CN100484749C - 具有增强内径刚度的螺旋卷绕管及其制造方法 - Google Patents

具有增强内径刚度的螺旋卷绕管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

在螺旋卷绕管(10)的管壁的径向中间区域中的一层或多层(14)中故意引入宽层间隙(18)。具有宽层间隙(18)的每层，其宽度比通常以给定螺旋卷绕角所采用的宽度更窄，以在该层(14)的连续匝的相邻边缘之间实现对接，并且该层(14)以给定的螺旋卷绕角按照在该层(14)的连续匝的相邻边缘之间限定间隙(18)的方式卷绕。宽层间隙具有这样的效果，即，增大管壁的中间区域沿着径向方向的柔性。与由相同材料构成但是在中间区域中没有层间隙(18)的管子相比较，已经发现这种增大的径向柔性增大了管子的ID刚度。

Description

具有增强内径刚度的螺旋卷绕管及其制造方法
技术领域
本发明涉及通过围绕着成型芯轴螺旋卷绕多层纸板层并且将这些层粘接在一起而制成的管子。
背景技术
螺旋卷绕管用于其中在管子的外径上施加了径向向内压缩力的许多场合中。例如，一般将连续的材料(例如，纸张、塑料膜、金属板和织物)卷绕在由螺旋卷绕纸板管形成的卷绕芯部上。卷绕稳定的这种材料卷所需的卷绕张力，导致卷绕材料沿着径向向内的方向在管子上施加相当大的压缩力。这些力沿着趋于迫使管子的内径尺寸收缩的方向。该现象被称为“ID(内径)下降”。
给定纸板管在给定载荷下承受这种内径缩小的程度在这里被称为管子的ID刚度。该ID刚度可以表示为，对于给定的内径缩小量，管子能够承受的作用在管子OD(外径)上的径向向内均匀压缩力的量；因此，例如ID刚度的单位可以为每英寸内径缩小的psi(每平方英寸磅数)。
在腹板卷绕场合中，期望具有较高的ID刚度，从而在将腹板材料卷卷绕到该管子上之后可以容易地从卷绕设备移除管子。卷绕设备通常包括某种类型的夹盘或芯轴，它插入到管子中并且径向膨胀以从内侧夹持着芯部。如果管子的内径因为卷绕材料所施加的力而收缩太多，则难以或不可能在不破坏管子的情况下从卷绕设备移除管子。
本发明的受让人在以前已经发现，可以通过将芯部壁形成为具有径向中央区域来减少卷绕芯部出现ID下降的趋势，该径向中央区域沿着径向方向的柔性相对于从该中央区域径向向内和径向向外的芯部壁区域的柔性增大。例如，参见在这里被引用作为参考的美国专利No.5,505,395。在该美国专利No.5,505,395中，可以通过使用相对于从该中央区域径向向内和向外的层的密度和强度而言，在壁的中央区域中具有更低密度和强度的纸板层来实现这种增大的柔性。
虽然以美国专利No.5,505,395为代表的方案在提高管子的ID刚性方面是有效的，但是期望能够在ID刚度方面实现更大的增大并且要按照节省成本的方式来实现该增大。
发明内容
本发明通过故意地(intentionally)在位于管子的最里层和最外层之间的管壁的径向中间区域中的一层或多层中引入宽层间隙，来满足上面的要求并且实现其它优点。具有宽层间隙的每一层比通常以给定螺旋卷绕角度所采用的宽度更窄，从而实现在该层的连续匝的相邻边缘之间实现对接，并且按照在该层的连续匝的相邻边缘之间形成间隙的方式，以所述给定螺旋卷绕角度来卷绕该层。宽层间隙的效果为，可增大管壁的中间区域沿着径向方向的柔性。与由相同材料构成但是在中间区域中没有层间隙的管子相比，已经发现这种增大的径向柔性能够改善管子的ID刚度。因此，本发明给予管子设计者另一个参数，即，可以针对特定场合来操作该参数来以实现所期望的ID刚度。本发明与在卷绕管中所采用的通常习惯完全相反，其中各层均具有基本上相同的宽度，或者从管子的内径向外径以较小的增量变宽以试图在每一层中实现对接。
管壁的中间区域包括具有宽层间隙的多于一个的层。具有间隙的这些层可以彼此相邻；或者，具有间隙的这些层和没有间隙的这些层可以沿着径向方向交替。在有多个具有间隙的层的情况下，各层的间隙优选在轴向上相对于彼此交错。
在层的连续匝的相邻边缘之间的间隙，其宽度优选为正常“全宽度”层(即，在以与实际层相同的螺旋卷绕角卷绕全宽度层时将产生对接的宽度)的宽度的大约6.5％至大约50％，并且更优选地是全层宽度的大约10％至40％。因此例如，对于4英寸宽的全宽度层而言，这些间隙优选为大约0.26英寸至大约2.0英寸宽，并且更优选地是大约为0.4至1.6英寸宽。
