锚索锚具的结构改进与制造的研究

大学生创新实验项目
结题报告书
项目名称：锚索锚具的结构改进与制造的研究承接单位：机电工程学院
负责人：
小组成员：
指导教师：
完成时间：
一、课题名称：
锚索锚具的结构改进与制造的研究
二、课题提出的背景：
目前，锚索锚具已经广泛运用在公路桥梁、铁路桥梁、城市立交、城市轻轨、高层建筑、水利水电大坝、港口码头、岩体护坡锚固、基础加固、隧道矿顶锚顶、预应力网架、地铁、大型楼堂馆所、仓库厂房、塔式建筑、重物提升、滑膜间歇推进、桥隧顶推、大型容器及船舶、轨枕、更换桥梁支座、桥梁及建筑物加固、钢筋工程、防磁及防腐工程（纤维锚具）、碳纤维加固、先张梁场施工、体外预应力工程、斜拉索、悬索等行业的隧道、边坡的加固，属于一次性产品。

本市某公司正在开发，而在开发过程中，主要存在的问题是成品试验时达不到国家标准，并且质量很不稳定, 该公司希望与我院合作解决开发中的问题。

三、课题研究的目的和意义：
锚具预应力凝土中所用的永久性锚固装置，是在后张法结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土内部的锚固工具。

对硬度有严格要求的锚具零件，应进行硬度检验。

应从每批中抽取5％的样品且不应少于5套，按产品设计规定的表面位置和硬度范围（该表面位置和硬度范围是品质保证条件，由供货方在供货合同中注明）做硬度检验。

有一个零件不合格时，则应另取双倍数量的零件重做检验；仍有一件不合格时，则应对本批产品逐个检验，合格者方可进入后续检验组批；
静载锚固性能试验——在通过外观检查和硬度检验的锚具中抽取6套样品，与符合试验要求的预应力筋组装成3个预应力筋一锚具组装件，并应由国家或省级质量技术监督部门授权的专业质量检测机构进行静载锚固性能试验。

试验结果应单独评定，每个组装件试件都必须符合本规程第2项的要求。

有一个试件不符合要求时，则应取双倍数量的锚具重做试验；仍有一个试件不符合要求时，则该批锚具应视为不合格品。

本课题主要针对在实际生产过程中主要存在的问题——成品试验时达不到国家标准，并且质量很不稳定的现象进行研究，使学生在老师的指导下能够让学生进一步深入学习理论知识，加强学生理论联系实际以及实际动手的能力；培养锻炼学生模拟机加工企业整个生产流程，即从“设计—生产组织—加工—组
装—产品”的系统性、全局性的观念；以及组织协调管理的能力；《机械制造技术基础》综合了以前的五门课程，理论知识的学习趋近于概念性，并且学生动手能力的锻炼尤其平淡。

通过本创新实验，给他们提供一个深入学习和动手平台。

本创新实验涉及了机械设计、机械制造、组织管理学、质量检验等多方面知识的综合运用。

四、课题的研究方法：
1、根据公司提供的情况改进该产品的部分结构，设计零件图纸；
2、根据所改进设计的产品，制订相应的生产工艺，特别是热处理工艺；
3、根据工艺要求组织、购买生产所需原材料；
4、组织并实施零件的加工；
5、成品试验。

6、未达标时，重复上述过程，直至达标为此。

五、课题研究的步骤
六、总体结构及原理
1.结构和工作原理
其总体见装配图和零件图附图。

锚具预应力凝土中所用的永久性锚固装置，是在后张法结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土内部的锚固工具，也称之为预应力锚具。

锚具根据使用型式可分为两大类：
（a）张拉端锚具：安装在预应力筋端部且可以在预应力筋的张拉过程中始
终对预应力筋保持锚固状态的锚固工具。

张拉端锚具根据锚固型式的不同还可分为：用于张拉预应力钢绞线的夹片式锚具（YJM），用于张拉高强钢丝的钢制锥形锚（GZM），用于镦头后张拉高强钢丝的墩头锚（DM），用于张拉精轧螺纹钢筋的螺母（YGM）,用于张拉多股平行钢丝束的冷铸镦头锚（LZM）等多种类型。

