DE2818549A1

DE2818549A1 - Waermestabiles kabel, sowie verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2818549A1
Application number: DE19782818549
Authority: DE
Inventors: Williard G Hudson; Donald L Snellman
Original assignee: Norfin Inc
Current assignee: Norfin Inc
Priority date: 1978-04-27
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1979-10-31

Description

Wärmestabiles Kabel, sowie Verfahren zu dessen
Herstellung Die Erfindung betrifft ein wärmestabiles Kabel sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Erfindung betrifft damit Kabel, bei denen die thermisch bedingten Längenänderungseffekte so steuerbar sind, dass Kabel erhalten werden, die sich bei verschiedenen Temperaturen entweder ausdehnen, zusammenziehen oder im wesentlichen eine konstante Länge beibehalten. Die Erfindung wird dabei in Verbindung mit einem Glasfaserverbundkabel beschrieben, das aus schraubenlinienförmig geschichteten Glasfäden besteht, die in einem elastomeren Bindematerial eingebetten und damit verbunden sind; andere verträgliche Verstärkungs- und Bindematerialien können jedoch ebenfalls verwendet werden.
Der hier verwendete Ausdruck "VerstärkungsmateriaL bezieht sich auf Zuglast aufnehmende Elemente, die die an das Kabel angelegten Zugkräfte übertragen, während der Ausdruck "Bindematerial" sich auf das Material bezieht; in dem die lasttragenden Elemente eingebettet sind.
Metallische und nichtmetallische Kabel, wie Glasfaserkabel, verlängern sich gewöhnlich mit zunehmender Temperatur. Der Umfang der wärmebedingten Längung ist eine Funktion des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kabelmaterials und der Temperaturänderung,der das Kabel unterworfen ist.
Bei vielen Kabelanwendungsfällen ist eine übermässige oder ungesteuerte Wärmelängung sehr unerwünscht. So kann z.B.
die Wärmelängung von einem als Verstärkungsorgan für auf gehängte elektrische Transmissionsleitungen verwendeten Kabel einen gefährlichen Durchhang der Leitung hervorrufen.
Durch die Erfindung hingegen wird ein Kabel geschaffen, bei dem sich die Wirkungen aus der Wärme längenänderung steuern lassen1 um je nach den Wärmeausdehnungseigenschaften von verwendeten Verstärkungs- und Bindematerial Kabel vorzusehen, die sich bei ändernden Temperaturbedingungen entweder ausdehnen, zusammenziehen oder in ihrer Länge im wesentlichen konstant bleiben.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verstärkungsmaterial aus durchgehenden Fäden und das Bindematerial, in dem die Fäden eingebettet sind, aus einem elastomeren Stoff. Vorzugsweise ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des elastomeren Materials wesentlich grösser als der der Fäden. Die Fäden sind in sich überlappenden konzentrischen Lagen angeordnet, wobei sie schraubenlinienförmig unter einem konstanten Schraubenwinkel vom Kabelmittelpunkt zur äusseren Oberfläche aufgeschichtet werden. Das elastomere Material umgibt die einzelnen Fäden und verbindet diese mit den Fäden der gleichen sowie benachbarten Lagen.
Bei Erwärmung wird der Wärmelängung der einzelnen Fäden durch die gleichzeitige, radial gerichtete wärmebedingte volumetrische Expansion des elastomeren Materials entgegengewirkt. Der Tendenz der einzelnen Fäden, sich mit zunehmender Temperatur zu verlängern, steht daher die Kontraktion, hervorgerufen durch die radiale Expansion des elastomeren Materials, entgegen. Was die Gesamtlänge des Kabels betrifft, so lässt sich daher die Wärmelängung des Kabels bei zunehmender Temperatur durch eine gleichzeitige Erhöhung der Kabelquerschnittsfläche, hervorgerufen durch die radiale Komponente der volumetrischen Expansion des elastomeren Materials, auf Null kompensieren. Bei Abkühlung wirkt natürlich der Wärmekontraktion der einzelnen Fäden die gleichzeitige radial gerichtete, volumetrische Kontraktion des elastomeren Materials entgegen. Diese volumetrische Kontraktion des elastomeren Materials bedingt eine Verkleinerung der Kabelquerschnittsfläche, wodurch die Wärmekontraktion des Kabels auf Null gebracht wird. In jedem Fall gilt, dass, je grösser der Schraubenwinkel ist. unter dem die Fäden aufgeschichtet sind, desto grösser die erhaltene Kompensationswirkung wird und umgekehrt. Durch Festleung des Schraubenwinkels, unter dem die Fäden aufgeschichtet werden, und Konstanthaltung dieses Winkels vom Kabelmittelpunktbis zQr äusseren Oberfläche, lassen sich daher je nach Wärmeausdehnungseigenschaft der verwendeten Verstärkungs- und elastomeren Materialien Kabel erhalten, die sich entweder ausdehnen, zusammenziehen oder eine konstante Länge haben. Bei den meisten praktischen Anwendungsfällen erfolgt die Steuerung der Kabellänge dadurch, dass man den Schraubenwinkel unabhängig von der auf das Kabel einwirkenden Zugbelastung festlegt; bei gewissen hohen Spannungsfällen kann jedoch der Schraubenwinkel auch weiter in bezug auf die Elastizität des verwendeten Fadenmaterials gebracht werden.
Der Schraubenwinkel, unter dem die Zugkraft aufnehmenden Elemente übereinandergeschichtet werden, um ein wärmestabiles Kabel zu erhalten, ergibt sich aus der folgenden Gleichung: Darin bedeuten sin(x) = Sinus des Schraubenwinkels xr kB = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Bindematerials, k5 = linearer Wärmeausdehfiungskoeffizient des Verstärkungsmaterials, = = volumetrischer prozentualer Anteil des Bindematerials.