如果需要，则具有间隙的每一层可以由其柔性比没有间隙的管子的其它层更大的材料制成。这样，该层沿着管子的径向方向的实际柔性可以进一步增大。例如，可以将在管壁的径向向内和径向向外的区域中的层选择为具有相对较高的模量，而将在径向中间区域中的层选择为具有相对较低的模量，并且中间层中的一层或多层具有层间隙。
在本发明的优选实施例中，管子的所有层以基本上相同的螺旋卷绕角α卷绕。因此，根据螺旋卷绕的几何形状，为了实现在以螺旋卷绕角α(相对于管子轴线测量出)卷绕的层中的完全对接，层的宽度Wi必须等于
Wi＝π Dicosα，
其中，Di为卷绕该层所处的直径。但是根据本发明，在管壁的中间区域(即，在管子的径向最外层和径向最内层之间的某个地方)中，存在至少一个其宽度由下式给出的层：
W＝ki·π Dicosα，
其中，ki是值为大约0.5至大约0.935(更优选地为大约0.6至0.9)的标量。因此，在中间层的连续匝的相邻边缘之间存在间隙，从而该中间层沿着管子的径向方向的柔性由于这些间隙而增大。在有两个或多个具有间隙的层的情况下，那些层可以具有不同的标量ki并且因此具有不同的间隙宽度，或者这些标量和间隙宽度可以相同。
附图说明
已经在总体上对本发明进行了说明，下面将参照附图，这些附图不必按比例绘制出，并且其中：
图1为根据本发明一个实施例的具有三层结构层的管子的局部剖视图，其中中间层具有间隙；
图1A表示图1的管子的正视图，其中将管子的外层局部剥开以显示出中间层；
图2为与图1类似的视图，表示具有五层结构层的本发明的可选实施例，其中三层相邻的中间层具有交错的间隙；
图2A为图2的管子一部分的轴向剖视图，显示出交错的间隙；
图3为与图1和图2类似的视图，表示具有五层结构层的本发明的另一实施例，其中中间层不具有间隙而在中间层的任一侧上的层具有间隙；以及
图4为用于形成根据本发明的管子的设备的示意性俯视图，表示将三层卷绕在成型芯轴上，且中间层比其它两层窄。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行更全面地说明，在这些附图中显示出本发明的一些但不是所有实施例。实际上这些发明可以按照许多不同的形式实施，并且不应该被认为限于在这里给出的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本公开文本满足可适用的法定要求。相同的附图标记在全文中指代相同的元件。
图1和图1A显示了根据本发明最简单形式的、只具有三层12、14和16的螺旋卷绕管10。最内层12和最外层16如此卷绕，从而名义上(nominally)在每层的连续匝的相邻边缘之间没有任何间隙。“名义上”指的是要如此卷绕内层和外层，从而在那些层的边缘之间存在完全对接。但是实际上，不是总是能实现完全对接，并且在这些层的边缘之间会无意中形成小间隙。一般来说，这些无意的间隙将相对较小。
相反，对于中间层14而言，在该层的连续匝的相邻边缘之间故意形成相对较宽的间隙18。该间隙18沿着管子以卷绕该层14所采取的螺旋卷绕角α螺旋延伸。在本发明的优选实施例中，通过以与卷绕其它层12、16所采用的相同的螺旋卷绕角α卷绕层14，但是将该层14的宽度选择为比层12、16的宽度更窄来形成层间隙18。
更具体地，从适于螺旋卷绕的几何考虑事项中可知，为了实现完全对接，单层的宽度Wi通过下面等式与卷绕该层所采取的螺旋卷绕角α和直径Di相关：
Wi＝π Dicosα。
因此，根据已知的要卷绕的内层12和外层16的直径以及已知的螺旋卷绕角α，可以确定出在理想化的卷绕条件下将形成完全对接的内层和外层的层宽度。实际上，这些层只可以在某些选定宽度中使用，因此必须在一定程度上调节螺旋卷绕角以通过可用层宽度来满足上面等式，和/或可以使用其宽度根据上面等式接近理论最优宽度的可用层，并且在该层的边缘之间可以容许较小的间隙或较小的重叠。这些小间隙并非源于管子设计者的意图而是源于对层材料可用性的限制和约束，和/或源于在控制层宽度和/或卷绕角中的不精确性，这些小间隙在这里被称为“无意”层间隙。这些无意间隙在良好的质量控制条件下通常相对较小(例如，小于0.25英寸)。因此，内层12和外层16不具有间隙，或者在其层边缘之间至多具有相对较小的无意间隙。