（b）固定端锚具：安装在预应力筋端部，通常埋入混凝土中且不用以张拉的锚具，也被称作挤压锚或者P锚。

后张法预应力筋常用的锚具：
1）镦头锚具体系是先将钢丝穿过固定端锚板及张拉锚杯中的圆孔，然后利用镦头器对钢丝两端进行镦头，通过张拉锚达到施加预应力的目的；
2）帮条锚具由帮条和衬板组成。

帮条采用与预应力筋同级别的钢筋，衬板采用普通低碳钢的钢板。

帮条锚具的三根帮条应成120º均匀布置，并垂直于衬板与预应力筋焊接牢固，如图。

帮条焊接亦宜在钢筋冷拉前进行，焊接时需防止烧伤预应力筋。

3)锥形螺杆锚具
预应力筋用锚具的标准为：中华人民共和国国家标准（GB/T 14370-2000）根据锚具的外形常见体系分类：
（1）圆柱形常规锚具
外形为圆形，规格型号表示为：YJM15-N或YJM13-N，M15-N或M13-N；此类型锚具具有良好的自锚性能。

张拉一般采用穿心式千斤顶。

（2）长方体扁形锚
规格型号表示为：BJM15-N或BJM13-N（B，扁锚汉语拼音第一个字母，代表扁形锚具的意思）；扁型锚具主要用于桥面横向预应力、空心板、低高度箱梁，使应力分布更加均匀合理，进一步减薄结构厚度。

（3）握裹式锚具
（固定端锚具）规格型号表示为：JYM15-N或JYM13-N，M15P-N或M13P-N；适用于构件端布设计应力大或端部空间受到限制的情况，它使用挤压机将挤压套压结在钢绞线上的一种握裹式锚具，它预埋在混凝土内，按需要排布，混凝土凝固到设计强度后，再进行张拉。

预应力筋用锚具的最新标准为：中华人民共和国预应力筋用锚具、夹具和连接器（GB/T 14370-2007），铁道部预应力筋用锚具、夹具和连接器（TB/T3193-2008）。

17.8锚索锚具（MK18型矿用锚索锚具）主要用于煤矿巷道支护，特别是破碎顶板的支护管理，17.8锚索锚具也可用于其它建筑工程中，与φ1 5．24预应力钢绞线配套使用。

锁紧力：≥2 0 T
净重量：4 8 0克／套
直径： 4 4 m m
长度：4 6 m m
MK17.8锚索锚具用途和特点：
KM18-1/1860矿用锚索锚具以其锚固力大，既可施加预应力又可全长锚固，且锚固深度长短可以自由选取等优点，17.8锚索锚具被广泛应用于边坡维护，桥涵建筑、地基基础加固、煤巷支护等领域。

矿用锚索锚具结构：钢绞线、毛齿、挡箍、垫板、锚具等组成。

MK15型矿用锚索锚具技术特性、尺寸及重量：
钢绞线直径15.24mm ,是承受传递支护力的主体，由7根直径5mm冷轧调质高强钢筋煸制而成。

锚环外径44mm,长46mm,内孔锥度12°
锚卡长41mm,外径锥度12°
锚具重量0.6kg。

夹片
单孔锚具
螺纹副的未注精度等级，应不低于GB/T 197 中的7H/8g 。

未注公差尺寸的公差等级，应不低于GB/T 1804 中的c级。

试验期间预应力筋及锚具零件的位移示意图
后张法施工在制作构件或块体时，在放置预应力筋的部位留设孔道，待
混凝土达到设计规定的强度后，将预应力筋穿入预留孔道内，用张拉机具将预应力筋张拉到规定的控制应力，然后借助锚具把预应力筋锚固在构件端部，最后进行孔道灌浆（也有不灌浆的），这种预加应力的方法称为后张法。

下图所示为预应力后张法构件生产示意图。

预应力混凝土后张法生产示意图
(a)制作混凝土构件；(b)后钢筋；(c)锚固和孔道灌浆
1－混凝土构件；2－预留孔道；3－预应力筋；4－千斤顶；5－锚具后张法的特点是直接在构件上张拉预应力筋，构件在张拉过程中受到预压力而完成混凝土的弹性压缩，因此，混凝土的弹性压缩，不直接影响预应力筋有效预应力值的建立。

