i m e n t ； w i n d i n gd e v i c e ；v e c t o rc o n t r 0 1 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l A b s t r a c t ．．．．．．．．．．。。．。．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．。。．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引。言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 煤巷锚杆主要支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3 国内外锚杆支护的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1 国外锚杆支护研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 国内锚杆支护研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 3 玻璃钢锚杆的应用前景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．4 国内外玻璃钢锚杆的成型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 ．1 国外玻璃钢锚杆成型概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 国内玻璃钢锚杆成型概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 本论文的研究内容与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 ．1 本论文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 ．5 ．2 本论文的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第2 章全螺纹玻璃钢锚杆杆体成型理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 弓I 。言‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 玻璃钢锚杆的组成材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．1 玻璃纤维⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 基体材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．2 ．3 涤纶工业长丝⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．3 拉挤／缠绕生产工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．3 ．1 集纱浸胶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．3 ．2 纤维预成型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 t 3 ．3 缠绕螺纹雏形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14 2 ．3 ．4 牵引生产线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一14 2 ．3 ．5 固化成型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 ．6 定长数控切割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．7 人工解缠工序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 目录 2 ．4 玻璃钢锚杆工艺参数优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1 正交试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一17 2 ．4 ．2 关于S P S S 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．3 正交设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．4 最优方案的验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．4 ．5 温度的控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 第3 章螺纹缠绕装置设计及建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 引。言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 缠绕装置设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 选用薄壁轴承⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 3 ．