-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rohrleitungskupplung zum lösbaren Verbinden von wenigstens zwei Förderleitungsstücken zu einer Förderleitung für die Druckförderung von Dickstoffen, insbesondere Beton, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Derartige Rohrleitungskupplungen werden bei Baumaschinen eingesetzt, welche an den entsprechenden Baustellen Dickstoffe wie Beton, Mörtel oder dergleichen mittels einer Dickstoffpumpe durch ein Rohrleitungssystem, einer sogenannten Förderleitung, von einem Anlieferort zu einem Einbringort an dem Bauobjekt fördern. Dazu verwenden diese Baumaschinen sogenannte Verteilermaste, die auf einem Traggestell aufgebaut sind und in dieser Form für einen stationären Einsatz an der Baustelle, als sogenannte separate Verteilermaste, eingesetzt werden oder auf einen LKW aufgesattelt werden und so als Verteilermaste im mobilen Einsatz bei Autobetonpumpen verwendet werden. Der Verteilermast dient im Wesentlichen dazu, die Förderleitung zu tragen und so eine möglichst große Flexibilität des Förderleitungsverlaufs bezüglich Reichweite und Reichhöhe an der Baustelle zu erreicht.
-
Dafür ist der Verteilermast an seiner unteren Plattform drehbeweglich angebunden, um so vollständig in jede Richtung einer horizontalen Ebene verfahren zu werden. Daneben umfasst der Verteilermastmast mehrere Abschnitte, sogenannte Mastarme, die an ihren jeweiligen Endstücken gelenkig miteinander verbunden sind und ein relatives Verschwenken der Mastarme um eine horizontale Ebene erlauben. Die Stellkräfte für die Schwenkbewegungen der Mastarme werden in bekannter Weise, wie beispielsweise durch Hydraulikzylinder als Aktuatoren, aufgebracht. Dadurch kann der Verteilermast zusammen- und auseinandergefaltet werden. Die für die Dickstofförderung notwendige Förderleitung wird bei diesen Baumaschinen aus mehreren Förderleitungsstücken gebildet, die mittels lösbarer Rohrleitungskupplungen miteinander verbunden sind und seitlich entlang der einzelnen Mastarme mittels Konsolträger, sogenannte Rohrhalter, befestigt sind. Die Förderleitung belastet den sie tragenden Mastarm, der als Kragträger ausgebildet ist und dementsprechend eine Biegung erfährt. Dies führt wiederum dazu, dass die Lage der Rohrhalter an dem Mastarm der Biegung folgt. Um bei dieser Verschiebung keine Stauchkräfte in die Förderleitung zu leiten ist es erforderlich, dass auch die mit den Rohrhaltern verbundenen Förderleitungsstücke dieser Biegung des Mastarmes folgen. Für diesen Zweck hat sich im Stand der Technik seit langer Zeit eine spezielle Bauform der dabei verwendeten Rohrleitungskupplungen durchgesetzt.
-
Zur Bildung dieser Rohrleitungskupplungen weisen die Förderleitungsstücke an ihren beiden Stirnseiten Flansche auf, so dass sich an den Verbindungsstellen zweier benachbarter Förderleitungsstücke ein Flanschpaar mit geringem Abstand zueinander befindet, wobei ein Spalt zwischen den einander zugewandten Flanschflächen besteht. Der äußere Umfang der beiden Flansche wird von einer gemeinsamen Dichtung überdeckt, deren Schnittprofil eine C-Form aufweist und ihr geöffneter Bereich den Umfangflächen der Flansche zugewendet ist. Über dem Außenumfang der Dichtung sitzt eine Schalenkupplung, deren Seitenränder die beiden Flansche hinter deren am Rohrende anliegenden Seiten greifen und so die Rohrleitungskupplung fixiert. Die Dichtheit der Rohrleitungskupplungen wird durch die Form der Dichtung und den Abstand des Flanschpaares derart erreicht, dass zu fordernder Dickstoff durch den Spalt zwischen den Flanschen in einen Raum unter der Dichtung dringt, der sogenannten Druckkammer und die Dichtung mit dem in der Förderleitung anstehenden Druck mit ihrem innenliegenden Teil auf die äußeren Umfangsflächen der beiden Flansche drückt, während sich der außenliegende Teil gegen die Innenwand der Seitenränder der Schalenkupplung abstützt.
-
Die an dem Verteilermast montierten Förderleitungsstücke werden bei der Montage zunächst gerade fluchtend zueinander ausgerichtet, sodass die miteinander zu verbindenden Flansche parallel zueinander liegen. Im Idealfall liegen dann beide Flansche mit ihren den Förderrohrenden zugewandten Schultern vollständig an der Innenwand der Schalenkupplung an.