Die erfindungsgemässen Prinzipien sind insbesondere für die Anwendung bei Glasfaserkabeln geeignet, die aus mehreren konzentrischen, sich überlappenden Lagen von schraubenlinienförmig gelegten Glasfaserrovings bestehen, wobei jeder Roving eine Vielzahl von im wesentlichen nichtverdrillten, grundsätzlich parallelen Glas fäden enthält. Jeder Faden wird von einer ausgehärteten Elastomerhülle umgeben, die mit der Hülle verbunden ist, die die benachbarten Fäden in der gleichen Lage oder den benachbarten Lagen umgibt. Bei der Kabelherstellung werden die Rovings schraubenlinienförmig zur Bildung einer anfänglichen Aufbaustruktur zusammengewickelt und dann weitere Rovinglagen schraubenlinienförmig um die anfängliche Struktur gewunden, wobei der Schraubenwinkel konstant gehalten wird, bis ein Kabel mit dem gewünschten Durchmesser vorliegt. Das Glasfaserverbundkabel wird unter Verwendung einer Vorrichtung grundsätzlich ähnlicher Bauart wie die in der US-PS 3 663 553 beschriebene, gefertigt.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Kabel mit kontinuierlichen Glasfäden, die in Form von Rovings unter einem konstanten Schraubenwinkel vom Kabelmittelpunkt bis zur äusseren Oberfläche schraubenlinienförmig aufeinandergeschichtet werden und in einem elastomeren Material miteinander verbunden sind. Bei Erwärmung wird der Wärmelängung der Fäden durch die gleichzeitige radial gerichtete volumetrische Wärmeexpansion des elastomeren Materials entgegengewirkt. Was die Gesamtlänge des Kabels betrifft, so steht der Wärmelängung des Kabels die gleichzeitige Zunahme der Kabelquerschnittsfläche entgegen, so dass sich die Wärmelängungswirkungen unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungseigenschaften der verwendeten Verstärkungs- und elastomeren Materialien dadurch beeinflussen lassen, indem man den Schraubenwinkel,unter dem die Fäden aufgeschichtet werden, so steuert, dass je nach Wunsch entweder sich ausdehnende, sich zusammenziehende oder Kabel mit konstanter Länge vorliegen.
Die bei Abkühlung des Kabels hervorgerufenen Wärmekontraktionswirkungen können ebenfalls durch Steuerung des Schraubenwinkels beeinflusst werden.Bei .manchen Anwendungsfällen, wo das Kabel hohen Zugbelastungen ausgesetzt wird, kann der Schraubenwinkel zusätzlich in bezug zur Zuglast unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls der verwendeten Fäden gebracht werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere für schraubenlinienförmig aufgeschichtete Glasfaserkabel, die in einem weiten Temperaturbereich wärmestabil sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einem Abschnitt eines erfindungsgemässen Glasfaserverbundkabels mit Darstellung von einem während des Kabelaufbaus aufgegebenen Glasfaserrovings, Fig. 2 eine geschnittene Ansicht des Kabels nach Fig. 1 mit Hinweis auf die volumetrische Wärmeexpansion des Kabels, Fig. 3 eine grafische Ansicht bezüglich des Zusammenhangs zwischen der Temperatur und dem Längungs-bzw. Kontraktionsverhalten von konventionellen Kabeln und einem Glasfaserkabel nach Fig. 1 bei unterschiedlichen Schraubenschichtungswinkeln, Fig. 4 eine grafische Ansicht bezüglich des Zusammenhangs zwischen dem Schraubenwinkel und der Gesamtkontraktion von Glasfaserkabeln nach Fig. 3, Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht bezüglich des Wärmelängungs- und Kontraktionsverhaltens von Kabeln nach Fig. 1 aus unterschiedlichen und unter verschiedenen Schraubenwinkeln aufgeschichteten Fadenmaterialien, Fig. 6-9 schematische Ansichten bezüglich der Auswirkung der Temperatur auf eine Einheitslänge des Kabels nach Fig. 1, Fig. 10 eine grafische Ansicht bezüglich des Zusammenhangs zwischen dem errechneten Schraubenwinkel bei Wärmestabilität und dem Produkt des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von und dem prozentualen Anteil des Bindematerials im Kabel nach Fig. 1, unter Vorsehen von Verstärkungsmaterialien mit verschiedenen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, Fig. 11 eine grafische Ansicht des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Kontraktion des Kabels nach Fig. 1 unter verschiedenen Zugbelastungen, und Fig. 12 eine schematische Ansicht der Auswirkung der Zugbelastung auf eine Einheitslänge des Kabels nach Fig. 1 Das Glasfaserkabel nach Fig. 1 und 2 umfasst eine Vielzahl von sich überlappenden k-azentrischen Lagen aus schraubenlinienförmig geschichteten Glasfaserrovings 2. Jeder Roving besteht aus einer Vielzahl von im wesentlichen nicht verdrillten, grundsätzlich parallelen Glasfäden 4. Die Fäden 4 sind, wie in Fig. 1 gezeigt, unter einem Schraubenwinkel x schraubenlinienförmig geschichtet, wobei der Winkel x vom Kabelmittelpunkt bis zur äusseren Oberfläche konstant bleibt. Jeder Faden wird von einer ausgehärteten Elastomerhülle umgeben, die mit den die benachbarten Fäden an sowohl gleichen als auch benachbarten Schichten umgebenden Elastomerhüllen verbunden ist, so dass eine elastomere Kabelmatrix 6 gebildet wird.
