釘桿紋路對(duì)射釘拉拔力的影響研究

馬 林

（四川德陽(yáng)市力協(xié)有限責(zé)任公司，四川 德陽(yáng) 618000）

射釘緊固技術(shù)是20世紀(jì)國(guó)外首先采用的一種先進(jìn)緊固技術(shù)。射釘緊固技術(shù)是利用射釘槍擊發(fā)射釘彈，使彈內(nèi)火藥燃燒并釋放出能量，將射釘直接釘入堅(jiān)硬的基體中，如金屬、混凝土，巖石、砌體等。這種直接用釘固結(jié)的辦法，解決了長(zhǎng)期以來(lái)，在工程實(shí)踐中不能將釘子直接釘入堅(jiān)硬基體中的情況，為裝修施工提供了快速、簡(jiǎn)便、牢固的固結(jié)技術(shù)，與傳統(tǒng)的預(yù)埋固定，打洞澆注，螺栓聯(lián)接，焊接等方法相比，它具有許多優(yōu)越性，自帶能源，從而擺脫了電線和風(fēng)管的累贅，便于現(xiàn)場(chǎng)和高空作業(yè)；操作快速、工期短，能大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；作用可靠和安全，甚至還能解決一些過(guò)去難于解決的施工難題；節(jié)約資金，降低施工成本。

目前，射釘在混凝土、鋼等基體中已得到廣泛應(yīng)用，要達(dá)到的主要性能是滿足所需要的緊固拉拔力，普通的無(wú)紋路射釘無(wú)法滿足所需要緊固拉拔力，因此在國(guó)內(nèi)企業(yè)大多采用在釘桿上制造各種紋路來(lái)增加緊固拉拔力，研究紋路對(duì)射釘緊固拉拔力的影響是非常必要的。

1 緊固拉拔力影響因素研究

分析拉拔力產(chǎn)生的原因，射釘在被射入基體后，射釘進(jìn)入基體組織部分將對(duì)基體組織施加一個(gè)向外的力，造成基體組織被迫向周?chē)鷶D壓，同時(shí)根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，因此，釘桿對(duì)基體組織施加一個(gè)作用力,基體組織就會(huì)對(duì)射釘釘桿施加一個(gè)反作用力N，我們稱(chēng)這個(gè)力為正壓力，當(dāng)射入基體組織的釘子受到外部施加的外拔力F時(shí)，釘桿與基體組織就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，外拔力F剛好能將釘子從基體組織拔出時(shí)這個(gè)臨界力，我們稱(chēng)為它的緊固拉拔力。示意圖1如下。

圖1 射釘緊固拉拔力示意圖

圖1 中F=μ*N。

式中：F——緊固拉拔力；μ——摩擦系數(shù)；N——基體對(duì)釘桿的正壓力。

從式中可以看出，要影響緊固拉拔力的主要因素是摩擦力，影響摩擦力的因素主要是摩擦系數(shù)和基體對(duì)釘桿的正壓力，因此增大摩擦系數(shù)和基體對(duì)釘桿的正壓力就能增大拉拔力。

2 釘桿紋路形式與拉拔力的研究

由上部分知道，增加拉拔力可以增加摩擦系數(shù)和基體對(duì)釘桿的正壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，猜想拉拔力會(huì)隨著釘桿的摩擦系數(shù)變大而變大。因此對(duì)射釘設(shè)計(jì)三種紋路型式，然后對(duì)他們進(jìn)行拉拔力檢測(cè)，然后進(jìn)行分析比較，拉拔力檢測(cè)試驗(yàn)樣品射釘分別為：釘桿光滑無(wú)紋路，釘桿直紋，釘桿環(huán)紋，釘桿斜紋。

（1）試驗(yàn)樣本。

表1 釘桿紋路相關(guān)參數(shù)

圖2 無(wú)紋釘桿

圖3 直紋釘桿

圖4 環(huán)紋釘桿

圖5 斜紋釘桿

（2）試驗(yàn)條件。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)將統(tǒng)一采用同一把603工具槍?zhuān)褂眉t色的S3彈，為了得到準(zhǔn)確的拉拔力數(shù)據(jù)，每種樣品選取了15粒，分為5組，每組3粒取其平均值作為拉拔力比樣數(shù)據(jù)，如果有射擊失敗，將此粒釘數(shù)據(jù)排除，余下的依然取其平均值用來(lái)比較。試驗(yàn)基體采用10mmQ235鋼板，保證鋼板平整度，將試驗(yàn)基體分為五部分，每部分將依次對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)情況。對(duì)所有的樣本進(jìn)行了拉拔力檢測(cè)，檢測(cè)拉拔力數(shù)據(jù)如下表（單位：KN）。

