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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begrenzen
der Krümmung
für Kabel und
insbesondere auf eine Vorrichtung zum Begrenzen der Krümmung von
unterseeischen Kabeln.
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Sowohl
in dem Fall eines elektrischen Kabels als auch in dem Fall eines
optischen Kabels bestehen die größten Beschädigungsrisiken
aufgrund von Krümmung
entlang von unterbrochenen Abschnitten des Kabels selbst, insbesondere
im Bereich der steifen Verbindungselemente. Da nämlich das Kabel eine relativ
geringe Biegefestigkeit aufweist, kann im Fall der Krümmung des
Kabels, und insbesondere im Fall der Krümmung unter Zug, die Krümmung des
aus dem Verbindungselement abgehenden Kabelabschnitts einen sehr kleinen
Radius haben, der so klein sein kann, dass er zu einer Beschädigung oder
einem Bruch des Kabels selbst führt.
Grundsätzlich
weist jede Art von Kabel einen eigenen Grenzwert für den Krümmungsradius
auf, unter dem die funktionelle Kapazität des Kabels selbst negativ
beeinflusst wird.
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Um
das Bruchrisiko eines Kabels im Bereich der Verbindungselemente
zu verringern, werden im Allgemeinen Krümmungsbegrenzungsvorrichtungen
verwendet. Diese umfassen gewöhnlich
einen flexiblen, länglichen
Körper,
der auf die Außenseite
des Kabels im Bereich des Verbindungselements angewendet wird und
in der Lage ist, eine vorbestimmte Biegefestigkeit bereitzustellen,
wobei er sicherstellt, dass die von dem Kabel selbst angenommene
Krümmung
nicht die kritischen Werte erreicht. Zum Beispiel schlägt das US-Patent
5,461,690 auf den Namen von AT&T
IPM Corp., eine Vorrichtung zum Begrenzen der Krümmung eines Kabels vor, die
im Bereich eines Verbinders einzusetzen ist. Die Vorrichtung weist
eine längliche
zylindrische Form auf und besteht aus einem elastischen Material,
das in der Lage ist, innerhalb bestimmter Grenzen Belastungen zu
widerstehen. Auf ihrer äußeren Oberfläche weist
die Vorrichtung in Umfangsrichtung gelegene Nuten auf, die einen
oder mehrere geschwächte
Abschnitte begrenzen, welche dazu dienen sind, sich unter der Wirkung
relativ geringer Belastungen zu biegen. Die Vorrichtung ist für Kabel
mit kleinen Abmessungen geeignet, z.B. für Kabel mit einer einzelnen
optischen Faser, und die Belastungen, denen die Vorrichtung selbst standhalten
kann, sind jene, die während
der Verwendung von Kabeln dieser Art auftreten können.
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In
einigen Anwendungen sind die auszuhaltenden Belastungen jedoch sehr
hoch, z.B. einige Tonnen. Belastungen dieser Größenordnung treten z.B. während des
Legevorgangs von unterseeischen Kabeln auf. Unterseeische Kabel
sind elektrische oder optische Kabel, die für die Energiezufuhr oder für die Fern-Telekommunikation
verwendet werden und konzipiert sind, um auf dem See- oder Ozeanbett
verlegt zu werden. Der Durchmesser dieser Kabel kann zwischen ungefähr 14 mm
und 50 mm im Fall von optischen Kabeln und zwischen ungefähr 50 mm
und 160 mm im Fall von Stromversorgungskabeln variieren.
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Unterseeische
Kabel umfassen im Allgemeinen Kabelabschnitte begrenzter Länge, die
von steifen Verbindungselementen verbunden werden. In dem Fall von
Telekommunikationskabeln können
die Längen
der Abschnitte Maximalwerte von etwa 100 km erreichen und die Verbindungselemente
können
Signalzwischenverstärker
enthalten.
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Das
Verlegen von unterseeischen Kabeln wird mit Hilfe spezieller Kabelverlegeschiffen
durchgeführt, die
mit Kabelführungselementen
versehen sind, gewöhnlich
mit Seilrollen eines geeigneten Durchmessers (von ungefähr 3 m für das Verlegen
von optischen Kabeln und ungefähr
6 m für
das Verlegen von Stromversorgungskabeln), um so das Verlegen des
Kabels im Wasser zu erlauben, ohne es zu beschädigen. Das Kabel muss während dem
Verlegen einer Zugkraft standhalten, die (in Abhängigkeit vom Gewicht des Kabels
selbst und der Verlegetiefe) mehrere zehn Tonnen erreichen kann
(für optische
Kabel kann die Zugkraft zwischen 4 und 35 Tonnen betragen, in Abhängigkeit
von der Art des Kabels). Wenn das Verbindungselement über das Führungselement
fährt,
tritt eine Situation auf, wo das Verbindungselement das Führungselement
nur im Bereich seines mittleren Abschnitts berührt, während dessen Enden einen Abstand
von der zuvor genannten Oberfläche
entfernt bleiben, der von der Krümmung
der Oberfläche
selbst und den Abmessungen des Verbindungselements abhängt. Dementsprechend
wird der aus dem Verbindungselement abgehende Kabelabschnitt nicht
von der Oberfläche
des Führungselements
getragen und ist, da er einer hohen Zugbelastung unterworfen ist,
die quer zum Verbindungselement gerichtet ist, einer starken Krümmung unterworfen.
Wenn die Krümmung
des Kabels am maximalen Biegungspunkt einen kritischen Wert überschreitet,
kann das Kabel beschädigt
werden. Im Fall eines faseroptischen Kabels z.B. kann der Bruch
der Ummantelung des Kabels oder eine Beschädigung der optischen Fasern
auftreten.
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Das
unterseeische Kabel kann z.B. ein optisches Kabel der Art mit einlagiger
Kabelpanzerung (Single Armour type) sein. Ein typischer Aufbau eines
Kabels mit einlagiger Panzerung umfasst einen Kern, der die optischen
Fasern enthält,
und mehrere koaxiale Verstärkungs-
und Isolierungsschichten, inklusive einer lasttragenden Stahlschicht
(um das Kabel mit Zugfestigkeit zu versorgen), eine Kupferhülse, eine
Isolierschicht aus Polyethylen und eine äußere Stahldrahtpanzerung zum
mechanischen Schutz. Das Kabel kann z.B. einen Außendurchmesser
von 35,9 mm und ein Gewicht von 3 kg/m in Luft und 2,5 kg/m im Wasser
haben.