通过将该层的宽度选择为小于如上面等式所规定的通常用来形成对接的宽度，从而中间层14故意设置有间隙。用等式形式表示，具有故意的层间隙的层的宽度为：
W＝ki·π Dicosα，
其中，ki是其值为大约0.5至大约0.935(更优选为大约0.6至大约0.9)的标量。换句话说，层宽度为通常用来实现完全对接(即，零间隙)的宽度的50％至93.5％(更优选为60％至90％)。因此，在层的边缘之间形成的间隙为层的正常宽度的大约6.5％至50％，并且更优选为正常层宽度的大约10％至40％。
图4表示用于制造图1和图1A的三层管的过程。将内层12螺旋卷绕到圆柱形芯轴20上。将粘接剂涂覆到层12的面向外的表面上。接着，将中间层14卷绕到内层12上，并且将粘接剂涂覆到层14的面向外的表面上。最后，将外层16卷绕到中间层14上。所有这些层以相同的螺旋卷绕角α卷绕。通过涂覆到它们的相对表面上的粘接剂将这些层粘接在一起，从而在芯轴上形成管子。卷绕带22按照螺旋的方式使管子转动，从而该管子沿着芯轴向下(在图4中朝右)前进。然后，通过适当的切断装置(未示出)将该管子切成离散的长度。
如图所示，中间层14比内层和外层更窄。因此，如在图1A中可清楚地看出，在层14的连续匝的相邻边缘之间形成间隙18。
为了在将更窄的层14卷绕到芯轴上时，将其保持在正确的轴向位置从而使间隙18沿着管子基本上一致，该设备优选地包括层定位装置。该层定位装置可以包括边缘止动件26等，沿着它来引导层的边缘。该边缘止动件26的轴向位置可以被调节以正确地定位该层，从而按照在这些层边缘之间形成所期望的间隙的方式来卷绕该层。可以采用其它层定位机构来代替边缘止动件。还可以在进行卷绕以形成双层层压结构之前将更窄层14粘接在管子的宽(即，正常宽度)层中的一层上，然后按照与卷绕其它宽层基本相同的方式将该双层层压件卷绕到芯轴上。
本发明适用于具有各种数量层和各种类型层的管子。例如，图2和图2A显示出从内到外由五层32、34、36、38和40构成的管子30。中间三层34、36、38的每一层在该层的相邻边缘之间具有间隙18，而最内层和最层不具有间隙。如图所示，在相邻层(层34和36，以及层36和38)中的间隙18相对于彼此交错，从而优选的是在一层中的间隙甚至不会与相邻层中的间隙局部重叠。通过使这些间隙交错，优选的是使这些间隙在管壁的整个中间区域中大体上均匀地分布。
图3表示为具有六层52、54、56、58、60和62的管子50形式的、本发明的又一实施例。该管子50与前面所述的管子30的不同之处在于，管子50中的中间层56不具有间隙，而在中间层的任一侧上的非相邻层54和58具有间隙18。该管子50的不同之处还在于包括一明显更薄的外层62。可以包括这样的层以便在管子的外表面处实现特定的性能，例如光滑的表面光洁度、特定的颜色等。如果在管子的内侧表面处需要特定的性能，则还可以包括这样的层作为管子的最内层。
本发明适用于在相同管壁内具有由各种等级的纸板形成的层的多级纸板管。例如，由于将宽层间隙引入到管壁的中间区域中的目的之一在于提高该区域沿着径向方向的可压缩性或柔性，因此有利地形成这样的中间区域，其至少部分由这样的纸板构成，该纸板的柔性大于用在管壁的径向向内和径向向外的区域中的纸板的柔性。作为示例，在图2和图2A的管子30中，内层32和外层40可以由具有相对较低的柔性的纸板构成，并且中间层34、36和38可以由具有相对较高的柔性的纸板构成。柔性更低的纸板通常为等级更高的纸板，其密度通常高于柔性更大的纸板。
构造出四种不同结构的纸板管，并且进行测试以确定其ID刚度。所有管子均具有14或15层，从而形成0.300英寸的壁厚。所述管子的内径为3.701英寸(94mm)而外径为4.301英寸(109mm)，并且所有层以70°的螺旋卷绕角卷绕。第一结构具有由通常4英寸宽并且0.020英寸厚的相对较高密度的纸板(在这里称为纸板A)形成的15层，并且在任一层中都没有间隙。第二结构具有由名义上为4英寸宽的相同高密度纸板A形成的5层内层和4层外层，以及由大约4英寸宽、0.024英寸厚的低密度纸板(在这里称为纸板B)形成的5层中间层，任一层都没有间隙。第三结构与第二结构类似，但是纸板B的5层中间层大约3英寸宽，因此在这些层中形成大约1英寸宽的间隙。第四结构与第二和第三结构类似，但是纸板B的5层中间层大约为2.5英寸宽，因此在这些层中形成大约1.5英寸宽的间隙。对由每个结构构成的多个管测试其ID刚度，并且对每个结构将这些结果取平均值。这些结果在下表中示出：
 
