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Gummischlauch und Verfahren für seine Herstellung
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Die Erfindung schafft einen Gummischlauch, der eine aus einem fadenverstärkten,
schraubenlinienförmig ausgebildeten Kunstharz-System hergestellte Einlage oder derartig
hergestellte Einlagen und ein ringsgewebtes oder schraubenlinienförmig aufgebautes
Einlagesystem aufweist und der gegen einen inneren und/oder äußeren Druck, bzw.
gegen Vakuum und gegen in Axialrichtung wirkende Zugkraftrz und/oder gegen Torsion
gleichzeitig belastbar ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gummischlauches.
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Bekannt sind spezielle Typen von nach herkömmlicher Technologie hergestellten
Gummi schläuche , die zur Aufnahme sowohl eines inneren Druckes als auch eines äußeren
Druckes und/oder einer durch Zug auftretenden Beanspruchung geeignet sind.
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Die bekannten Schläuche sind derart aufgebaut, daß sie ihrer Konstruktion
nach ein sogenanntes schraubenlinienförmig ausgebildetes Versteifungssystem kleiner
Gewindesteigung aufweisen, wobei oberhalb oder unterhalb des Versteifungssystems
zumindest ein im allgemeinen sogar mehrere Einlagesysteme angeordnet ist bzw. sind.
Das Material derartiger Einlagesysteme kann Textilgewebe oder Kord, bzw. Metalldraht
oder Metallgewebe sein, das entsprechend dem inneren Druck dimensioniert ist. Das
Material des Versteifungssystems ist in allen Fällen ein Metall, insbesondere ein
Stahldraht runden
oder viereckigen Querschnitts, der sowohl beim
Auftreten eines Vakuums als auch bei Auftreten eines äußeren Druckes eine bedeutende
Rolle spielt.
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In der Technik, insbesondere durch deren explosionsartige Entwicklung,
besteht eine Nachfrage nach Schläuchen, die verschiedenartige, zusammengesetzte
größere Beanspruchungen aushalten. Diese größeren Beanspruchungen werden durch äußeren
Druck, Zug, Torsion und Vakuum hervorgerufen, die aber auch alle zusammen gleichzeitig
auftreten können. Derartige Schläuche werden z.B. bei Bohrungen im Meeresboden,
bei einer flexiblen Bohrstange, bei Tiefbohrungen, bei Förderbahnen, bei flexiblen
Leitungen der Rammnämmer eingesetzt.
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Die oben beschriebenen, eine innere Verstärkungseinlage aufweisenden
Schläuche können die erwähnten übergroßen Beanspruchungen nicht aushalten. Da bei
einem vorgegebenen Drahtquerschnitt der die Verstärkung bildende Stahldraht mit
einer kleinen Gewindesteigung nur sehr schwer schraubenlinienförmig gewickelt werden
kann, - d.h. eine schraubenlinienförmig gewickelte Drahtverstärkung des Querschnitts,
der zum Aushalten der auftretenden Beanspruchung erforderlich wäre, ist kaum denkbar
- sind sowohl der Durchmesser als auch die obere Grenze der Belastbarkeit derartiger
Schläuche im voraus begrenzt. Ein weiterer Nachteil der schraubenlinienförmigen
Drahtverstärkung
besteht darin, daß sie - aufgrund ihrer Materialeigenschaft - nur eine kleine Deformationsmöglichkeit
bzw. Streckgrenze aufweist. Demnach verursachen schon kleine Umfangsdeformationen
bleibende Formänderungen.
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Aus der FR-PS 2 182 372 ist ein Schlauch bekannt, der auch größere
Beanspruchungen aushalten kann. Der Aufbau dieses bekannten Schlauches weicht ganz
und gar von der Konstruktion eines herkömmlichen Gummischlauches ab. Dieser Schlauch
enthält eine oder mehrere Verstärkungseinlagen, die aus Stahldrähten mit besonderen
Querschnitten bestehen. Diese Einlagen weisen S- oder förmige Querschnittsprofile
auf, welche miteinander verbunden sind. Die Biegsamkeit des bekannten Schlauches
wird durch die Bewegung der miteinander verbundenen Metallelemente und durch eine
elastomere Schicht zwischen den Einlagen gesichert. Ein großer Nachteil dieser Schläuche
besteht neben ihrem großen Gewicht darin, daß die aus dem Metall und elastischen
Material bestehenden Bestandteile nicht aneinander gebunden sind, so daß sich der
Schlauch nicht als ein einheitliches, homogenes System verhält. Dadurch wird der
Schlauch unter der Belastung eines Innendruckes steif und in dem Schlauch bilden
sich Spalte, die aber auch schon während seiner Herstellung zustande kommen können.