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Ein
unterseeisches Kabel mit einem eingebauten Verbindungselement muss,
um als verwendbar erachtet zu werden, mit Erfolg Krümmungstests
auf Rollen bestehen, die von internationalen Standards festgelegt
sind. Die Tests umfassen das Passieren des mit dem Verbindungselement
versehenen Kabels über
eine Rolle von 3 m Durchmesser, entsprechend den folgenden Kriterien
(welche die schwierigsten Bedingungen simulieren, die während des
Verlegens auftreten könnten):
- a) Fünfzig
Durchgänge
unter normaler Belastung, d.h. einer NOTS Belastung (Nominal Operating
Tensile Stress load, nominale Betriebszugbelastung), die im Fall
eines einlagig gepanzerten Kabels gleich 180 kN beträgt;
- b) drei Durchgänge
unter einer Belastung gleich 90% der Bruchbelastung, d.h. einer
NTTS Belastung (Nominal Transient Tensile Stress load, nominale
vorübergehende
Zugbelastung), die im Fall eines optischen Kabels der einlagig gepanzerten
Art gleich 250 kN ist.
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Um
sicherzustellen, dass das Kabel diesen Belastungen standhalten kann,
kann es notwendig sein, am mit dem Verbindungselement verbundenen
Kabelabschnitt eine Vorrichtung anzubringen, die Funktion einer
Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
erfüllt.
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Um
unterseeische Kabel, oder in jedem Fall Kabel, die sehr hohen Belastungen
unterworfen sind, von den Risiken einer übermäßigen Krümmung im Bereich der Verbindungen
zu schützen,
sind verschiedene Arten von Krümmungsbegrenzungsvorrichtungen
vorgeschlagen worden.
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Die
Patentanmeldung
GB 2142788A im
Namen der British Telecommunications beschreibt eine Krümmungsbegrenzungsvorrichtung,
die eine Vielzahl von ringförmigen
Segmenten umfasst, die nebeneinander liegen und miteinander verbunden
sind und die einen zylindrischen Hohlraum definieren, in dem der
mit dem Verbindungselement verbundene Kabelabschnitt untergebracht
ist. Die ringförmigen
Segmente sind mit Hilfe von Bolzen mit Spiel miteinander verbunden
und sind unter einem Winkel zueinander beweglich, um so der Struktur
Flexibilität
zu verleihen. Die vorgeschlagene Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
weist einen Krümmungsgrenzradius
auf, der von der Form und den Abmessungen der ringförmigen Segmente
und der Bolzen abhängt. Diese
Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
hat die Nachteile, dass sie relativ sperrig, schwer und kompliziert zusammenzubauen
ist.
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Darüber hinaus
können
nach einer gewissen Zeit im Seewasser Korrosionsphänomene dazu
führen, dass
die Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
sich festfrisst, wobei sie im Fall der Erholung des Kabels nutzlos wird.
Ein ähnliches
Arbeitsprinzip wird für
die Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
entsprechend des Patents
EP 226188 im
Namen der Società Cavi
Pirelli S.p.A. verwendet.
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Das
Patent
US 4,367,967 im
Namen von Preformed Line Marine Inc. beschreibt eine Vorrichtung
zum Abbauen der auf ein Kabel wirkenden Biegungskräfte, die
eine Vielzahl von Hülsenelementen
umfasst, welche steif und zueinander koaxial sind und mit Hilfe
eines elastomerischen Materials miteinander verbunden sind. Die
benachbarten Hülsenelemente
haben zusammenwirkende Oberflächen,
die miteinander eingreifen, um die Krümmung der Vorrichtung zu begrenzen.
Insbesondere umfasst jedes Hülsenelement
zwei längliche
Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern. Der Abschnitt jedes
Elements mit kleinerem Durchmesser erstreckt sich mit Spiel innerhalb
des Abschnitts mit größerem Durchmesser
des benachbarten Elements. Das Biegen der Vorrichtung wird innerhalb
vorbestimmter Grenzen aufgrund des zuvor genannten Spiels zwischen überlappenden
Abschnitten ermöglicht,
bis die Abschnitte selbst miteinander eingreifen. Solch eine Vorrichtung
ist im Patent
US 4,396,797 im
Namen der Horiba Ltd. beschrieben, wobei Hülsenelemente ähnlich der oben
beschriebenen Art mit Hilfe flexibler Ringe voneinander axial beabstandet
sind. Auch im Fall der Krümmungsbegrenzer
nach den US-Patenten 4,367,967 und
US
4,396,797 kann die hohe funktionale Abhängigkeit der Hülsenelemente
voneinander im Hinblick auf die vom Kabel während des Biegens übertragenen
hohen Belastungen zu Problemen des permanenten Blockierens der Struktur
führen.
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Weitere
Arten von Krümmungsbegrenzungsvorrichtungen
werden von der Patentanmeldung
GB 2289577 im
Namen der Northern Telecom Limited und dem Patent
US 4,739,801 im Namen der Tysubakimoto Chain
Co. vorgeschlagen, die beide Krümmungsbegrenzer
der modularen Art beschreiben. Insbesondere beschreibt die Patentanmeldung
GB 2289577 einen Krümmungsbegrenzer,
der eine Vielzahl von benachbarten Segmenten umfasst, bei dem jedes
Segment in einem kugel- oder halbkugelförmigen Abschnitt endet, der
dafür konzipiert
ist, in eine benachbartes Segment einzugreifen. Das Patent
US 4,739,801 beschreibt
einen Krümmungsbegrenzer
mit einer Vielzahl von Segmenten, die auf beiden Seiten in halbkugelförmige Abschnitte enden
und miteinander mittels weiterer Segmente verbunden sind, die kugelförmige Hohlräume aufweisen, welche
dazu konzipiert sind, die halbkugelförmigen Abschnitte aufzunehmen.