Das Glasfaserkabel nach Fig. 1 und 2 wird hergestellt, indem eine Vielzahl von Glasfaserrovings 2 zur Bildung einer anfänglichen Aufbaulage schraubenlinienförmig zusammengewickelt wird und danach weitere Glasfaserrovings 2 in schraubenlinienförmiger Weise um die anfängliche Aufbaulage gemäss Fig. 1 gewunden werden, um eine Vielzahl von sich überlappenden konzentrischen Lagen zu bilden, bis ein Kabel mit dem gewünschten Durchmesser vorliegt. Daher ist das fertige Kabel kernlos und hat einen im wesentlichen homogenen Querschnitt.
Die ausgehärtete, jeden Faden umgebende Elastomerhülle wird während der Kabelherstellung unter Verwendung von einem Zweikomponentenelastomermaterial gebildet. Gemäss einem bekannten Herstellungsverfahren wird während des Aufbaus der ersten und nachfolgenden Lagen ein gewisser Teil der Rovings mit einer Umhüllungskomponente-getränkt, die das nichtgehärtete elastomere Material ist. Die verbleibenden Rovings werden mit der anderen Umhüllungskomponente, bei der es sich um das Aushärtungsmittel oder den Härter handelt, getränkt. Wenn die Rovings während der Aufschichtung auf das Kabel aufgelegt werden, reagieren diese beiden Romponenten unter Bildung einer elastomeren Kabelmatrix miteinander, so dass jeder Faden von einer ausgehärteten elastomeren Hülle umgeben wird, die mit den Hüllen verbunden ist, die benachbarte Fäden sowohl in der gleichen als auch in den benachbarten Lagen umgeben. Urethanelastomere werden für die erfindungsgemässen Glasfaserkabel bevorzugt; welches bestimmte Bindematerial jedoch ausgewählt wird, hängt von der Art des verwendeten Fadenmaterials und den gewünschten Wärmeausdehnungseigenschaften des Elastomers ab. Zum Beispiel können für die Erfindung andere polymere Bindematerialien verwendet werden. Das Glasfaserverbundkabel nach Fig. 1 und 2 sowie das Verfahren und die Vorrichtung zum Herstellen des Kabels, sind im Detail in der US-PS 3 662 533 dargestellt und beschrieben, so dass hierauf ausdrücklich Bezug genommen wird.
In nicht zu erwartender Weise wurde festgestellt, dass das Glasfaserverbundkabel der hier beschriebenen Bauart sich je nach dem Schraubenwinkel, unter dem der Glasroving aufgelegt wird, unter in weitem Umfang sich ändernden Temperaturverhältnissen entweder ausdehnt, zusammenzieht oder in seiner Länge im wesentlichen konstant bleibt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verhalten von Kabeln, ermöglicht ferner die erfindungsgemässe Lehre eine genaue Steuerung des Wärmeverhaltens des Kabel5indem der Schraubenwinkel,unter dem die Fäden aufgeschichtet werden, in Beziehung zu den Wärmeausdehnungseigenschaften von Faden und verwendeten elastomeren Materialien gebracht wird.
Bei Erwärmung wird der Wärmeausdehnung der einzelnen Fäden durch die gleichzeitige volumetrische Wärmeexpansion des elastomeren Materials entgegengewirkt. Wie durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet, erfolgt die volumetrische Wärmeexpansion des Elastomer hauptsächlich in radialer Richtung. Diese radial gerichtete Komponente der volumetrischen Expansion des elastomeren Materials will das Kabel zusammenziehen, so dass eine Gegenwirkung gegen die Neigung der einzelnen Fäden vorliegt, sich mit zunehmender Temperatur zu verlängern.
Was die gesamte Kabellänge betrifft, so kann daher die Wärmelängenänderung des Kabels bei zunehmender Temperatur durch eine Vergrösserung der Kabelquerschnittsfläche, hervorgerufen durch die radiale Komponente der volumetrischen Ausdehnung des elastomeren Materials1 auf Null gebracht werden, so dass ein thermisch stabiles Kabel vorliegt.
Die Menge an pro Einheitslänge des Kabels vorliegendem elastomeren Material und damit der erhaltene Kompensationseffekt, wird durch den Schraubenwinkel, unter dem die Rovings aufgelegt werden, gesteuert. Da die Fäden von dem elastomeren Material umgeben sind, das die Kabelmatrix 6 darstellt, lässt sich die Menge an pro Kabellänge vorhandenem elastomeren Material durch Vergrösserung der Anzahl an Fadenwindungen pro Kabeleinheitslänge erhöhen. Je grösser die Anzahl an Windungen oder die Fäden 4 enthaltenden Rovings 2ist, die pro Kabellänge aufgegeben werden, umso grösser wird der erzielte Kompensationseffekt und umgekehrt. Der Schraubenwinkel x, unter dem die Rovings aufgegeben werden, bestimmt natürlich die Anzahl an Rovingwindungen und damit die Menge an elastomerem Material pro Kabellänge. Daher lässt sich der Schraubenwinkel, unter dem der Glasroving aufgelegt wird, als Steuerfaktor für die Bestimmung verwenden, ob eine gegebene Kabellänge bei Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur thermostabil ist, sich zusammenzieht oder verlängert. Daher können entweder sich ausdehnende, zusammenziehende Kabel, sowie solche mit konstanter Länge erhalten werden, indem man den Schraubenwinkel, unter dem die Glasrovings aufgelegt werden, in Beziehung zu den Wärmeausdehnungseigenschaften des Fadens und der verwendeten elastomeren Materialien wählt und den Schraubenwinkel während des Lagenaufbaus vom Kabelmittelpunkt bis zur äusseren Oberfläche konstant hält. Es versteht sich jedoch, dass die Menge an elastomerem oder anderem Bindematerial pro Kabeleinheitslänge auch durch andere Massnahmen gesteuert werden kann.
