钉杆纹路对射钉拉拔力的影响研究

2020-12-31马林

中国金属通报 2020年8期

马林

（四川德阳市力协有限责任公司，四川德阳 618000）

射钉紧固技术是20世纪国外首先采用的一种先进紧固技术。射钉紧固技术是利用射钉枪击发射钉弹，使弹内火药燃烧并释放出能量，将射钉直接钉入坚硬的基体中，如金属、混凝土，岩石、砌体等。这种直接用钉固结的办法，解决了长期以来，在工程实践中不能将钉子直接钉入坚硬基体中的情况，为装修施工提供了快速、简便、牢固的固结技术，与传统的预埋固定，打洞浇注，螺栓联接，焊接等方法相比，它具有许多优越性，自带能源，从而摆脱了电线和风管的累赘，便于现场和高空作业；操作快速、工期短，能大大减轻工人劳动强度；作用可靠和安全，甚至还能解决一些过去难于解决的施工难题；节约资金，降低施工成本。

目前，射钉在混凝土、钢等基体中已得到广泛应用，要达到的主要性能是满足所需要的紧固拉拔力，普通的无纹路射钉无法满足所需要紧固拉拔力，因此在国内企业大多采用在钉杆上制造各种纹路来增加紧固拉拔力，研究纹路对射钉紧固拉拔力的影响是非常必要的。

1 紧固拉拔力影响因素研究

分析拉拔力产生的原因，射钉在被射入基体后，射钉进入基体组织部分将对基体组织施加一个向外的力，造成基体组织被迫向周围挤压，同时根据牛顿第三定律，相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，因此，钉杆对基体组织施加一个作用力,基体组织就会对射钉钉杆施加一个反作用力N，我们称这个力为正压力，当射入基体组织的钉子受到外部施加的外拔力F时，钉杆与基体组织就会产生相应的摩擦力，外拔力F刚好能将钉子从基体组织拔出时这个临界力，我们称为它的紧固拉拔力。示意图1如下。

图1 射钉紧固拉拔力示意图

图1 中F=μ*N。

式中：F——紧固拉拔力；μ——摩擦系数；N——基体对钉杆的正压力。

从式中可以看出，要影响紧固拉拔力的主要因素是摩擦力，影响摩擦力的因素主要是摩擦系数和基体对钉杆的正压力，因此增大摩擦系数和基体对钉杆的正压力就能增大拉拔力。

2 钉杆纹路形式与拉拔力的研究

由上部分知道，增加拉拔力可以增加摩擦系数和基体对钉杆的正压力来实现，猜想拉拔力会随着钉杆的摩擦系数变大而变大。因此对射钉设计三种纹路型式，然后对他们进行拉拔力检测，然后进行分析比较，拉拔力检测试验样品射钉分别为：钉杆光滑无纹路，钉杆直纹，钉杆环纹，钉杆斜纹。

（1）试验样本。

表1 钉杆纹路相关参数

图2 无纹钉杆

图3 直纹钉杆

图4 环纹钉杆

图5 斜纹钉杆

（2）试验条件。为了试验数据的准确性，试验将统一采用同一把603工具枪，使用红色的S3弹，为了得到准确的拉拔力数据，每种样品选取了15粒，分为5组，每组3粒取其平均值作为拉拔力比样数据，如果有射击失败，将此粒钉数据排除，余下的依然取其平均值用来比较。试验基体采用10mmQ235钢板，保证钢板平整度，将试验基体分为五部分，每部分将依次对试验样品进行试验。

（3）试验情况。对所有的样本进行了拉拔力检测，检测拉拔力数据如下表（单位：KN）。

表2 组钉杆样品拉拔力数据

从数据上看，排除射击失败的数据来看钉杆45度纹路射钉拉拔力最大，钉杆直纹路拉拔力其次，钉杆环纹路的射钉拉拔力最小。

（4）数据原因分析。钉杆环纹路拉拔力比钉杆无纹路射钉拉拔力小原因分析：钉杆环纹射钉击入钢基体后，前面的环纹将基体组织向周围挤压，导致射击后基体组织形成的孔较大，导致基体组织未嵌入钉杆后部分环纹。

钉杆直纹路拉拔力比无纹路射钉拉拔力大的原因分析：射钉射入基体组织后，钉杆直纹路比钉杆无纹路射钉相比，钉杆与基体组织的摩擦系数变大，与基体组织的接触面积变大，正压力变大，从而使拉拔力变大。

