DE4322659A1 - Faserverstärkte Hochdruckschlauchanordnung mit einem Griffansatz und einer Umgebungssperre - Google Patents

Faserverstärkte Hochdruckschlauchanordnung mit einem Griffansatz und einer Umgebungssperre

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckschlauchanordnungen, insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - auf Schläuche, die gegenüber der umschließenden Umgebung, bestehend z. B. aus Ölen und hydraulischen Flüssigkeiten, geschützt werden müssen.
Es gibt viele Gelegenheiten und Orte, bei denen Hochdruck­ schläuche in irgendeiner aggressiven Umgebung erforderlich sind. Zum Beispiel werden Hochdruckschläuche auf Fahrzeugen von Unterseebooten über Kraftfahrzeuge bis zu Fahr- oder Flugzeugen benötigt, die sich bis zu den Grenzen des Welt­ raums bewegen. Bei jeder dieser oder ähnlichen Verwendungen kann der Schlauch einem großen Bereich von Temperaturen, mechanischen Schlägen oder Stößen oder Schwingungen be­ gegnen. Ein weiteres Kennzeichen derartiger Schläuche besteht darin, daß sie ein sehr geringes Gewicht besitzen sollten. Es gibt z. B. Berechnungen, daß jedes halbe Kilogramm, das einem Flugzeug hinzugefügt wird, mindestens 3,5 weitere Kilogramm erfordert (zusätzliche Baufestigkeit, leistungsfähigere Maschinen, größere Treibstofferfordernisse usw.) . Außerdem könnte bei jeder dieser oder ähnlicher Verwendungen ein Schlauchausfall ein katastrophales Unglück verursachen.
Daher ist es übliche Praxis, den Schlauch mit einer sehr leichtgewichtigen, jedoch äußerst starken mechanischen Verstärkung zu umgeben, um diesem zu helfen, dem inneren Druck standzuhalten. Speziell bei Luftbeförderungs- oder anderen Systemen, bei denen das Gewicht kritisch ist und wo Betriebsflüssigkeiten oder -Gase für hochfeste, leichtge­ wichtige, flexible Verstärkungen sehr korrosiv und zer­ störend sein können, muß ein Schlauch mit hohem Festig­ keits : Gewicht-Verhältnis einen Schutz der Verstärkung gewährleisten, ohne lästige Kosten oder Gewicht hinzuzu­ fügen. Daher ist es notwendig, daß die Verstärkung ein hohes Festigkeits- : Gewicht-Verhältnis besitzt und ohne Erhöhung von Kosten und Gewicht oder vergrößerten Querschnitt oder Umhüllung zu schützen vermag.
Ein Material (Aramid), das diese Erfordernisse und Kennwerte erfüllt, wird durch E.I. Du Pont de Nemours and Company unter der Handelsmarke "Kevlar" hergestellt und verkauft. Ein "Kevlar"-umflochtener Schlauch erfüllt die SAE-Spezifi­ zierung "AS1975". Das "Kevlar"-Aramidmaterial ist jedoch auch problematisch, da es seine Festigkeit verliert, wenn es Ölen oder hydraulischen Flüssigkeiten ausgesetzt wird. Wenn dieser Festigkeitsverlust auftritt, kann der innere Druck z. B. die Endeinfassungen aus dem Schlauch treiben.
In seinem Bulletin K-4 (August 1979) beschreibt Du Pont das Material "Kevlar" wie folgt:
"KEVLAR-Aramid ist eine organische Faser . . . aus der Familie der aromatischen Polyamide. KEVLAR besitzt eine einzigartige Kombination hoher Festigkeit, hoher Ver­ dichtsteife, Zähigkeit und thermischer Stabilität, die es . . . . zur Erhöhung der Festigkeit . . . . oder Verrin­ gerung des Gewichts von Verstärkungen für . . . . mecha­ nische Gummi-Werkstoffe vorsieht. Wegen der besonderen und verschiedenartigen chemischen Zusammensetzung und Eigenschaften von aromatischen Polyamiden führte die Federal Trade Commission die Faser-Gattungsklassi­ fikation ein, um diese Aramid-Fasern von anderen synthe­ tischen Fasern zu unterscheiden."