2 ．2 缠绕转盘的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 3 ．2 ．3 缠绕链传动部分设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．4 嵌套轴的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 缠绕装置三维参数化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．1 三维软件P r o ／E 的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．2 缠绕装置零件图三维参数化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 缠绕装置零件装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 3 ．5 建立放线缠绕装置虚拟样机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．5 ．1A D A M S 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．5 ．2 基于A D A M S 的仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 第4 章螺纹缠绕装置电气控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 张力控制系统的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 ．1 恒线速度控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．2 ．2 放线装置的恒张力控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．3 控制系统框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 控制系统的参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．2 主要器件选型及设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．3 控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第5 章锚杆质量检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 弓l ’言‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 目录 5 ．2 锚杆失效的机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 玻璃钢锚杆主要性能检测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．4 锚杆质量的未来检测趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．4 ．1 系统检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．2 无损检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 第1 章绪论1 ．1 引言第1 章绪论经过十多年的研究与实践，我国煤矿已经形成了有中国特色的锚杆支护成套技术体系，在实际应用中解决了大量巷道支护难题，取得了巨大的技术经济效益，为安全、高效开采创造了良好条件。煤巷巷道锚杆支护技术是一个宏大的系统，包括围岩地质力学测试，锚杆支护设计，支护材料，施工机具和工艺以及锚杆支护检测技术等多方面1 1 】。合理、安全可靠的煤巷锚杆支护技术是实现矿井高产、高效的必要条件。锚杆支护材料的选择十分重要，杆体的材质和表面构造形式是决定锚杆性能的关键因素。只有优化锚杆自身的性能指标，才能从根本上实现锚杆支护技术的提高。玻璃钢 玻璃纤维增强塑料 锚杆杆体易切割，能对采煤机刀头起保护作用；防爆防静电，在切割时不会产生火花，极利于巷道安全施工，尤其适合高瓦斯浓度区域；具有高承载能力、高抗拉强度，杆体强度性能优于等直径的螺纹钢，可以长久支护不腐蚀；成本低，重量仅是同等规格钢锚杆的1 ／4 。在隧道和煤矿等窄小空间仍方便作业；施工容易，可大幅度降低工人劳动强度。因此，玻璃钢锚杆有非常广泛的适用范围。随着巷道锚杆支护难度的加大，对玻璃钢锚杆的质量要求也越来越刮2 ．3 ．4 1 。所以，本课题全螺纹玻璃钢锚杆成型技术的研究是十分必要的。1 ．2 煤巷锚杆主要支护理论目前，国外锚杆支护的理论研究较多，可以归纳为以下几种组合梁理论假定巷道顶板的岩层存在若干分层，那么锚杆可以在巷道顶板锚固范围内的各岩层组合成一个较厚的整体，这个整体岩层就具有了组合梁的作用。具体作用表现在两个方面一方面是利用锚杆的轴向拉力来阻止岩层之问产生离层现象；另一方面是，锚杆能够对岩层起到束缚的作用，从而增大了岩层相互l ’白J 的摩擦力，而且锚杆杆体自身有抗剪切的能力，进一步避免了岩层之问滑动现象的发生。该理论的假定条件限制了组合梁理论的应用范围，不适用巷道的帮部和底部。