Die Profilelemente lösen sich voneinander und zwischen den so entstandenen Spalten
wird die Elastomer-Schicht eingeklemmt und sogar zermalmt. Es kommt auch vor,
daß
sich bei einer Verdrehung oder Verdrillung des Schlauches die miteinander verbundenen
Profildrähte voneinander trennen.
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Diese Stellen sind dann der Korrosion, einem Abschleifen und anderen,
die Lebensdauer herabsetzenden Einflüssen ausgesetzt.
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Wenn die Profildrähte beschädigt oder gar zerstört werden, besteht
die Gefahr, daß der Schlauch birst bzw. bricht.
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Bekannt ist ferner, bei Schläuchen, die einer Zug- und Biegebeanspruchung
ausgesetzt sind, eine Glasfaserverstärkung zu verwenden. In der Praxis war man bestrebt,
eine Glasfaserlaminat-Verstärkung in dem Schlauch zu verwenden. Derartige Lösungen
haben sich jedoch nur bei solchen Schläuchen bewährt, die entweder kleineren Beanspruchungen
ausgesetzt bzw. aus einem Kunststoff hergestellt sind. Konstruktionen derartiger
Schläuche sind in den britischen Patentschriften 1 504 495 und 1 197 595 beschrieben.
Das Wesen dieser Schläuche besteht darin, daß zum Aufbau der Schläuche extrudierte
Bänder, Formkörper mit Hohlräumen und im Inneren derselben Verstärkungen aus Glasfaser
verwendet werden.
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Der endgültige Aufbau des Produktes erfolgt unmittelbar nach der Extrusion
durch Bügeln oder durch eine damit kombinierte Wärmebehandlung. Die Glasfasern sind
flexionslos, parallel ausgerichtet, wodurch die schraubenlinienförmigen Einlagen
des Schlauches steif werden. Bei einer schraubenlinienförmigen Einlage großen Querschnitts
werden jedoch, wenn eine derartige Einlage gebogen wird, infolge der Längenunterschiede
der
Schraubenlinie,in den Fäden voneinander abweichende Vorspannungen zustandekommen.
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Aus der DT-OS 2 513 831 ist ein Schlauch bekannt, der sowohl innere
als auch äußere Drtick aushalten kann. Dieser Schlauch weist eine Verstärkungseinlage
auf, die oberhalb der Schlauchseele verlegt und aus Harz-Glasfaser-Ringen besteht.
Die Verwendung einer aus Glasfaser-Harz bestehenden schraubenlinienförmigen Wicklung
wird in der Beschreibung dieser Offenlegungsschrift ausdrücklich als nachteilig
herausgestellt.
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Da aber in dieser Offenlegungsschrift die Herstellung der aus Harz
und Glasfaser bestehenden Elemente und das Verfahren bezüglich ihrer Auflage auf
dem Schlauch beschrieben ist, wird die Technologie der Herstellung des Schlauches
schwerfällig, kompliziert und kann mittels der herkömmlichen Mittel bzw.
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Einrichtungen nicht durchgeführt werden. Ein weiterer Nachteil dieser
Konstruktion besteht darin, daß sie gegen eine größere, zusammengesetzte, aus mehreren
verschiedenartigen Beanspruchungen bestehende Belastung nicht widerstandsfähig ist.
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Ferner besteht die Gefahr, daß die dicht nebeneinander gelegten, aus
einer Harz- und Glasfaser-Kombination bestehenden Ringe eine nachteilige Wirkung
ausüben, denn infolge der Radial-Typ-Konstruktion wird der Schlauch steif und kann
daher nur schwer gebogen werden.
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Durch die Erfindung wird ein Schlauch geschaffen, der nach einer Kombination
der an und für sich bekannten Verfahren hergestellt wird, die keine wesentliche
Abweichung von der herkömmlichen Technologie der Gummiindustrie und auch keine kostspielige
Einrichtungen erfordert, und bei dem die Nachteile der bekannten Schläuche nicht
auftreten.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß ein homogener Zusammenbau der
versteifenden bzw. verstärkenden Einlagen, die aus durch Fäden verstärkten Kunstharz
bestehen und schraubenlinienförmig gewickelt sind, und der herkömmlichen Verstärkungseinlage
erzielt wird, so daß ein Schlauch geschaffen ist, der sehr große Beanspruchungen
aushalten kann und der geeignet.