Bei Abkühlung wird natürlich der Wärmekontraktion der einzelnen Fäden durch die gleichzeitige volumetrische Wärmekontraktion des elastomeren Materials in Radialrichtung entgegengewirkt. Diese radial gerichtete Komponente der Volumen-kontraktion des elastomeren Materials bewirkt eine Verringerung der Rabelquerschnittsfläche und wirkt damit der Wärmekontraktion des Gesamtkabels entgegen. Das erfindungsgemässe Prinzips gilt damit auch zur Steuerung der Wärmekontraktionseffekte von Kabeln bei deren Abkühlung; aus Gründen der Übersichtlichkeit und des einfacheren Verständnisses wird die Erfindung jedoch nachfolgend in Verbindung mit der Steuerung der bei Erwärmung des Kabels hervorgerufenen Wärmelängenänderungseffekte erläutert.
Die Kabeleinheitslänge,in bezug auf eine bestimmte Kabelschicht, wird hier als "Steigung" bezeichnet, die sich aus dem Produkt des Cotangents des Schraubenwinkels und dem Kabelumfang wie folgt ergibt: b = a cot(x) (1.
Darin bedeuten: b = Steigungshöhe cot(x) = Cotasgents des Schraubenwinkels x a = Kabelaussenumfang.
Die Steigungshöhe in Gleichung (1.) ist die auf der Längsachse des Kabels gemessene zurückgelegte Länge bei einer vollständigen, über 3600 sich erstreckenden Schraubenwindung eines Roving 2 um das Kabel. Der Roving folgt dem Weg von einer Schraubenwindung, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
Es versteht sich natürlich, dass die Steigungshöhe vom Kabelmittelpunkt zur äusseren Oberfläche für jede Kabellage zunehmend länger wird und daher die Anzahl an Rovingwindungen in jeder Lage progressiv abnimmt, wenn der Schraubenwinkel während des Aufbaus sämtlicher Rabellagen konstant gehalten wird. In den meisten praktischen Fällen jedoch werden genaue experimentelle Ergebnisse und Berechnungen erhalten, indem man nur auf die Steigung an der Kabelaussenfläche oder am Enddurchmesser Bezug nimmt. Dies ist Folge der physikalischen Eigenschaften der elastomeren Kabelmatrix 6 und des Umstandes, dass die thermischen Längenänderungseffekte in bezug auf eine Einheitslänge des eine Vielzahl von sich überlappenden Lagen aufweisenden Kabels über die gesamte Kabelquerschnittsfläche gleichförmig sind. Daher beziehen sich sämtliche nachfolgenden Angaben,bezüglich einer bestimmten "Steigunglauf die "Steigungshöhe" an der äusseren Kabellage.
Das besondere Wärmeverhalten des erfindungsgemässen Glasfaserkabels kann am besten anhand der in Fig. 3 gezeigten Versuchsergebnisse verstanden werden. Diese Versuche betreffen Untersuchungen an konventionellen und schraubenlinienförmig geschichteten Glaskabeln mit unterschiedlichen Schraubenwinkeln bei ähnlichen Temperatur- und Zugspannungsverhältnissen. Die Versuchskabel wurden Temperaturen im Bereich von 21 bis 77 0C und einer Zugkraft von etwa 906 kp ausgesetzt.
Bei den untersuchten herkömmlichen Kabeln bestand das Versuchskabel 1 aus einer zylindrischen Gruppierung von parallelen Glasfasern, die sich um etwa 0,38 mm bei einem 2,5 m langen Kabelabschnitt verlängerten. Kabel 2, ein Drahtseil von 8 mm Durchmesser, verlängerte sich um etwa 1,14 mm bei einem Kabellängenabschnitt von 2,5 m. Kabel 3 bestand aus einer Stahlbandierung von 0,64 mm x 12,7 mm und verlängerte sich bei einem Kabellängenabschnitt von 2,5 m um etwa 1,98 mm.
Die schraubenlinienförmig geschichteten Glasfaserversuchskabel hatten sämtlich einen Durchmesser von 9,53 mm und waren nach der in der US-PS 3 662 533 beschriebenen Weise mit der Ausnahme jedoch hergestellt worden, dass das nicht ausgehärtete, auf die Glasfaserrovings vor dem Verdrillen aufgegebene Urethanharz im Aushärtungsmittel eingefügt war.
Bei dem verwendeten Fasermaterial handelte es sich um handelsüblich erhältliches Glas, welches von der Owens Corning Corporation hergestellt wird und als "S"-Glas bekannt ist. Wie Fig. 3 zeigt, zog sich das Kabel a, das aus Fäden, die unter einem Schraubenwinkel von etwa 250 15 min aufgeschichtet waren, bestand, um etwa 1,78 mm bei einer Kabellänge von 2,5 m zusammen. Kabel b wurde aus Fäden aufgebaut, die unter einem Schraubenwinkel von etwa 21050 min aufgeschichtet wurden, und zog sich bei einer Kabellänge von 2,5 m um etwa 1,02 mm zusammen. Kabel c bestand aus unter einem Schraubenwinkel von etwa 17°25 min aufgeschichteten Fäden und kontrahierte bei einer Kabellänge von 2,5 m um etwa 0,64 mm. Kabel d bestand aus unter einem Schraubenwinkel von etwa 11045 min aufgeschichteten Fäden und zog sich bei einer Kabellänge von 2,5 m um etwa 0,18 mm zusammen. Kabel e bestand aus unter einem Schraubenwinkel von etwa 706 min aufgeschichteten Fäden und kontrahierte bei einer Kabellänge von 2,5 m um etwa 0,05 mm.
