DE2633801A1 - Biegsamer schlauch - Google Patents

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 27.7.1976 Nr. 143

PNEUMATIQUES, CAOUTCHOUC MANUFACTURE ET PLASTIQUES KLEBER-COLOMBES, Place de Valmy - 92700 COLOMBES

Biegsamer Schlauch

Die Erfindung betrifft biegsame Schläuche und insbesondere solche mit großem inneren Durchmesser (400 mm und mehr), die eine Flüssigkeit unter erhöhtem Druck transportieren und die ferner verschiedene andere Qualitäten aufweisen.

Es gelten folgende Definitionen:

Armierung: Die Gesamtheit der verschiedenen Teile, die in die Schlauchwand eingebettet sind und zusammen dem Schlauch seine mechanischen Eigenschaften geben; und die Teile, die gegebenenfalls in die Schlauchwand eingeschlossen sind, deren einzige Funktion aber der Schutz des Schlauches vor äußeren Angriffen ist (breaker), gehören nicht zur Armierung; Decke: Ein Teil der Armierung der mechanischen Festigkeit, der aus Einzelteilen wie Fäden oder Kabeln besteht, die in den Kautschuk oder eine ähnliche Masse eingebettet sind und um denselben Zylinder, der koaxial zum Schlauch verläuft, in einer oder mehreren Windungen so gerollt sind, das sie mit der Schlauchachse einen bestimmten Winkel bilden; dieser Winkel wird Lagenwinkel genannt;

Deckenpaar: Eine aus zwei übereinander liegenden Decken gebildete Einheit, deren Fäden oder Kabel in Winkeln von gleichem absolutem Wert, aber in umgekehrter Richtung, angeordnet sind. Die Decken eines Paares sind im allgemeinen voneinander durch eine Kautschukschicht getrennt, in deren Dicke

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einige Zehntel Millimeter beträgt. Diese Schicht verhindert den direkten Kontakt der Fäden oder Kabel verschiedener Decken, stört jedoch wegen seiner geringen Schichtdicke nicht die mechanischen Eigenschaften des Schlauchs; Unterdruck: Der vom Äußeren in das Innere gerichtete Druck, der entsteht, wenn der Außendruck den Innendruck überschreitet; der Unterdruck kann daher über 1 Bar betragen; Einbauchung: Die bei fortschreitender Krümmung auftretende Erscheinung, wonach bei ebenfalls zunehmender Unrundung des Querschnitts der innere Teil der Wölbung, der zusammengepreßt wird, sich heftig dem äußeren Teil nähert. Ein Schlauch baucht sich ein, wenn eine solche Einbauchung stattfindet; Faden: Ein einheitlich zylindrisches Element aus beliebigem mineralischem Stoff wie Stahl oder Glas oder einem organischen Stoff wie einer Zellulosekunstseide, einem Polyamid oder einem Aramid; es ist zu bemerken, daß im Gegensatz zur vorstehenden Definition das Wort "Faden" im üblichen Sinne zur Bezeichnung eines einheitlichen Elements verwendet wird, wenn es aus Metall oder aus Glas ist, jedoch zur Bezeichnung eines zusammengesetzten Elements dient, wenn es aus einem organischen Stoff besteht;

Kabel: Das Element, das aus der Vereinigung von Fäden durch Drehung und Zusammendrehen entsteht.

Man kennt Schläuche mit dem allgemeinen hohen Durchmesser (700 mm und mehr), deren Armierung aus zwei Decken oder zwei paar Decken besteht, die aus Metallkabeln bestehen und etwa in 80° angeordnet sind; sie sind voneinander durch eine Kautschukschicht von beträchtlicher Dicke getrennt. Die Metallkabel, die die Armxerungsdecken dieser Schläuche bilden, sind Kabel, die gleichzeitig beträchtliche Kompressionsbeständigkeit und geringe Dehnung aufweisen. Diese Schläuche, die hergestellt werden, um einem Unterdruck (d.h. einem von

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Außen nach Innen gerichteten Druck) ohne abzuflachen zu widerstehen, erfüllen ihre Funktion gut und können sich in geringen Radien krümmen, ohne zu brechen. Sie ertragen jedoch weder einen wesentlich höheren Innendruck als den Außendruck noch Zugbeanspruchungen.