Typische Eigenschaften von ungereinigten Garnproben aus "Kevlar" sind in Tabelle I gezeigt.
Tabelle I
Typische Eigenschaften von "Kevlar"-Aramidgarn
Diese Tabelle zeigt, daß "Kevlar"-Aramidgarn die folgenden Eigenschaften besitzt:
1. Eine Bruchzähigkeit von 22.0 g/Denier (194.2 cN/tex), die mehr als 5fach stärker gegenüber Stahldraht und zweifach stärker gegenüber industriellen Garnen aus Nylon, Polyester oder Glasfasern ist, wie sie in mechanischen Gummiwerkstoffen verwendet werden;
2. eine ungewöhnlich hohe Ausgangsverdichtsteife von 525 g/Denier (4636 cN/tex), die ungefähr das Doppelte der Verdichtsteife von Stahldraht, das Vierfache der Verdicht­ steife von hochzähem Polyester und das Neunfache der Verdichtsteife von hochzähem Nylon ist;
3. eine ausgezeichnete thermische Stabilität (Beibehalten von 84% seiner Festigkeit nach 48 Stunden bei 177°C (350°F) in trockener Luft).
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, neue und verbesserte Hochdruckschläuche bereitzustellen, die einem Innendruck von bis zu mindestens 55.2 MPa (8000 psi) stand­ halten können und speziell, jedoch nicht ausschließlich, der Verwendung unter aggressiven Umgebungsbedingungen dienen, wobei insbesondere derartige Schläuche zur Ver­ wendung in Umgebungen bereitgestellt werden sollen, in denen überwiegend Fluids wie Öl oder hydraulische Flüssigkeiten vorhanden sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckschlauchanordnung mit den im Patentanspruch 1 enthaltenen Merkmalen gelöst. Vor­ teilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruck­ schlauchanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung werden diese und weitere Aufgaben durch die Verwendung eines PTFE-("Teflon"-)Innenkernes gelöst, der eine "Kevlar"-Um­ flechtung besitzt, die um diesen geschlagen ist. Um die flechtung besitzt, die um diesen geschlagen ist. Um die "Kevlar"-Umflechtung vor Öl und anderen zerstörenden Flüssig­ keiten zu schützen, ist über diese ein "Teflon"-Band ge­ wickelt. Es wird jedoch auch darauf acht gegeben, daß die Verwendung von "Teflon" an Stellen, wie z. B. zwischen einem Schlauch und einer Anschlußfassung, zu verhindern, wo es als ein Schmiermittel wirken kann und eine End-Anschlußfassung o. ä. in die Lage versetzen kann, das Ende des Schlauches herauszutreiben. So dient die erfindungsgemäße Hochdruck­ schlauchanordnung der Benutzung bei Anwendungen, bei der die Verstärkung vor dem Ausgesetztsein gegenüber schädlichen Flüssigkeiten oder anderen Medien, die in dem Schlauch gefördert werden, oder gegenüber äußeren Medien, die ver­ wendet werden, um das umgebende Flüssigkeitssystem zu be­ treiben, oder vor zufälligen Graten geschützt werden muß, die sich in der Nähe des geschützten Schlauches befinden.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckschlauchanordnung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt des Schlauches und der End-Anschlußeinpassung entsprechend der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1; und
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt des Teils in Fig. 1, das durch eine gestrichelte Kreislinie 3 eingeschlossen ist.
Die Erfindung stellt eine Schlauchanordnung speziell zur Verwendung in Systemen bereit, die Drücke bis zu 55.2 MPa (8000 psi) aufweisen. Die Innenverkleidung des Schlauches wird aus PTFE ("Teflon") oder einem ähnlichen extrudierten Röhrenmaterial hergestellt. Die Verstärkung für die Innenverkleidung wird aus hoch-dehnbarem "Kevlar"- Aramidgarn hergestellt, das durch eine Umwicklung aus PTFE-Band bedeckt wird. Dieses Band wiederum wird durch einen geeigneten Reibschutz geschützt.
