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Hochdruck-Metall -Ri ngwel 1 schlauch
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Die Erfindung betrifft einen biegbaren Hochdruck-Metall-Ringwellschlauch
aus einem dünnwandigen, quergewellten Rohr mit einer Metall verstärkung und endseitigen
Anschlußstücken, wobei die Metallverstärkung aus mindestens zwei hochfesten Drähten
oder Stäben besteht, die die aus dem höheren Innnendruck resultierende axiale Belastung
tragen und achsparallel außerhalb des äußeren Wellschlauchdurchmessers angeordnet
sind, sowie mit Stützringen in Verbindung stehen, die den Ringwellschlauch radial
stützen, und wobei zumindest teil der Stützringe aus Ringhälften besteht.
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Für bewegliche Rohrleitungsabschnitte finden Metall-Ringwellschläuche
bzw. Kompensatoren weitverbreitet Anwendung.
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Ihre Flexibilität beruht auf einer Vielzahl im Rohrkörper angeordneter
Querwellen, die, membranähnlich oder balgähnlich, hohe elastische Dehnungen in axialer
Richtung zulassen und dadurch gut biegbar sind. Da die Wanddicke eines ringgewellten
Metallschlauches in etwa mit der dritten Potenz in die Steifigkeit eingeht, wird
sie der angestrebten Flexibilität wegen so klein wie möglich
gehalten.
Derart biegeweiche Wellschläuche sind jedoch durch ihre damit einhergehende niedrige
Axialsteifigkeit nur mit kleinen Innendrücken belastbar. Zu hohe Axialdehnungen
bei geforderter Flexibilität durch axiale Fixierung der Schlauchenden zu unterbinden,
führt abhängig vom Innendruck und Länge des Schlauches rasch zur Instabilität. Der
Schlauch knickt aus.
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Den vorstehenden Mangel, die Gegenl äufi gkeit von Druck belastbarkeit
und Flexibilität zu umgehen, wird die Mehrzahl der in der Technik zur Anwendung
kommenden Wellen schläuche mit einem Stahlgeflecht überzogen. Axiale Dehnungen unter
Innendruck bleiben hierbei durch die in Kreuzlagen wendelförmig den Wellschlauch
umschlingenden und an den Schlauchenden befestigten Stahldrähte begrenzt.
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Der Effekt dieser Axialwegbegrenzung beruht darauf, daß eine Längung
von Wellschlauch und Stahigeflechtshiille den Durchmesser des Geflechts bis zum
kraftschlüssigen Verband zwischen Stahidrahthülle und Wellschlauch-Außendurchmesser
verkleinert und als Folge dieser radialen Begrenzung auch eine weitere Längung des
Wellschlauches verhindert.
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Der den Wellschlauch radial zusammenpressende Stahldrahtmantel bewirkt
zusätzlich die notwendige Abstützung gegenüber dem Ausknicken und der axialen Oberdehnung.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die den balgähnlichen Wellschlauch
bei hohem Innendruck straff umspannende Stahigeflechtshülle Biegungen des Wellschlauches
erheblich beeinträchtigt. Während nämlich die kreuzweisen Lagen des Stahl geflechts
den geraden Schlauch mit gleichbleibenden Steigungswinkeln umschlingen, liegen sie
beim gekrümmten Schlauch auf der Zugseite steiler und auf der Druckseite entsprechend
flacher. Die am Umfang relativ gleichmäßige Zugbelastung und radiale Pressung der
Stahldrahthülle beim geraden Wellschlauch wird beim Biegen
gleichermaßen
auf der Zug- und Druckseite stark verändert. Die mit dem Innendruck ansteigende
radiale Verspannung zwischen Stahidrahthülle und dem äußeren Durchmesser der Ringwellen
verhindert eine freie Bewegung der Ringwellen beim Biegen. Außerdem gräbt sich das
meist härtere Stahl geflecht in den Wellschlauch ein und bewirkt bei Biegewechsel
abrasiven Verschleiß, wenn die Anpressung zu hoch ist. Dieses und die ungleichmäßige
Verformung zwischen dem balgähnlichen Metallrohr und der Stahidrahthülle führen
oft zu einer merklich eingeschränkten Lebensdauer des Schlauches.
