DE60012487T2

DE60012487T2 - Stahlseil mit einem polymeren kern

Info

Publication number: DE60012487T2
Application number: DE60012487T
Authority: DE
Inventors: Horst Poethke; Stijn Vanneste; Steven Wostyn
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: AU2917100A; DE60012487D1; KR100736957B1; CN1258626C; CN1341178A; JP4748856B2; ES2225098T3; EP1159480B1; ATE272142T1; BR0008735A; WO2000052254A1; BR0008735B1; US6334293B1; JP2002538327A; EP1159480A1; EP1033435A1; TR200102443T2; KR20020004952A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundseil für die Verstärkung von Elastomeren, wie Gummi, die zum Beispiel für Reifen, Förderbänder und Schläuche verwendet werden.
Allgemeiner Stand der Technik
Stahlseile und insbesondere Kompaktseile sind allgemein bekannt. Sie werden für die Verstärkung von Gummiartikeln verwendet.
In einem Kompaktstahlseil haben die Stahlfilamentkomponenten die gleiche Drillrichtung und den gleichen Verdrillschritt. Die Filamente eines Kompaktstahlseils haben mit benachbarten Stahlfilamenten Linienkontakt.
Sowohl Stahlseile wie auch Kompaktseile haben den Nachteil, dass die Oberfläche des Kernfilaments durch Reibverschleiß beschädigt werden kann. Diese Beschädigung kann sehr hoch sein. Der Reibverschleiß ist nicht auf die Kernfilamente beschränkt, sondern es erfahren auch die Filamente, die um das Kernfilament angeordnet sind, einen Reibverschleiß.
Bei dem herkömmlichen Seil ist ein einziges Filament um das Seil gewickelt. Bei dieser Art von Seil besteht der Nachteil, dass das umhüllende Filament einen Reibverschleiß an den Filamenten der äußeren Schicht verursacht.
EP 0 627 520 stellt ein hüllenloses Kompaktstahlseil bereit, wobei die äußeren Filamente die Funktion des Hüllfilaments erfüllen. Diese äußeren Filamente üben jedoch einen großen Druck auf das Kernfilament aus. Dies führt zu einem Reibverschleiß an dem Kernfilament und somit zu einer beachtlichen Beschädigung dieses Kernfilaments.
Ein weiterer bekannter Nachteil von Stahlseilen mit einem Kern und Filamentschichten und insbesondere von Kompaktseilen ist, dass sie an einer Kernmigration leiden. Die Kernmigration ist das Herausrutschen der Filamente aus dem Seil bedingt durch wiederholtes Abknicken.
Herkömmliche Stahlseile, die einen Kern aus einem polymeren Material umfassen, sind in der Technik bekannt. Beispiele sind in DE-19535597, DE-1027539 und BE-900175 angeführt.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbundseil bereitzustellen, das die Nachteile nach dem Stand der Technik nicht aufweist.
Es ist auch eine Aufgabe, den Reibverschleiß des Kernfilaments zu verringern und den Reibverschleiß der Filamente, die um das Kernfilament angeordnet sind, zu verringern. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verbundseil mit einer verbesserten Stabilität der Seilstruktur bereitzustellen. Unter einer verbesserten Stabilität der Seilstruktur wird eine bessere und stabilere Verteilung der Filamente über das Seil verstanden.
Es ist auch eine Aufgabe, eine Kernmigration zu verhindern.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verbundseil mit einer längeren Lebensdauer bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verbundseil zur Verstärkung von Elastomeren mit einem Kern aus einem hochpolymeren Material bereitgestellt. Das hochpolymere Material umfasst Polyester. Eine erste Schicht von Stahlfilamenten wird um den Kern verdrillt und eine zweite Schicht von Stahlfilamenten wird um die erste Schicht verdrillt. Alle Filamente der ersten und zweiten Schicht haben den gleichen Verdrillschritt.
Alle Filamente der ersten und zweiten Schicht haben nicht nur den gleichen Verdrillschritt, sondern auch die gleiche Drillrichtung.
Da das Kernfilament aus einem polymeren Material besteht, kommt es zu keinem Reibverschleiß des Kernfilaments.
Eine Kernmigration, die ein wesentlicher Nachteil von Stahlseilen nach dem Stand der Technik ist, wird dadurch ebenso vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das polymere Material in einem ausreichenden Volumen vorhanden, um Lücken zwischen den Filamenten der ersten Schicht hervorzubringen. In einer solchen Ausführungsform gibt es keinen direkten Kontakt zwischen den Stahlfilamenten der ersten Schicht. Dies führt zu einer deutlichen Verringerung des Ausmaßes an Reibverschleiß zwischen den Filamenten der ersten Schicht.