悬吊理论悬吊作用原理就是将锚杆支护在巷道顶板，悬吊于上部坚固老顶上，将软弱松动不稳定的岩土连接在完整坚固的岩体上，增强岩土的稳定性。悬 河北■程大学硕士学位论文 吊理论是最先应用的锚杆支护理论，具有简单直观，容易理解以及使用方便等特 点。特别是在巷道顶板上部有稳定岩层，而下部存在破碎、松散岩层的条件下， 这种支护理论应用比较广泛。然而该理论还是有明显缺陷的，只是考虑到锚杆的 抗拉力作用，没有考虑到锚杆的抗剪能力也会不同程度地提高破碎岩层的整体强 度。因此，悬吊理论不适用于巷道底部和帮部，只能用于巷道顶板。 组合拱理论从纯粹的力学理论出发，对单个预应力锚杆的杆体进行受力分 析。锚杆杆体的预应拉力将作用在构件的两端，从而在构件两端形成压应力，该 压应力将沿着杆体的端部分布形成圆锥形区域。假设锚杆之间的距离充分小，布 置间距足够紧密，锚杆的数量足够多，使每个锚杆压应力的作用区域能够互相交 错重叠，那么就可以形成连续的区域组合。将此分析应用到实际的拱形巷道中， 这就是组合拱理论。 组合拱支护理论是锚杆支护机理的反映，但是也有其自身的局限性。基于单 个锚杆受力分析，将单个锚杆作用简单相加的组合拱理论，在实际应用中并不真 实可靠。缺少对被加固岩层自身受力状况的分析，造成了这种理论的重要缺陷， 该理论计算的数值不能准确的衡量实际情况。所以，人们难以运用组合拱支护理 论进行精确地定量设计，仅仅只能作为锚杆在支护加固设计和施工中的参考。 最大水平应力理论在矿井巷道岩层受的所有力中，水平应力往往比其他力 大，并且应力方向具有不确定性的特点。相对于水平应力，垂直应力比较小，而 且应力方向单一。因此，矿井巷道的设计和施工中，应优先考虑水平应力的影响。 水平应力所产生的破坏包括在项板或底板岩层中的剪切破坏，它会使岩层发生松 动、错动和膨胀变形。为防止岩层膨胀变形这一现象的发生，采取锚杆支护可以 约束轴向岩层的移动，并减少岩层的剪切错动位移。 近十几年来，国内相关工作学者广泛深入探讨锚杆支护的作用机理，促进了 锚杆支护理论研究的新进展。概括来讲其主要观点有松动圈理论、全长锚固中性 点理论、围岩强度强化理论、锚固平衡拱理论以及锚固力与围岩变形量关系理论。 锚杆支护理论的发展补充和完善了传统的四大煤巷锚杆支护理论。而且每种理论 都有它具体的适用条件，应该合理准确的选用支护机理以进行锚杆支护设计。 1 ．3 国内外锚杆支护的发展 1 ．3 ．1 国外锚杆支护研究现状 由于世界各国的经济技术水平和煤层地质状况存在着很大的差异，因而煤巷 巷道锚杆的支护发展都呈现出各自不同的特点。 基于各国国内煤层地质先天性优势，美国和澳大利亚率先在煤矿巷道中全部 第1 章绪论 使用了锚杆支护方式，在世界各国中处于领先地位。产煤历史悠久的欧洲各国过 去主要是采用金属支架支护技术，然而支护成本和维护困难等问题逐渐暴露了金 属支架支护的弊端，因此，各国都在努力加大力度发展锚杆支护技术。 1 美国 世界上美国是最先使用锚杆用于煤矿顶板支护的国家，凭借着广阔的地域以 及独特的地质特征，加上自身先进的科技与经济实力，使得巷道锚杆支护技术遥 遥领先于世界上其他国家。无论是锚杆支护技术的成熟程度，还是该技术应用的 普及领域，都是其他国家不可企及的。6 0 年代中后期，在锚杆使用上树脂锚固剂、 全长胶结形式占据一定的比例，使得锚杆的直径以及强度都有大幅度提高。 随着锚杆技术的研究和应用，全长胶结式锚杆逐渐深入人们的心中。不断加 强顶板稳定的重要性，高预应力的重要意义得到了很大程度的提升。美国创造性 的将涨壳式锚头和树月r 日- ．t 4 田4 - 固剂联合使用，这种新的形式给予了锚杆更高的拉应 力。通过加大锚杆直径和材料的强度，进一步提高了锚杆的预应力。 2 澳大利亚 继美国之后，同样具有先天优势的澳大利亚，也成为煤炭开采巷道支护技 术的先进国家。在国内基本上都采用了巷道锚杆支护技术。目的，『F 在大力推广 更高强度的全长树月日t 4 田4 - 固锚杆支护技术。通过将勘测、设计、施工、调研、信息 回馈等各部分组合成一个有机整体，根据各部分综合得到的数据，设计锚杆各方 面的参数，形成锚杆支护方面系统的设计方法。 3 英国 采煤历史比较悠久的英国，限于本国国内煤层地质先天条件的不足，在很长 的历史时期内都没有普及锚杆支护技术。虽然，相继在1 9 4 6 年和1 9 5 2 年首次试验 机械涨壳式锚杆并在部分地区大规模使用，但在引领锚杆支护技术上并没有取得 成功。与此同时，澳大利亚的全长树月日t 4 田4 - 杆高强度锚固技术取得了长足的进步， 设置了各种锚杆支护参数。受此影响，英国丌始了锚杆支护技术的引进和研究。 在8 0 年代术，巷道锚杆支护技术在英国国内的应用达到了主导地位。 4 其它国家 自从在1 9 3 2 年发明了U 型钢支架，德国9 0 ％的采煤使用钢支架来支护巷道， 但是到了8 0 年代后，由于煤矿开采深度的持续加大，煤矿巷道的维护逐渐变的困 难，更主要的是支架的成本费用增高，所以德国也采用了锚杆支护。8 0 年代初， 在鲁尔矿区锚杆支护试验成功。6 0 年代木期，法国引进步入商品化树脂的全长锚 固技术，其后法国煤矿巷道发生了几起非常严重的塌方，这促使了法国对树脂锚 杆的研究与使用，从8 0 年代开始锚杆在使用量上大大提高。 锚杆杆体大都由钢材、铸铁、竹和木等材料制作。然而它们的强度以及韧性 河北工程大学硕士学位论文是极为有限的，而且抗腐蚀性能比较差，防碍了更高强度锚杆的发展也相对增加了支护工程的应用成本。玻璃钢是第二次世界大战后快速发展起来的一种新材料，研究和应用玻璃钢锚杆技术始于2 0 世纪6 0 年代的美国，主要是用于解决气候寒冷地区和沿海地区钢筋建筑盐蚀危害的问题。至w J 2 0 0 2 年美国煤矿上使用玻璃钢锚杆数量已经达到1 ．4亿支。随后日本、加拿大、荷兰也踊跃地加入了玻璃钢锚杆螺纹杆体开发的行列当中。