EP0252830B1 - Cable aramide de manutention - Google Patents

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EP0252830B1
EP0252830B1 EP87401575A EP87401575A EP0252830B1 EP 0252830 B1 EP0252830 B1 EP 0252830B1 EP 87401575 A EP87401575 A EP 87401575A EP 87401575 A EP87401575 A EP 87401575A EP 0252830 B1 EP0252830 B1 EP 0252830B1
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EP
European Patent Office
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cable
binder
aramid
constituted
core
Prior art date
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EP87401575A
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German (de)
English (en)
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EP0252830A1 (fr
Inventor
Jean-Claude Cousin
Yves Albert Emile Delvael
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Cousin Freres SA
Original Assignee
Cousin Freres SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Cousin Freres SA filed Critical Cousin Freres SA
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Publication of EP0252830B1 publication Critical patent/EP0252830B1/fr
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Definitions

  • the present invention relates to a cable consisting of a strand of multifilament aromatic polyamide son of the "Kevlar" type (Trademark registered by DU PONT DE NEMOURS) or the like intended to constitute a handling cable for crane, transporter bridge or similar machine. , in which there are numerous cable routes.
  • the handling cables are subjected to a very large number of flexions resulting in particular from the fact that these cables are caused to become hoisted on pulleys whose diameters can be relatively small.
  • the handling cables currently in service are generally made from several metal strands. Each strand comprising a determined number of metal wires is wired on appropriate machines so as to form superimposed layers. Some of these metallic cables can have a central textile core.
  • the metallic cables are generally multi-strand and include, for example, from three to thirty-four strands.
  • the problem specific to handling cables stems from the fact that they must have, on the one hand, good tensile strength to allow handling of loads which may be heavy, and, on the other hand, good flexural strength.
  • An angle gear created by a pulley results in a sliding of the outer layers with respect to the inner layers, these sliding coming from the difference in the radii of curvature during bending.
  • the layers and strands constituting the cable cause heating and abrasion which go in the direction of reducing the service life of the cable.
  • the differential elongations are the cause of premature fatigue of the crystalline metal.
  • the traditional solution to solve this problem consists in introducing inside the cable a lubricant usually liquid but which can be a heavy bitumen, but this introduction leads to sealing problems in order to avoid the migration of lubricants.
  • the steel cables currently in use suitably withstand the tensile forces and the bending forces which they undergo. We know substantially the life of a cable in hours of use, and we change it before any threat of breakage that could have very damaging consequences.
  • the steel cables are heavy and relatively rigid, their weight reducing the payload of the machine.
  • the patent US-A-4,095,404 (BABAYAN) has already proposed to use for electric cables reinforcement wires intended to support metal wires carrying strong power currents or weak telecommunication currents.
  • the reinforcing reinforcement is constituted by aramid wires coated with a polyurethane resin.
  • the wires do not rub against each other, which prevents their destruction by self-abrasion.
  • the aramid threads are protected by a polyurethane lacquer in a proportion of 15 to 40% by weight, dried then twisted and then heated to the melting temperature of the polyurethane resin.
  • a mixed metal-aramid cable is thus obtained which has a higher flexural strength than that of high-strength steel.
  • this cable cannot constitute a good handling cable brought to undergo a large number of flexions, because the impregnation is superficial and has a resistance to friction clearly lower than that of a homogeneous composite material.
  • FR-E-65830 describes a cable comprising a central core on which are arranged concentric layers of synthetic nylon threads the whole being covered with a protective braid.
  • the core is elastic to be able to follow the elongation of the nylon under load.
  • the present invention relates to a high performance cable, in particular with regard to bending fatigue.
  • the flexural-resistant aramid cable comprising a central core around which synthetic threads are stranded, the cable being coated with a sheath, is characterized in that the synthetic threads are composite threads made up of fibers aramids impregnated to the core with an abrasion-resistant binder with a low coefficient of friction, the core being a radially elastic central core, the wires being cabled using the metal cabling technique, the coefficient of elongation at break of the binder being higher than that of aramid fibers.