管结构 所有板A没有间隙 A/B/A没有间隙 A/B/A在B层中具有1英寸间隙 A/B/A在B层中具有1.5英寸间隙
ID刚度(10<sup>4</sup>psi/英寸) 4.12 4.78 7.28 8.64
对于所有纸板A的比例 1 1.16 1.77 2.10
这些结果表明，通过简单地使用更柔性纸板(纸板B)来增大管壁的中间区域的柔性，这与所有纸板A的管子相比较在ID刚度方面产生出大约16％的中等增强；但是，在纸板B层中引入1英寸的间隙，这导致与所有纸板A的管子相比较在ID刚度方面产生77％的增大，并且1.5英寸的间隙会导致是所有纸板A的ID刚度的两倍以上。将A/B/A管子相互比较，可以看出，具有1英寸层间隙的管子的ID刚度比没有层间隙的那些管子高大约52％；具有1.5英寸间隙的管子的ID刚度比没有间隙的那些管子高大约81％。因此，显然这些层间隙在ID刚度方面具有巨大的有益效果。
这些发明所属技术领域中的普通技术人员通过在前面说明书和相关附图中给出的教导，将可以想到在这里所给出的这些发明的许多变型和其它实施例。因此，应理解的是，本发明并不限于所披露的这些具体实施例，并且所有变型和其它实施例都将包括在所附权利要求的范围内。虽然在这里采用了特定术语，但是它们只是在一般说明性意义上使用，而不是为了进行限制。

Claims (23)

1.一种螺旋卷绕管，它形成为在管子受到径向向内压缩载荷的情况下具有增强的ID刚度，该管子包括：
多个层，它们围绕着一轴螺旋卷绕并且粘接在一起以形成一管子，所述管子的壁包括一径向向内的区域、一径向向外的区域、和位于所述径向向内的区域和径向向外的区域之间的一径向中间区域，每个区域都包括至少一层纸板层；
该中间区域包括其宽度小于所述径向向内的区域和径向向外的区域的层的宽度的窄层，所述窄层如此卷绕，从而在该窄层的连续匝的相邻边缘之间存在间隙，在中间区域中的这些间隙使得中间区域在管子的径向方向上的模量小于径向向内和径向向外的区域的模量，从而增强了管子的ID刚度。
2.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，在所述窄层的相邻边缘之间的间隙，其宽度为这样宽度的6.5％至50％，该宽度为所述层为了在以与所述窄层相同的螺旋卷绕角卷绕时形成完全对接所需的宽度。
3.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，在所述窄层的相邻边缘之间的间隙，其宽度为这样宽度的10％至40％，该宽度为所述层为了在以与所述窄层相同的螺旋卷绕角卷绕时形成完全对接所需的宽度。
4.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述中间区域包括一个以上的窄层，每层在该层的连续匝的相邻边缘之间具有间隙。
5.如权利要求4所述的螺旋卷绕管，其特征在于，具有间隙的所述窄层彼此不相邻。
6.如权利要求4所述的螺旋卷绕管，其特征在于，具有间隙的所述窄层相互相邻，并且相邻层的间隙在轴向上相对于彼此交错。
7.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述中间区域包括由在径向方向上的柔性比在所述径向向内的区域和径向向外的区域中的层的柔性大的材料形成的层。
8.如权利要求7所述的螺旋卷绕管，其特征在于，具有更大柔性的所述层也是在该层的连续匝的相邻边缘之间具有间隙的窄层。
9.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，在所述径向向内和径向向外的区域中的层在这些层的连续匝之间没有间隙地卷绕，但是可以由于制造公差而具有意外的间隙，并且其中，中间区域的窄层故意卷绕成在该层的连续匝之间具有间隙，这些间隙大于在所述径向向内和径向向外的区域中任何意外产生出的间隙。
