CN1646776A - 用于复合电线杆的纤维结构 - Google Patents

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Abstract

一种纤维结构，它具有中空多边形横截面的细长梁形式，该细长梁具有多个基本上平坦的外侧面和在每对相邻外侧面之间的角部。该横截面在每个角部附近明显更厚。该纤维结构包括围绕着该梁延伸的第一织物层、在第一织物层的外侧附近围绕着梁延伸的圆周纵向粗纱层、与位于每个角部附近的圆周粗纱的外侧相连并且成一体的角部纵向粗纱、以及在角部粗纱外侧附近和在没有被角部粗纱覆盖的圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层。该纤维结构可以浸透树脂以形成可以用作公用设施电线杆的复合电线杆。

Description

用于复合电线杆的纤维结构
相关申请的交叉参考
该非临时美国(U.S.)专利申请要求了由发明人David C.Hayes和Daniel J.Lonergan于2002年4月19日提交的题目为“Composite PoleLaminate Construction”的美国临时申请No.60/373979的优先权，该美国临时申请No.60/373979在这里被引用作为参考。
背景技术
如图1所示，公用设施电线杆组件20可以构成为其一些或所有组成部件由复合材料例如玻璃纤维增强树脂制成。该复合材料的外表面通常是光滑的，从而可以阻止动物攀爬该电线杆。这种公用设施电线杆不会带有细菌或产生出对于维修人员有害的碎片。该复合材料可以是绝缘材料，这可以降低向地面排放的电流量。该复合电线杆组件可以不受腐蚀环境条件影响。该复合电线杆可以作为木质公用设施电线杆的替代品，木质公用设施电线杆需要用有毒化学材料进行处理以抵抗昆虫和真菌。
在图1中所示的电线杆组件20包括一主电线杆构件22、一底座构件24和一顶帽26，这些部件以分解视图显示出，因此容易观看。还显示出一示例性横臂28，它具有支撑电线32的绝缘体30。当然，底座和/或顶帽可以为任意其它所期望的结构。
参照图2，可以看到沿着图1的2-2线剖开的主电线杆构件22的概括横截面。如图2所示的横截面其特征在于由各种几何形状(通常为多边形)形成的中空截面。该示例性电线杆的外周边为八边形，即该电线杆具有八个基本上平坦的外表面。电线杆外表面的八个侧面为合适数量的侧面，因为它允许按照彼此正交以及45度相交的方式安装横臂，这可以符合通常在实际中的要求。必要时该电线杆的外周边也可以采用更少或更多的侧面数。根据本发明可以构造出具有更少或更多侧面数的电线杆，但是由于制造、结构和其它原因，具有不少于6个侧面或不大于12个侧面的电线杆是优选的，具有八个侧面的电线杆是最优选的。这些侧面可以有相等或不等的长度。在这些侧面之间的夹角可以是相同的或者变化的。
如图2所示的示例性电线杆构件22的内周边可以由多个与位于该电线杆的外周边上的平坦侧面38平行的平坦区域36限定，并且这些平坦侧面36通过与相邻平坦区域36相切的圆弧40连接，如在美国专利No.6453635中所披露的一样，该专利被转让给本申请的同一所有人。该内周边被称为圆桔皮(circular-tangere)形内部通道。圆桔皮形内部通道可以用于具有其它数量侧面的电线杆。
该电线杆可以通过拉挤成型工艺来形成，采用充分浸透有树脂经过热挤压以形成所有或部分电线杆结构的高强度纤丝的纤维结构。可以将在纤维结构中的纤丝组织起来，并且其取向选择为向成品电线杆提供所要求的机械性能。这些纤丝可以以各种形式设置，例如将所有纤丝沿着粗纱的长度基本上彼此平行地布置的粗纱，以及将这些纤丝彼此成明显的角度设置的织物形式。粗纱通常为纤丝的索状或绳状布置。术语织物包括其中纤丝随机布置的毡子其中纤丝层通过缝纫连接在一起的缝编织物以及编织和针织织物。粗纱和织物可以分层布置以形成用于所期望的电线杆结构的纤维结构。
图3为在图2中所示的由多层构成的现有技术纤维结构的概括横截面的角部的详细剖视图。这些层包括面毡50、纵向粗纱角部区域62、织物层52、纵向粗纱圆周层54以及用于电线杆内层的另一个织物层56。该纤维结构的这些层可以由在拉挤成型机的入口处的引导件按照所要求的布置聚集在一起。该纤维结构的纤丝可以充分浸透树脂以将这些纤丝粘接在一起，从而形成复合电线杆22。在图3中可以看出，纵向粗纱62的角部区域只是角部区域，并没有在纤维结构的角部区域之间形成平坦区域中的各个层的任何部分。