  • Each element constituting the cable according to the present invention is a composite, homogeneous, solid wire, the aromatic polyamide and the binder being intimately amalgamated, as defined above, of well defined section according to the construction chosen.
  • the friction effect of the filaments on each other is reduced on the one hand, and of the wires on the other on the other hand.
  • impregnation products are to constitute, as it were, solid lubricants which have the advantage, after bending, of returning to their original state by elasticity.
  • the wiring gives the aramid a turn effect allowing the desired flexions to be obtained by deformation of the turns, although the elongation at break of the aramid is between 2 and 4%.
  • the aramid yarns impregnated to the core with this binder have a good slip coefficient.
  • a central, radially elastic core constitutes a guide for subsequent windings without intervening in traction. By its capacity of elastic compression, the central core makes it possible to limit the stresses undergone by the external wires since the internal wires can partially be inserted in the elastic core.
  • the central core is constituted by a polyurethane horsehair of Shore hardness close to 95 A.
  • the cable shown is a textile cable of the metal cabled type. It has a central core 1, a first layer of aramid yarns 2 multifilaments, each filament being coated, a second layer 3 of aramid yarns concentric with the second layer, a third layer 4 of aramid yarns concentric with the previous ones, the assembly being shaped in an outer sheath or cover 5.
  • a cable 12 mm in diameter is constituted by a single-core 1 by a layer 2 of 6 aramid wires impregnated with a layer 3 of 12 aramid wires and a layer 4 of 18 aramid wires .
  • Each thread is made up of 1000 multifilaments milled in multiples according to needs, the threads being wired with equal steps or equal angle.
  • a polyurethane film 6 is incorporated between the outer layer 4 and the cover 5.
  • this film prevents the cover from slipping relative to the rest of cable and as a result of blistering or the like.
  • the cover 5 is, for example made by braiding polyester.
  • the aramid yarns 2, 3 and 4 are made from aramid multifilaments impregnated at heart by the process described in patent No. 80 20663 (FR-A-2 491 098).
  • FIG. 4 shows in section on an enlarged scale a wire made up of multifilaments 7 coated and impregnated with a binder 8.
  • the aramid filaments are impregnated with a polyurethane solution in a proportion of 40 to 60% by weight.
  • a polyurethane solution in a proportion of 40 to 60% by weight.
  • the multifilaments being coated with polyurethane, it is liable to undergo folding and to return to its initial position under the elastic action of the return resulting from the polyurethane.
  • the polyurethane applied in liquid solution spreads on the one hand between the multifilaments, and on the other hand outside the thread to which it is possible to give a regular section by the intermediary of a sector.
  • the central core plays an essential role.
  • this core was only intended to constitute a guide for the stranding of the outer wires.
  • the central textile core for example also made of polyurethane, is intended to compensate for certain variations in the internal diameter of the layer 2 by deforming radially, for example at the time of bending, and by resuming its usual geometry as soon as the effort due to said flexion is relaxed.
  • the following table shows the results obtained on a machine working in alternating bending.
  • the tests were carried out with lubricated aramid cables, respectively in D 1000 Twaron (3% sizing rate), in D 1020 Twaron (9% sizing rate), in Kevlar T 960 type (sizing rate 9%), and in Kevlar type T 961 (sizing rate 3%).
  • the diameter of these cables is 12 mm
  • the core wired according to the steel technique, consisting of 15,000 denier wires: 18 wires for the outer layer, 12 wires for the middle layer, 6 wires for the lower layer , wired at the same step, the central core being a fixed polyamide multifilament textile cable of 1680 denier composition 4 x 3, a polyester braiding on polyurethane film completing the cable structure.
  • the nominal breaking strength is 8000 Dan, the force on one strand being 1600 Dan.
  • the numbers indicated represent the number of complete alternating bending performed before breaking.
  • the aramid cables break after a maximum number of alternating bending which is of the order of 40,000.
  • the number of alternating bending is of the order of 45,000 to 150,000 depending on the construction and in a cable manufactured according to the present invention, the number of alternating flexions which can be supported is greater than 300,000 and can reach 1,500,000. The tests were carried out on a machine allowing them, the cables being under tension, to make them undergo alternate bending.
