ES2334115T3 - Miembros tensores de material compuesto y procedimiento de fabricacion de los mismos. - Google Patents

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Abstract

Un miembro de tensión de material compuesto, que comprende: una pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto que forman un haz (60, 262), teniendo cada una de las varillas (62, 230) del haz (60, 262) un diámetro constante, estando las varillas (62, 230) de material compuesto dispuestas paralelas unas con otras y cada una de ellas paralela con el eje longitudinal del miembro de tensión de material compuesto, teniendo el haz (60, 262) dos regiones extremas; un tapón (206) de cuña, formado alrededor de al menos una región (204) extrema de las varillas (62, 230) de material compuesto, en el que la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto del tapón (206) de cuña están desplegadas según una orientación ensanchada en el tapón (206) de cuña, desde las proximidades de un extremo (232) más estrecho, proximal, del tapón (206) de cuña por donde entra la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto, hasta un extremo (234) distal, más ancho, del tapón (206) de cuña, extendiéndose cada una de la pluralidad de varillas desde el extremo (232) proximal a toda la distancia hasta el extremo (234) distal del tapón (206) de cuña, en el que el tapón (206) de cuña es de forma troncocónica y está formado únicamente a partir de un material que une la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto situadas en el mismo, siendo el material o bien un material de resina o bien un material de resina reforzada con al menos uno de entre relleno de fibras y relleno particulado, y en el que la región (204) extrema completa que se extiende desde el extremo (232) más estrecho hasta el extremo (234) más ancho de todas las varillas (62, 230) de material compuesto individuales, está en contacto con el material con el que se ha formado el tapón (206) de cuña, y al menos un accesorio (200) terminal con un cuerpo (208) de accesorio terminal que tiene una abertura en un extremo proximal para la recepción del haz (60, 262) de varillas (62, 230) de material compuesto, y que tiene una cavidad (210) interna que es acampanada hacia el exterior desde el extremo proximal hasta un extremo (213) distal, para adaptarse ajustadamente y recibir el tapón (206) de cuña.

Description

Miembros tensores de material compuesto y procedimiento de fabricación de los mismos.
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Antecedentes de la invención
Un miembro de tensión de material compuesto y un procedimiento para la fabricación del mismo, y más en particular un miembro de tensión de material compuesto formado por una pluralidad de varillas paralelas de fibra de material compuesto empaquetadas conjuntamente en una porción intermedia de cable de material compuesto, con las varillas ya sea extendidas en accesorios terminales mediante un cono y sujetas al mismo con adhesivo y mediante fuerzas de fricción, o ya sea embutidas en una cuña o tapón en tronco de cono, cuya cuña o tapón está acoplado con un accesorio terminal.
Existe una diversidad de aplicaciones que requieren miembros de tensión fuertes pero ligeros de peso, tales como los miembros de cordaje verticales para embarcaciones a vela, arriostramiento de estructuras industriales, cables de ascensor, cables de fondeo de plataformas de perforación mar adentro, y cables de acero para puentes, por nombras unos pocos.
Particularmente, en áreas sensibles al comportamiento tal como las carreras de competición de embarcaciones a vela, la capacidad de proporcionar miembros de tensión de alta resistencia de tracción, ligeros de peso y de perfil pequeño, es particularmente atractivo debido a que reducir el peso por encima de la cubierta de un barco y reducir el perfil del cordaje, reducirá la resistencia a la marcha por el viento, y por lo tanto proporciona al velero una ventaja competitiva. En la actualidad, en el mundo de la navegación, se utilizan ampliamente cable de acero inoxidable y varilla de acero inoxidable para mantener el mástil hacia arriba, manteniendo el mástil con la rectitud o con el grado de curvatura deseados. Cuando se fabrica cordaje para veleros con cable de acero inoxidable, las hebras individuales del cable pueden ser fijadas a accesorios terminales en el extremo de los cables, por ejemplo mediante fijación mecánica o estampación. Aunque el cable de acero inoxidable y la varilla de acero inoxidable son relativamente fuertes, adolecen de algunos inconvenientes. En primer lugar, el acero inoxidable, aunque sea fuerte, es también relativamente pesado. También, el cable y la varilla de acero inoxidable están sujetos a estiramiento (ya sea por deformación elástica o ya sea permanente). Además, existen con frecuencia situaciones en las que el cable o la varilla de acero inoxidable no están extendidos a lo largo de recorridos totalmente rectos, y deben curvarse en ciertos puntos. Estas curvas crean áreas localizadas de debilitamiento. Por ejemplo, en aplicaciones de embarcaciones a vela, determinados cables y varillas de acero inoxidable pasan alrededor de separadores de mástil, y forman ángulo en estas áreas. En estos casos, los cables y las varillas se debilitan por donde pasan alrededor del extremo de los separadores, comprometiendo con ello la resistencia de los refuerzos superiores continuos.