10.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述径向向内的区域包括多个层。
11.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述径向向外的区域包括多个层。
12.如权利要求1所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述中间区域包括多个层。
13.如权利要求12所述的螺旋卷绕管，其特征在于，所述中间区域包括至少一层，所述层宽于所述窄层，并且以与窄层相同的螺旋卷绕角卷绕。
14.一种螺旋卷绕纸板管，它形成为在管子受到径向向内压缩载荷的情况下具有增强的ID刚度，该管子包括：
多个纸板层，它们围绕着一轴以指定的螺旋卷绕角α卷绕并且粘接在一起以形成一管子，每层以单独的层直径Di卷绕，这些层包括至少一径向向外的层、径向向内的层、和位于该径向向内和径向向外的层之间的径向中间层；
其中，所述径向向外和径向向内的层的每一层都具有由下式给出的单个层宽度Wi：
Wi＝πDicosα，
并且所述中间层具有由下式给出的宽度：
W＝ki·πDicosα，
其中，ki是其值为大约0.5至大约0.935的标量，从而在中间层的连续匝的相邻边缘之间存在间隙，该中间层沿着管子的径向方向的模量由于这些间隙而有效降低。
15.如权利要求14所述的螺旋卷绕纸板管，其特征在于，所述管子包括多个位于所述径向向外和径向向内的层之间的中间层，多个所述中间层具有由W＝ki·πDicosα给出的宽度，从而每个所述层都具有间隙。
16.如权利要求15所述的螺旋卷绕纸板管，其特征在于，具有间隙的所述中间层的相邻层如此卷绕，从而相应的间隙在轴向上相对于彼此交错。
17.一种制造螺旋卷绕管的方法，以提高该管子在管子受到径向向内压缩载荷的情况下的ID刚度，该方法包括以下步骤：
绕着一成型芯轴从一层螺旋卷绕多个内层，以在芯轴上形成内管壁区域；
绕着在芯轴上的内管壁区域从一层螺旋卷绕多个中间层，以形成中间管壁区域；和
绕着该中间管壁区从一层螺旋卷绕多个外层，以形成一外管壁区；
将相邻层粘接在一起以形成一管子；
卷绕所述内层和外层且在这些层的连续匝的相邻边缘之间没有间隙，或者存在因制造公差产生的意外的间隙；
至少一个中间层设置成在该层的连续匝的相邻边缘之间具有间隙，该间隙大于上述因制造公差产生的意外的间隙，从而降低了中间管壁区沿着管子的径向方向的模量，由此提高了管子的ID刚度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，多个所述中间层设置成在这些层的连续匝的相邻边缘之间具有非零的间隙。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个中间层如此设置，使得在该层的相邻边缘之间的间隙的宽度为这样宽度的大约6.5％至大约50％，该宽度为所述层为了在以与中间层相同的螺旋卷绕角卷绕时形成完全对接所需的宽度。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个中间层如此设置，使得在所述层的相邻边缘之间的间隙的宽度为这样宽度的大约10％至大约40％，该宽度为所述层为了在以与中间层相同的螺旋卷绕角卷绕时形成完全对接所需的宽度。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述一个中间层的相邻边缘之间的间隙是这样形成的，即，使该中间层的宽度小于内层和外层的宽度，并且以与内层和外层相同的螺旋卷绕角来卷绕该中间层。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在卷绕之前将所述一个中间层粘接到所述内层和外层中的一个上以形成一双层层压件，然后卷绕该双层层压件。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过使用用于将所述一个中间层定位在所期望的轴向位置以形成间隙的层定位装置，而在卷绕期间使所述中间层沿着芯轴的轴向方向定位。
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