DE4411062C1 - Axialzugentlastungsschelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialzugentla­ stungsschelle zum Verbinden der Enden zweier weitgehend glatter Rohre, mit wenigstens einem die Fuge zwischen den Rohrenden überbrückenden Verbindungselement aus Metall, das durch wenigstens eine Spanneinrichtung in Umfangsrichtung der Rohre spannbar ist und an dem nahe seinen axialen Enden jeweils ein sich in Umfangsrich­ tung der Rohre erstreckendes Axialsicherungsband aus Metall mit an wenigstens dem axial inneren seiner bei­ den Umfangsränder schräg radial nach innen gerichteten keilförmigen Zähnen für den Eingriff ins Rohrmaterial befestigt ist, wobei die Zähne mit einer Radialebene der Axialzugentlastungsschelle einen ersten Winkel und die Zahnflanken einen zweiten Winkel einschließen.

Bei einer bekannten Axialzugentlastungsschelle dieser Art (DE 25 55 179 B2, DE 36 26 289 C1 oder DE 36 32 127 C2) hat sich gezeigt, daß bei höher als 10 bar liegen­ den Drücken des durch die Rohre strömenden Fluids und insbesondere bei Rohren mit sehr harter Oberfläche die Gefahr besteht, daß die Rohre in der Axialzugentla­ stungsschelle axial auseinandergedrückt werden und die Verbindung undicht wird. In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, daß die Axialzugentlastungsschelle sehr viel höheren Drücken des durch die Rohre strömenden Fluids standhält, ohne daß die Rohrverbindung undicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axial­ zugentlastungsschelle der eingangs genannten Art anzu­ geben, die bei noch höheren Drücken einen festen Zusam­ menhalt der Rohre gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der erste Winkel zwischen 33° und 38° liegt.

In diesem Winkelbereich dringen die Zähne bei konstan­ ter Spannkraft der Spanneinrichtung am tiefsten in das Rohrmaterial ein. Wie sich gezeigt hat, hält die Ver­ bindung der Rohre durch die Axialzugentlastungsschelle, je nach Rohrdurchmesser, selbst bei sehr hartem Rohrma­ terial, in diesem Winkelbereich Drücken von bis zu 20 bar und mehr stand.

Vorzugsweise ist der erste Winkel gleich arc tan . Bei diesem Wert ist die Eindringtiefe der Zähne am größten und demzufolge auch die Belastbarkeit der Rohr­ verbindung.

Der zweite Winkel sollte höchstens 120° betragen und vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegen. In diesem Winkelbereich dringen die Zähne besonders tief ins Rohrmaterial ein.

Wenn das Material der Axialzugentlastungsbänder härter als das der Rohre ist, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl besteht, und demzufolge auch das Material der Zähne, neigen die Zähne auch bei Ausübung der höchsten Spannkraft der Spanneinrichtung nicht dazu, sich zu verbiegen, so daß der optimale erste Winkel der Zähne zuverlässig eingehalten wird.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Axialansicht einer Rohrkupplung mit einer erfindungsgemäßen Axialzugentlastungsschelle,

Fig. 2 eine Radialansicht der Rohrkupplung nach Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III der Fig. 1 mit in die Rohr­ kupplung eingeführten Rohren,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines in ein Rohr eingreifenden Zahns der Axialzugentlastungs­ schelle,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des in das Rohr eingreifenden Teils des Zahns nach Fig. 4 und

Fig. 6 ein Diagramm der Abhängigkeit der Eindringtiefe des Zahns nach Fig. 4 bei konstantem Volumen des durch den eingedrungenen Zahnteil verdrängten Rohrmaterials vom ersten Winkel α.