Otros problemas del cordaje de acero inoxidable son la corrosión y el endurecimiento mecánico. Hasta hace aproximadamente veinte años, la norma era cable de alambre de acero inoxidable para el cordaje vertical. Sin embargo, el cable de alambre experimenta un "estiramiento permanente" que está causado por el hundimiento de los alambres en el cable o hebra según se aplica una carga inicial. Aunque algo de estiramiento permanente se elimina durante el proceso de fabricación del cable de alambre, un miembro de tensión fabricado con cable de alambre casi siempre necesita ser re-tensado después de algo de uso. Debido a estos problemas, existía un rechazo a utilizar varilla de acero inoxidable para embarcaciones a vela y otras aplicaciones de comportamiento activo. Las ventajas de la varilla de acero inoxidable son: un menor estiramiento y una mayor resistencia que el cable de alambre de acero inoxidable. Esto se debe a que la varilla tiene más material en sección transversal para un diámetro dado, y no existe el efecto de estiramiento del cable de alambre retorcido. Sin embargo, cuando se hizo el cambio a cordaje de varilla de acero inoxidable, se presentaron numerosos fallos. Existieron dos razones fundamentales para los fallos del cordaje de varilla. En primer lugar, el rocío y el agua salada podían descender hacia el accesorio terminal y provocar fisuras de corrosión por fatiga. En segundo lugar, existieron fallos de fatiga por endurecimiento mecánico. Los fallos por fatiga fueron el resultado de que el cordaje de varilla no era flexible como el cable de alambre en las terminaciones. En consecuencia, la varilla se doblada continuamente adelante y atrás, con lo que la terminación en el mástil se volvía muy rígida. Otros han intentado direccionar este problema mediante la provisión de juntas flexibles para el extremo del cordaje de varilla con algo de éxito. Al contrario que el acero inoxidable, el material compuesto de carbono tiene una vida muy mejorada respecto a la fatiga, y no experimentará fracturas de corrosión por fatiga.
Otro problema existente con los metales consiste en que éstos empiezan a comportarse a un nivel más bajo antes de que finalmente fallen. Por el contrario, los material compuestos de carbono mantienen la aceptación de la carga y se comportan según se han diseñado sin límite elástico, casi rectos hasta su punto de fallo.
Los materiales direccionales de material compuesto, tales como fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra Kevlar^{TM}, fibra Aramida, u otras fibras, combinados con una matriz de resina de polímero, ofrecen una resistencia a la tracción muy alta con un peso menor que los materiales metálicos convencionales. Los medios para fabricar miembros de varilla monolíticos a partir de miembros de material compuesto de tamaño adecuado, para manejar la carga de tracción requerida, por ejemplo, de mástiles de embarcaciones de vela, han estado vigentes durante algún tiempo. Sin embargo, es difícil sujetar los accesorios terminales a una varilla grande de material compuesto monolítico. Los procedimientos convencionales de sujeción de accesorios terminales a cordajes de acero, tal como la estampación, no serán eficaces para los materiales de material compuesto debido a que la operación de estampación aplastará la varilla monolítica de material compuesto. La vinculación adhesiva para conectar varillas de material compuesto monolíticas a accesorios terminales en cada extremo de un miembro de cordaje, no tiene suficiente resistencia a la tracción salvo para pequeños tamaños de varillas (por ejemplo, un diámetro de 3 milímetros (1/8'') o menos), donde la resistencia a la tracción de la varilla de material compuesto no supera la resistencia de los adhesivos disponibles. Además, en situaciones en las que el miembro de tensión se ha de curvar localmente, se crean debilidades. Se mantiene, en consecuencia, una necesidad de una solución para estos problemas.