Fig. 4 zeigt grafisch die Auswirkung des Schraubenwinkels auf die Wärmestabilität der Glasfaserkabel nach Fig. 1. In Fig. 4 ist der Schraubenwinkel über der Gesamtkontraktion der Kabel a bis e in Fig. 3 aufgetragen. Die Kabel d und e, die unter Schraubenwinkeln unter etwa 11045 min aufgeschichtet waren, blieben bei Temperaturen im Bereich von 21 bis 77 0C hinsichtlich ihrer Gesamtlänge im wesentlichen konstant. Das heisst, diese Kabel erwiesen sich bei Erwärmung um 550C als wärmestabil. Die restlichen Versuchskabel mit Schraubenwinkeln oberhalb des genannten Winkels zeigten jedoch bei Erwärmung um 55"C eine erhebliche Kontraktionsneigung, so dass sie nicht wärmestabil waren.
Wie in Fig. 5 gezeigt, beeinflusst das Wärmeausdehnungsverhalten des verwendeten Fadenmaterials die Wärmelängenänderung des Kabels nach Fig. 1. Die Kabel d und c entsprechen den Kabeln d und c in Fig. 3 und bestanden aus "S"-Glasfäden, die unter Schraubenwinkeln von etwa 11045 min bzw. 17015 min aufgeschichtet waren Die beiden anderen, grundsätzlich ähnlichen, Kabel f und g bestanden aus handelsüblich erhältlichem "E"-Glas, hergestellt von der Owens Corning Corporation.
Die "E'¢-Glasfäden der Kabel f und g waren unter Schraubenwinkeln von etwa 180 bis 110 aufgeschichtet. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von "E"- und "S"-Glas beträgt 2,8 x 106 inch/inchOF, bzw. 1,6 x 106 inch/inchOF. Wenn diese vier Kabel der gleichen Zugbelastung unter den angegebenen Temperaturbedingungen unterworfen wurden, zeigten beide Kabel d und c aus "S"-Glas grössere Kontraktionen. Die Kabel f und g aus "E"-Glas zogen sich aufgrund des höheren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten "E"-Glasfäden weniger als die "S"-Glaskabel unter den gleichen Temperaturbedingungen zusammen. Offensichtlich versagte der Kontraktionseinfluss der durch die volumetrische Expansion des die Kabelmatrix bildenden Elastomers hervorgerufen wird, hinsichtlich des Nullausgleichs der erhöhten, von den "E"-Glas fäden hervorgerufenen Wärmelängung.
Man wird einsehen, dass das Wärmeexpansionsverhalten des verwendeten Elastomers ebenfalls das Wärmeverhalten der erfindungsgemässen Kabel beeinflusst. Zum Beispiel ist es, wie schon erwähnt, möglich, durch Verwendung von einem Elastomer, Polymer oder anderem Bindematerial mit ausreichender radialer Wärmeexpansionskomponente, die Neigung der "E"-Glasfäden zur Wärmelängenänderung (vgl. Fig. 5) auf Null zu kompensieren, so dass ein thermisch stabiles Kabel erhalten wird.
Damit ist es möglich, für einen ausgewählten Schraubenwinkel das Wärmelängenänderungsverhalten von einem schraubenlinienförmig aufgeschichteten Kabel der beschriebenen Art bei bekannter Wärmeexpansionseigenschaft von Faden und verwendeten elastomeren Materialien oder anderen miteinander verträglichen Verstärkungs- und Bindematerialien zu berechnen. In Fig. 6 ist der Zusammenhang zwischen dem äusseren Kabelumfang a, der Kabeleinheitslänge oder Steigung b und der Länge von einer vollen, um 360° sich erstreckenden Windung des Glasfaserrovings c, dargestellt in gestrichelten Linien, * in Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit den Seiten "a", b" und "c" wiedergegeben. Die relativen Längen der Seiten "a", "b" und "c" ergeben sich aus folgender Gleichung c2 = a2 b2 (2.) Für jede unter konstantem Schraubenwinkel aufgegebene Glasrovinglage wird der Umfang, die Steigung und die Rovinglänge in bezug auf eine einer Steigungsstrecke entsprechende Kabeleinheitslänge durch ein grundsätzlich ähnliches rechtwinkliges Dreieck wiedergegeben, bei dem die relativen Längen der Seiten "a", b" und "c" sich mit dem Durchmesser ändern Wie jedoch schon erwähnt, werden in den meisten praktischen Fällen genaue Ergebnisse unter Bezugnahme auf die Aussenseite oder die letzte Kabellage erhalten. Daher bezieht sich die nachfolgende Berechnung auf diese Lage.
Bei einer Änderung der Temperatur des Kabels wird sich der Glasroving in seiner Länge ausdehnen oder zusammenziehen.
Wie in Fig. 7 gezeigt, wird sich bei einer erhöhten Kabeltemperatur dieübereine bestimmte Steigungsstrecke "b" umwickelte Rovinglänge "c" um den Anteil "#c" vergrössern.