  • the cable is a mono-strand cable with parallel wires of the WARRINGTON-SEALE type.
  • the advantage of this cable is that it makes it possible to use wires of different diameters, which results in better filling of the cable by the wires and consequently the increase in the resistance thereof with correlative reduction in interstices.
  • Another advantage of this type of wiring is that the length of the wires making up the wiring is much better controlled than in the case of textile cables in which the elasticity of the material leads to a kind of self-regulation.
  • the aramid multifilaments being completely impregnated and twisted are coated with a binder which is the subject of the aforementioned patent. The coefficient of this binder on itself is minimum at the temperatures reached during the alternating bending tests. In fact, the lower this coefficient of friction, the lower the temperatures and the choice of binder is therefore linked to its temperature resistance.
  • the polyurethane described above can be replaced by various binders having the aforementioned fundamental characteristics: abrasion resistance, slip coefficient, flexibility, compatible with the process described in patent 80 20663 (FR-A-2 491 098): interfilament impregnation , calibration-smoothing.
  • the polyurethane can be replaced by an extrudable polyvinylidene fluoride copolymer, at 400% elongation (type 10010 SOLEF). In any event, the impregnation rate exceeds 30% by weight.
  • each layer of wires a wrapping with a film with a good coefficient of friction, the voids existing between each of the wires being able to be filled with a grease or a lubricating product.

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

  • La présente invention a pour objet un câble constitué d'un toron de fils de polyamide aromatique multifilaments du genre "Kevlar" (Marque déposée par DU PONT DE NEMOURS) ou analogue destiné à constituer un câble de manutention pour grue, pont transporteur ou engin analogue, dans lesquels il existe de nombreux cheminements de câbles.
  • On sait que les câbles de manutention doivent résister en traction et en flexion. Pour fabriquer un câble très résistant en traction, on utilise des câbles à fils parallèles longitudinaux. Mais cette structure est incompatible avec les efforts de flexion imposés aux câbles de manutention.
  • Les câbles de manutention sont soumis à un nombre de flexions très important résultant notamment du fait que ces câbles sont amenés à s'enrouiersurdes poulies dont les diamètres peuvent être relativement petits.
  • Les câbles de manutention actuellement en service sont généralement réalisés à partir de plusieurs torons métalliques. Chaque toron comprenant un nombre déterminé de fils métalliques est câblé sur des machines appropriées de manière à constituer des couches superposées. Certains de ces câbles métalliques peuvent avoir une âme centrale textile. Les câbles métalliques sont généralement multitorons et comprennent par exemple de trois à trente-quatre torons.
  • Le problème propre aux câbles de manutention provient de ce qu'ils doivent présenter d'une part une bonne résistance en traction pour permettre la manipulation de charges pouvant être lourdes, et d'autre part, une bonne résistance en flexion. Un renvoi d'angle créé par une poulie se traduit par un glissement des couches extérieures par rapport aux couches intérieures, ces glissements provenant de la différence des rayons de courbure lors d'une flexion. En glissant les unes sur les autres, les couches et les torons constituant le câble provoquent un échauffement et une abrasion qui vont dans le sens de la réduction de la durée de vie du câble. Par ailleurs, les allongements différentiels sont la cause d'une fatigue prématurée du métal cristallin. La solution traditionnelle pour résoudre ce problème consiste à introduire à l'intérieur du câble un lubrifiant habituellement liquide mais qui peut être un bitume lourd, mais cette introduction conduit à des problèmes d'étanchéité afin d'éviter la migration des lubrifiants.
  • Dans ces conditions, les câbles d'acier actuellement en utilisation résistent d'une manière convenable aux efforts de traction et aux efforts de flexion qu'ils subissent. On connaît sensiblement la durée de vie d'un câble en heures d'utilisation, et l'on change celui-ci avant toute menace de rupture qui pourrait avoir des conséquences très dommageables. Mais les câbles d'acier sont lourds et relativement rigides, leur poids diminuant la charge utile de l'engin.