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Aus der US-PS 2,707,117 ist ein Ringwellschlauch der gattungsgemäßen
Art bekannt, bei dem die Ringhälften je paarweise um jeweils ein Wellenteil umgelegt
und miteinander zu einem Stützring festgeschraubt sind. Eine derartige Ausführung
mit massiven Ringen bietet zwar eine zuverlässige Stütze, die ein Ausknicken des
Schlauches mit Sicherheit verhindert, sie ist jedoch fertigungstechnisch sehr kompliziert
und schränkt den möglichen Biegeradius stark ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ringwellschlauch der
eingangs genannten Art zu schaffen, der unter Beibehaltung der Stabilität fertigungstechnisch
einfach herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Hierdurch ist eine sehr einfach herstellbare und montierbare Stütze
geschaffen, bei der in einem Arbeitsgang die Ringhälften mit Bohrungen hergestellt,
anschließend paarweise um den Wellschlauch gelegt werden. Nach dem Durchziehen der
Stäbe durch die Bohrungen der Ringhälften werden diese in ihrer Portion gehalten.
Gewinde, Schrauben und dergleichen entfallen hier.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Ringhälften aus
dünnen, ebenen Blechen, die eine Dicke zwischen 0,1 bis 0,5 mm haben, vorzugsweise
0,3 mm.
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Mit einer derartigen Ausführung wird die hohe Flexibilität des nicht
umhüllten Wellrohres voll erhalten. Die StUtzringe verhindern trotz ihrer geringen
Dicke ein Ausknicken des Wellrohres unter Innendruck. Es konnte nämlich festgestellt
werden, daß die Biegemomente bei einem Wellschlauch gemäß der Erfindung bei 15 bar
Innendruck und maximal zulässigem Biegewinkel weniger als 1/6 des bekannten mit
Stahlgeflecht überzogenen Wellschlauches betrugen. Bei einem vergleichenden Biegewechseltest
bei einer Temperatur von 300je und einem Innendruck von 10 bar wurde ferner festgestellt,
daß die mit der erfindungsgemäßen Ausführung erreichten Biegewechsel im Mittel um
einen Faktor von ca. 9 höher lagen als bei Wellschläuchen mit einem Stah#geflecht.
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Bei Wellschläuchen mit bekannten Stahlgeflechten ging bei Biegewechsellast
die ursprünglich gleiche Distanz zwischen den Wellen verloren, während der Wellenabstand
des erfindungsgemäßen Schlauches bis zum Versagen des Schlauches unverändert blieb.
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Je nach Bedarf können die Stützringe jede einzelne Welle stützen oder
in größeren Abständen angeordnet sein, wobei sie entweder den Wellenschlauch am
Außendurchmesser oder in vereinfachter Form in den Wellentälern abstUtzen.
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Beim Biegen von Wellschläuchen beteiligen sich die Wellen mit unterschiedlichen
Anteilen am Biegevorgang.
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Damit wird die Belastung ungleichmäßg verteilt und ein höherer Verschleiß
an den stärker an der Biegung beteiligten Wellen wird die Gesamtlebensdauer des
Schlauches reduzierend beeinträchtigen. Dem kann abgeholfen werden, indem gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Stützringe an den Zug- und Druckseiten
der Biegung mit Distanzhaltern versehen sind, die groß genug sind, um unterschiedliche
Durchbiegungen zu verhindern, aber auch klein genug sind, um die notwendige Durchbiegbarkeit
nicht zu beeinträchtigen.
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Die Distanzhalter begrenzen den Biegewinkel der einzelnen Wellen,
so daß eine Oberspannung von Wellen nicht mehr vorkommt. Damit wird die zulässige
esamtkrümmung des Schlauches auch hinsichtlich der Lebensdauer bei Biegebelastung
nicht mehr von einer einzigen, den maximalen Biegewinkel zuerst erreichenden Welle,
sondern von allen Wellen gleichmäßig bestimmt.