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Die
DE 3015948 offenbart ein
Kabel, das in der Lage sein soll, optischen Fasern entlang des gesamten Kabels
zu schützen.
Dieses Kabel weist eine zentral angeordnete optische Faser auf,
die von einer Zwischenhülse
und einem äußeren zugbeständigen Mantel
umgeben ist, wobei die Zwischenhülse
die Form einer Vielzahl von ringförmiger Vorsprünge und
Vertiefungen hat, die sich entlang der gesamten Länge des
Kabels abwechseln. Die ringförmigen
Vorsprünge
der
1 sind am äußeren Mantel
befestigt, während
die ringförmigen Vorsprünge der
2 gegen
den äußeren Mantel
gepresst sind. Somit sind die Vorsprünge voneinander nicht mechanisch
unabhängig,
da sie bloße
Abschnitte derselben Zwischenhülse
sind.
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Die
zuvor genannten Krümmungsbegrenzungsvorrichtungen,
die zur Verwendung mit hohen Belastungen geeignet sind, sind halbsteife
Strukturen, die dazu gedacht sind, die Krümmung des Kabels bis zu einer vorbestimmten
Grenze zu erlauben, wobei sie bei Erreichen der Grenze aufgrund
des mechanischen Eingreifens zwischen benachbarten steifen Elementen
zusammen einrasten und somit übermäßiges Krümmen verhindern.
Wenn das Kabel über
ein Führungselement
tritt, ist die Wirkung dieser Krümmungsbegrenzungsvorrichtungen
unabhängig
von der tragenden Wirkung des Führungselements
selbst.
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Mit
der vorliegenden Erfindung schlagen die Anmelder eine Vorrichtung
vor, welche im Fall von unterseeischen Kabeln oder allgemein im
Fall von Kabeln, die über
ein steifes Führungselement
der Rollenart (oder einer anderen ähnlichen Art) passieren müssen, in
der Lage ist, eine Verringerung der Kabelkrümmung im Bereich des Verbindungselements
selbst zu erzielen, indem anders als bei den bekannten Techniken
die vom Führungselement
selbst bereitgestellte tragende Wirkung ausgenützt wird. Die vorliegende Erfindung
schlägt insbesondere
vor, die tragende Wirkung des Führungselements
mit Hilfe einer Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
auszunutzen, die hauptsächlich
die Funktion eines Distanzhalters zwischen dem Kabel und dem Führungselement
verrichtet und es somit dem Kabel erlaubt, die darauf ausgeübten Zugbelastungen
auf die Oberfläche
des Führungselements
zu übertragen
und sich stufenweise dieser Oberfläche zu nähern, wodurch das Auftreten
einer übermäßigen lokalen
Krümmung
verhindert wird.
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Die
Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dazu konzipiert,
auf das Kabel im Bereich eines steifen Verbindungselements angewandt
zu werden, und umfasst eine Vielzahl von steifen Elementen, die
in einem aus Polymermaterial bestehenden flexiblen Körper untergebracht
sind. Anders als bei den Begrenzungsvorrichtungen der bekannten
Art sind diese steifen Elemente voneinander operativ unabhängig. Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "steife Elemente" so zu verstehen, dass er sich auf Elemente
bezieht, die eine Kompressionsfestigkeit und eine Biegefestigkeit
aufweisen, so dass sie keine wesentlichen Verformungen erfahren,
wenn die Vorrichtungen Belastungen der Größenordnung jener unterworfen werden,
die normalerweise auf die hier in Betracht gezogenen Kabel wirken.
Darüber
hinaus ist zu Zwecken der vorliegenden Erfindung der Ausdruck "mechanisch unabhängige Elemente" so zu verstehen,
dass damit Elemente gemeint sind, die frei von mechanischen Verbindungen
sind und so geformt sind, dass sie unter allen Arbeitsbedingungen
der Vorrichtung ein Eingreifen zwischen ihren Teilen vermeiden.
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In
der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die
steifen Elemente ringförmige
Elemente, die unabhängig
voneinander die Funktion von Distanzhaltern zwischen dem Kabel und
der Oberfläche des
Führungselements
versehen und von dem Polymermaterial des flexiblen Körpers in
Position gehalten werden.
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Die
besondere Form der steifen Elemente und die Eigenschaften des Polymermaterials
versehen die Vorrichtung entsprechend der Erfindung mit einer solchen
Biegefestigkeit, dass es der Vorrichtung selbst möglich ist,
ihre Funktion der Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
auch in Abwesenheit einer äußeren tragenden Fläche zu erbringen,
vorausgesetzt, dass die auf das Kabel wirkenden Belastungen nicht
besonders hoch sind (z.B. während
Kabelhandhabungsvorgängen
vor dem Verlegen zur Aufbewahrung und Instandhaltung des Verbindungselements).
Die Anmelder haben darüber
hinaus herausgefunden, dass es das Vorhandensein von durchgehenden
Löchern
in den Einsätzen
ermöglicht,
die Festigkeit des Polymerkörpers
im Bereich der Einsätze
zu erhöhen,
wodurch insbesondere die Trennung zwischen dem Polymermaterial und
den Einsätzen selbst
verhindert wird, die auftritt, wenn die Vorrichtung Biege- und/oder Zugbelastungen
unterworfen ist.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung ist mit Abmessungen konzipiert, die von
verschiedenen Parametern abhängen,
inklusive der Art und der Abmessungen des Kabels, der Abmessungen
des Führungselements,
der Abmessungen des Verbindungselements, des Werts der Zugkraft,
der das Kabel unterzogen werden muss, und des Maximalwerts der Krümmung, dem
das Kabel unterworfen sein kann.
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Die
Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist einfach und billig herzustellen,
weist geringe Abmessungen auf und ist relativ leicht. Da darüber hinaus
diese Vorrichtung frei von mechanisch zusammenwirkenden, steifen
Teilen ist, ist sie frei von den Risiken des permanenten Blockierens.
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Entsprechend
einer ersten Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum
Begrenzen der Krümmung
eines Kabels nach Anspruch 1.