  • On a déjà pensé à utiliser en tant que câbles de manutention, des câbles entièrement textiles. Cette solution paraissait d'autant plus évidente que certaines fibres textiles, par exemple en polyamide aromatique, ensimés usine, possèdent des caractéristiques mécaniques en traction proches, sinon supérieures, à celles de l'acier, tout en présentant un poids quatre à cinq fois inférieur pour une même résistance traction. Cependant, ces câbles en polyamide aromatique, en construction acier, s'avèrent particulièrement fragiles et ne peuvent répondre aux critères exigés, à cause de la friction interne qui les affaiblit rapidement. On sait que les polyamides aromatiques présentent un mauvais coefficient de frottement, ce qui se traduit par une usure rapide par auto-abrasion des torons en l'absence de précautions particulières. Ce frottement générateur de température provoque la rupture des multifilaments parallèles ou tressés, sommairement liés et explique l'usure du Kevlar malgré la présence d'une gaine de protection. Afin d'éviter le frottement des torons et des fils les uns contre les autres, on a également lubrifié additionnellement des câbles en kevlar ou en Twaron en incorporant à l'intérieur de ceux-ci un lubrifiant approprié. Les résultats obtenus se sont révélés décevants, le nombre de flexions admissible par ces câbles étant au mieux cinq fois inférieur au nombre de flexions admissible par un câble d'acier de même diamètre.
  • Dans les câbles textiles, comme dans les cas des câbles métalliques, une construction en spires superposées implique, en flexion alternée, des allongements internes et externes différents et un frottement longitudinal des spires superposées.
  • Le brevet US-A-4 095 404 (BABAYAN) a déjà proposé d'utiliser pour des câbles électriques des fils de renforcement destinés à soutenir des fils métalliques transportant des courants forts de puissance ou des courants faibles de télécommunication. Dans ce brevet, l'armature de renforcement est constituée par des fils aramides enrobés par une résine polyuréthane. Ainsi, les fils ne viennent pas frotter l'un sur l'autre, ce qui évite leur destruction par auto-abrasion. A cet effet, les fils aramides sont protégés par une laque de polyuréthane dans une proportion de 15 à 40% en poids, séchés puis retordus et ensuite chauffés à la température de fusion de la résine polyuréthane. On obtient ainsi un câble mixte, métal-aramide qui présente une résistance en flexion supérieure à celle de l'acier haute résistance. Mais, ce câble ne peut constituer un bon câble de manutention amené à subir un grand nombre de flexions, parce que l'imprégnation est superficielle et présente une résistance au frottement nettement inférieure à celle d'un matériau composite homogène.
  • FR-E-65830 décrit un câble comportant un noyau central sur lequel sont disposées des couches concentriques de fils synthétiques en nylon l'ensemble étant recouvert d'une tresse de protection. Le noyau est élastique pour pouvoir suivre l'allongement du nylon sous charge.
  • La présente invention a pour objet un câble à hautes performances, notamment vis-à-vis de la fatigue en flexion.
  • Selon la présente invention, le câble aramide résistant à la flexion, comprenant une âme centrale autour de laquelle sont toronnés des fils synthétiques, le câble étant revêtu d'une gaine, est caractérisé en ce que les fils synthétiques sont des fils composites constitués de fibres aramides imprégnées à coeur par un liant résistant à l'abrasion et à faible coefficient du frottement, l'àme étant une âme centrale élastique radialement, les fils étant câblés selon la technique de câblage métallique, le coefficient d'allongement à la rupture du liant étant supérieur à celui des fibres aramides. Chaque élément constituant le câble selon la présente invention est un fil composite, homogène, solide, le polyamide aromatique et le liant étant intimement amalgamés, tel que défini précédemment, de section bien déterminée suivant la construction retenue. Ainsi, on diminue l'effet de frottement des filaments les uns sur les autres d'une part, et des fils les uns sur les autres d'autre part.
  • Les produits d'imprégnation ont pour but de constituer en quelque sorte des lubrifiants solides qui ont l'avantage, après une flexion, de retrouver par élasticité leur état d'origine. Le câblage confère à l'aramide un effet de spire permettant d'obtenir les flexions désirées par déformation des spires, bien que l'allongement à la rupture de l'aramide soit compris entre 2 et 4%.