表2 組釘桿樣品拉拔力數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)上看，排除射擊失敗的數(shù)據(jù)來(lái)看釘桿45度紋路射釘拉拔力最大，釘桿直紋路拉拔力其次，釘桿環(huán)紋路的射釘拉拔力最小。

（4）數(shù)據(jù)原因分析。釘桿環(huán)紋路拉拔力比釘桿無(wú)紋路射釘拉拔力小原因分析：釘桿環(huán)紋射釘擊入鋼基體后，前面的環(huán)紋將基體組織向周?chē)鷶D壓，導(dǎo)致射擊后基體組織形成的孔較大，導(dǎo)致基體組織未嵌入釘桿后部分環(huán)紋。

釘桿直紋路拉拔力比無(wú)紋路射釘拉拔力大的原因分析：射釘射入基體組織后，釘桿直紋路比釘桿無(wú)紋路射釘相比，釘桿與基體組織的摩擦系數(shù)變大，與基體組織的接觸面積變大，正壓力變大，從而使拉拔力變大。

釘桿45°紋路拉拔力比直紋路射釘拉拔力大的原因分析：射釘射入基體組織后，兩種不同紋路的射釘與基體組織的接觸面積相同，但釘桿45°紋路射釘在射入基體組織時(shí)，紋路會(huì)導(dǎo)致釘子有輕微的旋轉(zhuǎn)，使釘子與基體組織多了一部分旋轉(zhuǎn)契合，當(dāng)受到外部拉力時(shí)，契合部分的基體組織會(huì)對(duì)釘桿紋路紋體再產(chǎn)生一個(gè)作用力，這個(gè)作用力豎直方向上的一個(gè)分力與拉拔力反向，從而拉拔力的大小就等于摩擦力加上這個(gè)豎直方向上的分力，因此釘桿45°紋路射釘拉拔力比直紋射釘拉拔力大。

（5）試驗(yàn)小結(jié)。在其它條件不變的情況下，射釘釘桿的紋路型式會(huì)影響摩擦系數(shù)，不同形態(tài)的紋路會(huì)影響釘桿與基體組織的接觸面積，從而影響正壓力。

3 釘桿紋路角度與拉拔力的大小關(guān)系研究

本文已分析了釘桿紋路形式對(duì)拉拔力的影響，得出斜紋比直紋，環(huán)紋拉拔力更大。現(xiàn)研究紋路的角度變化對(duì)拉拔力的影響，下面試驗(yàn)準(zhǔn)備了15°、30°、45°、60°、75°的5組樣本來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)樣本。

表3 五組不同釘桿斜紋角度下釘桿拉拔力數(shù)據(jù)

（2）試驗(yàn)條件。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)將統(tǒng)一采用同一把603工具槍?zhuān)褂眉t色的S3彈，為了得到準(zhǔn)確的拉拔力數(shù)據(jù)，每種樣品選取了15粒，分為5組，每組3粒取其平均值作為拉拔力比樣數(shù)據(jù)，如果有射擊失敗，將此粒釘數(shù)據(jù)排除，余下的依然取其平均值用來(lái)比較。試驗(yàn)基體采用10mmQ235鋼板，保證鋼板平整度，將試驗(yàn)基體分為五部分，每部分將依次對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)情況。對(duì)所有樣本進(jìn)行了拉拔力檢測(cè)，檢測(cè)的拉拔力數(shù)據(jù)如下表（單位：KN）。

表4 五組不同釘桿斜紋角度下釘桿拉拔力數(shù)據(jù)

從上面數(shù)據(jù)可看出，釘桿斜紋為45°拉拔力最大。

（4）拉拔力變化分析。①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)分析。所有的釘桿都有紋路，雖然紋路的角度不同，但射釘與基體組織的接觸面積相同，基體組織對(duì)釘桿的正壓力也相同，所以射釘與基體組織的摩擦力也相同。②從擊入后分析。釘尖在擊入時(shí)，釘尖將基體組織向周?chē)鷶D壓，會(huì)形成一個(gè)與釘桿相同大小的光滑圓孔，當(dāng)釘桿紋路進(jìn)入基體時(shí)，紋路的角度會(huì)導(dǎo)致釘桿輕微的旋轉(zhuǎn)，像擰螺絲一樣旋轉(zhuǎn)進(jìn)入基體組織，所以會(huì)輕微的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入入基體組織，紋路體會(huì)擠壓圓孔周?chē)幕w組織向紋路體凹槽流入，使釘桿與基體組織結(jié)合更緊密，受力分析如圖6。