Wie es am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt der Schlauch 10 einen "Teflon"- oder PTFE-Innenkern 12, der durch eine "Kevlar"-Umflechtung 14 umgeben wird. Der "Teflon"-Innenkern 12 befördert und enthält irgendein Öl oder eine andere Flüssigkeit in dem Schlauch und widersteht jedem Angriff aus dem Schlauchinneren auf das "Kevlar"-Material. Die "Kevlar"-Umflechtung stellt eine mechanische Festigkeit bereit, um zu verhindern, daß der Schlauch unter großem inneren Druck gesprengt wird.
Das "Kevlar"-Material wird jedoch seine Festigkeit verlieren, wenn es entweder Öl oder anderen, ähnlichen Kontaktstoffen begegnet. Um die "Kevlar"-Umhüllung von äußeren Angriffen durch Öl oder irgendeinen anderen Umgebungs-Kontaktstoff zu schützen, wird daher ein verhältnismäßig dünnes "Teflon"- oder PTFE-Band 16 (mit einer dick gezeichneten Linie ge­ zeigt) um das "Kevlar" -Material gewunden oder geflochten. Das Band 16 kann entlang der Achse des Schlauches mit 10% bis 75% Überlappung spiralförmig gewunden werden, wobei eine Überlappung von ungefähr 50% bevorzugt wird. Ersatzweise kann es axial-längs mit einer Überlappung der Größenordnung von 10% bis 100% bewickelt werden, wobei ungefähr 50% be­ vorzugt sind. In manchen Fällen können sowohl die spiral­ förmige als auch die axiale Umhüllung verwendet werden. Es können auch größere Überlappungen verwendet werden, sie sind jedoch gewöhnlich nicht notwendig. Die Dicke des Bandes besitzt eine Größenordnung von 0.025 mm bis 0.038 mm (0.001 bis 0.015 inch). Das Material, das für irgendeine gegebene Schlauchanordnung ausgewählt wird, kann auf Grundlage der Flüssigkeiten und der Temperatur variieren, denen es be­ gegnen soll.
Die PTFE-Verkleidung und -Bandumhüllung werden bei Ver­ wendung für allgemeine Zwecke bevorzugt. Es ist möglich, daß bei bestimmten Flüssigkeiten wie Schmieröl oder Benzin ein weniger teurer Kunststoff, wie Nylon oder hoch-dichtes Polyethylen o. ä. anstelle von PTFE geeignet wäre.
Eine geflochtene Scheuerhülse 18 aus irgendeinem geeigneten Material wird um das "Teflon"-Band angeordnet. Somit wird jede Abnutzung, auf die der Schlauch trifft, von dem schützenden Geflecht 18 aufgenommen.
Die End-Anschlußeinpassungen für diese Anordnung können aus irgendeinem geeigneten Material wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, hoch-festem Kunststoff oder einer Zusammensetzung oder aus Verbindungen dieser Materialien hergestellt werden. Die Gestaltung der Anschlußfassungen stellt die volle Ein­ griffsstärke auf den Schlauch bereit, während gleichzeitig ermöglicht wird, daß Flüssigkeit durch den Schlauch zu der Anschlußfassungs-Verbindung fließt, ohne die Verstärkung in dem Schlauch zur Anschlußfassungs-Verbindung zu berühren, wenn Unvollkommenheiten der Anpassung oder schlechte Montage­ praktiken erlauben, daß ein derartiges Austreten beim Be­ trieb stattfindet. Somit wird, selbst wenn Öl an der Ver­ bindung zwischen der End-Anschlußeinpassung und dem Schlauch austreten sollte, unterbunden, daß Öl im Schlauch das "Kevlar"-Material berührt. Wenn die "Kevlar"-Verstärkung in der Anpassungsverbindung durch Aussetzen gegenüber einem schädigenden Flüssigkeitsmedium verschlechtert wird, so kann ein katastrophales Austreiben (Ausblasen) der End-Anschluß­ einpassung drohen.