Unter der Annahme, dass sich der Kabelumfang "a" nicht vergrössert, bewirkt diese Längenzunahme des Rovings eine gleichzeitige Vergrösserung der Steigungswegstrecke "c" um den Anteil "#be". Wie in Fig. 7 gezeigt, führt dies zu einem neuen Dreieck. Dieses neue Dreieck weist eine vergrösserte Roving-und Kabellänge auf, wobei die verlängerten Seiten "c + Ac" und "b + #be" gestrichelt dargestellt sind. Der Zusammenhang zwischen Kabelumfang, Kabellänge und Rovinglänge gemäss Gleichung (2.) wird daher jetzt: (c + #c)² = (b + tpe)2 + a2 Zur Vereinfachung dieser Gleichung wird der Längen zuwachs Abe durch Einsetzen des Ausdrucks c²-a²" für den Ausdruck "b"" in Gleichung (1.) bestiirirnt und werden die differentiellen Ausdrücke "#b2" und "#c2" zweiter Grössenordnung vernachlässigt. Dann ergibt sich be = cAc (3.) Bei Änderung der Kabeltemperatur wird sich-das Bindematerial radial ausdehnen und zusammenziehen. Wie in Fig. 8 gezeigt, findet bei einer Erhöhung der Kabeltemperatur eine Zunahme von dessen Querschnittsfläche statt, so dass der Umfang "a" um den Anteil "ta" zunimmt. Angenommen die Rovinglänge "c" ändert sich nicht, so bewirkt diese Umfangsvergrösserung eine gleichzeitige Verkleinerung der Steigungswegstrecke b" um den Anteil "#bC" Dies führt gemäss Fig. 8 zu einem neuen Dreieck. Dieses neue Dreieck hat eine vergrösserte Rovinglänge und eine verkleinerte Kabellänge und ist durch gestrichelte Darstellung der Seiten "a + #a" und "b - #bc" wiedergegeben. Der Zusammenhang zwischen Kabelumfang, Kabellänge und Rovinglänge aus gleichung (2.) ergibt sich wie folgt: c = (b - c 2 + (a + #a)² Zur Vereinfachung dieser Gleichung wird die Abnahme der Kabellänge "#bc" durch Einsetzen des Ausdrucks "c² - a211 für den Ausdruck "b²" bestimmt und die differentiellen Terme "#b²" und "ta " als Ausdrücke zweiter Ordnung vernachlässigt.
Dann ergibt sich bc = - a#a (4.) b Die Addition von Gleichungen (3.) und (4.) ergibt Daher folgt bei keiner Änderung der Kabellänge: ca asa (5.) Gleichung (5.) kann auch, wie in Fig. 9 gezeigt1 auf andere Weise erhalten werden. Bei Erwärmung findet gleichzeitig eine Erhöhung der Querschnittsfläche und Vergrösserung der Kabelausdehnung stattr so dass, wenn die Kabelausdehnung "tbe" gleich der Kabelkontraktion "Abc" ist, das Kabel wärmestabil ist. Das heisst, jede Kabeleinheitslänge oder Steigungswegstrecke "b" bleibt mit sich ändernder Temperatur auf einem konstanten Längenwert. Dieser Zustand ist durch das Dreieck in Fig. 9 wiedergegeben, bei dem (c + AC)2 - (a + #a)2 = b2 ist.
Aus Gleichung (2.) folgt,.
c² - a² = b².
Die Kombination dieser beiden Ausdrücke ergibt: Die Ausdrücke "#c2" und Aa zweiter Grössenordnung können vernachlässigt werden, um wiederum zu der oben genannten Gleichung (5.) zu kommen.
Der Ausdruck "#c" in Gleichung (5.) lässt sich wie folgt schreiben: Ac = ckstT (6.) Darin bedeuten: k5 = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Verstärkungsmaterials (d.h. der Glas fäden bei dem Beispiel in Fig. 1), #T = Temperaturänderung.
Der Ausdruck "#a" in Gleichung (5.) lässt sich wie folgt ausdrücken: da = akBAT%B (7.) Darin bedeuten: kB = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Bindematerials (d.h. des Elastomers nach dem Beispiel in Fig. 1), #T = Temperaturänderung, %B = prozentualer volumetrischer Querschnittsanteil des Bindematerials.
Indem man die Ausdrücke "#c" und 11Aa" der Gleichungen (6.) und (7.) in Gleichung (5.) einsetzt, ergibt sich Aus Gleichung (2.) folgt 2 =a2 +b2 c² = a² + b² Nimmt man die Ausdrücke für den Term "c2" in Gleichungen (8.) und (2.) und setzt den Term bzw aus Gleichung (1.) ein, so ergibt sich und damit für den Schraubenwinkel x Alternativ kann der Ausdruck für sin(x) in Fig. 6 (sin(x)=a/c) in Gleichung (8.) eingesetzt werden, wodurch sich ein äquivalenter bevorzugter Ausdruck für den Schraubenwinkel x erhalten lässt: Somit kann unter Verwendung der Gleichungen (9a.) oder (9b.) ein schraubenlinienförmig beschichtetes Kabel aus Fäden und Bindematerialien mit gewissen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten geschaffen werden, das wärmestabil ist oder bei in weitem Umfang sich ändernden Temperaturbedingungen sowohl hinsichtlich der Erwärmung als auch Abkühlung eine im wesentlichen konstante Länge beibehält.
Fig. 10 zeigt grafisch die aus den Gleichungen (9a.) und (9b.) errechneten Schraubenwinkel zur Erzielung thermischer Stabilität für Verstärkungs- und Bindematerialien mit unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Kurven (h), (i) und (j) betreffen errechnete Schraubenwinkel für thermische Stabilität bei Verstärkungs- und Bindematerialien mit linearen Wärmeausdehnungkoeffizienten von 1,8; 2,8 und 3,8 x 106 inch/inchOF, Die Kurven (h) und (i) betreffen 11511 bzw. "E"-Glaskabel. Je grösser nach Fig. 10 der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder der prozentuale Anteil des verwendeten Bindungsmaterials ist, umso kleiner muss der Schraubenwinkel sein, um ein thermisch stabiles Kabel zu erhalten. Ähnlich gilt, dass je grösser der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Verstärkungsmaterials ist, desto grösser muss der Schraubenwinkel zur Schaffung eines thermisch stabilen Kabels sein. Vorzugsweise ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Bindematerials wesentlich grösser als der des Verstärkungsmaterials.