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Insbesondere
weisen die steifen Elemente eine im Wesentlichen ringförmige Form
und unterschiedliche Durchmesser auf und sind in abnehmender Reihenfolge
des Durchmessers vom Verbindungselement aus angeordnet. Darüber hinaus
weist der Körper
eine Rohrform auf und umfasst die steifen Elemente.
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Bevorzugt
weisen die steifen Elemente durchgehende Löcher auf, in denen das Polymermaterial
untergebracht ist. Darüber
hinaus weist jedes steife Element eine Achse auf und umfasst einen
radial inneren Abschnitt und einen radial äußeren Abschnitt, wobei der
radial innere Abschnitt axiale Abmessungen hat, die größer als
der radial äußere Abschnitt
sind. Insbesondere weist der radial innere Abschnitt axiale Abmessungen
auf, die sich zwischen einem ersten Wert gleich dem Durchmesser
des Kabels und einem zweiten Wert gleich dem doppelten Durchmesser
des Kabels bewegen.
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Bevorzugt
definiert der radial innere Abschnitt einen Hülsenabschnitt und der radial äußere Abschnitt definiert
einen im Wesentlichen ringförmigen
Flanschabschnitt. Der Hülsenabschnitt
weist bevorzugt eine radial innere Oberfläche auf, die eine tragende
Oberfläche
für das
Kabel definiert, wobei die tragende Oberfläche einen mittleren Oberflächenabschnitt
mit einem minimalen Durchmesser und Endoberflächenabschnitte mit einem vom
mittleren Oberflächenabschnitt
ansteigenden Durchmesser umfasst.
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Bevorzugt
ist in dem Körper
ein steifes Anschlusselement zur Verbindung mit dem Verbindungselement
untergebracht, wobei das Anschlusselement durchgehende Löcher aufweist,
in denen das Polymermaterial untergebracht ist.
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Bevorzugt
ist das Polymermaterial ein Elastomermaterial, besonders bevorzugt
ein Polyurethangummi, ein Ethylen-Propylen-Copolymer oder ein Silikongummi.
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Bevorzugt
sind die steifen Elemente aus einem metallischen Material hergestellt.
Alternativ sind die steifen Elemente aus einem thermoplastischen
Material oder einem duroplastischen Material hergestellt.
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Damit
die vorliegende Erfindung besser verstanden werden kann, wird nun
lediglich im Zug eines nicht beschränkenden Beispiels eine bevorzugte
Ausführungsform
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben:
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1 ist
ein Längsschnitt
durch die Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
entsprechend der Erfindung, die in einer nicht verformten Ruheposition
gezeigt ist;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Elements, das Teil der Vorrichtung nach 1 ist;
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3 ist
eine Draufsicht des Elements nach 2;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines weiteren Elements der Vorrichtung nach 1;
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5 ist
eine Draufsicht des Elements nach 4;
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6 zeigt
eine mögliche
Abwandlung des Elements nach 4; und
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7 zeigt
die Vorrichtung nach 1 in einer operativ verformten
Gestalt.
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Mit
Bezug auf 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 in
ihrer Gesamtheit eine Krümmungsbegrenzungsvorrichtung – gezeigt
in ihrer nicht verformten Gestalt – , welche dazu konzipiert
ist, auf die Außenseite
eines Kabels 2 im Bereich eines Kabelabschnitts 2a mit
einer Unterbrechung angewendet zu werden, z.B. im Bereich eines
Kabelabschnitts 2a, der mit einem Verbindungselement 8 verbunden
ist (nur teilweise und gestrichelt gezeigt). Das Kabel 2 kann
z.B. ein optisches unterseeische Kabel der oben beschriebenen Art
sein. Das Kabel 2, das Verbindungselement 8 und
die Vorrichtung 1 definieren einen Teil eines Systems zur
Signal- oder Energieübertragung.
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Die
Vorrichtung 1 weist die Form eines länglichen, rohrförmigen Körpers auf,
der in seiner unverformten Gestalt eine Symmetrieachse 3 aufweist.
Sie definiert intern ein zylindrisches Loch 4, das koaxial
zur Achse 3 ist und zur Unterbringung des Kabelabschnitts 2a dient.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen flexiblen Körper 5 aus
Polymermaterial, ein Ringelement 6 zum Anschluss am Verbindungselement 8 und
eine Vielzahl von ringförmigen
Einsätzen 7,
die innerhalb des Körpers 5 eingegliedert
sind.
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Der
Körper 5 definiert
eine tragende und haltende Struktur für den Kabelabschnitt 2a,
für das
Ringelement 6 und für
die Einsätze 7.
Der Körper 5 besteht
aus Polymermaterial, das so ausgewählt ist, dass es dem Körper 5 selbst
vorbestimmte elastische Eigenschaften verleiht. Bevorzugt ist dieses
Material ein Polyurethangummi oder ein anderes Elastomermaterial,
wie z.B. eine auf Ethylen-Propylen-(EPR)- oder Silikongummi basierende Verbindung.
Ein Zusatzstoff zum Schutz gegen ultraviolette Strahlen kann dem
Material beigefügt
werden.
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Im
Zuge eines Beispiels zeigt die folgende Tabelle 1 die Haupteigenschaften
von Polyurethangummi und EPR.
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Der
Körper 5 besitzt
einen mittleren Hauptabschnitt 5a, einen ersten Endabschnitt 5b und
einen zweiten Endabschnitt 5c, wobei die ersten beiden
eine Kegelstumpfform besitzen und nebeneinander liegen und der dritte
eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und mit dem mittleren
Abschnitt 5a mit Hilfe eines weiteren kegelstumpfförmigen Abschnitts 5e verbunden
ist.
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Der
erste Endabschnitt 5b enthält das Ringelement 6 und
ist von einer flachen ringförmigen
Oberfläche 5d begrenzt,
die auf einer Ebene senkrecht zur Achse 3 angeordnet ist
und so liegt, dass sie (nach Installation der Vorrichtung 1 am
Kabelabschnitt 2a) dem Verbindungselement 8 zugewandt
ist. Der äußere Durchmesser
des ersten Endabschnitts 5b nimmt schrittweise von der
Oberfläche 5d aus
zu.