Man kennt ebenfalls Schläuche, die hergestellt werden, um gleichzeitig einen Innendruck und Zugbeanspruchungen in Längsrichtung zu ertragen. Die Armierung dieser Schläuche besteht aus einem Deckenpaar aus metallischen Fäden, die in einem Winkel zwischen 45 und 65° C liegen, und. einer. Decke oder einem Deckenpaar oberhalb des ersten Deckenpaars, das aus Metallfäden gebildet ist, die in einem Winkel zwischen 15 und 35 liegen. Damit diese Schläuche trotz der Anwesenheit von in geringem Winkel angeordneten Metallfaden eine gewisse Biegsamkeit in Längsrichtung aufweisen, ordnet man zwischen dem inneren Deckenpaar und der äußeren Decke oder dem äußeren Deckenpaar der Armierung eine Kautschukschicht an, die unter Abscherung die Bewegung des einen Deckenpaars gegenüber dem anderen Deckenpaar gestattet. Trotzdem bleiben diese Schläuche in Längsrichtung starr und können sich nicht ohne Einbauchung in schwachen Radien krümmen. Ferner dehnen sie sich, wenn sie in Abwesenheit von Flüssigkeit unter Druck beträchtlichen Zugkräften ausgesetzt sind, so stark, daß die den Schlauch bildende Elastomerschich^ die in Kontakt mit der Flüssigkeit ist, Gefahr läuft, beschädigt zu werden. Schließlich biegen sich diese Schläuche schlecht, weisen schlechte Beständigkeit gegen Längszug auf und halten nicht einmal ge-' ringen Unterdruck aus.

Die Erfindung betrifft Schläuche, die gegebenenfalls einen beträchtlichen Durchmesser (500, 600 mm und mehr) aufweisen und eine Flüssigkeit unter hohem Druck (20, 30 Bar und mehr) transportieren können und ferner eine ausreichende Biegsam-

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keit aufweisen, um beträchtlichen Zugspannungen in Längsrichtung aufzunehmen/ Unterdrucke auszuhalten, und geringe Krümmungsradien ohne Einbauchung zulassen.

Bei den erfindungsgemäßen Schläuchen wird dieses Ergebnis erzielt, in dem man die Armierung herstellt aus:

(1) Einem oder mehreren Deckenpaaren aus Kabeln hoher mechanischer Festigkeit, die in einem Winkel von 50 bis 55° angebracht sind;

(2) einer Schicht aus Kautschuk oder einer ähnlichen Substanz beträchtlicher Stärke, die oberhalb des oder der oben genannten Deckenpaare angeordnet ist, und

(3) einem oder mehreren Deckenpaaren, die der vorgenannten Kautschukschicht überlagert sind und aus Kabeln gebildet werden, d

net sind.

werden, die in einem Winkel zwischen 40 und 70 angeord-

Das oder die unter (1) genannten Deckenpaare, die der Innenwand am nächsten liegen, haben im wesentlichen die Aufgabe, dem Schlauch die gewünschte Festigkeit gegenüber dem Druck der trai3§i>ga^iertenFlüssigkeit zu geben. Sie bestehen, wie dem Fachmann bekannt ist, aus Kabeln aus einem Stoff mit hoher mechanischer Festigkeit. Es ist jedoch zu betonen, daß sie erfindungsgemäß aus Kabeln und nicht aus Fasern bestehen müssen, da letztere den Nachteil haben, das sie die Steifigkeit des Schlauchs in Längsrichtung erhöhen und eine geringere Festigkeit gegenüber Biegungen und gegenüber Wechselbelastungen aufweisen.

