DE3544884C2 - Biegbarer Hochdruck-Metall-Ringwellschlauch - Google Patents

Abstract

Flexibler Ringwellschlauch, bestehend aus einem balgähnlichen Wellrohr (10). Um das Wellrohr bei Auferlegung eines Innendruckes gegen Abknicken und Axialdehnungen zu schützen, sind in den Wellentälern (16) Stützringe (15) vorgesehen, die aus zwei Ringhälften bestehen und an ihren Enden jeweils Bohrungen zur Aufnahme von zwei Stäben (46-49) haben. Die Stäbe sind zur Verhinderung einer axialen Ausdehnung des Wellrohres an Anschlußstücken (12) des Wellrohres und dazwischenliegenden Außenringen (45) befestigt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen biegbaren Hochdruck- Metall-Ringwellschlauch aus einem dünnwandigen, quergewellten Rohr mit einer Metallverstärkung und endseitigen Anschlußstücken, wobei die Metallverstärkung aus mindestens zwei hochfesten Drähten oder Stäben besteht, die die aus dem höheren Innendruck 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.
• Für bewegliche Rohrleitungsabschnitte finden Metall-Ringwellschläuche bzw. Kompensatoren weitverbreitet Anwendung. 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.
• Den vorstehenden Mangel, die Gegenläufigkeit von Druckbelastbarkeit und Flexibilität zu umgehen, wird die Mehrzahl der in der Technik zur Anwendung kommenden Wellschläuche 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. Der Effekt dieser Axialwegbegrenzung beruht darauf, daß eine Längung von Wellschlauch und Stahlgeflechtshülle den Durchmesser des Geflechts bis zum kraftschlüssigen Verband zwischen Stahldrahthülle und Wellschlauch-Außendurchmesser verkleinert und als Folge dieser radialen Begrenzung auch eine weitere Längung des Wellschlauches verhindert. Der den Wellschlauch radial zusammenpressende Stahldrahtmantel bewirkt zusätzlich die notwendige Abstützung gegenüber dem Ausknicken und der axialen Überdehnung.
• Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die den balgähnlichen Wellschlauch bei hohem Innendruck straff umspannende Stahlgeflechtshülle Biegungen des Wellschlauches erheblich beeinträchtigt. Während nämlich die kreuzweisen Lagen des Stahlgeflechts 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 Stahldrahthülle und dem äußeren Durchmesser der Ringwellen verhindert eine freie Bewegung der Ringwellen beim Biegen. Außerdem gräbt sich das meist härtere Stahlgeflecht 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 Stahldrahthülle führen oft zu einer merklich eingeschränkten Lebensdauer des Schlauches.
• Aus der US-PS 27 07 117 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.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ringwellschlauch der eingangs genannten Art zu schaffen, der unter Beibehaltung der Stabilität fertigungstechnisch einfach herstellbar ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
• 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.
• 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.
• Mit einer derartigen Ausführung wird die hohe Flexibilität des nicht umhüllten Wellrohres voll erhalten. Die Stützringe 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 300°C 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 Stahlgeflecht.
• 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.
• 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 abstützen.
• Beim Biegen von Wellschläuchen beteiligen sich die Wellen mit unterschiedlichen Anteilen am Biegevorgang. Damit wird die Belastung ungleichmäßig 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.
• Die Distanzhalter begrenzen den Biegewinkel der einzelnen Wellen, so daß eine Überspannung von Wellen nicht mehr vorkommt. Damit wird die zulässige Gesamtkrümmung 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.
• 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.
• 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.
• Diese Ausführung ist für alle Anwendungen geeignet, indem die abschnittweise axiale Stütze Biegungen des Wellschlauches in sämtliche Richtungen erlaubt. Die axiale Stütze ergibt sich durch die Verbindung über Stäbe 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.
• Die den Wellschlauch in Biegebereiche trennenden Außenringe stellen jedoch keine Barriere für den Biegevorgang dar, nachdem dieser Ring den Wellschlauch mit Spiel umgibt. Unterhalb dieser Ringe kann sich die elastische Verformung ungestört axial fortsetzen.
• Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt einen ungestützten, flexiblen Metallschlauch, 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 Wellrohr 10 an eine Druckleitung oder Druckeinrichtung anschließbar ist.
• 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. 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.
• 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.
• Fig. 4 zeigt eine Ringhälfte. Die Stützringe 15 können als drahtähnliche oder flache Ringe hergestellt werden. 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.
• Um bei hohen Biegewinkeln das Überdehnen 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. Die Distanzhalter 27 sorgen dafür, daß sich alle Wellen gleichmäßig an der Gesamtkrümmung des Schlauches in Höhe des maximal zulässigen Biegewinkels beteiligen. 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.
• 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 zu der Ebene 31 verläuft, die durch die beiden Stäbe 21 führt.
• Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Wellschlauch 40 in allen Richtungen biegbar ist. 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 Übertragung der Axialkräfte von einem Stab zum anderen dient.
• 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. 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. 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.
• 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. 48 bestückten 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. 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.
• 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.
• 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.
• Derartige Schläuche werden als Wellschläuche für innendruckbelastete Rohre sowie als Lateral- und Angular- Kompensatoren verwendet.
• Die Beweglichkeit des Wellschlauches kann erhöht werden, indem die Bohrungen der Ringhälften 20 als Langlöcher ausgebildet werden, die radial gerichtet sind.

Claims (10)

1. Hochdruck-Metall-Ringwellschlauch aus einem dünnwandigen, quergewellten Rohr mit einer Metallverstärkung und endseitigen Anschlußstücken, wobei die Metallverstärkung aus mindestens zwei hochfesten Drähten oder Stäben besteht, die die aus dem höheren Innendruck 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 ein Teil der Stützringe aus Ringhälften besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhälften (17, 18) an ihren Enden fluchtende Bohrungen (20) aufweisen, durch die die Stäbe (21, 46 bis 49) die Ringhälften paarweise haltend durchgezogen sind.

2. Wellschlauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhälften aus dünnen, ebenen Blechen (17, 18) bestehen.

3. Wellschlauch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Ringhälften (17, 18) zwischen 0,1 und 1 mm, vorzugsweise unter 0,5 mm beträgt.

4. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stäbe (21) vorgesehen sind, die um 180°C versetzt angeordnet sind und mit ihren Enden die beiden Anschlußstücke (12) des Wellschlauches (10) axial fest verbinden.

5. Wellschlauch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Außenringe (45) vorgesehen sind, die die äußeren Ringwellen (11) des Wellschlauches umgeben, und an denen jeweils Enden von Stäben (46 bis 49) befestigt sind.

6. Wellschlauch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Stäben (46 bis 49) vorgesehen sind, die jeweils an zwei benachbarten Außenringen (45) befestigt sind.

7. Wellschlauch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (46 bis 49) zwischen verschiedenen Ringpaaren (45) im Umfang des Wellschlauches (40) versetzt angeordnet sind.

8. Wellschlauch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (46 bis 49) zwischen verschiedenen Ringpaaren (45) jeweils um 90° versetzt sind.

9. Wellschlauch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenringe (45) die äußeren Ringwellen (11) mit Spiel (d) umgeben.

10. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (20) der Ringhälften (17, 18 ) als radial gerichtete Langlöcher ausgebildet sind.