Vorzugsweise haben die Lücken zwischen benachbarten Filamenten der ersten Schicht eine mittlere Größe von 0,002 mm. Insbesondere ist die mittlere Größe der Lücken mindestens 0,004 mm.
Unter mittlerer Größe der Lücken wird die mittlere Größe aller Lücken zwischen benachbarten Filamenten der ersten Schicht über die gesamte Länge des Seils verstanden. Gelegentlich können einige Querschnitte Lücken aufweisen, die kleiner als die mittlere Größe sind.
Die Größe der Lücken kann als theoretischer Durchmesser des mittleren Kerns d, des Durchmessers des Filaments der ersten Schicht D und der Zahl von Filamenten in der ersten Schicht n, nach folgender Gleichung angegeben werden:
Unter theoretischem Durchmesser des mittleren Kerns des Seils wird der Durchmesser des am besten passenden Rings in dem Loch verstanden, das durch die Stahlfilamente des Seils gebildet wird.
In einer anderen Ausführungsform wird das Volumen des polymeren Kerns so gewählt, dass Lücken nicht nur zwischen benachbarten Filamenten der ersten Schicht gebildet werden, sondern auch zwischen benachbarten Filamenten der zweiten Schicht.
Das Vorhandensein von Lücken zwischen den Stahlfilamenten ist wichtig, da es ein Durchdringen der Elastomermasse zu den Stahlfilamenten bis zum Kern des Seils ermöglicht. Auf diese Weise können die Filamente vollständig in dem polymeren Material eingebettet werden, d.h., in dem hochpolymeren Material des Seils und dem Elastomer.
Es können verschiedene Arten von organischen Filamenten als Kernmaterial verwendet werden. Damit das polymere Material während einem Vorwärmen oder während dem Vulkanisieren nicht schmilzt, muss der Schmelzpunkt des verwendeten Polymers ausreichend hoch sein. Vorzugsweise ist die Schmelztemperatur des polymeren Materials höher als 135 °C, zum Beispiel höher als 140 °C.
Der polymere Kern umfasst mindestens ein Filament aus einem Hochpolymer. Die Filamente können verschmolzen oder verdrillt sein.
Geeignete Filamente sind Polyesterfilamente, wie Polyethylennaphthalat- (PEN) oder Polyethylenterephthalat- (PET) Filamente.
Polyester hat den Vorteil, dass es durch eine geringe Adsorption von Feuchtigkeit gekennzeichnet ist.
Als Alternative können Filamente, die aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt sind, als polymerer Kern verwendet werden. Diese Filamente umfassen ein Kernmaterial aus Polyester, das mit einem polymeren Material beschichtet ist.
Das Kernmaterial verleiht dem Seil die erforderliche Festigkeit. Das polymere Material, das das Kernmaterial umgibt, fließt vorzugsweise während der Wärmebehandlung aus.
Das Kernmaterial kann zum Beispiel PEN oder PET sein.
Das Material, das das Kernmaterial umgibt, ist zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen oder ein thermoplastisches Copolyester-Elastomer, das als Arnitel^® bekannt ist. Ebenso kann ein modifiziertes PET, das durch einen geringeren Schmelzpunkt als das herkömmliche PET gekennzeichnet ist, als Hüllmaterial für den Kern verwendet werden. Diese Materialien können durch Extrusion auf das Kernmaterial aufgebracht werden.
Für alle oben erwähnten polymeren Kernmaterialien wird der Durchmesser des polymeren Kerns so gewählt, dass die oben erwähnte Minimalgröße der Lücken zwischen benachbarten Filamenten der ersten Schicht erhalten wird.
Die polymeren Filamente können imprägniert werden, um eine gute Adhäsion zwischen der Elastomermasse und dem Polymer zu erreichen.
Abhängig von der Art des verwendeten Polymers und abhängig von dem Durchmesser des polymeren Kerns können verschiedene Ausführungsformen gebildet werden.
In einer Ausführungsform wird ein Polymer mit einer Schmelztemperatur, die höher als die Vulkanisierungstemperatur ist, als Kern verwendet. Ein Polymer mit einem derart hohen Schmelzpunkt ist zum Beispiel Polyester. Wegen der hohen Schmelztemperatur des Polymers fließt das polymere Material während der Erwärmung nicht aus.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Polymerkerns so gewählt, dass die Filamente, die um den Kern in einer ersten Schicht angeordnet sind, einander nicht berühren.