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ist speziellen Anforderungen zu genügen, wobei er gleichzeitig mit
Hilfe der herkömmlichen Technologie bzw. deren Kombination hergestellt werden kann.
Durch das erfindungsgemaße Verfahren kann eine schraubenlinienförmige Wicklung größeren
Querschnitts hergestellt werden, da beim Aufbringen der schraubenlinienförmigen
Wicklung das Harz noch weich ist und keine große Biegekraft zum Auftragen erforderlich
ist, die im Falle der Verwendung von Stahldrahtprofilen gleichen Querschnitts erforderlich
wäre. Es wird darauf hingewiesen, daß unter dem Begriff Schlauch nicht nur die herkömmlichen
Schläuche zu verstehen sind, sondern alle Bauelemente, welche auf anderen Gebieten
der Industrie zur Aufnahme der oben erwähnten Beanspruchungen oder Belastungen geeignet
sind
und deren Herstellung bzw. Aufbau die Verwendung der erfindungsgemäßen Technologie
ermöglicht. Die zur Aufnahme der Zug- und Torsionsbeanspruchung geeigneten Bauelemente
sind beispielsweise nicht notwendigerweise koaxial, konzentrisch oder zylindrisch,
sie können Krümmungen in mehreren Richtungen aufweisen.
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Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Schlauches besteht darin, daß er
nebst seinem Einlagesystem, welches gegen Innendruck Widerstand leistet, eine Verstärkungseinlage
und/oder versteifende Einlagen aufweist, welche schraubenlinienförmig aufgebracht,
ganz oder teilweise mit Gummi überzogen sind, aus durch Fäden verstärkten Kunstharz
bestehen und zusammen mit der benachbarten Elastomer-Schicht ein quervernetztes
bzw. ausgehärtetes und zu derselben durch Adhesion angeschlossenes System bilden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemaßen Schlauches
wird in der durch Fäden verstärkten schraubenlinienförmig aufgebrachten Kunstharzwicklung
Glasfasermaterial verwendet, das zweckmäßig verseilt ist. Als Verstärkungsfäden
können vorteilhafterweise auch Stahl-, Karbon-, Bor-, Aramid-, Imid- bzw. Amidfäden
verwendet werden. Die aus durch Fäden verstärkte, schraubenlinienförmige Harzwicklung
kann notwendigerweise einen oder mehrere, eingeschlossene elektrisch leitende Bilden
aufweisen, beispielsweise biegsame Metalldrähte.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zwischen den
um zumindest 300 Wickelunterschied angebrachten Einlagen eine die Biegsamkeit und
das Zug- und Torsionsvermögen des Schlauches beeinflussende elastische Schicht (Kissenschicht
oder Bettungsschicht) eingelegt. Das verwendete Kunstharz ist vorteilhafterweise
Epoxiharz oder Fenolharz.
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Die durch Fäden verstärkten Wicklungseinlagen sind derart angebracht,
daß die Breite zwischen zwei benachbarten Gewindegängen höchstens ein Zehntel des
Einlagequerschnittes beträgt, oder - sofern eine Distanzschicht vorgesehen ist -
einen Wert ausmacht der um die Breite dieser Schicht höher ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das
durch Fäden verstärkte Kunstharz, das im gegebenen Fall vorgewärmt werden kann,
durch einen Extruder gezogen, wenigstens teilweise mit Gummi überzogen und danach
auf Zimmertemperatur während der durch die weiteren Verfahrensschritte bestimmten
Zeitdauer liegen gelassen wird, und daß dann entweder a) das durch Fäden verstärkte
Kunstharz noch vor einer Quervernetzung als eine Einlage oder in Form mehrerer Einlagen
schraubenlinienförmig auf den Schlauch aufgebracht wird, der in herkömmlicher Weise
aufgebaut wird, oder b) der Schlauch in bekannter Weise ganz oder teilweise aufgebaut
wird, wobei die Einlage oder Einlagen noch vor der Quervernetzung mit Gummi überzogen
und schraubenlinienförmig auf das halbfertige Produkt aufgebracht wird bzw. werden.
Schließlich erfolgt in
einem Verfahrensschritt (oder in mehreren
Verfahrensschritten) durch Vulkanisation die vollständige Quervernetzung bzw. Aushärtung.
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Ob man das Verfahren nach a) oder nach b) durchführt, hängt davon
ab, wieviele Einlagen der Schlauch in Form von schraubenlinienförmigen Kunstharzwicklungen
aufweist.