Die End-Anschlußeinpassung 20 kann eine Metalleinlage 22 umfassen, die eine Vielzahl von Gewinden, Speichen, Leisten oder Widerhaken 24 zum Eingreifen in die innenseitige Ober­ fläche des Innenkernes 10 besitzt. Ein äußerer Bund 26 sitzt über der geflochtenen Scheuerhülse 18. Die innenseitige Oberfläche des Bundes 26 besitzt auch Gewinde, Speichen, Leisten oder Widerhaken zum Eingreifen und Verklemmen der Hülse 18. Wenn der Bund 26 aus Metall hergestellt wird, so wird dieser gestaucht oder gefaltet, um die Scheuerhülse 18, das "Teflon"-Band 16, das "Kevlar"-Geflecht 14 und den "Teflon"-Innenkern 12 einzuschließen und festzuklemmen. Wenn er aus Kunststoff hergestellt ist, so daß die End-Anschluß­ einpassung nicht gefaltet werden kann, so kann eine Kombi­ nation aus einer Klinkenverriegelung und einem gleitenden Verschlußkragen verwendet werden, wie es durch die anhängige US-Patentanmeldung No. 07/708 780 (eingereicht: 29.5.1991) gelehrt wird.
Das körperseitige Ende des Bundes 26 besitzt eine Vielzahl von Schraubschlüsselflächen 30 (Fig. 2). Das körperseitige Ende 32 des Einsatzes 22 kann irgendein geeignetes Ver­ bindungsmittel zur Bereitstellung einer geeigneten Befesti­ gung an einer anderen Vorrichtung aufweisen. So können die Schraubschlüsselflächen 30 erfaßt werden, während das Ver­ bindungsmittel in eine zugehörige Anschlußfassung eingreift.
Eine sich in geeigneter Weise ergänzende Erweiterungs- und Absenkungskombination 34 stellt eine Klinkenverriegelung zwischen dem Einsatz 22 und dem erweiterten Ende des Bundes 26 bereit. Irgendeine geeignete Anzahl (z. B. vier) von Ein­ stellschrauben 36, die von dem äußeren Kragen 28 getragen werden, sind dazu vorgesehen, in das "Kevlar"-Geflecht einzugreifen und dieses zu halten. Die Einstellschrauben können an beinahe jeder Position entlang der Länge des Kragens angeordnet werden, wobei sie sich jedoch mindestens 6.5 mm (0.25 inch) sowohl von dem Schlauchende 37 als auch von dem Schulteranschlag 39 des Kragens, an den das Schlauch­ ende anliegt, entfernt befinden müssen, um eine außerordent­ liche Beanspruchung an den Enden des Kragens zu vermeiden und um das "Kevlar"-Aramidgeflecht richtig festzusetzen, ohne die Enden des Geflechtes zu veranlassen, auszufransen und ihre Griffestigkeit zu verlieren. Die Einstellschrauben 36 sind normalerweise bei großkalibrigen Schläuchen (Durchmesser 2.54 cm (1 inch und größer)) erforderlich, wobei sie jedoch manchmal auch bei Schläuchen geringeren Durchmessers, speziell zum Gebrauch bei sehr hohem Druck, verwendet werden können.