圖6 釘桿與基體組織之間的受力

圖6 中，F(xiàn)是緊固拉拔力，N是基體組織對(duì)釘桿的正壓力，n是力f在豎直方向上的分解力，n=f*sin（θ），f是受到拉拔力后，基體組織對(duì)紋路體產(chǎn)生的一個(gè)垂直于紋路的反向作用力，這個(gè)力的極限大小與基體組織，釘桿紋路的材料，基體組織嵌入紋路體凹槽深度有關(guān)，由于試驗(yàn)中所有的材料都相同，紋路凹槽深度都相同，因此試驗(yàn)樣品的這個(gè)力f的極限值是一樣大的,所以認(rèn)為拉拔力：

F=uN+f*sin(θ) （其中θ是斜紋角度）

紋路角度從15°～45°拉拔力變大，從45°～75°拉拔力減小，分析原因紋路角度從15°～45°增大時(shí)，釘桿與基體組織的接觸面積相同，因此摩擦力即u與N乘積相同，差距在于在這個(gè)0°～45°這個(gè)角度范圍內(nèi)，角度越大，sin（θ）的值越大，且f的極限值力不變，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°范圍內(nèi)拉拔力逐漸減小。

釘桿紋路角度15°的拉拔力普遍比釘桿紋路角度75°的拉拔力大的原因分析是釘桿紋路角度較大時(shí)，釘桿在射入基體組織時(shí)，基體對(duì)紋路的阻力增大，后面進(jìn)入基體組織的釘桿紋路將破壞原先嵌入到紋路體凹槽中的基體組織，從而導(dǎo)致釘桿與基體組織的接觸面積減小一部分，基體組織對(duì)釘桿紋路體的分解力n也會(huì)減小一部分，因此拉拔力也會(huì)相應(yīng)的減小。

（5）試驗(yàn)小結(jié)。在其它條件不變的情況下，釘桿紋路角度增大，拉拔力會(huì)增大，當(dāng)角度達(dá)到臨界值后，由于基體組織對(duì)釘桿紋路體的阻力變大，導(dǎo)致正壓力和分解力n都變小，從而使角度變大拉拔力變小。

4 釘桿紋路深度與拉拔力的關(guān)系研究

本文在上部分試驗(yàn)了釘桿紋路角度對(duì)拉拔力的影響，下面將研究釘桿紋路深度對(duì)拉拔力的影響。對(duì)射釘釘桿六種紋路深度樣品做試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)樣品。

表5 射釘釘桿6種紋路深度樣品相關(guān)數(shù)據(jù)

（2）試驗(yàn)條件。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)將統(tǒng)一采用同一把603工具槍?zhuān)褂眉t色的S3彈，為了得到準(zhǔn)確的拉拔力數(shù)據(jù)，每種樣品選取了十五粒，分為五組，每組三粒取其平均值作為拉拔力比樣數(shù)據(jù)，如果有射擊失敗，將此粒釘數(shù)據(jù)排除，余下的依然取其平均值用來(lái)比較。試驗(yàn)基體采用10mmQ235鋼板，保證鋼板平整度，將試驗(yàn)基體分為五部分，每部分將依次對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)情況。對(duì)所有的樣本進(jìn)行了拉拔力檢測(cè)，檢測(cè)拉拔力數(shù)據(jù)如下表（單位：KN）。

表6 釘桿紋絡(luò)五種節(jié)距的拉拔力

從上面數(shù)據(jù)可以得出，這幾組樣品中紋路凹槽深度為0.15mm拉拔力最大，凹槽紋路的深度會(huì)影響拉拔力，樣品中拉拔力大小隨深度增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。

（4）原因分析。

圖7 釘桿紋路處截面示意圖

圖8 釘桿紋絡(luò)節(jié)距

圖7 是釘桿紋路處截面示意圖，其中B為紋路節(jié)距，A為紋路凹入釘體部分，C為紋路凹槽的深度，凹槽深度0.05mm～0.15mm范圍內(nèi)凹槽深度越深導(dǎo)致拉拔力越大的原因是，在釘桿紋路進(jìn)入基體組織時(shí)，紋路體擠壓基體組織進(jìn)入紋路凹槽，紋路凹槽越深，進(jìn)入紋路凹槽的基體組織越多，釘桿與基體組織的接觸面積就越大，基體組織對(duì)釘桿的正壓力也越大，基體組織對(duì)紋路體的分解力n也會(huì)越大，導(dǎo)致拉拔力越大。