Die unter (2) genannte Kautschukschicht muß eine beträchtliche Stärke aufweisen, d.h. eine Dicke, die ausreicht, daß sich ihre Rolle nicht nur darauf beschränkt, eine Verbindung

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zwischen den Deckenpaaren der Armierung herzustellen oder eine leichte Bewegung der Deckenpaare gegeneinander zu ermöglichen, sondern das sie auch die mechanischen Eigenschaften des Schlauchs verändert, z.B. einen Trägereffekt schafft oder die Stauchfestigkeit des Schlauchs erhöht. Ihre Stärke, die von dem Innendurchmesser des Schlauchs abhängt, beträgt ■

das

im allgemeinen/0,03 bis 0,07-fache des Durchmessers; sie beträgt z.B. ungefähr das Dreifache, wenn der innere Durchmesser 500 oder 600 mm beträgt, und das 0,05 bis 0,07-fache, wenn er kleiner, beispielsweise 200 mm ist.

Der von dieser Kautschukschicht gebildete Zylinder soll eine starke Kompressionsbeständigkeit in radialer Richtung aufweisen. Der Fachmann kann Formulierungen auswählen, d.h. qualitativ und quantitativ die Elastomeren, Füllstoffe und Zusätze zusammenstellen, die eine Einstellung dieser Beständigkeit auf den gewünschten Wert erlaubt. Jedoch werden hierdurch der Beständigkeit gegen radiale Kompression nicht die sehr hohen Werte gegeben, die in bestimmten Anwendungsfällen nötig sind; um diese Schwierigkeit zu überwinden, bettet man in diese Kautschukschicht Metallringe ein, die über die ganze Länge des Schlauchs verteilt sind.

Das Paar oder die Paare, die unter (3) angeführt werden, sind von der Schlauchinnenwand am weitesten entfernt. Ihre Aufgabe liegt im wesentlichen darin, zusammen mit der Kautschukschicht, auf der sie liegen und mit dem oder den unter (1) genannten inneren Deckenpaaren dem Schlauch die anderen benötigten mechanischen Eigenschaften außer der Druckfestigkeit zu geben. Diese Decken bestehen aus Kabeln, die in einem Winkel zwischen 40 und 70° angeordnet sind.

Es ist nötig, daß sie aus Kabeln und nicht aus Fäden bestehen, weil bei Verwendung der letzteren einerseits der Radius, in

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dem der Schlauch ohne Beschädigung gekrümmt werden kann, vergrößert wird und andererseits die Wechselbiegebeständigkeit des Schlauchs vermindert wird.

Diese Kabel bestehen aus einem Material, das, wie Stahl, eine sehr hohe Bruchfestigkeit und einen hohen Dehnungsmodul aufweist, so daß einerseits die Anzahl der Decken begrenzt wird und andererseits die Eigenschaften dieser Decken, wenn sie beträchtlichen Spannungen unterworfen werden, ungefähr mit der Zeit gleich bleiben (die Verwendung eines Materials, das sich unter Fließen verlängert, würde nicht zeitkonstante Eigenschaften zu erzielen gestatten).

Um jedoch noch die Biegsamkeit des Schlauchs in Längsrichtung zu verbessern und seine Eigenschaften, wenn er in Gebrauch ist, mit der Zeit zu erhalten, kann man die unter (3) angeführten Decken aus sogenannten elastischen Kabeln ausführen.

Wie bekannt, hängen die Eigenschaften von Kabeln von der Art ab, in der die Einzelfäden vereinigt wurden. So kann man z.B. mit ein und demselben Material, wie z.B. einem Stahl hoher mechanischer Festigkeit und hohem Modul Kabel herstellen, die sich bei gleicher Bruchfestigkeit wenig oder im Gegensatz dazu stark längen.