Die Rohrkupplung nach den Fig. 1 bis 3 dient zum Ver­ binden der Enden zweier weitgehend glatter zylindri­ scher Rohre 1 und 2. Sie hat eine Axialzugentlastungs­ schelle mit einem die Fuge zwischen den Enden, d. h. den einander zugekehrten Stirnseiten, der Rohre 1, 2 über­ brückenden Verbindungselement 3 in Form eines Schellen­ mantels, bestehend aus zwei Halbschalen 3a und 3b, de­ ren Enden durch je eine Spanneinrichtung 4 verbunden sind. Das Verbindungselement 3 besteht aus Metall, und an seiner Innenseite ist nahe seinem axialen Ende je­ weils ein sich in Umfangsrichtung des Verbindungsele­ ments 3 erstreckendes Axialsicherungsband 5 aus Metall befestigt. Jedes Axialsicherungsband 5 besteht aus zwei etwa halbzylindrischen Hälften 5a und 5b, die jeweils an einer Halbschale 3a, 3b des Verbindungselements 3 durch Punktschweißung befestigt sind. Jedes Axialsiche­ rungsband 5 hat an seinen beiden Umfangsrändern schräg radial nach innen gerichtete, keilförmige symmetrische Zähne 6 mit Flanken 7 für den Eingriff ins Rohrmateri­ al. In Fig. 1 sind nur einige Zähne 6 zur Vereinfachung der Darstellung eingezeichnet. Die übrigen sind durch strichpunktierte Linien angedeutet. Die Axialsiche­ rungsbänder 5, einschließlich der Zähne 6, bestehen aus gehärtetem Stahl, vorzugsweise einsatzgehärtetem Stahl, so daß sie härter als das Rohrmaterial sind.

Auf der Innenseite des Verbindungselements 3 ist zwi­ schen den beiden Axialsicherungsbändern 5 ein spannba­ res Schellenband 8 angeordnet. Das Schellenband 8 hat an seinen axialen Enden schräg radial nach innen abge­ winkelte Seitenwände 9. Die Seitenwände 9 sind beim Spannen auf den Rohren 1, 2 abstützbar. Zwischen den Seitenwänden 9 ist eine Dichtungsmanschette 10 aus ela­ stomerem Material eingekammert. Die Dichtungsmanschette 10 hat auf ihrer Innenseite eine umlaufende Rippe 11, an der sich die Stirnseiten der Rohre 1, 2 zur Ein­ schubbegrenzung der Rohre anlegen.

Nach Fig. 3 haben die Seitenwände 9 des Schellenbandes 8 einen axialen Abstand von den benachbarten Zähnen 6.

Das Schellenband 8 ist mit einem Spannverschluß 12 ver­ sehen, der durch ein Loch 13 im Verbindungselement 3, hier in der einen Halbschale 3a des Verbindungselements 3, radial nach außen vorsteht. Der Spannverschluß 12 ist daher zum Spannen oder Entspannen des Schellenban­ des 8 zugänglich. Das Verbindungselement 3 und das Schellenband 8 haben gemäß Fig. 3 einen radialen Ab­ stand voneinander.

Die Spanneinrichtungen 4 enthalten jeweils zwei Spann­ schrauben 14, deren Kopf 15 einen Innensechskant auf­ weist. Sodann enthalten die Spanneinrichtungen 4 an den Enden der Halbschalen 3a und 3b des Verbindungselements 3 radial nach außen gebogene Spannbacken 16, an denen Verstärkungsplatten 17 und 18 angeschweißt sind. Die Spannbacken 16 und Verstärkungsplatten 17 sind mit Durchgangslöchern zur Durchführung des Schaftes der Spannschrauben 14 und die Verstärkungsplatten 18 mit Gewindelöchern zur Aufnahme des Gewindes der Spann­ schrauben 14 versehen.

Der Verschluß 12 des Schellenbandes 8, dessen Enden sich im Bereich des Verschlusses 12 überlappen, besteht aus zwei Spannbacken 19, einer Spannschraube 20 und einer Mutter 21 in Vierkantform.

Die Spannbacken 19 bestehen jeweils aus einem Stahl­ band, das quer zum Schellenband 8 verläuft und in der Mitte radial nach außen in Form einer Öse zur Durchfüh­ rung der Spannschraube 20 gewölbt ist, wobei der Kopf 22 der Spannschraube 20 an der einen Kante der einen Öse und die Mutter 21 an der einen Kante der anderen Öse anliegt. Sodann sind die Spannbacken 19 durch Punktschweißungen (siehe Fig. 2) mit dem Schellenband 8 verbunden.

Das Verbindungselement 3 hat in dem Bereich zwischen den Axialsicherungsbändern 5 eine etwa trapezförmige Nut, die radial nach außen gedrückt ist, um das Schel­ lenband 8 aufzunehmen und das Verbindungselement 3 zu versteifen.