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Der
mittlere Abschnitt 5a enthält die Einsätze 7 und weist einen äußeren Durchmesser
auf, der sich im Wesentlichen vom ersten Endabschnitt 5b weg
zum zweiten Endabschnitt 5c hin verringert. Wenn notwendig,
kann der mittlere Abschnitt 5a längs gerichtete Unterabschnitte
mit äußeren Oberflächen umfassen,
die anders geneigt sind.
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Der
zweite Endabschnitt 5c besitzt einen im Wesentlichen konstanten
Außendurchmesser,
der geringfügig
größer als
jener des Kabels 2 ist.
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Die
Abmessungen des Körpers 5 und
insbesondere des mittleren Abschnitts 5a und der Endabschnitte 5b, 5c müssen auf
Grundlage der Design-Parameter gewählt werden, wie z.B. des Durchmessers
des Führungselements, über welches
das Kabel 2 passieren muss, der Dimensionen des Verbindungselements 8,
des Durchmessers des Kabels 2, der Zugkraft, der das Kabel
ausgesetzt werden muss (die im Fall von unterseeischen Kabeln vom
Gewicht des Kabels 2 und der Verlegetiefe abhängt) und
der maximal erlaubten Krümmung des
Kabels 2 selbst.
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Das
Ringelement 6 besteht aus korrosionsbeständigem metallischem
Material mit mechanischen Eigenschaften, die ähnlich jenen des Materials
der Verbindungselements 8 sind. Zum Beispiel kann das Ringelement 6 aus
ARMCO 17-4-PH (Zustand 1150)-Stahl hergestellt sein und eine Härte von
28/37 HRC aufweisen. Mit Bezug auf die in 1 gezeigte
Ausgestaltung ist das Ringelement 6 koaxial zur Achse 3 angeordnet und
seine Längsabmessungen
sind bevorzugt kleiner als jene des ersten Endabschnitts 5b.
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Mit
Bezug auf 2 und 3 umfasst
das Ringelement 6 einen Hülsenabschnitt 10 und
einen ringförmigen
Flanschabschnitt 11. Der Hülsenabschnitt 10 weist
innen ein Gewinde 10a auf, das sich praktisch über die
gesamte Länge
des Hülsenabschnitts 10 selbst
erstreckt, um die Verbindung mit einem entsprechenden, mit Gewinde
versehenen Hülsenabschnitt
(nicht gezeigt) des Verbindungselements 8 zu erlauben.
Der Flanschabschnitt 11, der als ein Stück an einem Ende des Hülsenabschnitts 10 gegenüber der
Oberfläche 5d gebildet
ist, hat die Funktion des "Verankerns" des Ringelements 6 am
Körper 5.
Der Flanschabschnitt 11 ist zur Oberfläche 5d geneigt und
definiert einen vorbestimmten Winkel (z.B. 30°) mit einer Ebene senkrecht
zur Achse 3. Darüber
hinaus weist der Flanschabschnitt 11 eine Vielzahl von
durchgehenden Löchern 12 auf,
die in einem Ring angeordnet sind und im Wesentlichen gleich beabstandet
sind. Die Löcher 12 enthalten
Polymermaterial, um die Kontinuität des Materials zwischen den
beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
des Flanschabschnitts 11 sicherzustellen. Auf diese Weise
ist die Nutzfläche
des Materials, die in der Lage ist, den Zug- und Biegekräften zu
widerstehen, im Bereich des Flanschabschnitts 11 selbst
vergrößert.
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An
der Grenzfläche
zwischen dem Ringelement 6 und dem Polymermaterial des
Körpers 5 kann
eine dünne
Schicht Haftmaterial (Haftvermittler) vorhanden sein, um die Trennung
des Polymermaterials von der Oberfläche des Ringelements 6 selbst
zu verhindern, wenn die Vorrichtung 1 zugbelastet ist.
Im Fall eines unterseeischen Kabels treten diese Risiken der Trennung
z.B. auf, wenn das Kabel über
eine Vorrichtung mit motorgetriebenen Rädern fährt, die dazu gedacht sind,
das Kabel selbst mit einer Geschwindigkeit gleich der Verlegegeschwindigkeit
zum Führungselement
zu bewegen. Wenn die Vorrichtung 1 durch die Vorrichtung
mit motorgetriebenen Rädern
fährt,
ist sie tatsächlich
einer plötzlichen
axialen Belastung unterworfen, die dazu neigt, die Trennung des
Polymermaterials vom Ringelement 6 zu verursachen. Das
Vorhandensein des Haftmaterials und der Löcher 12 (in denen
das Polymermaterial untergebracht ist) hilft dabei, das Auftreten
der Abtrennung zu verhindern.
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Die
Einsätze 7 haben
die Funktion, die Vorrichtung 1 mit Steifheit in der radialen
Richtung zu versehen. Insbesondere wenn das Kabel 2 über eine
Oberfläche
passieren muss, die nicht flach ist (wie z.B. die Oberfläche eines
Führungselements),
wirken die Einsätze 7 in
der Weise von Distanzhaltern zwischen dem Kabelabschnitt 2a und
der oben genannten Oberfläche,
wobei sie den Kabelabschnitt 2a selbst dazu zwingen, entlang
eines Wegs mit einer Krümmung
innerhalb vorbestimmter Grenzen zu fahren. Darüber hinaus erlauben es die
Einsätze 7 dem
Körper 5,
eine im Wesentlichen zylindrische Form beizubehalten, selbst wenn
er einem Biegen unterworfen ist, wodurch die Phänomene der Ovalisierung seines
Querschnitts vermieden werden, der eine plötzliche Verringerung im Krümmungsradius
des Kabels 2 bewirken würde.
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Die
Einsätze 7 können aus
einem Material hergestellt sein, das dazu konzipiert ist, Kompressionskräften (in
der radialen Richtung) bis zu einer vorbestimmten Grenze zu widerstehen.