9 0 年代初，前苏联劳动保护和安全管理局等单位立项，试验性制造出以玻璃纤维作为增强材料的绞合式聚合性材料锚杆，1 9 9 1 年生产了第一批锚杆并且进行矿井下的工业测试。同一年代法国、瑞士等公司也陆续的研制了相应的锚杆。9 0 年代中期，澳大利亚、英国也对玻璃钢螺纹锚杆进行了研究，取得了非常可喜的进步与成就，并且将玻璃钢锚杆用于巷道支护列入了国家法规。1 ．3 ．2 国内锚杆支护研究现状我国在5 0 年代开始逐步使用锚杆支护技术。初级阶段5 0 , - 一6 0 年代主要是在较稳定的岩层巷道使用钢丝水泥砂锚杆，锚杆无托盘以及机械端锚；7 0 “ - 8 0 年代，国家始终将软岩锚杆支护作为主要科技攻关的方向之一；组合锚杆支护阶段到8 0 年代后期，中国引进了澳大利亚的锚杆支护技术，成功研制了高强度全长树脂锚杆并得以推广应用，煤巷锚杆支护技术在这一时期得到了快速发展，并且在I 、I I 、I I I 类巷道取得成功，同时在Ⅳ、V 类巷道支护也积累到许多宝贵的经验，进一步加强了煤巷锚杆推广应用的力度。但是与英国、澳大利亚和美国等国家相比，由于我国的地质煤层特征非常复杂，锚杆支护既要使用在围岩稳定度较高、煤质中硬的I 、I I 、1 1 I 类煤巷回采巷道，又要使用于深井巷道、软岩的回采巷道以及沿空掘巷等困难复杂的条件下，因此总体的使用比重相对较低，各地区的发展十分不平衡。随后，如树月P 日 ．| t 4 田1 - 杆、砂浆锚杆、水胀锚杆和管缝锚杆等各种新型材料锚杆相继问世，这些新型锚杆有以下特点 1 锚固力大， 2 全长锚固， 3 可靠性高， 4 很强的适应性。到了8 0 年代以后，树脂锚杆凭借其简单的操作工艺和优异的锚固性能逐步占领锚杆市场。1 ．3 ．3 玻璃钢锚杆的应用前景玻璃钢锚杆作为一种新型材料锚杆，以玻璃纤维为增强材料，不饱和聚酯树脂为基体材料，通过掺入适量辅助剂 如阻燃剂、抗静电剂等 ，经连续拉挤／缠绕工艺生产的玻璃钢杆体，并配以高强度复合材料托盘和螺帽而成的新型非金属锚杆。玻璃钢锚杆．的杆体具有耐腐蚀、轻质高强、抗疲劳、减震降噪等特点。杆体 第1 章绪论可切割柔性好，采煤时不损坏刀具，不产生火花提高了安全系数，在材料性能与设计方法上有明显的优越性。玻璃钢锚杆的杆体不仅保证了开采作业的安全，还可以起到对矿井巷道的支护作用。杆体可切害B 柔性好的特点，使锚杆可以在被切割后随煤一起输送离丌，有效避免开采设备的损坏，同时还大大地提高了开采煤炭的效率。玻璃钢锚杆价格优于传统钢锚杆，它具有较好的切割特性，通常用于煤层较完整、压力小的回采巷道巷帮支护，用以代替金属锚杆实现采煤机的安全切割。同时在掘进工作面暂时封帮、综采工作面开切眼前煤墙等状况下，因为巷道的服务时间比较短也被广泛的采用1 5 J 。近年来，随着向高产、高效矿井发展的趋势，综采机械化程度逐步提高，对锚杆支护材料的要求也越来越苛刻。显然，玻璃钢锚杆能够很好的解决巷道支护难题。因此相当数量的煤矿中使用了玻璃钢锚杆，社会与经济效益已初步显现。1 ．4 国内外玻璃钢锚杆的成型研究1 ．4 ．1 国外玻璃钢锚杆成型概况玻璃钢 G F R P 锚杆拉挤成型技术，是制品性能好、强度高、不形成环境污染又适合大批量机械化工业生产的高新技术，在发达国家被视为最具有发展前途的复合材料生产制造技术。与以往的拉挤杆件不同，玻璃钢锚杆的杆体分为自由段和锚固段。自由段需要具有形状规整的螺纹，以用于配合其他附件的安装，研制锚杆初期考虑的重要问题是杆体表面的螺纹状结构。从了解的资料看，国外的玻璃钢螺纹杆成型工艺主要有拉挤／缠绕型和拉挤／模压型两种阳f7 1 。拉挤／模压成型工艺要求先利用拉挤工艺生产出杆体，然后利用模压工艺在拉挤出的杆件表面上压制成型螺纹。然而这种方法不能完全解决模塑部分与拉挤杆体界面间的粘结问题。玻璃纤维的含量通常只能达到6 5 ％左右，显然不能充分发挥拉挤锚杆杆体的优越性能。并且，合模会造成产品形成分型线，这将不利于锚固力的提高。现在，一般厂家都使用拉挤／缠绕成型工艺制造玻璃钢锚杆。简单来说就是在拉挤浸胶纤维成束预成型后引入缠绕工艺，再经过单纯的固化成型构成一个以拉挤工艺为主，配以缠绕工序的复合材料成型系统。该工艺操作简单，自动化程度高，而且又具有拉挤和缠绕的特性，既能一次成型生产出锚杆杆体，又能实现比较规律的螺纹样式，拉伸强度也比较高。拉挤成型全螺纹玻璃钢等强锚杆及其成型技术装备的开发应用，在欧美发达国家已有二十多年的历史，早已实现标准化、机械化工业生产，是发展成熟的高 河北工程大学硕士学位论文 端技术产品，具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点。美国、英国等 发达国家在璃钢锚杆成型工艺和推广应用上都有非常高的水平。 1 ．4 ．2 国内玻璃钢锚杆成型概况 在国内，玻璃钢锚杆的开发应用起步于手工制作与模压成型，杆体抗拉强度 有限，生产效率也不高，远远不能满足市场需求。由于技术水平有限，锚杆研制 生产在我国处于起步阶段，生产技术还不成熟，产品的综合性能有待提高【8 J 。当 前我国对玻璃钢锚杆的需求量越来越大，而且进口的玻璃钢锚杆非常贵。因此锚 杆成型系统技术的研究是亟需解决的难题。 拉挤／缠绕复合材料成型技术最早兴起于美国，市场上虽有设备和制品销售， 但是有关工艺方面的知识却没有资料可查。9 0 年代初，我国引进了一台附有拉挤 一缠绕组合功能的拉挤设备，并于1 9 9 1 年开始正式研究拉挤／缠绕设备及工艺技 术。 19 9 7 年煤科总院南京研究所开始研究玻璃钢锚杆在煤矿的应用，2 0 0 0 年立为 国家科技部项目。2 0 0 2 年研制成功模压型表面粗糙式玻璃钢锚杆生产线，2 0 0 2 年研制成功第一代全螺纹玻璃钢锚杆成型机M G S L ．1 型，2 0 0 3 年研制成功第三代 全螺纹玻璃钢锚杆成型机M