-
Systembedingt unterliegt die Förderleitung am Verteilermast einer Dreh- und Biegebeanspruchung um ihre Längsachse. Aus dem Abstand der Flansche resultiert ein Spiel in der Rohrleitungskupplung, wodurch diese Rohrleitungskupplungen bauartbedingt eine erhebliche Flexibilität aufweisen, die es der Förderleitung des Verteilermastes erlaubt, den auftretenden Formänderungen und besonders der Durchbiegung des Mastarmes, an dem sie befestigt ist, durch ein relatives Verschwenken der benachbarten Förderleitungsstücke zu folgen. Dies ist zweckmäßig, da andernfalls durch die lastbedingte Biegung des Mastarmes über die Rohrhalter wiederum erhebliche Belastungen auf die Rohrleitung ausgeübt würden, die auch die Rohrleitungskupplungen aufnehmen müssen.
-
Diese Formanpassung der Förderleitungsstücke an die Durchbiegung des Mastarmes ist allerdings begrenzt durch die Geometrie der zusammenwirkenden Komponenten der Rohrleitungskupplung, wie Flansche, Spaltmaß und die Spannweite der Schalenkupplung. Hieraus ergibt sich eine maximale Neigung zweier Förderleitungsstücke zueinander derart, dass die Flansche auf einer Seite an ihrem Außenumfang in einem Punkt zusammen stoßen während sie sich auf der gegenüberliegenden Seite bis an die Innenwand der Schalenkupplung auseinander bewegen und an dieser Stelle gleichfalls nur noch eine Punktberührung zur Schalenkupplung besteht. In dieser Extremstellung hat die Rohrleitungskupplung neben den aus dem Innendruck in der Förderleitung resultierenden Kräften, zusätzlich noch die immens großen Kräfte aus der Lastaufnahme der Rohrleitungsstücke zu halten, wobei hier hinzukommt, dass die auf die Rohrleitungskupplung wirkenden Kräfte nicht über Flächen, sondern über Punktberührungen von den Flanschen in die Schalenkupplung weitergeleitet werden. So entstehen aufgrund dieser lokalen Belastungen in den Schalenkupplungen extrem hohe Spannungen mit entsprechenden Spannungsspitzen, welche weit über den zulässigen Spannungswerten der verwendeten Materialien liegen.
-
Daraus ergibt sich das Problem, dass die Schalenkupplung an dem Krafteinwirkungspunkt deformiert wird, was zu einem Versagen der Schalenkupplung und somit zum Versagen und zur Undichtigkeit der gesamten Rohrleitungskupplung führt. Die im Stand der Technik praktizierten Lösungen, die Schalenkupplung entsprechend größer zu dimensionieren und somit eine Verstärkung der Rohrleitungskupplungen zu erreichen, resultieren in einem unerwünschten Mehrgewicht, welches die Gesamtlänge des Verteilermastes ungewünscht limitiert. Der alternative Einsatz hochfester Werkstoffe erfordert Mehraufwendungen in der Fertigung und im Materialbereich, welche mit zusätzlichen Kosten einhergehen und auch keine dauerhaft sichere Lösung bieten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Rohrleitungskupplung bereit zu stellen, die sowohl wirtschaftlich zu fertigen, als auch einfach zu montieren und gewichtssparend ausgeführt ist und dabei gleichzeitig die erforderliche Flexibilität und Dichtheit der Rohrleitungskupplung dauerhaft gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
-
Bei der erfindungsgemäßen Rohrleitungskupplung (10) zum lösbaren Verbinden von wenigstens zwei Förderleitungsstücke (9) zu einer Förderleitung (8) für die Druckförderung von Dickstoffen, insbesondere Beton, weist mindestens einer der innenliegenden Seitenränder (23) mindestens einer Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22) über seine radial umlaufende Umfangslänge (U), abweichend von einem gleichbleibend geraden Verlauf eine stetige Formänderung (12) auf und bildet dadurch eine Kraftübertragungsfläche (28) aus, an die sich mindestens ein Flansch (13) mit einem Teil der Fläche seiner am Förderleitungsstückende anliegenden Seite (24) abstützen kann. Eine Formänderung im Sinne dieser Erfindung ist stetig, wenn sie sich über ihren Verlauf, d. h. von ihrem einen Ende (22b) zum anderen Ende (22c), gleichmäßig, ohne Unterbrechung fortsetzt, d. h. keine „Sprünge” in ihrem Verlauf enthalten sind. In dieser Weise wird die vom Flansch (13) auf die Schalenkupplung (22) ausgeübte Kraft in dem Zustand ihrer Maximalstärke, nicht mehr über einen Punkt abgeleitet, sondern über eine Fläche, die bewirkt, dass die Spannung als Wert des Quotienten aus Kraft und Fläche in der Schalenkupplung (22) verringert wird. Das aus der Biegung des Systems in die Rohrleitungskupplung (10) eingebrachten Biegemoment und die aus dem Innendruck resultierende Kraft werden von der Rohrleitungskupplung (10) aufgenommen ohne diese zu beschädigen.