  • Les fils aramide imprégnés à coeur par ce liant possèdent un bon coefficient de glissement. Une âme centrale, radialement élastique, constitue un guide pour les enroulements ultérieurs sans intervenir en traction. Par sa capacité de compression élastique, l'àme centrale permet de limiter les contraintes subies par les fils externes puisque les fils internes peuvent de partiellement s'insérer dans l'àme élastique. De préférence, l'àme centrale est constituée par un crin de polyuréthane de dureté Shore voisin de 95 A.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des figures qui représentent :
    • - la figure 1, une vue en perspective d'un câble textile selon l'invention câblé selon la technique métallique,
    • - les figures 2 et 3, des vues en coupe verticale et en perspective d'un câble selon l'invention càblé selon la technique métallique ;
    • - la figure 4, une vue en coupe d'un fil imprégné à coeur à échelle agrandie.
  • Sur la figure 1, le câble représenté est un câble textile du type càblé métallique. Il comporte une âme centrale 1, une première couche de fils aramide 2 multifilaments, chaque filament étant enrobé, une deuxième couche 3 de fils aramide concentriques à la seconde couche, une troisième couche 4 de fils aramide concentrique aux précédentes, l'ensemble étant conformé dans une gaine ou couverture extérieure 5. Un câble de 12 mm de diamètre est constitué par une âme unifilaire 1 par une couche 2 de 6 fils aramides imprégnés d'une couche 3 de 12 fils aramides et d'une couche 4 de 18 fils aramides. Chaque fil est constitué de 1000 multifilaments moulinés par multiples suivant besoins, les fils étant câblés à pas égaux ou angle égal. De préférence, un film de polyuréthane 6 est incorporé entre la couche externe 4 et la couverture 5. Outre qu'il assure l'étanchéité de l'intérieur du câble, ce film permet d'éviter le glissement de la couverture par rapport au reste du câble et par suite des boursoufflures ou analogues. La couverture 5 est, par exemple réalisée par tressage de polyester.
  • Conformément à l'invention, les fils d'aramide 2, 3 et 4 sont fabriqués à partir de multifilaments d'aramide imprégnés à coeur par le procédé décrit dans le brevet n° 80 20663 (FR-A-2 491 098). La figure 4 montre en coupe à échelle agrandie un fil constitué de multifilaments 7 enrobés et imprégnés par un liant 8.
  • Dans ce premier mode de réalisation, les filaments d'aramide sont imprégnés par une solution de polyuréthane dans une proportion de 40 à 60% en poids. Chacun des multifilaments étant enduit de polyuréthane, il est susceptible de subir un pliage et de revenir à sa position initiale sous l'action élastique du retour résultant du polyuréthane. Lorsque les fibres multifilaments sont groupées pour constituer un fil, le polyuréthane appliqué en solution liquide se répand d'une part entre les multifilaments, et d'autre part à l'extérieur du fil auquel il est possible de donner une section régulière par l'intermédiaire d'une filière.
  • Dans le câble représenté sur la figure 1, l'äme centrale joue un rôle essentiel. En effet, dans la technique antérieure, cette âme n'était destinée qu'à constituer un guide pour le toronnage des fils extérieurs. Tel n'est pas le cas dans la présente application où l'âme textile centrale réalisée par exemple également en polyuréthane a pour objet de compenser certaines variations du diamètre intérieur de la couche 2 en se déformant radialement par exemple au moment de la flexion, et en reprenant sa géométrie habituelle dès relâchement de l'effort dû à ladite flexion.