织物区域52、56可以包括每个都单独包围着电线杆的大致一半的织物板，每个圆周层采用两个并置织物层。因此，两个织物层52、56中的每一个都可以具有某种分开的180°间断形式。已经发现这些间断降低了电线杆在围绕着特定轴线弯曲中的强度。
在现有技术织物结构中，横截面可以形成为如在图9中所示一样，并且附加的织物带58桥接着形成织物外层的织物板52a、52b的对接位置。该桥接织物带58可以如由图9中所建议的一样使相邻粗纱54移动，在内表面36上可以形成一凸起部(未示出)，或者可以这两种效果都出现。实际上，在图9中所示的理想连接部分可以只是大致的。具体地说，织物板52a、52b的边缘可以在织物结构的一些部分中有些重叠，这与织物带58一起紧接着在其上方的那个区域中引起不期望有的织物厚度。更糟糕的是，在织物结构的某些区域中，实际上在织物板52a、52b的边缘之间可能存在空间。这在由织物结构形成的电线杆中产生甚至更大的局部柔弱部。图11显示出在织物56的内层中的类似所期望的对接部分，具体地说以织物带60与形成内层的织物板56a、56b的对接部分相邻的形式。该连接部分也存在以上所提到的缺点，从而导致所形成的电线杆的弯曲强度降低。
发明概述
一种纤维结构，具有中空多边形横截面的细长梁形式，该细长梁具有多个基本上平坦的外侧面和在每对相邻外侧面之间的角部。该横截面在每个角部附近明显更厚。该纤维结构包括围绕着该梁延伸的第一织物层、在第一织物层的外侧附近围绕着该梁延伸的圆周纵向粗纱层、与位于每个角部附近的圆周粗纱的外侧相连并且成一体的角部纵向粗纱、以及在角部粗纱外侧附近和在没有被角部粗纱覆盖的圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层。该纤维结构可以浸透树脂以形成可以用作公用设施电线杆的复合电线杆。
附图的简要说明
图1为可以实施本发明的示例性公用设施电线杆的透视图。
图2为沿着图1的2-2线剖开的概括剖视图。
图3为可以用在公用设施电线杆中的现有技术纤维结构的横截面的角部的详视图。
图4为实施本发明的纤维结构的横截面的角部的详视图。
图5为沿着图1的2-2线剖开的另一个概括横截面。
图6为实施本发明的纤维结构的另一个横截面的角部的详视图。
图7为沿着图1的2-2线剖开的另一个概括剖视图。
图8为实施本发明的纤维结构的另一个横截面的角部的详视图。
图9为可以用在公用设施电线杆中的现有技术纤维结构的横截面的第一侧面部分的详视图。
图10为实施本发明的纤维结构的横截面的第一侧面部分的详视图。
图11为现有技术纤维结构的横截面的第二侧面部分的详视图。
图12为实施本发明的纤维结构的横截面的第二侧面部分的详视图。
本发明的详细说明
本发明的一个实施方案包括可以用来形成细长复合梁形式的公用设施电线杆的纤维结构，该细长复合梁具有中空多边形横截面并且具有与上述现有技术纤维结构类似的层，但与那些层的布置不同。该中空多边形横截面的外部具有多个基本上为平坦的侧面和在每对相邻侧面之间的角部。横截面的内部如此成形，从而该横截面在每个角部附近明显更厚。该纤维结构提供对树脂的增强，将树脂浸透到纤维结构，从而形成了大体上成中空管或杆形式的复合结构。
如图4所示，本发明的纤维结构的实施方案的各层按照从外表面向内表面的顺序可以包括面毡50、织物层152、纵向粗纱的角部区域162、纵向粗纱的圆周层54以及可以为电线杆的内层的另一个织物层56。纤维结构的各层可以通过在拉挤成型机的入口处的导向件以所期望的布置方式聚集在一起。纤维结构的纤丝可以用树脂充分浸透以将这些纤丝粘接在一起以形成复合电线杆22。可以将防紫外线层48喷涂在该电线杆上。在可选的实施方案中，可以选择能够抵抗紫外线的树脂，并且与面毡50结合以提供足够的表面保护，从而能够省去防紫外线层48。该树脂可以是聚酯、乙烯基酯、聚氨酯或其它适用于将纤维结构粘接在一起的树脂，该树脂可以选择为符合复合电线杆的所期望的特性以及所采用的制造工艺的要求，制造工艺可以为拉挤成型或任意其它适用于生产基于纤维结构的复合部件的工艺。
在每个角部附近明显更厚的横截面的内部容纳着纵向粗纱的角部区域162。在图4中可以看出，纵向粗纱的角部区域162只是角部区域，并没有在八边形电线杆的角部区域之间形成平坦区域中的各个层的任何部分。具体地说，如图4所示，织物外层152在电线杆的每个角部中在纵向粗纱162上向外延伸，而不是如在图3的现有技术中所示一样在纵向粗纱62和纵向粗纱54之间向外延伸。