后张法适宜于在施工现场制作大型构件（如屋架等），以避免大型构件长途运输的麻烦。

后张法除作为一种预加应力的工艺方法外，还可以作为一种预制构件的拼装手段。

大型构件（如拼装式大跨度屋架）可以预制成小型块体，运至施工现场后，通过预加应力的手段拼装成整体；或各种构件安装就位后，通过预加应力手段，拼装成整体预应力结构。

但后张法预应力的传递主要依靠预应力筋两端的锚具，锚具作为预应力筋的组成部分，永远留置在构件上，不能重复使用，这样，不仅需要耗用钢材多，而且锚具加工要求高，费用昂贵，加上后法工艺本身要预留孔道、穿筋、张拉、灌浆等因素，故施工工艺比较复杂，成本也比较高。

预应力后张法构件的生产分为两个阶段：第一阶段为构件的生产；第二阶段
为施加预应力，其中包括预应力筋的制作、预应力筋的张拉和孔道灌浆等工艺。

本节主要叙述第二阶段的施工工艺。

锚具和预应力筋的制作：
在后张法构件生产中，锚具、预应力筋和张拉机具是配套使用的，目前我国在后张法构件生产中采用的预应力筋钢材主要有冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋，热处理钢筋，精轧螺纹钢筋，碳素钢丝和钢绞线等。

归纳成三种类型预应力筋，即单根粗钢筋（包括精轧螺纹钢筋）、钢筋束（或钢绞线束）和钢丝束。

下面分别叙述三种类型预应力的锚具及制作。

a．单根预应力钢筋的锚具及制作
单极预应力钢筋主要采用直径ф12～ф40的冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋或精轧螺纹钢筋、及与其钢筋配套的锚具制作而成。

（1）锚具
单根预应力钢筋根据构件长度和张拉工艺要求，可以在一端张拉或两端张拉。

锚具与预应力钢筋的基本配套组合有三种：即两端张拉时，预应力筋两端均采用螺丝端杆锚具；一端张拉一端固定时，张拉端采用螺丝端杆锚具，固定端则采用帮条锚具或镦头锚具.
①螺丝端杆锚具螺丝端杆锚具由螺丝端杆、螺母和垫板三部分组成，适用于锚固冷拉Ⅱ与Ⅲ级钢筋。

螺丝端杆锚具构造，如下图所示。

螺丝端杆材料如用冷拉45号钢或与预应力筋同品种的冷拉钢材制作时，应冷拉后南进行切削加工，冷拉后的机械性能，应不得低于冷拉后预应力筋的性能指标。

当采用热处理45号钢材制作螺丝端杆时，应先粗加工至接近设计尺寸（即留1～2mm加工余量），再调质热处理，然后精加工至设计尺寸。

45号钢经热处理后不得有裂纹和伤痕，其硬度应为HB251～283，同时要求抗拉强度不得小于700MPa，伸长率δ＞14％。

螺丝端杆与预应力筋的焊接，应在预应力筋冷拉以前进行。

螺丝端杆长度一般为320mm，当为一端张拉或预应力筋长度较长时，螺丝端杆应增长30～50mm。

螺丝端杆锚具
(a)螺丝端杆锚具；(b)螺丝端杆；(c)螺母；(d)垫板
1－螺母；2－垫板；3－螺丝端杆；4－对焊接头；5－预应力筋
2.加工工艺及数控程序
（1）外套加工工艺路线
图纸中要求的夹片材料为常用调质钢45钢，调质钢是结构钢中用量较大的钢种。

调质钢一般指经调质处理后使用的优质碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造承受较大循环载荷与冲击载荷或各种复合应力下工作的零件，如轴类零件、连杆、发动机螺栓、机床齿轮等。