-
Als besonders zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Formänderung (12) bogenförmig, konvex zu der am Förderleitungsstückende anliegenden Seite (24) des Flansches (13) ausgebildet ist, da diese Form die Möglichkeit bietet, den Radius des Bogenelementes so groß zu wählen, dass ein möglichst großes Teilstück des Bogenelementes von dem Flansch berührt wird und dadurch eine Flächengröße der Kraftübertragungsfläche (28) erreicht wird, die bewirkt, dass die von dieser Fläche übertragene Kraft eine Spannung bewirkt, die geringer ist als die Spannung, welche das Material der Schalenkupplung (22) ertragen kann.
-
Zweckmäßiger Weise ist die Maximalhöhe (Hmax) der bogenförmigen Formänderung (12) in der Mitte der radial umlaufenden Umfangslänge (U) der Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) angeordnet. Dadurch wird ein symmetrischer Aufbau der Rohrleitungskupplung (10) erreicht, der gewährleistet, dass die aus einer Wechselbelastung auftretenden Richtungsänderungen der Biegelasten, welche zu einer Umkehr der Lasteinleitungspunkte von den Flanschen (13) in die Schalenkupplung (22) führen, gleichfalls problemlos aufgenommen werden können.
-
Daneben hat sich gleichfalls als vorteilhaft erwiesen, die Formänderung (12) in Richtung der am Förderleitungsstückende anliegenden Seite (24) des Flansches (13) linear steigend von einem Ende (22b, 22c) der Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22) bis zu einer Maximalhöhe (Hmax) verläuft, welche zwischen den beiden Enden (22b, 22c) der Halbschale (22a) liegt und danach wieder linear abfallend zum anderen Ende (22b, 22c) der Halbschale (22a) verläuft. In den Positionen der maximalen Winkelauslenkung zweier Förderleitungsstücke (9), die der Biegung des Mastarmes (3, 4, 5) folgen, sind die Flansche (13) derart angeordnet, dass das Flanschpaar (13, 13) sich im oberen Lagepunkt (29) gegeneinander abstützt, während es im unteren Lagepunkt (30) auf der Fläche des innenliegenden Seitenrandes (23c) der Schalenkupplung (22) aufliegt, die sich aufgrund der Formänderung (12) ergibt. Dies ermöglicht, auftretende unterschiedlichen Belastungszuständen der Förderleitung (8) zu berücksichtigen, da diese Fläche sich über einen relativ großen Bereich des Flansches (13) erstreckt, wodurch die dort vorherrschende Spannung dermaßen gering wird, dass das Material der Schalenkupplung (22) diese dauerhaft ertragen kann.
-
Wobei es hier ebenfalls von Vorteil ist, wenn die Maximalhöhe (Hmax) der linear verlaufenden Formänderung (12) in der Mitte der radial umlaufenden Umfangslänge der Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22) angeordnet ist. Der vorher geschilderte Zustand, der vom Flansch (13) berührten Fläche des innenliegenden Seitenrands (23c) der Schalenkupplung (22), erreicht seinen Maximalwert in der Position der maximalen Winkelauslenkung, d. h. bei maximalem Neigungswinkel (NW) zweier Förderleitungsstücke (9) zueinander und dementsprechend ist die dabei in diesem Bereich des innenliegenden Seitenrands (23c) auftretende Spannung in den zusammenwirkenden Teilen in dieser Stellung erheblich reduziert, da bei dieser Anordnung für jede Lasteinwirkung die Hälfte der gesamten Kraftübertragungsfläche bereitgestellt wird.
-
Einen besonderen Vorteil bietet die erfindungsgemäße Ausführung in dem Fall, wenn beide Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) stetige Formänderungen (12) aufweisen. In diesem Fall können die auftretenden Kräfte von beiden Flanschen (13) auf beide der ihnen zugewandten innenliegenden Seitenränder (23c) der Schalenkupplung (22) abgeleitet werden. Hierdurch wird die auftretende Belastung auf die Flächenelemente beider Seitenränder (23) verteilt, woraus wiederum eine Reduktion der in den Komponenten auftretenden Spannung resultiert.
-
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei bewährt, die Formänderungen (12) der beiden Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) kongruent zueinander auszubilden. In dieser Ausführung wird ein symmetrisches System gebildet, welches es ermöglicht, die Belastungen des Systems in optimaler Weise auf die Seitenflächen (23c) der beiden Seitenränder (23) zu verteilen, weil hier in den Extremauslenkungspunkten die größtmögliche Fläche für die Kraftübertragung einbezogen wird und hiermit die lastbeding auftretende Spannung in der Schalenkupplung (22) minimiert wird.
-
Die nachstehenden Zeichnungen zeigen eine bevorzugte Ausführungsform, die im Folgenden näher beschriebe wird. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Verteilermastes (1) mit einem Drehschemel (2), der eine Förderleitung (8) trägt;
-
2 eine perspektivische Darstellung der Verbindung zweier Förderleitungsstücke (9) mit einer Rohrleitungskupplung (10);
-
3a eine Vorderansicht zweier Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) nach dem Stand der Technik;
-
3b eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) gemäß 3a;
-
3c eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer erfindungsgemäßen Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22);
-
4 eine Schnittdarstellung einer Rohrleitungskupplung (10) nach dem Stand der Technik, in einem unbelasteten Zustand;
-
5 eine Schnittdarstellung einer Rohrleitungskupplung (10) nach dem Stand der Technik, in einem extrem belasteten Zustand;
-
6 eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) einer erfindungsgemäßen Rohrleitungskupplung (10) in einem unbelasteten Zustand;
-
7 eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) einer erfindungsgemäßen Rohrleitungskupplung (10) in einem extrem belasteten Zustand.