凹槽深度0.15mm～0.30mm范圍內(nèi)凹槽深度越深，拉拔力反而變小，原因分析是釘桿紋路進(jìn)入基體組織時(shí)，紋路體擠壓的基體組織進(jìn)入紋路凹槽的值是有限的，當(dāng)凹槽深度達(dá)到一定值時(shí)深度再增加，擠壓的基體組織就無(wú)法填滿凹槽C，因此凹槽深度再加深，基體組織進(jìn)入紋路凹槽的量也是那么多。

（5）試驗(yàn)小結(jié)。釘桿紋路凹槽深度增大，紋路體能夠承受的阻力值會(huì)變小，由于基體組織嵌入凹槽中的量變大，拉拔力會(huì)先增大，當(dāng)槽的深度達(dá)到所射入基體組織形變極限后，釘桿紋路凹槽深度C繼續(xù)大，導(dǎo)致紋路體能夠承受的力小于基體組織帶來(lái)的阻力，導(dǎo)致紋路體形變，致使正壓力減小，因此拉拔力減小。

5 節(jié)距與拉拔力的研究

本文研究了紋路型式，角度，深度，最后將研究紋絡(luò)節(jié)距對(duì)拉拔力的影響，現(xiàn)對(duì)釘桿紋絡(luò)五種節(jié)距的拉拔力進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)樣品。

表7 釘桿紋絡(luò)五種節(jié)距的拉拔力

（2）試驗(yàn)條件。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)將依然統(tǒng)一采用同一把603工具槍?zhuān)褂眉t色的S3彈，為了得到準(zhǔn)確的拉拔力數(shù)據(jù)，每種樣品選取了十五粒，分為五組，每組三粒取其平均值作為拉拔力比樣數(shù)據(jù)，如果有射擊失敗，將此粒釘數(shù)據(jù)排除，余下的依然取其平均值用來(lái)比較。

（3）試驗(yàn)情況。對(duì)所有的樣本進(jìn)行了拉拔力檢測(cè)，檢測(cè)拉拔力數(shù)據(jù)如下表（單位：KN）。

表8 不同紋路節(jié)距下射釘釘桿拉拔力

從上面數(shù)據(jù)可以得出，這幾組樣品中紋路節(jié)距為0.8mm拉拔力最大，紋路的節(jié)距會(huì)影響拉拔力，樣品中拉拔力大小隨節(jié)距增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。

（4）原因分析。

如圖8所示，B為壓花紋的節(jié)距，A為壓花紋凹入釘體的部分，A的尺寸約為B尺寸的40%左右。

紋絡(luò)節(jié)距在0.20mm～0.80mm時(shí)拉拔力增大的原因是，隨著節(jié)距B的增大，A也增大，即導(dǎo)致射釘在射入基體組織后，基體組織壓入釘桿紋絡(luò)凹槽A的量增加，致使釘桿與基體組織的接觸面積增加，正壓力增大，摩擦力就增大，因此拉拔力增大。

紋絡(luò)節(jié)距在0.80mm～1.20mm時(shí)拉拔力減小的原因是，隨著節(jié)距B的增大，雖然A也增大，但是基體組織壓入釘桿紋絡(luò)凹槽A的量到達(dá)了極限，不在隨著節(jié)距增大而增大，致使拉拔力不在繼續(xù)增大，且紋絡(luò)凸起部分的承載力隨著節(jié)距的繼續(xù)增大而減小，在射擊過(guò)程中，凸起部分部分會(huì)因?yàn)榛w組織的阻力而形變、斷裂，導(dǎo)致接觸面積減小，從而使拉拔力減小。

（5）試驗(yàn)小結(jié)。節(jié)距B的尺寸太大，會(huì)導(dǎo)致紋絡(luò)凸起部分承受阻力極限減小，在射擊過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生形變，斷裂的情況，致使拉拔力減小，如果節(jié)距B尺寸太小，被壓入凹坑的基體組織減少，拉拔力減小，這兩種情況都會(huì)降低壓花釘在鋼基體上的緊固力。

6 研究結(jié)論

綜上所述，通過(guò)試驗(yàn)證明，釘桿紋路的形式、角度、深度深度與拉拔力的關(guān)系研究，得知：射釘釘桿的紋路型式采用斜紋、角度采用45°斜紋、深度在0.10mm～0.20mm時(shí)，節(jié)距在0.80mm左右時(shí)，拉拔力達(dá)到最佳狀態(tài)。

為此，我們?cè)囍屏硕鄠€(gè)規(guī)格的樣品，交給國(guó)外用戶測(cè)試的結(jié)果，與我們的研究結(jié)論保持一致，目前該技術(shù)已運(yùn)用在諸多規(guī)格的外銷(xiāo)射釘中，并將逐步推廣到國(guó)內(nèi)射釘緊固場(chǎng)景中應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用將射釘緊固的可靠性提高到更高的水平。