Die Einstellschrauben sind derart gestaltet, daß sie zwischen ungefähr 25% und 85% der Verstärkungsschichtdicke durch­ dringen und daß sie vor dem Stauchen unterhalb der Außen­ oberfläche des Bundes versenkt werden. Die bevorzugte Durch­ dringung durch die "Kevlar"-Aramidschichtdicke beträgt 60%. Während des Stauchens oder Faltens führt das Fließvermögen eines Metallbundes automatisch dazu, daß die Einstell­ schrauben in der Position festgesteckt werden, so daß sie nicht hinausrücken können. Wenn eine vollständig aus Kunst­ stoff bestehende End-Anschlußfassung verwendet wird, werden Schlauchklemmen benutzt, um den Schlauch zusammenzudrücken, während ein Verriegelungskragen in Stellung geschoben wird. Wenn die Klemmen freigegeben werden, so drückt der zusammen­ gepreßte Schlauch durch das Formgedächtnis auswärts, um den Verriegelungskragen einzufangen und die Einstellschrauben einzuschließen. Nachdem sie in ihrer Position festgestellt sind, muß die äußere Oberfläche der Einstellschrauben unter Verwendung handelsüblich verfügbarer, vergleichbarer Abdicht­ materialien, wie z. B. Wachs, abgedichtet werden, um die Verunreinigung der Verstärkung durch den mit Gewinden ver­ sehenen Bund dort, wo die Schrauben befestigt sind, zu verhindern.
Das Schlauchende 37 wird in den Bund 26 eingeführt, bis es an einem Schulteranschlag 39 an dem Ende der Bund-Absenkung auf Grund kommt. Dann werden die Verriegelungs-Einstell­ schrauben 36 oder ähnliche Vorrichtungen verwendet, um in das "Kevlar"-Aramidverstärkungsgeflecht an so vielen Stellen wie erforderlich einzudringen (in einem Fall z. B. vier Positionen), um zu unterstützen, daß der Schlauch in der Einpassung in Position gehalten wird. Die Anschlußeinpassung hält bei Schläuchen mit 3.2 cm (1.25 inch) Durchmesser Endbelastungen von bis zu 20 000 kg und mehr sicher stand. Der Kragen besitzt auch Dichtungswiderhaken 38 (s. Fig. 3), die gegenüber dem "Teflon"-Innenkern abdichten, wenn dieser (wie bei 42) nach dem Tiefziehen über den Schulteranschlag hinausdrängt, um den Kragen auf den Schlauch und den Einsatz zu drücken. Der extrudierte "Teflon"-Innenkern dichtet das "Kevlar"-Material am Ende 37 im Inneren einer Kammer ab, die durch die Extrudierung und die Schulter des Kragens begrenzt wird.
Der Einsatz 22 besitzt Auslaßschlitze 40, die durch den Teilbereich führen, in dem dieser mit dem Kragen verbunden ist. Die Dichtungswiderhaken 38 und die Extrudierung des "Teflon"-Innenkerns 12 stellen zusammenwirkend sicher, daß, wenn irgendeine Durchsickerung zwischen dem Außendurchmesser des Einsatzes 22 und dem Innendurchmesser des Schlauches auftritt, die Durchsickerung über die Auslaßschlitze 40 austreten wird. Es wird dort kein Rückfluß auftreten, der die "Kevlar"-Aramidverstärkung benetzt. Somit erlauben die Auslaßschlitze 40 der Sickerflüssigkeit, aus der Einpassung herauszufließen, ohne die "Kevlar"-Verstärkung herabzu­ setzen, wobei jedoch ein sichtbarer Hinweis darauf gegeben wird, daß eine Wartung und Überholung notwendig sind.

Claims (10)

1. Hochdruckschlauchanordnung, die umfaßt:
  • - einen Innenkern aus einem Material, das Angriffen durch Mittel widersteht, welche durch den Schlauch gefördert werden;
  • - eine Schicht aus mechanisch starkem Aramidgarn-Verstär­ kungsmaterial, das den Innenkern umgibt, wobei das Aramid­ garn-Verstärkungsmaterial Angriffen durch die geförderten Mittel oder durch Mittel ausgesetzt ist, welchen es wahr­ scheinlich in der Umgebung begegnet, in der die Schlauch­ anordnung verwendet werden kann,
  • - eine äußere Schicht aus widerstandsfähigem Material, die vollständig das Aramidgarn-Verstärkungsmaterial bedeckt und
  • - eine Scheuerhülse, die die äußere Schicht bedeckt.
2. Schlauchanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Innenkern aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe, bestehend aus PTFE, Nylon und hochdichtem Polyethylen, ausgewählt ist.