该外套的加工要素主要由外圆柱面和内圆锥面组成，为消除锐边棱角，增设有四处倒角工艺。

所述加工内容均可由数控车床完成。

待所有机加工工序完成后，零件进行调质热处理，最后进行表面发蓝处理，以提高其抗腐蚀能力和耐磨性。

外套加工工艺路线：
Ⅰ下料
Ⅱ平端面
Ⅲ车外圆
Ⅳ钻孔，φ16麻花钻
Ⅴ车锥孔
Ⅵ倒右端面角
Ⅶ切断
Ⅷ倒左端面角
Ⅸ调质，HB260~300
Ⅹ表面发蓝处理
（2）夹片加工工艺路线
图纸中要求的夹片材料为合金结构钢20CrMnTi，为典型的中淬透性渗碳钢。

这类钢油淬临界直径约为25~60mm，主要用于制造受中等冲击载荷、要求具有足够冲击韧性的耐磨件。

夹片的加工要素主要由外圆锥面和内螺纹孔组成，为消除锐边棱角，增设有四处倒角工艺。

由于夹片图纸要求的内螺纹孔是锯齿形螺纹，而本实验中心没有加工锯齿形螺纹的刀具，此处用普通粗牙螺纹代替。

螺纹的公称直径为φ16mm，而本实验中心所配的最大丝锥仅为φ10mm，所以此处又不得不以M10代替原M16的普通粗牙螺纹。

查手册知，普通粗牙内螺纹M10的螺纹底孔直径为φ8.5mm，故选用φ8.5mm 的麻花钻钻底孔。

所述加工内容同样可由数控车床完成。

待所有机加工工序完成后，零件进行碳氮共渗热处理，最后进行表面发蓝处理，以提高其抗腐蚀能力和耐磨性。

外套加工工艺路线：
Ⅰ下料
Ⅱ平端面
Ⅲ车外锥面
Ⅳ车圆弧槽
Ⅴ钻孔，φ8.5麻花钻
Ⅵ倒右端面角
Ⅶ攻内螺纹，M10丝锥
Ⅷ切断，同时切出左倒角
Ⅸ切瓣，数控线切割
Ⅹ碳氮共渗，淬火硬度HRC58~64，表面发蓝处理。

（3）外套数控加工程序
Maoju.MPF
G54
TRANS Z55
T1 D1 ；粗车刀
G96 M4 S80 F0.1
G0 X42 Z0
G1 X-1
G0 X42 Z2
CYCLE95(“zicx”,1.5,0.1,0.5,0,0.1,0.05,0.08,9,0,0,0)
TCP
T3 D1 ；麻花钻，φ16mm
G97 S800 M3 F0.1
G0 X0 Z2
G1 Z-52
G0 Z2
TCP
T5 D1 ；镗刀
G96 S80 M4 F0.1
CYCLE95(“zicxkong”,1.5,0.1,0.5,0,0.1,0.05,0.001,1,0,0,0) G96 S120 M4 F0.08
CYCLE05(“zicxkong”,0,0,0,0,0.001,0.001,0.008,5,0,0,0) TCP
T7 D1 ；切刀
G96 S60 M4 F0.1
G0 X42 Z-34
G1 X14
G0 X42
TCP
M30
（4）夹片数控加工程序
Jiap.MPF
G54
TRANS Z60
T1 D1
G96 M4 S80 F0.1
G0 X42 Z0
G1 X-1
G0 X42 Z2
CYCLE95(“waizm”,1.5,0.1,0,0.1,0.05,0.01,0.001,1,0,0,0) G96 M4 S120 F0.08
CYCLE95(“waizm”,0,0,0,0,0.001,0.001,0.008,5,0,0,0) TCP
T3 D1
G96 S80 M4 F0.1
CYCLE95(“waizm1”,1.5,0,0,0,0.1,0.05,0.001,1,0,0,0) TCP
T5 D1
G97 S600 M3 F0.1
G0 X0 Z2
G1 Z57
G0 Z2
TCP
T7 D1
G96 S60 M4 F0.1
G0 X25 Z-32
G1 X8
G0 X42
TCP
M30
七、课题的成果与分析
成果图片如下图：
1.检测范围与验收条件
（1）常规检测
硬度范围检测（普遍采用）：应从每批中抽取5%的锚具且不少于5套，对其中有硬度要求的零件做硬度试验，对多孔夹片式锚具的夹片，每套至少抽取5片。