Wegen des grossen Unterschiedes zwischen den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der bevorzugten Verstärkungs- und Bindematerialien kann die volumetrische oder radiale Ausdehnung des Verstärkungsmaterials, d.h. der Glasfasern, relativ zu der radialen Ausdehnung der meisten elastomeren Bindematerialien vernachlässigt werden. Daher lässt sich in Gleichungen (7.), (8.) und (9a.) sowie (9b.) die radiale Ausdehnung des Verstärkungsmaterials und ihr Einfluss auf die radiale Ausdehnung des Grundkörpers des Bindematerials vernachlässigen. Der Ausdruck "Prozent B in diesen Gleichungen stellt in der Tat die wärmebedingte radiale Ausdehnung des Kabels in bezug zum volumetrischen prozentualen Anteil an verwendeten Bindematerial dar. Es versteht sich jedoch, dass für Kabel aus anderen Verstärkungs- und Bindematerialien die thermische radiale Expansion sowohl von Verstärkungs- als auch Bindemterial oder ihre gegenseitigen Wirkungen aufeinander mit berücksichtigt werden müssen, um den Schraubenwinkel zur Schaffung eines thermisch stabilen Kabels zu bestimmen. Ferner können auch die Auswirkungen der Temperatur auf die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Verstärkungs- und Bindematerialien zur Be-Stimmung des genannten Schraubenwinkels berücksichtigt werden.
Da sich mit Erhöhung des Schraubenwinkels eine grössere Anzahl von Rovingwindungen pro Kabellänge einstellt, kann der Zugelastizitätsmodul des schraubenlinienförmig aufgeschichteten erfindungsgemässen Kabels durch Beeinflussung des Schraubenwinkels gesteuert werden. Je grösser die Anzahl an Rovingwindungen pro Kabellänge ist, desto grösser ist die Neigung des Kabels, sich zu strecken, da die Rovingwindungen längs der Kabellänge bei der angelegten Last relativ begradigt werden. Daher wird bei Aufgabe der Rovings unter einem grossen Schraubenwinkel ein Kabel mit niedrigerem Zugelastizitätsmodul erhalten (d.h. das Kabel hat eine grössere Tendenz, sich bei einer angelegten Zugkraft zu strecken).
Umgekehrt liegen bei kleinen Schraubenwinkeln die Rovings nahezu parallel zur Kabellängsachse, da eine geringere Anzahl an Rovingwindungen pro Kabellänge vorliegt, so dass ein Kabel mit höherem Zugelastizitätsmodul erhalten wird (d.h., das Kabel hat eine geringere Neigung, sich unter einer einwirkenden Zuglast zu verstrecken) Somit lässt sich unter Bezugnahme auf Gleichungen (9a.) oder (9b.) und Fig 10 durch die Wahl der verwendeten Verstärkungs- und Bindematerialien und den prozentualen Anteil des Bindematerials ein thermisch stabiles Kabel mit einer gewünschten Zugelastizität herstellen. Wenn man beispielsweise den prozentualen Anteil des verwendeten Bindungsmaterials in Fig. 10 für eine gewisse Paarung von Verstärkungs- und Bindematerial erhöht, kann der Schraubenwinkel für ein thermisch stabiles Kabel soweit herabgesetzt werden, dass das Kabel einen höheren Zugelastizitätsmodul hat.
Fig. 11 zeigt die Auswirkungen der Zuglast auf das Kabel nach Fig. 1. Bei dem untersuchten Kabel handelte es sich um ein solches, das grundsätzlich ähnlich dem Kabel mit einem Durchmesser von 9,53 mm und einer Länge von 2,5 m war, das anhand von Fig. 3 beschrieben wurde und unter einem Schraubenwinkel von etwa 17°25 min aufgeschichtet war. Bei Zugbelastungen von 226, 476 und 929 kp und den erwähnten Temperaturverhältnissen, änderte sich die gesamte Kabelkontraktion nicht wesentlich. Bei den meisten praktischen Anwendungsfällen für das Kabel unter Zugbelastung ähnlich den 1 für die Versuche vorgenommenen, scheint daher die Zugbelastung keinen Einfluss auf die Wärmelängenänderung des Kabels auszuüben; wie jedoch erwähnt, können bei gewissen Anwendungsfällen unter sehr hohen Zugkräften, je nach dem Schraubenwinkel, unter dem die Fäden gelegt sind, die Zugkräfte das gesamte Kabel soweit strecken, dass die Fäden sich flach legen oder in Längsrichtung verlagern. Daher wird bei einer ausreichenden relativen Begradigung der Fäden der Sc.hraubenwinkel,wie in Fig. 11 gezeigt, verkleinert. Endergebnis davon ist, dass die Anzahl an Rovingwindungen pro Kabeleinheitslänge abnimmt und eine geringere kontraktive oder auf Null kompensierende Wirkung bei einem bestimmten Temperaturbereich vorliegt.
Die für eine ausreichende relative Begradigung der Rovings oder Fäden notwendigen theoretischen Zugkräfte, bei denen der Schraubenwinkel und damit der erhaltene Nullausgleichseffekt wesentlich beeinflusst wird, lassen sich jedoch berechnen. Wenn gemäss Fig. 11 an das Kabel nach Fig. 1 eine Zugkraft (T) angelegt wird, erfährt das Kabel je nach Elastizitätsmodul (E) des verwendeten Fadenmaterials eine Längenänderung. Die sich ergebende Kabelverlängerung "abS" in in bezug auf eine Kabeleinheitslänge oder der Steigungswegstrecke b kann wie folgt ausgedrückt werden: tbs = bS (10.) Darin bedeuten: b = Steigungswegstrecke (vergl. Gleichung(1.)), S = Zugspannung, E = Elastizitätsmodul des Verstärkungsmaterials (d.h. der Fäden beim Beispiel in Fig. 1).