钉杆45°纹路拉拔力比直纹路射钉拉拔力大的原因分析：射钉射入基体组织后，两种不同纹路的射钉与基体组织的接触面积相同，但钉杆45°纹路射钉在射入基体组织时，纹路会导致钉子有轻微的旋转，使钉子与基体组织多了一部分旋转契合，当受到外部拉力时，契合部分的基体组织会对钉杆纹路纹体再产生一个作用力，这个作用力竖直方向上的一个分力与拉拔力反向，从而拉拔力的大小就等于摩擦力加上这个竖直方向上的分力，因此钉杆45°纹路射钉拉拔力比直纹射钉拉拔力大。

（5）试验小结。在其它条件不变的情况下，射钉钉杆的纹路型式会影响摩擦系数，不同形态的纹路会影响钉杆与基体组织的接触面积，从而影响正压力。

3 钉杆纹路角度与拉拔力的大小关系研究

本文已分析了钉杆纹路形式对拉拔力的影响，得出斜纹比直纹，环纹拉拔力更大。现研究纹路的角度变化对拉拔力的影响，下面试验准备了15°、30°、45°、60°、75°的5组样本来进行试验。

（1）试验样本。

表3 五组不同钉杆斜纹角度下钉杆拉拔力数据

（3）试验情况。对所有样本进行了拉拔力检测，检测的拉拔力数据如下表（单位：KN）。

表4 五组不同钉杆斜纹角度下钉杆拉拔力数据

从上面数据可看出，钉杆斜纹为45°拉拔力最大。

（4）拉拔力变化分析。①从结构分析。所有的钉杆都有纹路，虽然纹路的角度不同，但射钉与基体组织的接触面积相同，基体组织对钉杆的正压力也相同，所以射钉与基体组织的摩擦力也相同。②从击入后分析。钉尖在击入时，钉尖将基体组织向周围挤压，会形成一个与钉杆相同大小的光滑圆孔，当钉杆纹路进入基体时，纹路的角度会导致钉杆轻微的旋转，像拧螺丝一样旋转进入基体组织，所以会轻微的旋转进入入基体组织，纹路体会挤压圆孔周围的基体组织向纹路体凹槽流入，使钉杆与基体组织结合更紧密，受力分析如图6。

图6 钉杆与基体组织之间的受力

图6 中，F是紧固拉拔力，N是基体组织对钉杆的正压力，n是力f在竖直方向上的分解力，n=f*sin（θ），f是受到拉拔力后，基体组织对纹路体产生的一个垂直于纹路的反向作用力，这个力的极限大小与基体组织，钉杆纹路的材料，基体组织嵌入纹路体凹槽深度有关，由于试验中所有的材料都相同，纹路凹槽深度都相同，因此试验样品的这个力f的极限值是一样大的,所以认为拉拔力：

F=uN+f*sin(θ) （其中θ是斜纹角度）

纹路角度从15°～45°拉拔力变大，从45°～75°拉拔力减小，分析原因纹路角度从15°～45°增大时，钉杆与基体组织的接触面积相同，因此摩擦力即u与N乘积相同，差距在于在这个0°～45°这个角度范围内，角度越大，sin（θ）的值越大，且f的极限值力不变，因此分解力n=f*sin（θ）的值越大，所以拉拔力越大。因此在45°～90°范围内拉拔力逐渐减小。

钉杆纹路角度15°的拉拔力普遍比钉杆纹路角度75°的拉拔力大的原因分析是钉杆纹路角度较大时，钉杆在射入基体组织时，基体对纹路的阻力增大，后面进入基体组织的钉杆纹路将破坏原先嵌入到纹路体凹槽中的基体组织，从而导致钉杆与基体组织的接触面积减小一部分，基体组织对钉杆纹路体的分解力n也会减小一部分，因此拉拔力也会相应的减小。

（5）试验小结。在其它条件不变的情况下，钉杆纹路角度增大，拉拔力会增大，当角度达到临界值后，由于基体组织对钉杆纹路体的阻力变大，导致正压力和分解力n都变小，从而使角度变大拉拔力变小。

4 钉杆纹路深度与拉拔力的关系研究

本文在上部分试验了钉杆纹路角度对拉拔力的影响，下面将研究钉杆纹路深度对拉拔力的影响。对射钉钉杆六种纹路深度样品做试验。

（1）试验样品。

表5 射钉钉杆6种纹路深度样品相关数据

（2）试验条件。为了试验数据的准确性，试验将统一采用同一把603工具枪，使用红色的S3弹，为了得到准确的拉拔力数据，每种样品选取了十五粒，分为五组，每组三粒取其平均值作为拉拔力比样数据，如果有射击失败，将此粒钉数据排除，余下的依然取其平均值用来比较。试验基体采用10mmQ235钢板，保证钢板平整度，将试验基体分为五部分，每部分将依次对试验样品进行试验。