Man nennt solche Kabel elastische Kabel, deren Bruchdehnung gleich oder über 4,5 % ist, denn wenn die Kabel eine solche Bruchdehnung aufweisen, besitzt die Zug-Dehnungs-Kurve, die damit zusammenhängt, vom Ursprung her eine breite Zone, in der die Dehnungen elastisch und die Zugmodulen schwach sind. Diese Kabel dehnen sich daher im wesentlichen unter schwachen Beanspruchungen elastisch; z.B. kann sich ein solches

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Kabel, dessen Festigkeit und Bruchdehnung 180 kg bzw. 5,6 % beträgt, unter einer Beanspruchung von 18 kg elastisch um 2,2 % dehnen; wenn diese Kabel in Kautschuk eingebettet sind, ist der Modul höher, aber die Dehnung bleibt elastisch und beträchtlich unter relativ schwachen Spannungen, beispielsweise für das vorstehend genannte Kabel 1,2 % unter 18 kg.

Es gibt daher keinen nachteiligen Effekt, der darauf beruht, daß die diese Decken bildenden Kabel sich unter angreifenden Spannungen dehnen, wenn sie ihre ursprünglichen Längen, von denen sie ausgegangen sind, wieder einnehmen, und wie vorstehend ausgeführt, weist ihre Verwendung große Vorteile auf, insbesondere wenn der Schlauch unter schweren Bedingungen eingesetzt wird.

Der Lagenwinkel dieser Kabel, der in den verschiedenen Deckenpaaren derselbe ist, beträgt zwischen 40 und 70°. Tatsächlich ist die Biegsamkeit der Schläuche in Längsrichtung ungenügend, selbst wenn die Decken aus elastischen Kabeln bestehen, wenn der Winkel unter 40° ist und wenn der Lagenwinkel 70° überschreitet, wird die Zugfestigkeit ungenügend.

Man stellt fest, daß das Intervall von 40 bis 70° den Gleichgewichtswert genannten Wert von etwa 55 umfaßt, der, wie man weiß -, einem solchen Lagenwinkel entspricht, das unter der Wirkung von Innendruck der Durchmesser und die Länge des Schlauchs sich nicht ändern. Man stellt aber auch fest, daß diese' Decken nicht durch den Innendruck beansprucht werden, · der von dem oder den unter (1) genannten Deckenpaaren aufge-· fangen wird, deren Kabel im Gleichgewichtswinkel angeordnet sind; für die unter (3) genannten Decken ist deshalb die Kenntnis des Gleichgewichtswinkels ohne Bedeutung für die wirklichen

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Arbeitsbedingungen des Schlauches.

Der Lagenwinkel wird in Funktion der Arbeitsbedingungen des Schlauches zwischen 40 und 70° gewählt. Wenn der Schlauch beispielsweise großen Zugkräften in Längsrichtung ausgesetzt wird und wenn aus diesem Grund die Zugbeständigkeit in Längsrichtung die wichtigste Eigenschaft ist, die der Schlauch aufweisen soll, werden die Kabel in einem Winkel von etwa 40 angeordnet; wenn andererseits die Zugkräfte nicht sehr groß sind und wenn der Schlauch vor allem Krümmungen, Biegungen und gegebenenfalls Unterdrucken standhalten soll, werden die Kabel in einem Winkel von nahe 70 angeordnet.

Die folgenden Ausführungsbeispiele, die durch die Figuren 1 und 2 wiedergegeben werden, die jeweils Teilschnitte des erfindungsgemäßen Schlauchs zeigen, verdeutlichen die Erfindung.

Der Schlauch gemäß Figur 1 hat einen Innendurchmesser von 400 mm. Er muß Zugkräfte in Längsrichtung von 1500 bis 20000 däfl aushalten und sehr vielen Biegungen und Krümmungen ohne Schaden unterworfen werden können.

Seine Armierung besteht aus dem Deckeninnenpaar 1 und dem Außenpaar 2, die voneinander durch die Kautschukschicht 3 von 14 mm Stärke getrennt sind.

Das Deckenpaar 1 besteht aus Metallkabeln, die in einem Winkel von 54 angeordnet sind; ihre mechanische Festigkeit ist so, daß sie den Druck der geförderten Flüssigkeit, der etwa 20 Bar beträgt, aushält.