Diese Grenze hängt
hauptsächlich
von der Zugkraft ab, der das Kabel 2 unterworfen werden
muss, und vom Krümmungsradius
des Führungselements, über welches
das Kabel 2 fahren muss. Wenn diese Grenze hoch ist, werden
die Einsätze 7 bevorzugt
aus einem metallischen Material hergestellt, und zwar einer Art,
die korrosionsbeständig
ist, z.B. Austenitstahl. Wenn andererseits diese Grenze nicht hoch
ist, können
die Einsätze 7 aus
einem thermoplastischen Material (wie z.B. Nylon) oder einem duroplastischen
Material hergestellt sein.
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Wieder
mit Bezug auf die Ausgestaltung nach 1, sind
die Einsätze 7 so
angeordnet, dass sie koaxial zur Achse 3 und bevorzugt
gleich beabstandet angeordnet sind. Die Einsätze 7 besitzen unterschiedliche Außendurchmesser
und sind in absteigender Reihenfolge des Durchmessers weg vom ersten
Endabschnitt 5b zum zweiten Endabschnitt 5c hin
positioniert. Die Anzahl und die Abmessungen der Einsätze 7 werden hauptsächlich auf
der Grundlage der Abmessungen des Verbindungselements 8,
des Durchmessers des Kabels 2, der Zugkraft, der das Kabel 2 selbst
unterworfen werden muss, und der Krümmung der äußeren Oberfläche des
Führungselements
gewählt.
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Mit
Bezug auf 4 und 5 ist jeder
Einsatz 7 in Bezug auf eine Ebene symmetrisch, die senkrecht zur
Achse 3 liegt und deren Schnitt mit der Ebene der 4 mit
der Bezugsziffer 15 bezeichnet ist, und weist einen Hülsenabschnitt 13 und
einen im Wesentlichen radialen Flanschabschnitt 14 auf.
Der Hülsenabschnitt 13 weist
eine radial innere Oberfläche 16 zum
Tragen des Kabels 2 auf, die von einem mittleren Oberflächenabschnitt 16a,
der im Wesentlichen zylindrisch ist und einen Durchmesser im Wesentlichen
gleich dem Durchmesser des Lochs 4 aufweist, und von zwei
abgerundeten Seitenflächenabschnitten 16b definiert
ist, die sich durchgehend vom Abschnitt 16a erstrecken
und deren Durchmesser allmählich
vom Abschnitt 16a selbst zunimmt. Diese Form der Oberfläche 16 wird
gewählt,
um das Vorhandensein von künstlichen
Kanten zu vermeiden, die im Fall des Biegens der Vorrichtung 1 den
Kabelabschnitt 2 beschädigen
könnten.
Der Hülsenabschnitt 13 besitzt
auch eine radial äußere Oberfläche 17 mit
einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser.
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Die
axiale Abmessung des Hülsenabschnitts 13 wird
so gewählt,
dass sie eine gute Stabilität
des Einsatzes 7 gewährleistet
und verhindert, dass sich der Einsatz 7 selbst auf unerwünschte Weise
neigen kann, mit dem Risiko der lokalen Beschädigung des Kabelabschnitts 2,
wenn die Vorrichtung 1 über
ein Führungselement
passiert. Die axiale Abmessung des Hülsenabschnitts 13 kann
dieselbe für
alle Einsätze 7 sein
und ist bevorzugt in einem Bereich gewählt, der zwischen dem Wert
des Durchmessers des Kabels 2 und dem Doppelten dieses
Werts liegt.
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Der
Flanschabschnitt 14 erstreckt sich auf frei tagenden Weise
in einer radialen Richtung von der äußeren Oberfläche 17 des
Hülsenabschnitts 13 und
besitzt eine erste und eine zweite Vielzahl von durchgehenden Löchern 18, 19.
Die Löcher 18, 19 enthalten
Polymermaterial, um so die Kontinuität des Materials zwischen den
gegenüberliegenden
Oberflächen
des Flanschabschnitts 14 sicherzustellen. Auf diese Weise
wird im Abschnitt des Körpers 5,
der von der Ebene 15 definiert ist, die Nutzfläche des
Materials, die in der Lage ist, den Biege- und Zugkräften zu widerstehen, vergrößert. Wenn
diese Löcher
nicht vorhanden wären,
würden alle
Kräfte
effektiv von dem extern angeordneten, dünnen Abschnitt aus Polymermaterial
in der radialen Richtung in Bezug auf den Flanschabschnitt 14 getragen
werden, das das Polymermaterial schlecht an den Oberflächen des
Flansches 14 anhaftet. In dem Fall hoher Belastungen würde dieser
dünne Abschnitt
aus Polymermaterial dazu neigen, zu reißen.
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Mit
Bezug auf die Ebene der 5 sind die Mitten der Löcher 18, 19 auf
einem ersten Umfang 20 mit seiner Mitte auf der Achse 3 bzw.
auf einem zweiten Umfang 21 konzentrisch zum ersten Umfang
und innerhalb davon angeordnet. Bevorzugt sind die Löcher 19 in
ihrer Anzahl gleich jenen der Löcher 18,
haben einen Durchmesser, der geringer ist als jener der Löcher 18,
und sind winkelversetzt in Bezug auf die Löcher 18 angeordnet,
um so die Kompressionsfestigkeit des Einsatzes 7 zu optimieren.
Die Anzahl, die Größe und die
Anordnung der Löcher
kann von jenen gezeigten verschieden sein, abhängig von der Erfordernissen.
Insbesondere müssen
diese Parameter so gewählt
werden, dass ein Kompromiss zwischen der radialen Kompressionsfestigkeit
des Einsatzes 7 und der Zug- und Biegefestigkeit des Polymermaterials
im Bereich des Einsatzes 7 selbst erzielt wird.
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Die
axiale Dicke des Flanschabschnitts 14 wird entsprechend
der Art des für
die Einsätze 7 verwendeten
Materials und entsprechend der Zugkräfte, denen das Kabel 2 unterworfen
werden muss, gewählt,
um so ein Biegen in Bezug auf die Ebene 15 zu vermeiden.