上面看来会使角部粗纱向内运动，从而可能降低电线杆的强度，因为角部粗纱更向内定位明显影响电线杆的强度。但是，对于电线杆的柱面环强度和抗弯强度更重要的织物层152、56为相对较薄的层，因此织物外层152使在角部中的纵向粗纱162向内移动的量较小。但是更重要的是，根据本发明各个层的新颖定位使得角部纵向粗纱162相连并且与围绕着电线杆的外周分布的纵向粗纱54成一体。已经发现该纤维结构使电线杆的抗弯强度增加了大致10％-15％，从而提供了更强壮的电线杆或者降低了获得指定强度所使用的材料成本。
具体地说，当现有技术复合电线杆受到负载而弯曲失效时，电线杆不会象火柴杆一样断裂，而是象管状钟乳石一样失效，其中弯曲失效产生于该电线杆的圆形横截面的某一点处的破裂，通常是最大弯矩的压缩失效位置，之后该电线杆仅仅围绕着断裂横截面折叠。在图3中所示现有技术的各层的分布中，发现在角部纵向粗纱62和圆周纵向粗纱54之间的织物层52促进了在角部中的纵向粗纱62束和圆周纵向粗纱54之间出现剪切失效。因此，在高弯矩情况下，树脂浸透的纵向粗纱束62受到压缩负载，从而会整个与该电线杆22的其余部分脱开，并且从电线杆的中轴向外偏转，之后电线杆的横截面将由于缺乏通常由角部粗纱所提供的抗弯能力而断裂。
在由图4的横截面所举例说明的本发明的这些层分布中，角部粗纱162与纵向粗纱54的圆周层成一体并且与之粘接成一体。实质上已经发现了利用角部粗纱162和圆周粗纱54来防止角部粗纱在弯曲时与该结构的其余部分断开。如上所述，已经发现的最终结果是在没有改变所使用的材料的情况下将电线杆22的抗弯强度大致提高了10-15％。角部纵向粗纱162和纵向粗纱54可以为相同或不同的材料。如果角部和纵向粗纱为相同材料，则它们可以变为在纤维结构中的不明显的层。这些角部和纵向粗纱在制造期间可以单独或一起导入进纤维结构中。
参照用于大型电线杆的图4，内部织物层56和纵向粗纱54的圆周层可以重复一次或多次，从而例如向外前进的横截面可以为织物层、纵向粗纱层、另一层织物层、另一层纵向粗纱层、然后为角部纵向粗纱162等。在任意情况中，角部纵向粗纱162附近的纵向粗纱54的圆周层其径向厚度应该为角部纵向粗纱162的最大径向厚度的至少20％，更优选为至少25％，并且在优选实施方案中大致为角部纵向粗纱162的最大径向厚度的大致25-30％。
包含有角部纵向粗纱162将使得织物结构的横截面在每个角部附近明显比在外侧面中间位置附近的区域要厚。织物结构的内表面可以为各种形状以适应每个角部附近的加厚形状。图5显示出织物结构的另一个实施方案的横截面，并且图6显示出那个横截面的详视图。在图5和6中所示的实施方案的这些表面和层给予与在图2和4中所示的实施方案中所使用的参考标号相对应加上200的前缀的参考标号，从而使得容易观察这些实施方案的类似性。图7显示出纤维结构的另一个实施方案的横截面，而图8显示出那个横截面的详视图。在图7和8中所示的实施方案的这些表面和层给予与在图2和4中所示的实施方案中所使用的参考标号相对应加上300的前缀的参考标号，从而使得能够很容易观察到这些实施方案的类似性。在该实施方案中，内部具有与外部相同数量的表面。
现在参照图10，可以看到在纤维结构中的进一步改进之处。图10显示出形成位于如图2中所示的横截面的180°位置43处的织物外层的织物板152a、152b之间的连接部分。在0°位置42处可以有类似的连接部分。
有意增加形成外织物层的织物板152a、152b的厚度，从而覆盖至少一些最小量，从而确保了这两块织物板在该连接部分处粘接在一起。为此，重叠部分优选为织物厚度的至少24倍，更优选为每个织物的厚度的至少32倍，并且必要时可以明显大于32倍。
虽然该重叠部分使在重叠部分区域中的织物厚度加倍，但是该织物与纵向粗纱54层相比通常相对较薄，并且可以由粗纱的移动或压缩、在外表面38上形成的凸起(未示出)或两者一起来调节。在那一点上，该重叠部分可以避免在织物152a、152b的相邻片的边缘之间可能出现空隙或间隙，或者可选的是，两者都具有重叠部分以及桥接织物带的附加厚度。
在一个实施方案中，形成如图12所示的内部织物层的织物板156a、156b也可以采用类似的重叠连接部分。该重叠连接部分优选围绕着电线杆22设置在90°位置44和270°位置45处，从而在织物外层中与该重叠部分正交。对于其中可以采用附加重复的织物和纵向粗纱层的大型电线杆而言，这些附加的织物层优选具有类似的重叠连接部分，优选与前面所述的那些相隔一定角度。