（3）试验情况。对所有的样本进行了拉拔力检测，检测拉拔力数据如下表（单位：KN）。

表6 钉杆纹络五种节距的拉拔力

从上面数据可以得出，这几组样品中纹路凹槽深度为0.15mm拉拔力最大，凹槽纹路的深度会影响拉拔力，样品中拉拔力大小随深度增加呈现先上升后下降趋势。

（4）原因分析。

图7 钉杆纹路处截面示意图

图8 钉杆纹络节距

图7 是钉杆纹路处截面示意图，其中B为纹路节距，A为纹路凹入钉体部分，C为纹路凹槽的深度，凹槽深度0.05mm～0.15mm范围内凹槽深度越深导致拉拔力越大的原因是，在钉杆纹路进入基体组织时，纹路体挤压基体组织进入纹路凹槽，纹路凹槽越深，进入纹路凹槽的基体组织越多，钉杆与基体组织的接触面积就越大，基体组织对钉杆的正压力也越大，基体组织对纹路体的分解力n也会越大，导致拉拔力越大。

凹槽深度0.15mm～0.30mm范围内凹槽深度越深，拉拔力反而变小，原因分析是钉杆纹路进入基体组织时，纹路体挤压的基体组织进入纹路凹槽的值是有限的，当凹槽深度达到一定值时深度再增加，挤压的基体组织就无法填满凹槽C，因此凹槽深度再加深，基体组织进入纹路凹槽的量也是那么多。

（5）试验小结。钉杆纹路凹槽深度增大，纹路体能够承受的阻力值会变小，由于基体组织嵌入凹槽中的量变大，拉拔力会先增大，当槽的深度达到所射入基体组织形变极限后，钉杆纹路凹槽深度C继续大，导致纹路体能够承受的力小于基体组织带来的阻力，导致纹路体形变，致使正压力减小，因此拉拔力减小。

5 节距与拉拔力的研究

本文研究了纹路型式，角度，深度，最后将研究纹络节距对拉拔力的影响，现对钉杆纹络五种节距的拉拔力进行试验。

（1）试验样品。

表7 钉杆纹络五种节距的拉拔力

（2）试验条件。为了试验数据的准确性，试验将依然统一采用同一把603工具枪，使用红色的S3弹，为了得到准确的拉拔力数据，每种样品选取了十五粒，分为五组，每组三粒取其平均值作为拉拔力比样数据，如果有射击失败，将此粒钉数据排除，余下的依然取其平均值用来比较。

（3）试验情况。对所有的样本进行了拉拔力检测，检测拉拔力数据如下表（单位：KN）。

表8 不同纹路节距下射钉钉杆拉拔力

从上面数据可以得出，这几组样品中纹路节距为0.8mm拉拔力最大，纹路的节距会影响拉拔力，样品中拉拔力大小随节距增加呈现先上升后下降趋势。

（4）原因分析。

如图8所示，B为压花纹的节距，A为压花纹凹入钉体的部分，A的尺寸约为B尺寸的40%左右。

纹络节距在0.20mm～0.80mm时拉拔力增大的原因是，随着节距B的增大，A也增大，即导致射钉在射入基体组织后，基体组织压入钉杆纹络凹槽A的量增加，致使钉杆与基体组织的接触面积增加，正压力增大，摩擦力就增大，因此拉拔力增大。

纹络节距在0.80mm～1.20mm时拉拔力减小的原因是，随着节距B的增大，虽然A也增大，但是基体组织压入钉杆纹络凹槽A的量到达了极限，不在随着节距增大而增大，致使拉拔力不在继续增大，且纹络凸起部分的承载力随着节距的继续增大而减小，在射击过程中，凸起部分部分会因为基体组织的阻力而形变、断裂，导致接触面积减小，从而使拉拔力减小。

（5）试验小结。节距B的尺寸太大，会导致纹络凸起部分承受阻力极限减小，在射击过程中，会产生形变，断裂的情况，致使拉拔力减小，如果节距B尺寸太小，被压入凹坑的基体组织减少，拉拔力减小，这两种情况都会降低压花钉在钢基体上的紧固力。