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Der erfindungsgemäß aufgebaute Schlauch wird anhand der beigefügten
Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Aus der detaillierten Beschreibung gehen
weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor. Der Einfachheit halber wird
nachstehend anstelle von durch Fäden verstärktes Kunstharz die Bezeichnung Kunstharz-
und Glasfaser-System verwendet, das schraubenlinienartig um die Längsachse eines
Schlauches gewickelt ist.
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Die Erfindung umfaßt aber auch Ausführungsformen, bei denen anstelle
der Glasfasern eine andere Art von Faserverstärkung verwendet wird. Das durch die
Fäden versteifte Kunstharz kann in Schläuchen ähnlicher Konstruktion außer oder
zwischen den an und für sich bekannten Verstärkungseinlagen eingelegt werden. In
der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schlauches
im Längsschnitt; Fig. 2 und 3 zwei weitere Ausführungsformen im Längsschnitt, Fig.
4 und 5 Querschnitte des schraubenlinienförmig gewickelten Kunstharz- und Glasfasersystems,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform im Längsschnitt,
Fig. 7 einen
Querschnitt durch das aus Fig. 6 ersichtliche Kunstharz- und Glasfaser-System und
Fig. 8 einen Querschnitt durch ein dem aus Fig. 6 ersichtlichen ähnlichen Kunstharz-
und Glasfaser-System, bei dem ein leitender Metallfaden eingebaut ist.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der Schlauch mit einer inneren Gummischicht
1 versehen, die mit einer Umhüllung 2 eines schraubenlinienartig gewickelten Kunstharz-
und Glasfaser-System 3 quervernetzt wird. Der Schlauch weist ferner Verstärkungseinlagen
7, 8 und eine Gewebeverstärkung 5 auf.
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Gegen äußere mechanische und chemische Einwirkungen wird der Schlauch
durch eine Ummantelung 10 geschützt, die ihrerseits mit einer Gewebeverstärkung
9 versehen ist. Unterhalb der Verstärkungseinlagen 7, 8 und zwischen der Gewebeverstärkung
5 befindet sich eine elastische Schicht 6.
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Aus Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform ersichtlich, die von der
in Fig. 1 dargestellten darin verschieden ist, daß keine innere Gummischicht 1 vorhanden
ist. Die innerste Schicht wird nämlich bei dieser Ausführungsform von der zum Inneren
des Schlauches weisenden Fläche der Umhüllung 2 gebildet, die das schraubenlinienförmig
gewickelte Kunstharz- und Glasfaser-System 3 umgibt.
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Aus Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform ersichtlich, bei der das
schraubenlinienartig gewickelte Kunstharz- und Glasfaser-System 3 nur teilweise
mit einer Umhüllung 2 aus Gummi überzogen ist, so daß die zum Inneren des Schlauches
weisenden Flächen des Kunstharz- und Glasfaser-Systems3 frei liegen.
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Der Querschnitt des aus Fig. 3 ersichtlichen Kunstharz- und Glasfaser-Systems
3 ist in Fig. 4 dargestellt. In dem aus Fig.
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5 ersichtlichen Querschnitt des schraubenlinienförmig gewickelten
Kunstharz- und Glasfaser-Systems 3 ist ein elektrisch leitender Faden 3a eingelegt.
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Der aus Fig. 6 ersichtliche Schlauch weist eine zusammengesetzte Schlauchseele
auf, durch die der Schlauch abgedichtet ist. Die innere Gummischicht 1 ist derart
gewählt, daß ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften gegenüber denen des
geförderten Mediums angepaßt sind. Die Gummischicht 1 bildet mit einer gewindeartig
aufgetragenen Gummiumhüllung 2 eine unzertrennbare Einheit. In der Gummiumhüllung
ist das Kunstharz- und Glasfaser-System 3 eingebettet und mit diesem quervernetzt.
Das aus Kunstharz- und Glasfaser bestehende System 3 ist zweckmäßig 1-bis 3-gewindegängig,
wodurch ein.
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Abstand t. zwischen den einzelnen Gewindegängen der Schraubenwicklung
beliebig veränderbar ist. Zwischen jedem Gewindegang ist eine Abstandsschicht 4
eingelegt.
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Der im Inneren des Schlauches herrschende Druck wird zum einen Teil
auf das aus Kunstharz und Glasfaser bestehende System 3 und zum anderen über den
Abstand t auf die Verstärkungseinlagen 7, 8 übertragen. Gegen äußere chemische und
physikalische Einwirkungen wird der Schlauch durch eine mit einer Gewebeverstärkung
9 versehenen Ummantelung 10 geschützt.