3. Schlauch nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die äußere Schicht durch ein Band gebildet wird, das aus einem Material hergestellt ist, welches aus einer Gruppe, be­ stehend aus PTFE, Nylon und hochdichtem Polyethylen, ausge­ wählt ist, wobei das Band um das Aramidgarn gewickelt ist und dieses umgibt.
4. Schlauch nach Anspruch 3, und eine Abschlußeinpassung, wobei die Abschlußeinpassung besitzt:
  • - einen Schulteranschlag, gegen den ein Ende des Schlauches anliegt, wobei der Schulteranschlag mit dem Innenkern und der äußeren Schicht zusammenwirkt, um das Aramidgarn vollständig zu umgeben,
  • - einen Verriegelungskragen, der den Schlauch umgibt und zusammendrückt, und
  • - Auslaßschlitze, die sich in dem Schulteranschlag befinden und sich von einem Raum zur Aufnahme des Schlauches nahe des Schulteranschlags auswärts erstrecken, wobei der Innenkern in die Schlitze hineindrängt, wenn er durch den Verriegelungskragen zusammengedrückt wird, wobei das Hineindrängen die Schlitze abdichtet, um jeglichen Rück­ fluß von Sickerflüssigkeit zu dem Aramidgarn-Verstärkungs­ material in einem Raum zu verhindern, der durch mindestens den Schulteranschlag, den Innenkern und die äußere Schicht bestimmt wird.
5. Schlauch nach Anspruch 4, wobei mindestens eine Einstell­ schraube mit einem Abstand von mindestens 0.63 mm (0.25 inch) von dem Schulteranschlag und einem Ende des Kragens ange­ ordnet ist.
6. Schlauch nach Anspruch 4, bei dem die Einstellschraube das Verstärkungsmaterial um eine Strecke im Bereich von ungefähr 25% bis 85% von dessen Dicke durchdringt.
7. Schlauch nach Anspruch 4, bei dem die Abschlußeinpassung aus einem Kunststoff hergestellt ist, der nicht gestaucht werden kann, wobei der Schlauch mindestens eine äußere elastomere Ummantelung mit einem Verformungsgedächtnis besitzt, wobei die Abschlußeinpassung durch eine Ausdehnung des elastomeren Schlauches festgehalten wird, wenn dieser aufgrund des elastomeren Verformungsgedächtnis auswärts gegen die Abschlußeinpassung drückt.
8. Hochdruckschlauchanordnung, die umfaßt:
  • - eine Abschlußeinpassung, die einen Einsatz und einen Kragen enthält, wobei der Einsatz und der Kragen einen zwischen ihnen befindlichen Raum besitzen, der durch einen Schulteranschlag geschlossen wird,
  • - Mittel zum mechanischen Zusammenschließen des Einsatzes und des Kragens,
  • - ein Mehrfachschlauch, der auf dem Schulteranschlag fußt und zwischen dem Einsatz und dem Kragen festgehalten wird, wobei der Mehrfachschlauch einen PTFE-Innenkern umfaßt, der durch ein Aramidgeflecht umgeben und durch ein PTFE-Band bedeckt wird, und
  • - Mittel zum Abdichten eines Endes des Mehrfachschlauches in dem Raum, der durch den Einsatz, den Kragen und den Schulteranschlag bestimmt wird.
9. Schlauchanordnung nach Anspruch 4 und Auslaßmittel zum Austreiben jeglicher Flüssigkeit, die von dem Schlauch an der Abschlußeinpassung durchsickert, ohne das Aramidgeflecht zu benetzen, das in dem Raum abgedichtet ist, wobei das Auslaßmittel angeordnet ist, um mit dem vorgezogenen Innenkern abgedichtet zu werden, um einen Rückfluß der Sickerflüssigkeit zu dem Aramidgeflecht zu verhindern.
10. Schlauch nach Anspruch 1, wobei der Innenkern aus einem Fluorkohlenstoffmaterial besteht.
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