-
1 zeigt einen Verteilermast (1), welcher eine Mehrzahl von Mastarme (3), (4), (5) umfasst, die hydraulisch angetrieben ausgefaltet werden können, so dass sich der Verteilermast (1) auf eine Gesamtlänge verlängert, die im Wesentlichen der Summe der Längen der Mastarme (3), (4), (5) entspricht. Dafür sind die Mastarme (3), (4), (5) an ihren Enden mit Gelenken versehen, sogenannten Mastgelenken (6), die den benachbarten Mastarme (3), (4), eine Schwenkbewegung zueinander ermöglichen. Als Antrieb für die Ausführung der Schwenkbewegung werden Hydraulikzylinder (11) verwendet, die für die Ausführung der Relativbewegung der beiden gekoppelten Mastabschnitte (3, 4) an diese angebunden sind. Die Mastarme (3), (4), (5) sind auf einem Stützelement, dem sogenannten Drehschemel (2) drehbeweglich auf einer hier nicht dargestellten Plattform aufgelagert, wodurch ermöglicht wird, den Verteilermast (1) in alle Richtungen einer vertikalen Achse der Plattform zu drehen. Die Mastarme (3), (4), (5) halten jeweils eine seitlich an ihnen entlang geführte Förderleitung (8), die mittels Rohrhalter (7) an ihnen befestigt ist. Die Förderleitung (8) besteht aus einzelnen Förderleitungsstücken (9), welche über Rohrleitungskupplungen (10) miteinander verbunden sind. Die Förderleitung (8) mit dem darin geförderten Dickstoff und das Eigengewicht belasten den Verteilermast (1), welcher aufgrund seiner Belastung und Lagerung die Charakteristik eines Kragträgers aufweist, dessen lastabhängige Biegung mit dem Abstand zur Lagerstelle am Drehschemel (2) zunimmt.
-
2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Verbindung zweier Förderleitungsstücke (9) mit einer Rohrleitungskupplung (10). Die beiden Förderleitungsstücke (9) sind hier mittels einer Rohrleitungskupplung (10) verbunden, in der eine Spannkupplung (22), als ein fixierendes Element dient, welches aus zwei Halbschalen (22a) gebildet wird, die einander entgegengesetzt, mit ihren Innenseiten über die an den Förderleitungsstücken (9) angebrauchten Flasche (13) gestülpt werden, so dass ihre Seitenränder (23) die Flansche beider Förderleitungsstücke (9) hintergreifen. Wie hier dargestellt, ist die Spannkupplung (22) als eine Schraubkupplung ausgeführt, welche mittels nicht dargestellter Schrauben an zwei diametral an deren Außenumfang (22f) angeordnete Verschraubungsstellen (22d) miteinander verschraubt werden. Daneben können die beiden Halbschalen (22a) jedoch auch mittels einer Spannvorrichtung, wie sie im Stand der Technik verwendet wird, miteinander verbunden werden.
-
3a zeigt eine Vorderansicht zweier Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) nach dem Stand der Technik. Die kreisförmige Schalenkupplung (22) wird aus zwei Halbschalen (22a) gebildet, deren innenliegende Halbkreise als ihre innenliegenden Seiten (25) aneinander geführt werden. Jede der beiden Halbschalen (22a) weist an ihren Endlagen eine Verschraubungsstelle (22d) auf, die mit einem Durchgangsloch (22e) versehen ist um dort mittels zweier nicht dargestellter Schrauben miteinander verschraubt zu werden.
-
3b zeigt eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) gemäß 3a. Die Halbschale (22a) weist ein radial nach innen geöffnetes U-förmiges Schnittprofil auf, dessen Schenkel (23a) von den Seitenrändern (23) gebildet werden. Die Schenkel (23a) sind innen mit einem Absatz (23b) versehen, der in Richtung des Außenumfangs (22f) verläuft, bis zu einer Tiefe von einem Drittel der Schenkelhöhe reicht und sich in Umfangsrichtung über den gesamten Schenkel (23a) erstreckt. Der Seitenfläche (23c) des Absatzes (23b) dient zur Aufnahme eines Flansches (13) an dessen am Förderleitungsstückende anliegende Seite (24). Die beiden Seitenflächen (23c) einer Halbschale (22a) verlaufen parallel zu einer Symmetrieachse (SL) mit einem gleichbleibenden Abstand (A) zueinander, entlang einer radial umlaufenden Umfangslänge (U), welche sich von einem ersten Ende (22b) zu einem zweiten Ende (22c) erstreckt. Der verbleibende Bereich des U-förmigen Profils dient der Aufnahme einer Dichtung (16).