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Die Verwendung eines schraubenlinienartig gewickelten Kunsthar- und
Glasfaser-System 3, das mit einem elektrisch leitenden Faden 3a (vgl. Fig. 8) versehen
ist, ermöglicht, daß der Schlauch elektrisch leitend wird. Dadurch wird ein metallischer
Kontakt zwischen den Schlauchelementen zustandegebracht.
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Da der Schlauch sowohl gegen Zug- wie auch gegen Torsionsbeanspruchungen
widerstandsfähig sein soll, wird über die Verstärkungseinlagen 7,8 über die elastische
Schicht 6 und über die obere Schicht der Gummiumhüllung 2 eine nach innen gerichtete
Kraftverteilung auf die schraubenförmige Wicklung 3 übertragen. Durch diese Belastung
kann im Grenzfall das aus Kunstharz und Glasfaser bestehende System 3 zerstört werden,
da eine an der Rektifikationsebene der Schraubenlinie wirkende Knickung oder eine
räumliche Ausbeulung zustandekommen kann.
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Bei Versuchen wurde festcrestelltL.baß L #aß eine räumliche Ausbeulung
bei
kleineren Belastungen erfolgt und die Belastbarkeit des Schlauches günstiger ist,
wenn das Verhältnis b/o (vgl. Fig. 6: b = Breite und a = Dicke des Kunstharz- und
Glasfaser-Systems 3) derart gewählt wird, daß die Wahrscheinlichkeit einer planaren
und räumlichen Ausbeulung mindestens gleich ist. Dies ist der Fall, wenn das Verhältnis
so gewählt ist, daß b = 1,4 a ist.
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Um die Zugsteifigkeit des Schlauches auf einem bestimmten Wert zu
halten und die vorteilhaften Schwingdämpfungseigenschaften zu bewahren, ist es zweckmäßig,
wenn dieses Verhältnis weiter erhöht wird, ohne daß die Stabilität des Schlauches
dadurch ungünstig würde.
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Wenn die beiden Einlagen unmittelbar übereinander angeordnet wären,
so wäre auch der Elastizitätsmodul - der die Zugsteifigkeit des Schlauches angibt
- von dem Elastizitätsmodul der Verstärkungseinlagen 7, 8 und von dem Druckelastizitätsmodul
des aus Kunstharz und Glasfaser bestehenden Systems 3 abhängig. Die dazwischenliegende
elastische Schicht 6 (Kissenschicht bzw. Bettungsschicht) hat die Aufgabe, eine
Regelungsmöglichkeit für die Auswahl einer entsprechenden Elastizität zu bieten.
Nebst dieser elastischen Schicht 6 kann durch die Erhöhung des Verhältnisses t/b
die Verminderung der Zugsteifigkeit ermöglicht werden.
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Unter den hydraulischen Merkmalen des Schlauches ist außerdem die
dynamische Schwingungsdämpfung wichtig. Die elastische Kissenschicht 6 zwischen
den versteifenden Verstärkungseinlagen sowie die Abstandsschicht 4, die in dem Abstand
t angeordnet ist, sind zur Speicherung einer Deformationsarbeit fähig. Der Schlauch
kann daher in einem hydraulischen System verwendet werden, bei dem sehr große ungleiche
Druckschwingungen auftreten.
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Die Änderung der Schlauchlänge, die infolge eines Innendruckes zustandekommt,
ist außer von den Steigungen der Verstärkungseinlagen 7,8 auch von den Abmessungen
des Kunstharz- und Glasfasersystens 3 und der Abstandsschicht 4 abhängig. Die Erhöhung
der Breite b und die Verminderung des Abstandes t bewirken, daß das Kunstharz- und
Glasfaser-System 3 einen Teil des Innendruckes übernimmt und den anderen Schichten
eine Dehnungskraft verleiht.
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Die dynamischen Effekte des Schlauches können in beliebigen Kombinationen
ausgenutzt werden. Mit Hilfe der optimalen Auswahl der Abmessungen a, b und t des
Kunstharz- und Glasfasersystems 3 kann eine am besten geeignete Charakteristik für
ein vorgegebenes, mechanisches System gesichert werden.
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Ein großer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Schlauch auf
einem breiteren Anwendungsgebiet eingesetzt werden kann als die bisher bekannten,
herkömmlichen Konstruktionen.
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L e e r s e i t e