每个零件测试3点，其硬度应在设计要求范围内，如有一个零件不合格，则应另取双倍数量的零件重做试验，如仍有一个零件不合格，则应逐个检查，合格者方可使用。

1.5.2特殊检测
静载试验检测：详见《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370-2007 锚板强度检测：详见《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件》TB/T3193-2008 。

锚垫板传力试验：详见《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》
JGJ85-2010 。

后张法是在结硬的混凝土构件上张拉钢筋的,其预应力是依靠钢筋端部的锚具来传递的,锚具不能拆.
先张法是在浇灌混凝土之前张拉钢筋的,它是依靠张拉钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的.锚具可以拆
（2）进场验收
按照预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程 JGJ 85—2002 进场验收。

锚具进场验收时，需方应按合同核对产品质量证明书中所列的型号、数量及适用于何种强度等级的预应力钢材，确认无误后应按下列三项规定进行检验。

检验合格后方可在工程中应用。

a．外观检查——从每批中抽10％的锚具且不应少于10套，检查其外观质量和外形尺寸；井按产品技术条件确定是否合格。

所抽全部样品均不得有裂纹出现，当有一套表面有裂纹时，则本批应逐套检查，合格者方可进入后续检验组批。

b．硬度检验——对硬度有严格要求的锚具零件，应进行硬度检验。

应从每批中抽取5％的样品且不应少于5套，按产品设计规定的表面位置和硬度范围（该表面位置和硬度范围是品质保证条件，由供货方在供货合同中注明）做硬度检验。

有一个零件不合格时，则应另取双倍数量的零件重做检验；仍有一件不合格时，则应对本批产品逐个检验，合格者方可进入后续检验组批；
c．静载锚固性能试验——在通过外观检查和硬度检验的锚具中抽取6套样品，与符合试验要求的预应力筋组装成3个预应力筋一锚具组装件，并应由国家或省级质量技术监督部门授权的专业质量检测机构进行静载锚固性能试验。

试验结果应单独评定，每个组装件试件都必须符合本规程第2项的要求。

有一个试件不符合要求时，则应取双倍数量的锚具重做试验；仍有一个试件不符合要求时，则该批锚具应视为不合格品。

在试验过程中，当试验数据已满足本规程c项要求而组装件仍未拉断，此时，在能证明锚具的负载能力大于或等于Fpm，可终止试验，并判定试验结果合格。

注：1）对于锚具用量不多的工程，如由供货方提供有效试验合格证明文件，经工程负责单位审议认可并正式备案，可不必进行静载验收试验；2）用于主要承受动荷载的锚具，可按本规程确定的疲劳应力幅度进行疲劳荷载试验。

夹具进场验收时，应进行外观检查、硬度检验和静载锚卧胜能试验。

检验和试验方法与锚具相同。

后张法连接器的进场验收规定应与锚具相同。

先张法连接器的进场验收规定应与夹具相同。

划分进场验收批时，只有在同种材料和同一生产工艺条件下生产的产品，才可列为同一批量。

锚固多根预应力钢材的锚具或夹具应以不超过1000套为一个验收批；锚固单根预应力钢材的锚具或夹具，每个验收批可扩大为2000套。

连接器的每个验收批不宜超过500套。

八、对课题研究的思考与总结
通过本设计学到了比较多的东西：
(1)初步懂得了在工艺制订过程中对一个零件的分析的重要性。

(2)学到了零件的分析的基本方法。

(3)对数控程序的设计有较深的体会。

（4）懂得了热处理对零件的性能的重要性
本设计有待改进的地方：
(1) 热处理工艺方面还需要进一步改进。

(2) 加工工艺的个别参数还不是很理想。

（4）热处理工艺还主要依赖工厂的技术人员。

由于内部和外部等多方面的原因，本设计还存在着一些不足之处。

最主要的是对数控程序的编制上还有待提高。

因此，许多方面都还有值得改进和学习的地方。

在整个过程中我们深刻地体会到动手实践的重要性，同时更提高了自己独立解决问题的能力，把自己书本上所学的知识应用于实践中，真正开始学会了学以致用，并融入自己创新的思维。

锚具照片。