-
3c zeigt eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer erfindungsgemäßen Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22). Diese hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie eine Halbschale (22a) nach dem Stand der Technik, allerdings verlaufen hier die beiden Seitenflächen (23c) einer Halbschale (22a) nicht parallel zu einer Symmetrieachse (SL) mit einem gleichbleibenden Abstand (A) zueinander, entlang einer radial umlaufenden Umfangslänge (U), welche sich von einem ersten Ende (22b) zu einem zweiten Ende (22c) erstreckt. Wie dargestellt erfahren die Seitenflächen (23c) eine Abweichung von dem parallelen Verlauf zur Symmetrieachse (SL). Die Seitenflächen (23a) befinden sich an dem ersten Ende (22b) und an dem zweiten Ende (22c) in dem Abstand (A) zueinander. In dem dazwischen liegenden Bereich der Umfangslänge (U) verringert sich der Abstand (A) jedoch stetig auf einen kleineren Abstand (a) um danach wieder auf den Abstand (A) am anderen Ende (22b, 22c) anzuwachsen. Der Verlauf der Abstandsverringerung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel linear dargestellt, es sind für die erfindungsgemäße Ausgestaltung jedoch auch quadratische und hyperbelförmige Verläufe möglich.
-
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Rohrleitungskupplung (10) nach dem Stand der Technik, in einem unbelasteten Zustand. Die zwei von der Rohrleitungskupplung (10) verbundenen Förderleitungsstücke (9) weisen an ihren beiden einander zugewandten Stirnseiten Flansche (13) auf, so dass sich an den Verbindungsstellen zweier Förderleitungsstücke (9) ein Flanschpaar (13, 13) mit geringem Abstand zueinander befindet, der einen Spalt (S) zwischen den Flanschflächen (14) bildet. Die beiden einander zugewandten Flanschflächen (14) verlaufen parallel zueinander. Über den äußeren Umfang (15) der beiden Flansche (13) erstreckt sich eine gemeinsame Dichtung (16), deren Schnittprofil C-förmig ausgebildet ist und die Unterseiten (18) ihrer beiden äußeren Wangen (17) weisen jeweils eine axial zu ihrer Mitte verlaufende Dichtlippe (19) auf, die die beiden äußeren Umfange (15) der Flansche (13) überdecken. Unter der Dichtung (16) wird so ein Raum aufgespannt, der die beiden Flansche (13) konzentrisch umspannt und eine sogenannte Druckkammer (20) bildet. Die Dichtung (16) wird an ihrem Außenumfang (21) von einer Schalenkupplung (22) umfasst, deren Seitenränder (23) die beiden Flansche (13) hinter deren am Förderleitungsstückende anliegenden Seiten (24) greifen und so die Rohrleitungskupplung (10) fixieren. Die Dichtheit dieser Rohrleitungskupplungen (10) wird durch die Form der Dichtung (16) und den Abstand des Flanschpaares (13, 13) derart erreicht, dass der zu fördernde Dickstoff, durch den Spalt (S) zwischen den Flanschen (13, 13) in die Druckkammer (20) unter der Dichtung (16) dringt und die beiden Dichtlippen (19) der Dichtung (16) mit dem in der Förderleitung (8) anstehenden Druck auf die äußeren Umfangsflächen (15) der beiden Flansche (13) drückt, während sich der Außenmantel der Dichtung (21) gegen die Innenwand (26) der Schalenkupplung (22) abstützt.
-
Eine Verformung der Seitenränder (23) der Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) beeinträchtigt die Funktion der Dichtung (21) in erheblichem Maße, so dass diese in einem solchen Fall das Fördermedium nicht mehr zuverlässig gegen einen Austritt aus der Rohrleitung (8) sichern kann.
-
Bei der Montage wie auch im hier dargestellten unbelasteten Zustand liegen die beiden Förderleitungsstücke (9) fluchtend zueinander, so dass auch die Flanschflächen (14) der Flansche (13) parallel zueinander verlaufen. In diesem Zustand erfolgt eine Belastung der Rohrleitungskupplung einzig aus einer Kraft, die aus dem in der Förderleitung (8) herrschenden Förderdruck resultiert, welche die beiden Flansche (13, 13) auseinander presst und von den diese haltenden Halbschalen (22a) aufgenommen wird. Als Kraftübertragungsfläche (28) dient in diesem Belastungszustand die gesamte Ringfläche, die sich aus den einander berührenden Seitenfläche (23c) der Halbschale (22a) und der am Förderleitungsstückende anliegenden Seite (24) des Flansches (13) ergibt. In diesem Falle werden die auftretenden Kräfte des Systems über die größtmögliche Fläche auf die Schalenkupplung (22) übertragen und die vorherrschenden Spannungen in den Seitenrändern (23) der Schalenkupplung (22) sind demgemäß am geringsten.