虽然在附图中已经描述和显示了某些示例性实施方案，但是要理解的是，这些实施方案只是对广义发明进行举例说明，而不是对它进行限定，并且本发明并不限于所示和所述的具体结构和布置，因为本领域普通技术人员很容易想到各种其它变型。织物结构可以采用本领域所公知的各种高强度纤丝例如玻璃纤维、Kevlar、石墨等构成。该纤维结构可以用适用于与在织物结构中所采用的那些纤丝类型一起形成复合结构的任意树脂例如聚酯、环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯、乙烯基酯以及其它树脂。必要时可以结合其它或不同的层，只是任何织物层都不应该使角部纵向粗纱束与纵向粗纱圆周层分离。虽然具有八个外部侧面的织物结构往往是优选的，但是根据本发明可以构造具有N个侧面的织物结构。还有，虽然N通常选择为偶数，但这也不是对本发明的限定。织物结构不限于所有侧面都具有相同的长度，并且不限于在所有相邻侧面之间具有相同的夹角。虽然具有2N个内部侧面的织物结构往往是优选的，但是该织物结构可以具有N个内部侧面、其它数量的内部侧面、圆形内部或其它弯曲内部形状。

Claims (40)

1.一种纤维结构，它包括具有中空多边形横截面的细长梁，该细长梁具有多个基本上平坦的外侧面和在每对相邻外侧面之间的角部，该横截面在每个角部附近基本上更厚，该纤维结构包括围绕着该梁延伸的第一织物层、在第一织物层的外侧附近围绕着该梁延伸的圆周纵向粗纱层、与位于每个角部附近的圆周粗纱的外侧相连并且成一体的角部纵向粗纱、以及在角部粗纱外侧附近和在没有被角部粗纱覆盖的圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层。
2.如权利要求1所述的纤维结构，还包括位于第二织物层的外侧附近的面毡。
3.如权利要求1所述的纤维结构，还包括在第一织物层内侧附近围绕着该梁延伸的第二圆周纵向粗纱层，以及在第二圆周粗纱层的内侧附近围绕着该梁延伸的第三织物层。
4.如权利要求1所述的纤维结构，其中粗纱和织物包括玻璃纤维。
5.如权利要求1所述的纤维结构，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的至少20％。
6.如权利要求1所述的纤维结构，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的至少25％。
7.如权利要求1所述的纤维结构，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的25％至30％。
8.如权利要求1所述的纤维结构，其中第一织物层还包括相互重叠的第一织物板和第二织物板。
9.如权利要求8所述的纤维结构，其中所述第一织物板和第二织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
10.如权利要求8所述的纤维结构，其中所述第二织物层还包括相互重叠的第三织物板和第四织物板。
11.如权利要求10所述的纤维结构，其中所述第三织物板和第四织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
12.如权利要求10所述的纤维结构，其中在所述第一和第二织物板之间的重叠部分与在所述第三和第四织物板之间的重叠部分偏离大约90度。
13.一种纤维结构，它包括具有中空多边形横截面的细长梁，该细长梁具有多个基本上平坦的外侧面和在每对相邻外侧面之间的角部，该梁包括围绕着该梁延伸的第一织物层、在第一织物层的外侧附近围绕着该梁延伸的圆周纵向粗纱层、以及在圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层，所述第一织物层还包括相互重叠的第一织物板和第二织物板。
14.如权利要求13所述的纤维结构，其中所述第一织物板和第二织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
15.如权利要求13所述的纤维结构，其中所述第二织物层还包括相互重叠的第三织物板和第四织物板。
16.如权利要求15所述的纤维结构，其中所述第三织物板和第四织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
17.如权利要求15所述的纤维结构，其中在所述第一和第二织物板之间的重叠部分与在所述第三和第四织物板之间的重叠部分偏离大约90度。
18.如权利要求13所述的纤维结构，还包括位于第二织物层的外侧附近的面毡。