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Die
Form und der Abstand der Einsätze 7 voneinander
werden so gewählt,
um einen mechanischen Eingriff zwischen den Einsätzen 7 selbst zu vermeiden,
wenn der Körper 5 verformt
wird. Wenn tatsächlich
der Körper 5 als
Ergebnis einer Biegung verformt wird, unterlaufen die Einsätze 7 eine
Relativdrehung und ihr Abstand voneinander variiert. Wenn der Körper 5 z.B. über eine
Rolle fährt,
biegt sich der Körper 5,
um der Krümmung
der Oberfläche
der Rolle selbst zu folgen und die Einsätze 7 neigen dazu,
sich in Bezug zueinander zu drehen, um so die jeweiligen Flanschabschnitte 14 senkrecht
zur Oberfläche
der Rolle selbst anzuordnen. Die Einsätze 7 definieren auf
diese Weise Distanzhalter, die zwischen der Oberfläche der
Rolle und dem Kabel 2 angeordnet sind und einen Weg begrenzter
Krümmung
für die
Kabelabschnitte 2a definieren. Die Form der Einsätze 7 ist
so, dass sowohl die Hülsenabschnitte 13 als
auch die Flanschabschnitte 14 in allen zu erwarteten Betriebsbedingungen
der Vorrichtung 1 frei von Beeinträchtigungen sind.
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Mögliche Abmessungen
der Vorrichtung 1 werden lediglich im Zuge eines Beispiels
im Folgenden gegeben, wobei die Anmelder sie als bevorzugte Abmessungen
im Fall eines Kabels 2 mit einem Außendurchmesser von 50 mm angesehen
haben, das mit einem Verbindungselement mit einer Länge von
460 mm und einem Außendurchmesser
von 180 mm verbunden ist, und geeignet ist, über ein Führungselement mit einem Durchmesser
von 3 Metern zu fahren und während
des Verlegens auf See einer Zugkraft von ungefähr 35 Tonnen zu widerstehen.
Ebenso wurde ein minimal erlaubter Krümmungsradius für das Kabel 2 von
700 mm.
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Um
in der Lage zu sein, unter den oben beschriebenen Bedingungen effektiv
zu arbeiten, kann die Vorrichtung 1 mit den folgenden Abmessungen
versehen werden:
- – Gesamtlänge: 670 mm
- – maximaler
Durchmesser (an der Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 5a und
dem ersten Endabschnitt 5b): 240 mm
- – Länge des
zweiten Endabschnitts 5c: 40 mm
- – Durchmesser
des zweiten Endabschnitts 5c: 70 mm
- – Durchmesser
des Lochs 4: variabel von einem Minimum von 58 mm am ersten
Endabschnitt 5b bis zu einem Minimum von 54 mm am zweiten
Endabschnitt
- – Neigung
des mittleren Abschnitts 5a in Bezug auf die Achse 3:
variabel von einem Minimum von 0° bis
zu einem Maximum von 15°
- – Neigung
des ersten Endabschnitts 5b: 20°
- – Neigung
des Anschlussabschnitts: 30°
- – Anzahl
der Einsätze:
4
- – Außendurchmesser
der Einsätze:
195 mm, 210 mm, 220 mm bzw. 230 mm
- – Länge des
Hülsenabschnitts 13:
76 mm
- – Durchmesser
der Umfänge 20 und 21:
160 mm bzw. 100 mm
- – Durchmesser
der Löcher 18 und 19:
32 mm bzw. 15 mm
- - Anzahl der Löcher 18 und 19 für jeden
Einsatz 7: 12
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6 zeigt
einen Einsatz 7',
der zusammen mit den anderen Einsätzen derselben Form anstatt
der Einsätze 7 verwendet
werden kann. Der Einsatz 7' kann
aus metallischem Material, thermoplastischem Material oder duroplastischem
Material hergestellt sein. Der Einsatz 7' kann in Bezug auf eine Ebene symmetrisch sein,
die senkrecht zur Achse 3 liegt und deren Schnitt mit der
Ebene der Figur mit der Bezugsziffer 15' bezeichnet ist, und besitzt eine
axiale Abmessung, die allmählich
radial nach außen
abnimmt, um eine gegenseitige Beeinträchtigung mit den benachbarten
Einsätzen 7' zu vermeiden,
wenn die Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
eine Biegung erfährt.
Der Einsatz 7' besitzt
eine radial innere Oberfläche 16', die im Wesentlichen dieselbe
wie die Oberfläche 16 des
Einsatzes 7 ist, mit einem minimalen Durchmesser, der im
Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Lochs 4 ist. Auf ähnliche
Weise zum Einsatz 7 besitzt der Einsatz 7' längs gerichtete
durchgehende Löcher 18', in denen das
Polymermaterial untergebracht ist. Wie bereits zuvor erwähnt, ist
das Vorhandensein dieser Bereiche von Längskontinuität des Polymermaterials
wichtig, um sicherzustellen, dass der Körper 5 eine gute lokale
Zug- und Biegefestigkeit aufweist. Die Anordnung, die Zahl und die
Form der Löcher 18' wird entsprechend
den Anforderungen gewählt.
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Im
Vergleich mit den Einsätzen 7 sind
die Einsätze 7' sperriger,
jedoch abhängig
von den Eigenschaften des verwendeten Materials sind sie in der
Lage, größeren radialen
Kompressionsbelastungen standzuhalten, ohne eine Biegung in Bezug
auf die Ebene 15' zu
erfahren. Darüber
hinaus verleiht die besondere Form der Einsätze 7 der Krümmungsbegrenzungsvorrichtung
eine größere Steifheit,
da eine kleinere Menge an Polymermaterial zwischen den Einsätzen 7' vorhanden ist
als in dem Fall der Einsätze 7.
Die Abmessungen, der Abstand untereinander und das Material der
Einsätze 7' werden nach
denselben Kriterien gewählt,
die für
die Einsätze 7 verwendet
werden.
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Der
Betrieb der Vorrichtung 1 ist in 7 veranschaulicht,
mit Bezug auf den Fall eines Kabels 2, das dazu bestimmt
ist, unter Zugbedingungen über
eine gekrümmte
Oberfläche 24 zu
passieren, z.B. die äußere Oberfläche eines
rollenartigen Führungselements.