-
5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Rohrleitungskupplung (10) nach dem Stand der Technik, in einem extrem belasteten Zustand. In diesem Zustand befinden die beiden Flanschflächen (14) sich nicht in paralleler Lage zueinander sondern sind einander in einem Neigungswinkel (NW) zugeneigt. Dies ermöglicht den Förderleitungsstücken (9) eine dementsprechende Schwenkbarkeit um ihren axialen Verlauf, welche bei dieser Art Förderleitung (8) erforderlich ist, um eine Formanpassung der Förderleitung (8) an die lastbedingte Biegung eines Mastarmes (3) zu gewährleisten. Bei diesem Lastzustand wird die Rohrleitungskupplung (10) neben den aus dem Innendruck in der Förderleitung (8) resultierenden Kräften, zusätzlich noch durch die immens großen Kräfte aus der Lastaufnahme der Rohrleitungsstücke (9) belastet.
-
Unter der Belastung entfernen sich die beiden Flansche (13) an ihrem unteren Lagepunkt (30) voneinander und an ihrem oberen Lagepunkt (29) bewegen sie sich zueinander. Während sich die voneinander entfernenden Flanschflächen (14) im unteren Lagepunkt (30) nur so weit voneinander entfernen, bis die der Flanschfläche (14) abgewandten Flächen, die am Förderleitungsstückende anliegende Seite (24) gegen die diese umfassenden Seitenränder (23) der Spannkupplung (22) stoßen, können sich die Flanschflächen (14) im oberen Lagepunkt (29) nur soweit aufeinander zu bewegen, bis sie gegeneinander stoßen. So entstehen in dem oberen Lagepunkt (29) und dem unteren Lagepunkt (30) zwei entgegenlaufende Abstützpunkte in der Rohrleitungskupplung (10). Dementsprechend wirkt in dem unteren Lagepunkt (30) eine Zugkraft (FZ) auf die Spannkupplung (22) und in dem oberen Lagepunkt (29) wirkt eine Druckkraft (FD) auf den Flansch (13). Somit wirkt ein Kräftepaar aus Zugkraft (FZ) und Druckkraft (FD) auf die Rohrleitungskupplung (10). Dieses Kräftepaar wird in diesem Belastungszustand nicht mehr über eine Fläche oder Teilfläche vom Flansch (13) auf die Halbschalen (22a) der Spannkupplung (22) übertragen, sondern über eine Punktberührung in den beiden Lagepunkten (29, 30). In diesem Falle werden die auftretenden Kräfte des Systems folglich über die kleinstmögliche Fläche auf die Halbschalen (22a) der Schalenkupplung (22) übertragen und die vorherrschenden Spannungen in den Seitenrändern (23) der Schalenkupplung (22) sind demgemäß am größten.
-
Durch diese lokale Konzentration der Zugkräfte (FZ) auf einen Punkt werden extrem hohe Pressungen erreicht, die gezielt auf die Seitenrändern (23) der Schalenkupplung (22) wirken, wobei sie auf diese eine Druckspannung ausüben, die größer ist als die Druckfestigkeit des Werkstoffs der Schalenkupplung (22) und es dadurch zum Erliegen der Seitenrändern (23) der Halbschalen (22a) kommt. Die Folge daraus ist, dass die Schalenkupplung (22) an dem unteren Lagepunkt (30) als Krafteinwirkungspunkt deformiert wird, was zu einem Versagen der Schalenkupplung (22) und somit zum Versagen und zur Undichtigkeit der gesamten Rohrleitungskupplung (10) führt.
-
6 zeigt eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) einer erfindungsgemäßen Rohrleitungskupplung (10) in einem unbelasteten Zustand. Die Ausführung der Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) entspricht der Beschreibung gemäß 3c. Zur übersichtlichen Darstellung sind darin die zwei mit der Rohrleitungskupplung (10) zu verbindende Förderleitungsstücke (9) sowie die zugehörigen Flansche (13) gestrichelt abgebildet. Auch im hier dargestellten unbelasteten Zustand liegen die beiden Förderleitungsstücke (9) fluchtend zueinander und das Flanschpaar (13, 13) befindet sich mit geringem Abstand zueinander, so dass ebenfalls ein Spalt (S) zwischen den Flanschflächen (14) besteht. Die Rohrleitungskupplung (10) wird durch die Dichtung (16) gegen ein Austreten des Fördermediums abgedichtet. Gleichfalls umfasst hier eine Schalenkupplung (22) mit ihren Seitenrändern (23) die beiden Flansche (13) und greift hinter deren am Förderleitungsstückende anliegenden Seiten (24) um so die Rohrleitungskupplung (10) zu fixieren. Die die Schalenkupplung (22) bildenden Halbschalen (22a) weisen die erfindungsgemäße Formänderung (12) der Seitenfläche (23c) der Halbschale (22a) auf. Die Formänderung (12) befindet sich auf der Seitenfläche (23c) und verläuft linear steigend vom unteren Ende (22b) der Halbschale (22a) einer Schalenkupplung (22) bis zu einer Maximalhöhe (Hmax), welche zwischen den beiden Enden (22b, 22c) der Halbschale (22a) liegt und danach wieder linear abfallend zum oberen Ende (22c) der Halbschale (22a). In dem Ausführungsbeispiel befindet sich die Maximalhöhe (Hmax) in der Mitte der Strecke zwischen den beiden Enden (22b, 22c) der Halbschale (22a). Bei unterschiedlichen Lastzuständen der Förderleitung (8) kann zweckmäßiger Weise hier auch eine unsymmetrische Lage zwischen den beiden Enden (22b, 22c) festgelegt werden. Abweichend von der dargestellten Ausführung, mit den erfindungsgemäßen Formänderungen (12) auf beiden Seitenflächen (23c), ist es jedoch auch möglich die Erfindung mit der Formänderung (12) auf nur einer der beiden Seitenflächen (23c) auszubilden.