Das Deckenpaar 2 besteht aus elastischen Metallkabeln, die in einem Winkel von 45° angeordnet sind.

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In die Schicht 3 sind Metallringe 4, verteilt über die gesamte Länge des Schlauch^ eingebettet; ihr kreisförmiger Querschnitt weist einen Durchmesser von 10 mm auf.^;

Wenn dieser Schlauchzug in Längsrichtung unterworfen wird, neigt das Deckenpaar 2 dazu, sich zu verlängern und die durch diese Decken gebildete Schraube dazu, den Durchmesser zu vermindern; diese Verminderung des Durchmessers wird jedoch durch die große Beständigkeit der Schicht 3, die durch Ringe 4 verstärkt ist, gegen radiale Kompression unmöglich gemacht. Unter diesen Bedingungen verlängert sich der Schlauch nicht oder nur wenig.

Obwohl die Kabel des Deckenpaars 2 nur einen relativ geringen Winkel mit der Längsrichtung bilden, kann sich der Schlauch in geringen Radien biegen: Ein Schlauch von 8 m Länge kann zu einem Winkel von 90° ohne die geringste Tendenz zur Einbauchung gebogen werden. Ferner kann er sehr zahlreichen Wechselbiegungen ohne Schaden unterworfen werden. Schließlich hält dieser Schlauch ohne Beschädigung Unterdrücke von über 10 Bar aus.

Obwohl der Schlauch Kräfte in Längsrichtung aushalten muß, unter deren Wirkung er die Neigung zur Dehnung besitzt , wird das Deckenpaar 2 aus elastischen Metallkabeln hergestellt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die auftretende Dehnung schwach ist und. keinen Nachteil darstellt, daß jedoch die Biegbarkeit in Längsrichtung wie auch die· Beständigkeit gegen wiederholte Krümmungen und Biegungen verbessert werden.

Der gleiche Schlauch, in derselben Weise jedoch ohne Ringe in der Schicht 3 hergestellt, kann noch Kräfte in Längsrichtung von 4ooo bis 6ooo daN aushalten.

ORIGINAL INSPECTED 709807/0299

- Io -

Der Schlauch nach Figur 2, der einen Innendurchmesser von 4oo mm aufweist, soll geringere Kräfte in Längsrichtung in der Größenordnung von looo bis 2ooo daN aushalten, jedoch sind seine Arbeitsbedingungen so, daß er ohne Schaden schnelle Krümmungen unter geringen Radien abtragen muß.

Seine Armierung besteht aus einem inneren Deckenpaar 5 und einem äußeren Deckenpaar 6, die durch eine 22 mm starke Schicht 7 voneinander getrennt sind.

Das Deckenpaar 5 besteht aus Metallkabeln, die in 54 angeordnet sind.

Das Deckenpaar 6 besteht aus elastischen Metallkabeln, die in 6o angeordnet sind.

ORlmAL INSPECTED

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   ( 1J Biegsamer Schlauch, dessen Armierung aus wenigstens zwei Deckenpaaren besteht, die voneinander durch eine Katschukschicht beträchtlicher Stärke getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel des äußeren Deckel

   sind.

   Deckenpaars in einem Winkel von 4o bis 7o° angeordnet
2. 2. Biegsamer Schlauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel des äußeren Deckenpaars elastisch sind.
3. 3. Schlauch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel des äußeren Deckenpaars aus Metall sind.
4. 4. Schlauch nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel des oder der inneren Deckenpaare in einem Winkel von 5o bis 55 angeordnet sind.
5. 5. Schlauch nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kautschukschicht das o,o3 bis 0,07-fache des Innendurchmessers des Schläuche beträgt.
6. 6. Schlauch nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, , daß in die Kautschukschicht, die das innere und das äußere Deckenpaar voneinander trennt, feste Ringe eingebettet sind.

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