Mögliche Seilkonstruktionstypen sind C+6+12, C+8+12, C+8+13, C+9+15. In dieser Angabe ist C der hochpolymere Kern. Bei Kompaktseilen ist die Zahl von Filamenten in der ersten Schicht vorzugsweise 5, 6 oder 7. Die Zahl von Filamenten in der zweiten Schicht ist vorzugsweise das Doppelte der Zahl von Filamenten in der ersten Schicht. Bevorzugte Konstruktionen für Kompaktseile sind Konstruktionen vom Typ C+15, C+18 und C+21.
Wie zuvor erwähnt, werden vorzugsweise alle Filamente in polymerem Material eingebettet, entweder durch das Ausfließen des hochpolymeren Materials und/oder durch das Durchdringen des Elastomers zu der Mitte des Seils hin.
Das Durchdringen des Elastomers kann weiter verstärkt werden, indem einige der Filamente der zweiten Schicht durch Filamente mit einem etwas geringeren Durchmesser ersetzt werden.
Die Verbundseile sind vorzugsweise hüllenlose Seile. Die Filamente der zweiten Schicht üben eine Kraft aus, die radial nach innen gerichtet ist. Auf diese Weise erfüllen die Filamente der Außenschicht die Funktion des Hüllfilaments eines herkömmlichen Stahlseils.
Diese radial nach innen gerichtete Kraft der Filamente der äußeren Schicht kann auf verschiedene Weisen erreicht werden.
Eine erste Möglichkeit, diese zu erreichen ist, dass die Filamente der äußeren Schicht mit Restdrehungsgraden bereitgestellt werden, die dazu neigen, das Stahlseil zu schließen.
Eine zweite Möglichkeit, eine Kraft auszuüben, die radial nach innen gerichtet ist, besteht darin, die Filamente der äußeren Schicht derart vorzuformen, dass das Vorformungsverhältnis kleiner oder gleich 100 Prozent ist. Das Vorformungsverhältnis eines bestimmten Filaments ist als das Verhältnis des Durchmessers der Spirale des entwirrten Filaments zu dem Durchmesser der Spirale des Filaments im Seil definiert.
Eine dritte Möglichkeit, eine Kraft auszuüben, die radial nach innen gerichtet ist, besteht darin, die Filamente der äußeren Schicht in dem Stahlseil unter eine Spannkraft zu setzen.
Die Filamente der äußeren Schicht werden in dem Stahlseil unter eine Spannkraft gesetzt, wenn nach einem sorgfältigen Entwirren der äußeren Filamente der Verdrillschritt der entwirrten äußeren Filamente kleiner als der Verdrillschritt des Stahlseils ist.
Ebenso sind Kombinationen der drei zuvor beschriebenen Möglichkeiten denkbar, um eine radial nach innen gerichtete Kraft der äußeren Filmente zu erreichen.
Die Herstellung eines solchen hüllenlosen Stahlseils ist in EP 0 627 520 offenbart. Eine solche Art von Stahlseil leidet jedoch an einem Reibverschleiß der Kernfilamente, da durch die äußeren Filamente ein hoher Druck auf diese Kernfilamente ausgeübt wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der Erfindung
Zwei Arten von Verbundseil gemäß der vorliegenden Erfindung wurden einem herkömmlichen Endlosbandtest unterzogen.
Die erste Art von Verbundseil umfasst einen hochpolymeren Kern aus superstarken Polyethylenfasern und 18 Stahlfilamenten mit einem Durchmesser von 0,175 mm, die um den Kern verdrillt sind. Der theoretische Durchmesser des mittleren Kerns der Filamente des Seils ist 0,21 mm.
Die zweite Art umfasst Polyesterfilamente als hochpolymeren Kern und 18 Stahlfilamenten, die um den Kern verdrillt sind. Der theoretische Durchmesser des mittleren Kerns ist 0,22 mm und der Durchmesser der Stahlfilamente ist 0,175 mm.
Diese zwei Verbundseile werden mit einem herkömmlichen Kompaktseil vom 0,20 + 18 × 0,175 Typ verglichen.
Die Bruchlast der Filamente der verschiedenen Seilarten wird vor und nach Ausführung eines Endlosbandtests gemessen. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Spalte 3 zeigt die Minderung in der Bruchlast der Filamente nach Ausführung des Endlosbandtests, ausgedrückt in Prozent.
Die Filamente der verschiedenen getesteten Seilarten werden vor und nach dem Endlosbandtest auch einem Dauerknicktest unterzogen. Die Zahl von Zyklen vor einem Bruch wird gemessen. Dieser Dauerknicktest wird mit einer Axiallast von 980 g durchgeführt.
Spalte 4 von Tabelle 1 zeigt die Abnahme in Prozent in der Zahl von Zyklen nach Ausführung eines Endlosbandtests.
Tabelle 1