-
Die aus dem in der Förderleitung (8) herrschenden Förderdruck resultierende Kraft presst die beiden Flansche (13, 13) auseinander und wird von den Halbschalen (22a) aufgenommen, wobei die Krafteinleitung in den Punkten erfolgt, in denen die Formänderung (12) ihre Maximalhöhe (Hmax) hat. Auf der am Förderleitungsstückende anliegende Seite (24) verbleiben dabei zwischen dieser Fläche und der Seitenfläche (23c) Bereiche, die nicht von den Seitenflächen (23c) berührt werden, als Freiraum (27). Dieser Freiraum (27) erstreckt sich radial umlaufend vom oberen Lagepunkt (29) bis zum Punkt der Maximalhöhe (Hmax) der Formänderung (12). In diesem Freiraum (27) haben die Halbschalen (22a) keinen Kontakt mit dem Flansch (13).
-
In diesem Belastungszustand werden die auftretenden Kräfte des Systems daher zwar auch nur über eine äußerst geringe Fläche auf die Schalenkupplung (22) übertragen, womit wohl eine maximale Spannung in den Seitenrändern (23) der Schalenkupplung (22) auftritt. Jedoch basieren die Belastungen des Systems in diesem Zustand im Wesentlichen auf die aus dem Innendruck der Förderleitung (8) resultierenden Kräfte. Da in dieser Lage keine zusätzlichen, aus einer Biegung der Förderleitung (8) hervorgehenden, Kräfte in die Rohrleitungskupplung (10) eingeleitet werden, ist die Systembelastung hier dermaßen gering, dass die Schalenkupplung (22) dieser problemlos standhält.
-
7 zeigt eine Seitenansicht auf die innenliegende Seite (25) einer Halbschale (22a) der Schalenkupplung (22) einer erfindungsgemäßen Rohrleitungskupplung (10) in einem extrem belasteten Zustand. Wie bereits bei dem belasteten Zustand nach 5 befinden sich die beiden Flanschflächen (14) auch hier nicht in paralleler Lage zueinander, sondern sind einander in einem Neigungswinkel (NW) zugeneigt. Aufgrund dieser Formanpassung der Förderleitung (8) an die Biegung der belasteten Mastarme (3, 4, 5) hat die Rohrleitungskupplung (10) in diesem Lastzustand zusätzlich zu den, aus dem Innendruck in der Förderleitung (8) resultierenden Kräften, noch die aus der Lastaufnahme der Rohrleitungsstücke (9) auftretenden Kräfte zu halten.
-
Die erfindungsgemäße Rohrleitungskupplung (10) verhält sich dabei zunächst wie eine Rohrleitungskupplung nach dem Stand der Technik unter Belastung. Die beiden Flansche (13) entfernen sich an ihrem unteren Lagepunkt (30) voneinander und an ihrem oberen Lagepunkt (29) bewegen sie sich zueinander. Ebenso können sich in diesem System die Flansche (13) im oberen Lagepunkt (29) nur soweit aufeinander zu bewegen, bis sie mit ihren Flanschflächen (14) an dieser Stelle zusammenstoßen und sich gegeneinander abstützen, womit in dem oberen Lagepunkt (29) wiederum eine Druckkraft (FD) auf die Flansche (13, 13) einwirkt. Auf der am Förderleitungsstückende anliegenden Seite (24), verbleibt dabei ein Freiraum (27) zwischen dieser Fläche und der Seitenfläche (23c), der sich radial umlaufend vom oberen Lagepunkt (29) bis zum Punkt der Maximalhöhe (Hmax) der Formänderung (12) erstreckt. In diesem Bereich haben die Halbschalen (22a) keinen Kontakt mit dem Flansch (13).