Wenn das Verbindungselement 8 über die Oberfläche 24 fährt, erfährt die
Vorrichtung 1 eine Biegung und haftet mit ihrer äußeren Oberfläche an der
Oberfläche 24 selbst
an. Die Einsätze 7 sind
so orientiert, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 24 liegen
und Stützen
von allmählich
abnehmender Höhe
für den
Abschnitt 2a auf der Oberfläche 24 selbst definieren.
Die Einsätze 7 definieren
insbesondere mit ihren eigenen Hülsenabschnitten 13 einen
Weg für
den Abschnitt 2a mit einer Krümmung, die geringfügig größer als
jene der Oberfläche 24 ist,
um den Abschnitt 2a allmählich zur Oberfläche 24 hin
zu bewegen. Während
der Biegung der Vorrichtung 1 sind die Einsätze 7 frei
von Bereichen gegenseitiger Beeinträchtigung und die Biegung der
Vorrichtung 1 ist aufgrund der tragenden Wirkung der Oberfläche 24 begrenzt.
Die Vorrichtung 1 wird mit einem Formverfahren hergestellt,
das es dem aus Polymermaterial bestehenden Körper 5 erlaubt, um
das Ringelement 6 und die Einsätze 7 (oder 7') herumgeformt
zu werden. Dieses Formverfahren ist einfach und billig, wenn Polymermaterialien,
die für
das Einsetzen in eine Gussform geeignet sind, verwendet werden,
während
es komplizierter ist, wenn andere Materialien mit einer höheren Viskosität verwendet
werden, wie z.B. eine EPR-Verbindung.
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Die
Vorrichtung 1 wird hergestellt unter Verwendung einer (nicht
gezeigten) Gussform mit einer Spindel, die dazu konzipiert ist,
die Einsätze 7 und
das Ringelement 6 zu tragen, und mit einem Gehäuse, welches geöffnet werden
kann und in dem die Spindel untergebracht ist, und das eine innere
Oberfläche
mit derselben Form wie die äußere Oberfläche des
Körpers 5 aufweist.
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Die
Spindel ist vertikal orientiert und weist einen Außendurchmesser
auf, um in der Lage zu sein, mit Spiel die Einsätze 7 zu tragen. Darüber hinaus
besitzt die Spindel an der Oberseite ein freies Ende und an der Unterseite
einen ringförmigen
Flansch, der äußerlich
mit Gewinde versehen ist und dazu konzipiert ist, das Ringelement 6 aufzunehmen
und zu tragen. Um darüber
hinaus die Vorgänge
des Positionierens der Einsätze 7 vor
dem Formstadium (im Folgenden beschrieben) und die Vorgänge des
Herausziehens der Vorrichtung 1 am Ende des Formstadiums
zu erleichtern, besitzt der Durchmesser der Spindel in der nach
oben gewandten Richtung an vorbestimmten axialen Positionen Verringerungen
des Durchmessers von ungefähr
1 mm. Diese axialen Positionen begrenzen eine entsprechende Zahl
von Längsabschnitten
der Spindel, die jeweils dazu gedacht sind, einen jeweiligen Einsatz 7 zu
tragen.
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Vor
der Positionierung der Einsätze 7 wird
das Ringelement 6 positioniert, indem es auf den mit Gewinde
versehenen Flansch der Spindel geschraubt wird. Die Einsätze 7 werden
dann einer nach dem anderen in abnehmender Reihenfolge des Durchmessers
positioniert. Jeder Einsatz 7 wird positioniert, indem
er am freien oberen Ende der Spindel angeordnet wird und dann nach
unten verschoben wird, bis er entlang des für ihn bestimmten Abschnitts
angeordnet ist. Die Einsätze 7 werden
mit Hilfe von rohrförmigen
Distanzhaltern beabstandet, von denen jeder einen Außendurchmesser
ungefähr
gleich dem Außendurchmesser
des Hülsenabschnitts 13 besitzt
und dazu konzipiert ist, einen jeweiligen Einsatz auf dem vorangehenden
Einsatz unter einem vorbestimmten Abstand von letzterem zu tragen.
Ein weiteres rohrförmiges
Distanzhalteelement, welches auf dem Ringelement 6 vor
der Positionierung des ersten Einsatzes (d.h. des Einsatzes mit
einem größeren Durchmesser)
positionier ist, ist dazu gedacht, den ersten Einsatz selbst auf
dem Ringelement 6 selbst unter einem vorbestimmten Abstand
vom letzteren zu tragen.
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Die
Distanzhalteelemente sind aus Polymermaterial und bevorzugt demselben
Material hergestellt, aus dem der Körper 5 hergestellt
werden muss.
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Sobald
das Stadium der Positionierung der Einsätze 7 vollendet wurde,
wird das Gehäuse
der Gussform geschlossen und das Polymermaterial wird von oben in
die Gussform gegossen. Während
dieses Gussschritts verbleiben die rohrförmigen Elemente, die zwischen
den Einsätzen 7 liegen,
innerhalb der Gussform und das Material, das sie bildet, hilft dabei,
den Körper 5 zu
bilden. Das Gussmaterial erfährt
eine Quervernetzung, die einen Temperaturanstieg erzeugt. Dieses
Quervernetzungsphänomen
kann durch Erwärmen
der Wände
der Gussform beschleunigt werden, um den Gussmaterial Wärme zuzuführen.
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Am
Ende des Formvorgangs wird das Gehäuse der Gussform geöffnet und
die Vorrichtung 1 wird unter einem Winkel in Bezug auf
die Achse der Spindel bewegt, um sie vom ringförmigen Flansch der Spindel
zu entkoppeln. Nach dem Entkoppeln vom ringförmigen Flansch wird die Vorrichtung 1 von
der Spindel abgezogen.
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In
dem Fall, wo EPDM verwendet wird, wird der Formvorgang bevorzugt
in zwei Stadien durchgeführt, um
so die korrekte Positionierung der Einsätze 7 innerhalb der
fertigen Struktur sicherzustellen.
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Schließlich ist
es offensichtlich, dass die Kontrollvorrichtung Abwandlungen und Änderungen
unterworfen werden kann, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