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Für Anwendungen, bei denen nur eine Biegeebene erforderlich ist, besteht
eine einfache Ausgestaltung darin, daß zwei Stäbe vorgesehen werden, die achsparallel
um 180#C versetzt angeordnet sind und mit ihren Enden die beiden Anschlußstücke
des Wellenschlauches axial fest verbinden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind um die Wellentäler
angeordnete Ringhälftenpaare sowie geschlossene oder aus Ringteilen bestehende Ringe
vorgesehen, die die Außenwellen des Wellschlauches mit Spiel umgeben. Alternierend
wechseln sich mehrere Ringhälftenpaare mit einem Außenring ab. An den Außenringen
sind jeweils die Enden von axialen Stäben befestigt. Die Stäbe erstrecken sich jeweils
nur zwischen zwei benachbarten äußeren Ringen und sind am Schlauchumfang miteinander
versetzt angeordnet.
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Diese Ausführung ist für alle Anwendungen geeignet, indem die abschnittsweise
axiale Stütze Biegungen des Wellschlauches in sämtliche Richtungen erlaubt. Die
axiale Stütze ergibt sich durch die Verbindung uber Stabe und Zwischenringe des
einen Anschlußstückes des Wellschlauches mit dem anderen Anschlußstück. Durch die
im Umfang versetzte Anordnung der Stäbe lassen sich die durch die Außenringe bestimmten
Wellschlauchbereiche in unterschiedlichen Ebenen durchbiegen. Bei einer Biegung
ist demnach jeweils mindestens ein Bereich beteiligt.
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Die den Wellschlauch in Biegebereiche trennen den Außen ri n ge stellen
jedoch keine Barriere fUr den Biegevorgang dar, nachdem dieser Ring den Wellschlauch
mit Spiel umgibt.
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Unterhalb dieser Ringe kann sich die elastische Verformung ungestört
axial fortsetzen.
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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen ungestützten, flexiblen Metall schlauch, bestehend
aus im wesentlichen einem hochflexiblen, balgähnlichen Wellrohr 10 aus Stahl oder
einem anderen Metall, dessen Wandstärke sich nach dem einzubringenden Druck und
der angestrebten Biegbarkeit richtet. An den Enden des Wellrohres 10 ist jeweils
ein Anschlußstück 12 vorgesehen, mit dem das Wel 1 rohr 10 an eine Druckleitung
oder Druckeinrichtung anschließbar ist.
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Fig. 2 zeigt den Wellschlauch aus Fig. 1, bei dem zur Aufnahme von
axialen Belastungen die beiden Anschlußstücke 12 mit zwei gegenüberliegenden Stäben
21 fest verbunden sind.
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Die Stäbe 21 können Einzeldrähte, Mehrfachdrähte oder Bänder sein.
Zur Abstützung der Ringwellen 11 gegen radiale Ausdehnung oder Ausknicken unter
einem Innendruck sind
Stützringe 15 vorgesehen, die jeweils in
einem Wellental 16 des Wellrohres 10 angeordnet sind.
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Fig. 3 zeigt einen Stützring 15 in Draufsicht. Die Stützringe 15,
die einen runden, poligonalen oder länglichen Querschnitt haben können, bestehen
aus zwei Ringhälften 17 und 18, deren Enden 19 mit jeweils einer Bohrung 20 versehen
sind. Die Ringhälften 17, 18 werden paarweise um je ein Wellental 16 gelegt und
auf die Stäbe 21 aufgereiht.
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Fig. 4 zeigt eine Ringhälfte. Die Stützringe 15 können als drahtähnliche
oder flache Ringe hergestellt werden.
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Anstelle in den Wellentälern 16 angeordnet zu sein, können die Stützringe
auch am Außendurchmesser 11 anliegen. Eine einfache Ausführung besteht aus dünnen
Blechen, diese sind einfach herzustellen. Eine Ringhälfte 17, 18 kann samt den Bohrungen
20 in einem Arbeitsgang gestanzt werden.
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Um bei hohen Biegewinkeln das Oberdehnen von einzelnen, die Krümmung
übernehmende Wellen zu verhindern, können die Stützringe 26 (Fig. 5) jeweils in
ihrem freien Bereich, d.h. an den Zug- und Druckseiten 28 bzw. 29 des Wellschlauches
10 mit Distanzhaltern 27 versehen sein.
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Die Distanzhalter 27 sorgen dafür, daß sich alle Wellen gleichmäßig
an der Gesamtkrümmung des Schlauches in Höhe des maximal zulässigen Biegewinkels
beteiligen.