-
Dagegen entfernen sich die Flanschflächen (14) im unteren Lagepunkt (30) nur so weit voneinander, bis die am Förderleitungsstückende anliegenden Seiten (24), der Flansche (13, 13) gegen die diese umfassenden Seitenränder (23) der Spannkupplung (22) stoßen. Dabei legen sich die Flansche (13) mit ihren am Förderleitungsstückende anliegende Seiten (24) an die Kraftübertragungsfläche (28) an, die durch die Formänderung (12) der Seitenfläche (23c) der Seitenränder (23) der Halbschalen (22a) gebildet wird. Diese Kraftübertragungsfläche (28) erstreckt sich ebenfalls radial umlaufend vom unteren Lagepunkt (29) bis zum Punkt der Maximalhöhe (Hmax) der Formänderung (12). In diesem Bereich haben die Halbschalen (22a) über ihre Seitenflächen (23c) vollständigen Kontakt mit dem Flansch (13). Systembedingt bewirkt diese Neigung der beiden Flansche (13) zueinander im unteren Lagepunkt (30) eine Zugkraft (FZ) auf die Spannkupplung (22).
-
Während die Druckkraft (FD) im oberen Bereich der Rohrkupplung (10) über eine Punktfläche von einem Flansch (13) auf den anderen Flansch (13) übertragen wird, wirkt die Zugkraft (FZ) im Bereich des unteren Lagepunktes (30) über die Kraftübertragungsfläche (28) auf die Spannkupplung (22). Sie wird folglich nicht über eine Punktberührung sondern über eine Fläche, die Kraftübertragungsfläche (28), vom Flansch (13) auf die Halbschalen (22a) der Spannkupplung (22) übertragen. Wie dargestellt, wird die auftretende Zugkraft (FZ) dabei über die größtmögliche Fläche in die Halbschalen (22a) der Schalenkupplung (22) eingeleitet und die daraus resultierenden Spannungen in den Seitenrändern (23) der Schalenkupplung (22) werden dadurch minimiert. Durch diese Verteilung der Zugkräfte (FZ) auf die Kraftübertragungsfläche (28) wird erreicht, dass die aus der Pressung auf die Seitenränder (23) der Schalenkupplung (22) resultierende, Druckspannung, weit geringer ist als die Druckfestigkeit des Werkstoffs der Schalenkupplung (22) und die Gefahr eines Erliegens der Seitenrändern (23) der Halbschalen (22a) damit beseitigt ist. Die Schalenkupplung (22) wird an keinem Bereich einer Zugkrafteinwirkung deformiert, die Schalenkupplung (22) versagt nicht und somit ist die Gefahr einer Undichtigkeit der gesamten Rohrleitungskupplung (10), aufgrund einer Überlastung der Seitenränder (23) der Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22), beseitigt.
-
Auf diese Weise bietet die erfindungsgemäße Rohrleitungskupplung (10) eine zuverlässige Verbindung von wenigstens zwei Förderleitungsstücken (9) zu einer Förderleitung (8), die die Rohrleitungskupplungen (10) der Förderleitung (8) vor Überlastungen und daraus resultierende Deformationen schützt und so sicherstellt, dass die Förderleitung (8) keine unzulässige Undichtigkeiten erfährt und das System nicht in seinen Freiheitsgraden für eine Anpassung an die Biegeverformung eingeschränkt ist. Die Kraftübertragungsflächen (28) sind auf den Halbschalen (22a) einer Schalenkupplung (22) einfach zu fertigen, und ermöglichen den Einsatz von Rohrleitungskupplungen (10) ohne eine stabilere und daher auch schwerere Konstruktion, die die Reichweite des Verteilermastes (1) ungewollt limitieren würde.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verteilermast
- 2
- Drehschemel
- 3, 4, 5
- Mastarme
- 6
- Mastgelenke
- 7
- Rohrhalter
- 8
- Förderleitung
- 9
- Förderleitungsstücke
- 10
- Rohrleitungskupplung
- 11
- Hydraulikzylinder
- BM
- Biegelinie Mastarm
- BF
- Biegelinie Förderleitung
- 12
- Formänderung
- 13
- Flansch
- 13, 13
- Flanschpaar
- 14
- Flanschfläche
- 15
- äußerer Umfang
- 16
- Dichtung
- 17
- Wange
- 18
- Unterseite
- 19
- Dichtlippen
- 20
- Druckkammer
- 21
- Außenmantel der Dichtung
- 22
- Schalenkupplung
- 22a
- Halbschalen
- 22b
- erstes Ende
- 22c
- zweites Ende
- 22d
- Verschraubungsstelle
- 22e
- Durchgangsloch
- 22f
- Außenumfang
- SL
- Symmetrieachse
- U
- radial umlaufende Umfangslänge
- 23
- Seitenränder
- 23a
- Schenkel
- 23b
- Absatz
- 23c
- Seitenfläche
- Hmax
- Maximalhöhe
- A
- Abstand
- a
- kleinerer Abstand
- 24
- am Förderleitungsstückende anliegende Seite
- 25
- innenliegende Seite
- 26
- Innenwand
- 27
- Freiraum
- 28
- Kraftübertragungsfläche
- 29
- oberer Lagepunkt
- 30
- unterer Lagepunkt
- FD
- Druckkraft
- FZ
- Zugkraft