Wie die Fig. 3, insbesondere Fig. 4, zeigt, schließen die Zähne 6 einen spitzen Winkel α mit einer Radialebe­ ne 22 der Rohrkupplung bzw. Axialzugentlastungsschelle ein, während ihre Flanken 7 nach den Fig. 1 und 5 einen spitzen Winkel β einschließen. Beim Spannen der Spann­ einrichtungen dringen die Zähne 6 daher mit ihren axial inneren Ecken normalerweise in das Rohrmaterial ein, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Gegebenen­ falls kann die Verbindung der Rohre 1, 2 dann hohen Axialkräften bei hohen Drücken in den Rohren 1, 2 standhalten. Hierbei können die Innendrücke um so höher sein, je größer die Eindringtiefe der Zähne 6 ist. Ins­ besondere bei Rohren 1, 2 mit sehr harter Oberfläche besteht jedoch die Gefahr, das die Zähne 6 nicht hin­ reichend tief in das Rohrmaterial eingreifen, um das Auseinanderdrücken der Rohre 1, 2 bei sehr hohen Innen­ drücken zu vermeiden, da die Spannkraft, die durch die Spanneinrichtungen 4 ausgeübt werden kann, sich nicht unbegrenzt steigern läßt. Es läßt sich jedoch anhand von Fig. 4 zeigen, daß die Eindringtiefe h der Zähne 6 bei vorgegebener Spannkraft und der angegebenen Zahn­ form einen maximalen Wert bei einem bestimmten Winkel α erreicht. Diesem überraschenden Ergebnis liegt die Er­ kenntnis zugrunde, daß das Volumen des Rohrmaterials, das durch den ins Rohr eindringenden Zahnteil verdrängt wird, bei dem vorbestimmten Winkel α möglichst klein sein sollte. Denn je geringer das Volumen des verdräng­ ten Rohrmaterials ist, um so größer wird bei vorgegebe­ ner Spannkraft der Spanneinrichtung 4 die Eindringtiefe h sein.

Für das Volumen V des verdrängten Rohrmaterials gilt (mit hinreichend genauer Annäherung):

V = A y/3 (1)

wobei A die axial innere Fläche des ins Rohrmaterial eingedrungenen, in Fig. 5 perspektivisch dargestellten Zahnteils ist. Dieser Zahnteil hat mit hinreichend ge­ nauer Annäherung die Form einer dreiseitigen Pyramide mit der Grundfläche A und der Höhe y. Die Fläche A ist der Flächeninhalt des gleichschenkligen Dreiecks mit der Grundlinie c, der Höhe x und dem Winkel β an der Spitze gegenüber der Grundlinie c. Nach Fig. 4 gilt dann für die Höhe y der Pyramide

y = h/sin α (2)

und für den Inhalt der Grundfläche

A = cx/2 (3).

Für die Höhe x der Fläche A gilt nach Fig. 4

x = h/cos α (4)

und für die Grundlinie

c = 2xtan(β/2) (5).

Durch Einsetzen der Gleichungen (2) bis (5) in die Gleichung (1) erhält man dann

Durch Umschreiben der Gleichung (6) erhält man

und durch Normierung der Gleichung (7) gemäß der fol­ genden Gleichung (8)

ergibt sich für die normierte Eindringtiefe h_n bei kon­ stantem Volumen V und konstantem Winkel β

Die Abhängigkeit der normierten Eindringtiefe h_n vom Winkel α, die sich von der Eindringtiefe h nur durch den Proportiona­ litätsfaktor

unterscheidet, ist in Fig. 6 als Kurvendiagramm darge­ stellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Eindringtiefe bei dem Winkel α_m ein Maximum hat, und zwar unabhängig von V und β. Die Lage dieses Maximums bzw. der Winkel α_m ergibt sich durch Differentiation der Gleichung (9) nach α und Nullsetzen des Differentialquotienten zu

Die optimale Eindringtiefe liegt daher bei α = α_m. Wie Fig. 6 zeigt, kann der Winkel α aber auch zwischen 30° bis 40°, vorzugsweise zwischen 33° und 38° liegen, ohne daß sich die Eindringtiefe wesentlich verringert. Durch Differentiation der Gleichung (6) nach α und Nullsetzen des Differentialquotienten läßt sich zeigen, daß bei dem gleichen Winkel von 35,26° das Volumen am kleinsten ist.