19.如权利要求13所述的纤维结构，还包括在第一织物层内侧附近围绕着该梁延伸的第二圆周纵向粗纱层和在第二圆周粗纱层内侧附近围绕着该梁延伸的第三织物层。
20.如权利要求13所述的纤维结构，其中所述粗纱和织物包括玻璃纤维。
21.一种公用设施电线杆，它包括：
细长梁形式的纤维结构，该细长梁具有中空多边形横截面，具有多个基本上平坦的侧面和在每对相邻侧面之间的角部，该横截面在每个角部附近基本上更厚，该纤维结构包括围绕着该梁延伸的第一织物层、在第一织物层的外侧附近围绕着该梁延伸的圆周纵向粗纱层、与位于每个角部附近的圆周粗纱的外侧相连并且成一体的角部纵向粗纱、以及在角部粗纱外侧附近和在没有被角部粗纱覆盖的圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层；
浸透该纤维结构以将这些纤丝粘接在一起以形成复合公用设施电线杆的树脂。
22.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中所述织物结构还包括位于第二织物层外侧附近的面毡。
23.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中所述织物结构还包括在第一织物层内侧附近围绕着该梁延伸的第二圆周纵向粗纱层和在第二圆周粗纱层内侧附近围绕着该梁延伸的第三织物层。
24.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中粗纱和织物包括玻璃纤维。
25.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的至少20％。
26.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的至少25％。
27.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中圆周粗纱层的径向厚度为角部粗纱的最大径向厚度的25％至30％。
28.如权利要求21所述的公用设施电线杆，其中第一织物层还包括相互重叠的第一织物板和第二织物板。
29.如权利要求28所述的公用设施电线杆，其中所述第一织物板和第二织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
30.如权利要求28所述的公用设施电线杆，其中所述第二织物层还包括相互重叠的第三织物板和第四织物板。
31.如权利要求30所述的公用设施电线杆，其中所述第三织物板和第四织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
32.如权利要求30所述的公用设施电线杆，其中在所述第一和第二织物板之间的重叠部分与在所述第三和第四织物板之间的重叠部分偏离大约90度。
33.一种公用设施电线杆，它包括：
细长梁形式的纤维结构，该细长梁具有中空多边形横截面，具有多个基本上平坦的侧面和在每对相邻侧面之间的角部，该纤维结构包括：
围绕着该梁延伸的第一织物层，所述第一织物层还包括相互重叠的第一织物板和第二织物板，
在第一织物层的外侧附近围绕着该梁延伸的圆周纵向粗纱层，
以及在角部粗纱外侧附近和圆周粗纱外侧附近围绕着该梁延伸的第二织物层；和
浸透该纤维结构以将这些纤丝粘接在一起以形成复合公用设施电线杆的树脂。
34.如权利要求33所述的公用设施电线杆，其中所述第一织物板和第二织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
35.如权利要求33所述的公用设施电线杆，其中所述第二织物层还包括相互重叠的第三织物板和第四织物板。
36.如权利要求35所述的公用设施电线杆，其中所述第三织物板和第四织物板重叠的长度为织物厚度的至少24倍。
37.如权利要求35所述的公用设施电线杆，其中在所述第一和第二织物板之间的重叠部分与在所述第三和第四织物板之间的重叠部分偏离大约90度。
38.如权利要求33所述的公用设施电线杆，还包括位于第二织物层的外侧附近的面毡。
39.如权利要求33所述的公用设施电线杆，还包括在第一织物层内侧围绕着该梁延伸的第二圆周纵向粗纱层和在第二圆周粗纱层内侧附近围绕着该梁延伸的第三织物层。
40.如权利要求33所述的公用设施电线杆，其中所述粗纱和织物包括玻璃纤维。
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