  • Le tableau suivant reprend des résultats obtenus sur une machine travaillant en flexions alternées. Les essais ont été réalisés avec des câbles d'aramide lubrifiés, respectivement en Twaron de type D 1000 (taux d'ensimage 3%), en Twaron de type D 1020 (taux d'ensimage 9%), en Kevlar de type T 960 (taux d'ensimage 9%), et en Kevlar de type T 961 (taux d'ensimage 3%). Comme précédemment, le diamètre de ces câbles est de 12 mm, l'âme, câblée suivant la technique acier, étant constituée de fils 15.000 deniers : 18 fils pour la couche extérieure, 12 fils pour la couche médiane, 6 fils pour la couche inférieure, câblés au même pas, l'àme centrale étant un câblé textile en polyamide multifilaments fixé de composition 1680 deniers 4 x 3, un tressage polyester sur film polyuréthane achevant la structure du câble. La résistance nominale de rupture est de 8000 Dan, l'effort sur un brin étant de 1600 Dan.
  • Dans le tableau, tous les câbles textiles présentent la même structure, les nombres indiqués représentent le nombre de flexions alternées complètes realisées avant rupture. Comme il ressort clairement de celui-ci, les câbles en aramide se rompent après un nombre de flexions alternées maximum qui est de l'ordre de 40 000. Par contre, pour un câble métallique de même dimension, le nombre de flexions alternées est de l'ordre de 45 000 à 150 000 selon la construction et dans un câble fabriqué selon la présente invention, le nombre de flexions alternées pouvant être supportées est supérieur à 300000 et peut atteindre 1.500.000. Les essais ont été effectués sur une machine permettant, les câbles étant sous tension, de leur faire subir des flexions alternées.
  • Dans le second mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3 sur lesquelles les mêmes références ont été conservées, le câble est un câble mono-toron à fils parallèles du type WARRINGTON-SEALE. L'avantage de ce câble est qu'il permet d'utiliser des fils de diamètres différents, ce qui se traduit par un meilleur remplissage du câble par les fils et par suite l'augmentation de la résistance de celui-ci avec réduction corrélative des interstices. Un autre avantage de ce type de câblage réside en ce que la longueur des fils constitutifs du câblage est beaucoup mieux maîtrisée que dans le cas des câbles textiles dans lesquels l'élasticité de la matière conduit à une sorte d'autorégulation. Dans ce second mode de réalisation, les multifilaments d'aramide étant totalement imprégnés et torsadés sont revêtus par un liant faisant l'objet du brevet précité. Le coefficient de ce liant sur lui-même est minimum aux températures atteintes lors des essais en flexions alternées. En effet, plus ce coefficient de frottement est faible, moins les températures sont élevées et le choix du liant est donc lié à sa résistance en température.
  • Le polyuréthane décrit précédemment peut être remplacé par divers liants présentant les caractéristiques fondamentales précitées : tenue à l'abrasion, coefficient de glissement, souplesse, compatibles avec le procédé décrit dans le brevet 80 20663 (FR-A-2 491 098) : imprégnation interfilaments, calibrage-lissage. C'est ainsi que le polyuréthane peut être remplacé par un copolymère de polyfluorure de vinylidène extrudable, à 400% d'allongement (type 10010 SOLEF). En tout état de cause, le taux d'imprégnation excède 30% en poids.
  • Il est possible de prévoir entre chaque couche de fils un enrubanage par un film à bon coefficient de frottement, les vides existants entre chacun des fils pouvant être remplis par une graisse ou un produit lubrifiant.
    Figure imgb0001

Claims (6)

1. Câble aramide résistant à la flexion, comprenant une âme autour de laquelle sont toronnés des fils synthétiques, le câble étant revêtu d'une gaine, caractérisé en ce que les fils synthétiques (2, 3, 4) sont des fils composites constitués de fibres aramides imprégnés à coeur par un liant (8) résistant à l'abrasion et à faible coefficient de frottement, l'âme (1) étant une âme centrale élastique radialement, les fils étant câblés selon la technique de câblage métallique, le coefficient d'allongement à la rupture du liant (8) étant supérieur à celui des fibres aramides.
2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fil composite (2, 3, 4) est constitué de multifilaments (7) enrobés par le liant (8).
3. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un enrubanage (6) est disposé entre chaque couche de fil (2, 3, 4).
4. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par un monotoron.
5. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant (8) est constitué par du polyuréthane.
6. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que liant (8) est constitué par du fluorure de vinylidène.
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