Setzt man den zuvor erwähnten Ausdruck für den Term der Steigung "b" aus Gleichung (1*) in Gleichung (10.) ein, so ergibt sich für die resultierende Kabellänge (b + #bs): b + tba = a cot(x) (1 + E) (11.) Wie erwähnt, kann der Schraubenwinkel infolge der longitidinalen Begradigung der Rovings und Fäden bei Anliegen gewisser Zuglasten abnehmen. Dieser Umstand ist in Fig. 12 durch einen kleineren Schraubenwinkel "y" gezeigt Unter der Annahme, dass der Kabelumfang "a" konstant bleibt, ergibt sich für das longitudinal verlängerte Dreieck mit dem Winkel "y" folgende Gleichung: cot(y) = b + tbs (12.) a b + nbs = a cot(y).
Setzt man die Ausdrücke für "b + Ab511 in Gleichungen (11.) und (12.) gleich, so kann ein Ausdruck für den verkleinerten Schraubenwinkel "y", bedingt durch die Zugbelastungen, wie folgt erhalten werden: cot(y) = cot(x) (1 + S) . (13.) E Daher lässt sich bei einem gegebenen Schraubenschichtungswinkel "x" für thermische Stabilität mit der Gleichung (13.) der Schraubenwinkel "y" berechnen, der sich unter einer Zuglast "T" einstellt oder einstellen kann. Man wird jedoch aus Gleichung (13.) ohne weiteres ersehen, dass für die meisten praktischen Anwendungsfälle die Zugkraft nicht ausreicht, um den Schraubenwinkel für thermische Stabilität unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls der verwendeten Fäden in beträchtlichem Umfang zu ändern. In der Tat übertrifft die Zuglast "T" im allgemeinen die Zugspannungen, die normalerweise beiden meisten praktischen Anwendungsfällen einschliesslich elektrischer Transmissions leitungen anliegen oder übersteigt die Zugfestigkeit der verwendeten Fäden.
Zum Beispiel ergibt eine an ein aus E"-Glasfäden gefertigtes 2 Kabel angelegte Zugspannung von 703 kp/cm2 eine nicht nennenswerte Änderung des Schraubenwinkels; bei anderen Anwendungsfällen jedoch ist die Vorhersage möglich, welche Zugspannung oder Belastung notwendig ist, um den Schraubenwinkel "y" hervorzurufen, vgl. Gleichung (13.). Unter solchen Bedingungen kann dann der Schraubenschichtungswinkel "x" während der Herstellung um einen Betrag erhöht werden, der ausreicht, die Wirkung der Zugspannung oder Belastung zu kompensieren. Dies führt auch bei den letztgenannten Anwendungsfällen zu einem Kabel, das bei den anliegenden Zugbelastungen wärmestabil ist oder sich im gleichen Ausmass wie die Kabel nach Fig. 1 bis 10 ausdehnt und zusammenzieht.
Für den Fachmann versteht es sich, dass neben den Glasfäden und elastomeren Materialien andere miteinander verträgliche Verstärkungs- und Bindematerialien für die Erfindung verwendet werden können. Die speziell ausgewählten Verstärkungs-und Bindematerialien ergeben sich aus ihren chemischen und Wärmeausdehnungseigenschaften, der Umgebung, in der das Kabel eingesetzt werden soll, und anderen Faktoren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Kabel, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Verstärkungsmaterial mit Zuglast tragenden Elementen (4), die sich bei Temperaturänderung in ihrer Länge ändern können, und ein Bindungsmaterial (6) mit wärmebedingter Radialexpansionswirkung, das den lasttragenden Elementen in so ausreichender Mengen zugeordnet ist, dass die Gesamtkabellänge unter sich ändernden Temperaturbedingungen steuerbar ist, indem eine Querschnittsflächenänderung des Kabels entgegengesetzt zu und im wesentlichen gleichzeitig mit der Längenänderung der lasttragenden Elemente hervorgerufen wird.
2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , dass die lasttragenden Elemente (4) schraubenlinienförmig unter im wesentlichen konstantem Schraubenwinkel (x) der durch die Gleichung: bestimmt ist, aufgeschichtet sind, wobei sin(x) der Sinus des Schraubenwinkels x, kB und k die linearen Warmeaus-5 dehnungskoeffizienten von Bindungs- bzw. Verstärkungsmaterial und %B der volumetrische prozentuale Anteil an Bindematerial bedeuten.
3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , dass der bei einer anliegenden Zuglast sich einstellende Schraubenwinkel y durch die Gleichung cot(y)= cot(x) (1 + S) E bestimmt ist, wobei cot(y) der Cotangents des Schraubenwinkels y unter der angelegten Zuglast, cot(x) der Cotangents des Schraubenwinkels x, unter dem die lasttragenden Elemente (4) während des Kabelaufbaus aufgeschichtet werden, S die unter der angelegten Zuglast sich einstellendeZugspannung und E der Elastizitätsmodul des Verstärkungsmaterials bedeuten.
4. Verfahren zum Herstellen eines Kabels, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , dass man ein Verstärkungsmaterial mit einer Vielzahl von Zugkraft aufnehmenden Elementen, die bei einer Temperaturänderung eine Längenänderung erfahren können, mit einem Bindematerial mit wärmebedingter Radialexpansionswirkung kombiniert, um eine Querschnittsflächenänderung des Kabels entgegengesetzt zu und im wesentlichen gleichzeitig mit der Längenänderung der lasttragenden Elemente hervorzurufen, und den Umfang der vorhandenen radialen Expansionswirkung so steuert, dass die gesamte Kabellänge unter verschiedenen Temperaturen gesteuert werden kann.