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Die Distanzstücke 27 können direkt aus den Blech-Ringhälften herausgeformt
sein, was im Stanz-Arbeitsgang eingeschlossen werden kann. Die Distanzstücke 27
sind relativ kurz ausgelegt, um den geforderten Biegeradius nicht zu beeinträchtigen.
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In dem in Fig. 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind
zwei diametral angeordnete und mit den beiden Anschlußstücken 12 verbundene Stäbe
21 vorgesehen. Diese Ausführung läßt nur eine Biegung in einer Ebene 30 zu, die
senkrecht zur der Ebene 31 verläuft, die durch die beiden Stäbe 21 führt.
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Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Wellschlauch
40 in allen Richtungen biegbar ist.
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Bei dieser Ausführung sind die Stützringe 15 nur bereichsweise vorgesehen.
In Fig. 6 sind vier derartige Bereiche 41 bis 44 dargestellt. An den Grenzstellen
zwischen zwei benachbarten Bereichen 41 bis 44 ist jeweils ein Außenring 45 vorgesehen,
der zur Halterung von in diesem Fall mehreren kürzeren Stäben 46 bis 49 und zur
Obertragung der Axialkräfte von einem Stab zum anderen dient.
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Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch den Bereich 44 aus Fig. 6. Der
Schnitt führt beispielsweise durch eine Außenwelle 11. Um die Außenwelle 11 ist
der Außenring 45 derart angeordnet, daß zwischen dem Außenumfang der Außenwelle
11 und dem inneren Umfang des Außenringes 45 ein Spalt d verbleibt. Der Spalt d
kann wenige zehntel Millimeter betragen. An der in Fig. 7 sichtbaren Seite des Außenringes
45 sind die beiden Stäbe 49 des Bereiches 44 am Außenring 45 befestigt. Sie sind
sich gegenüberliegend angeordnet. 90 dazu sind an der Rückseite des Außenringes
45 die Stäbe 48 für den Nachbarbereich 43 angeschlossen.
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Die Verbindung zwischen Stab und Außenring 45 kann eine einfache Lötverbindung
sein. Von einem Bereich 41 bis 44 zum Nachbarbereich sind die Stäbe jeweils um 90
versetzt.
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Hierdurch wird erreicht, daß für jede Biegung des Wellschlauches 40
zumindest ein Teil der Bereiche 41 bis 44 der Biegung folgen kann, nachdem keine
Mantellinie des Wellschlauches 40 vollständig einem einzigen Stab gegenüberliegt.
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In der in Fig. 6 dargestellten Stellung liegen die Stabpaare 46 und
48 in der Papierebene. Einer Biegung in dieser Ebene können folglich die mit diesen
Stäbepaaren 46 bzw.
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48 bestücken Bereiche 41 bzw. 42 nicht folgen. Dafür lassen sich die
Zwischenbereiche 42 und 44 entsprechend biegen, wobei die in einer senkrecht zur
Biegeebene verlaufende Ebene liegenden Stäbepaare 47 bzw. 49 nicht auf Zug, sondern
lediglich auf Biegung beansprucht werden.
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Aufgrund des Spaltes d kann die Verformung in den Grenzstellen innerhalb
der Außenringe 47 ungehindert kontinuierlich in den nicht verformten Bereich übergehen,
wie es an der Grenzstelle zwischen den Bereichen 41 und 42 dargestellt ist.
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Eine gleiche Situation erfolgt bei einer Biegung senkrecht zur Ebene
des Zeichnungspapieres. In allen anderen Richtungen sind mehr oder weniger alle
Bereiche 41 und 44 mitbeteiligt, zumal in diesen Fällen sich keine Stäbe in der
Biegeebene befinden.
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Die Reihenfolge bzw. der Abstand von jeweiligen Außenringen 45 wird
sich nach dem jeweiligen Anwendungsgebiet richten. In den einem Außenring 45 benachbarten
Wellentälern 10 werden keine Stützringe 15 angeordnet, damit der Außenring 45 bei
Biegungen über benachbarte Wellentälerbereiche streifen kann.
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Derartige Schläuche werden als Wellschläuche fürinnen druckbeiastete
Rohre sowie als Lateral- und Angular-Kompensatoren verwendet.
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Die beweglichkeit des Wellschlauches kann erhöht werden, indem die
Bohrungen der Ringhälften 20 als Langlöcher ausgebildet werden, die radial gerichtet
sind.