Andererseits ist die Eindringtiefe nach Gleichung (7) um so größer und das Volumen V nach Gleichung (6) um so kleiner, je kleiner der Winkel β an der Zahnspitze zwi­ schen den Flanken 7 ist, d. h. je spitzer die Zähne 6 sind.

Für die Ableitung der Gleichungen (1) bis (11) gilt einschränkend, daß die Dicke d (Fig. 4) der Zähne 6 größer als y ist, d. h. gemäß Gleichung (2)

d < h/sin α (12)

mit anderen Worten, daß die Zähne 6 nicht über ihre radial innere Kantenlänge hinaus ins Rohrmaterial ein­ dringen.

Eine weitere einschränkende Voraussetzung für die Ge­ nauigkeit der Gleichungen (1) bis (10) ist, daß die Linie c in Fig. 5 als geradlinig angenommen ist, obwohl sie tatsächlich entsprechend dem Außendurchmesser der Rohre 1, 2 leicht gekrümmt ist, was bei der geringen Länge der Linie c im Verhältnis zum Umfang der Rohre 1, 2 jedoch vernachlässigbar ist.

Bei der Wahl des Winkels α_m hält die Rohrverbindung Fluiddrücken bis zu 20 bar und mehr stand. Bei einem Rohrdurchmesser von beispielsweise 50 bis 200 mm kann der zulässige Druck etwa 50 bis 5 bar betragen.

Eine Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann darin bestehen, daß die axial äußeren Zahnkränze, die an dem der radialen Mittelebene der Rohrkupplung abgewandten Rand der Axialsicherungsbänder 5 liegen, weggelassen sind, da sie aufgrund ihres dem Neigungs­ winkel der übrigen Zähne entgegengesetzten Neigungswin­ kels nur geringere Axialzugkräfte der Rohre 1, 2 auf­ nehmen. Bei gleicher Spannkraft der Spanneinrichtungen 4 erreichen die übrigen Zähne 6 dann eine noch größere Eindringtiefe mit entsprechend höherer Axialzugbelast­ barkeit der Rohre 1, 2.

Weitere Abwandlungen des dargestellten Ausführungsbei­ spiels können beispielsweise darin bestehen, daß an­ stelle der einen Spanneinrichtung 4 eine einteilige Verbindung oder eine Gelenkverbindung zwischen den Halbschalen 3a und 3b des Schellenmantels 3 vorgesehen wird. Alternativ kann der Schellenmantel 3 auch in drei oder mehr Abschnitte unterteilt sein, wobei dann drei oder mehr Spanneinrichtungen 4 vorgesehen sein können. Sodann kann anstelle des dargestellten Spannverschlus­ ses 12 ein Spannverschluß entsprechend einer der Spann­ einrichtungen 4 vorgesehen sein, jedoch mit nur einer Spannschraube.

Claims (4)

1. Axialzugentlastungsschelle zum Verbinden der Enden zweier weitgehend glatter Rohre (1, 2), mit wenig­ stens einem die Fuge zwischen den Rohrenden über­ brückenden Verbindungselement (3) aus Metall, das durch wenigstens eine Spanneinrichtung (4) in Um­ fangsrichtung der Rohre (1, 2) spannbar ist und an dem nahe seinen axialen Enden jeweils ein sich in Umfangsrichtung der Rohre (1, 2) erstreckendes Axi­ alsicherungsband (5) aus Metall mit an wenigstens dem axial inneren seiner beiden Umfangsränder schräg radial nach innen gerichteten keilförmigen Zähnen (7) für den Eingriff ins Rohrmaterial befe­ stigt ist, wobei die Zähne (6) mit einer Radialebe­ ne (22) der Axialzugentlastungsschelle einen ersten Winkel (α) und die Zahnflanken (7) einen zweiten Winkel (β) einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (α) zwischen 33° und 38° liegt.

2. Axialzugentlastungsschelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (α) gleich arc tan ist.

3. Axialzugentlastungsschelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel (β) höchstens 120° beträgt, vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt.

4. Axialzugentlastungsschelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Axialsicherungsbänder (5) härter als das der Rohre ist, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl be­ steht.