C = Kernfilament
O = Stahlfilament

Daraus geht hervor, dass die Filamente eines Verbundseils gemäß der Erfindung eine höhere Bruchlast haben als die Filamente eines herkömmlichen Kompaktseils nach Ausführung eines Endlosbandtests.
Die Zahl von Zyklen des Dauerknicktests, die nach dem Endlosbandtest ausgeführt werden kann, ist für die Verbundseile im Vergleich zu einem herkömmlichen Kompaktseil deutlich höher.
Tabelle 2 zeigt die Haupteigenschaften der zwei Arten der zuvor beschriebenen Verbundseile im Vergleich zu einem herkömmlichen Kompaktseil.
Tabelle 2
Aus den Ergebnissen von Tabelle 2 geht klar hervor, dass die mechanischen Eigenschaften des Verbundseils gemäß der Erfindung den Eigenschaften eines herkömmlichen Kompaktseils sehr ähnlich sind.
Ein Stahlseil und insbesondere ein Verbundseil muss mehrere Eigenschaften aufweisen, um für die Verstärkung von Elastomeren geeignet zu sein. Die Stahlfilamente des Seils haben einen Durchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 0,80 mm, wobei der Durchmesser der Filamente vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,45 mm liegt.
Eine typische Stahlzusammensetzung für die Filamente ist eine Zusammensetzung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,70 % bis 1,20 %, einem Mangangehalt im Bereich von 0,10 % bis 1,10 %, einem Siliziumgehalt im Bereich von 0,10 % bis 0,90 % und einem maximalen Schwefel- und Phosphorgehalt von 0,15 %. Vorzugsweise ist der Schwefel- und Phosphorgehalt auf 0,010 % begrenzt. Elemente wie Chrom, Kupfer und Vanadium können zugesetzt werden, Chrom bis zu 0,20 bis 0,40 %, Kupfer bis zu 0,20 % und Vanadium bis zu 0,30 %. Alle Konzentrationen sind in Gewichtsprozent angegeben. Die Stahlfilamente sind für gewöhnlich mit einer Beschichtung versehen, die das Anhaften des Stahldrahtes an die Elastomermasse unterstützt. Eine Kupferlegierungsbeschichtung, wie Messing (entweder mit geringem oder hohem Kupfergehalt) oder eine komplexe Beschichtung, wie eine Ni/Messing-, eine Messing/Co-, eine Zn/Co- oder eine Zn/Mn-Legierung, können verwendet werden. Eine bifunktionale organische Beschichtung wie eine Beschichtung, die Silanverbindungen umfasst, ist auch geeignet. Die Dicke der Beschichtung reicht vorzugsweise von 0,15 bis 0,35 μm.
Abhängig von der Zusammensetzung, dem Durchmesser und dem Grad der Streckung kann die Zugfestigkeit der Filamente von 2000 MPa bis 4000 MPa oder noch mehr reichen.

Claims

Verbundseil (10) zur Verstärkung von Elastomeren mit einem Kern (12) aus einem hochpolymeren Material, einer ersten Schicht von Stahlfilamenten (14), die um den Kern verdrillt sind, und einer zweiten Schicht von Stahlfilamenten (16), die um die erste Schicht verdrillt sind, wobei die Filamente der ersten und zweiten Schicht alle die gleiche Drillrichtung und den gleichen Verdrillschritt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das hochpolymere Material aus Polyester besteht.
Verbundseil nach Anspruch 1, wobei das Polymermaterial in ausreichendem Volumen vorhanden ist, um Lücken zwischen benachbarten Filamenten der ersten Schicht hervorzubringen.
Verbundseil nach Anspruch 2, wobei die Lücken eine mittlere Größe von zumindest 0,002 mm aufweisen.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kern zumindest ein Polyesterfilament oder zumindest ein thermoplastisches Copolyester-Elastomerfilament umfasst.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Polymerkern Polyester und ein das Polyester umgebendes Polymermaterial umfasst.
Verbundseil nach Anspruch 5, wobei für das Kernmaterial Polyethylennaphtalat oder Polyethylenterephtalat und für das dieses Kernmaterial umgebende Material Polypropylen oder ein thermoplastisches Copolyester-Elastomer gewählt wird.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zahl der Filamente in der ersten Schicht von 5 bis 7 reicht.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zahl der Filamente in der zweiten Schicht das Doppelte der Zahl von Filamenten in der ersten Schicht ist.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Seil ein hüllenloses Seil ist.
Verbundseil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Filamente in der zweiten Schicht eine Kraft ausüben, die radial nach Innen gerichtet ist.