El documento US-A-4 043 690 revela un accesorio terminal para cable de alambre que tiene un manguito en forma de cuña para recibir un extremo del cable de alambre.
El documento US-A-5 415 490 revela un terminal para una cuerda de fibra que comprende un tapón de resina en el que están encapsulados los extremos de la cuerda, estando el tapón dispuesto en el interior de una cavidad ahusada que está dividida en segmentos más pequeños por medio de placas radiales.
Adicionalmente, el documento US-A-5 525 003 describe una conexión terminal para cables de material compuesto, estando el cable dotado de nervios vinculados al cable y encerrados con material de encapsulación.
Además, el documento GB-A-2 236 546 revela un terminal para un cable de fibra, comprendiendo el terminal un zócalo y un miembro en forma de cono que se acopla en el interior del zócalo.
El problema que se pretende resolver mediante la invención consiste en proporcionar un miembro de tensión robusto de material compuesto, que tenga un diseño simple. Además, se pretende proporcionar un procedimiento de fabricación de dicho miembro de tensión.
Sumario de la invención
La invención proporciona un miembro de tensión de material compuesto, con las características de la reivindicación 1.
Según se pone el miembro de tensión bajo tensión, el tapón troncocónico es arrastrado más hacia la cavidad troncocónica del cuerpo del accesorio terminal. Este actúa para comprimir más el tapón troncocónico, y sitúa fuerzas de compresión sobre las varillas de material compuesto, lo que incrementa la adhesión por desviación de solape de las varillas con el tapón troncocónico. El módulo del tapón troncocónico se incrementa también con la carga de tracción sobre el miembro.
El cuerpo del accesorio terminal captura y sujeta el tapón troncocónico de resina bajo una carga de tracción. El cuerpo del accesorio terminal puede proporcionar también un medio de sujeción de
Los accesorios terminales están preferentemente fijados a ambos extremos de la porción de cable de material compuesto. La porción de cable intermedia tiene una pluralidad de varillas de material compuesto, de menor diámetro, empaquetadas conjuntamente y con preferencia sobrepuestas con los medios para mantener juntas las varillas, con un perfil en sección transversal deseado, tal como un perfil circular, un perfil con forma de plano aerodinámico en general, un perfil en forma de lágrima, u otros perfiles deseados. Alternativamente, las varillas pueden ser empaquetadas con un perfil circular en general, y con cualquier perfil deseado, y se puede extruir o fijar un enfundado con forma de plano aerodinámico en general, sobre el haz. Realizando la porción de cable de material compuesto mediante una recopilación de pequeñas varillas de material compuesto alineadas axialmente, en lugar de una única varilla monolítica, es posible fijar de forma segura accesorios terminales a cada uno de los extremos del miembro de tensión. Las pequeñas varillas de material compuesto se despliegan en el interior del tronco de cono de resina en el accesorio terminal.
La invención proporciona además un procedimiento de fabricación de extensiones largas de miembros de tensión de material compuesto, que tienen una tensión equilibrada en cada varilla de material compuesto del haz de varillas, de acuerdo con las características de la reivindicación 11.
Un miembro de tensión de material compuesto según la invención puede tener una resistencia a la tracción que sea el doble que en un cable o varilla de acero inoxidable convencional, con aproximadamente un cuarto de su peso o con menor perfil. Reducir el peso del cordaje para una embarcación de vela, por ejemplo, permite que se utilice una quilla de menor peso para compensar el peso de la arboladura. La reducción global de peso hace que la navegación del velero sea más rápida. También, puesto que el cordaje de material compuesto es más fuerte que el acero, existe la opción de que los diseñadores de embarcaciones reduzcan el diámetro y el perfil del miembro de cordaje, reduciendo con ello la resistencia a la marcha por el viento y el arrastre de la embarcación. En otras aplicaciones en las que es importante una alta relación de resistencia frente a peso y de la resistencia a la corrosión, tal como en los cables de fondeo para plataformas de perforación mar adentro y en los cables de acero para puentes, la invención proporciona una gran mejora.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista despiezada que muestra un accesorio terminal que no forma parte de la invención;
la Figura 2 es una vista en sección transversal parcial de un haz de varillas de material compuesto que forman una porción intermedia de cable de material compuesto del miembro de tensión de cable de material compuesto;
\global\parskip1.000000\baselineskip
la Figura 3 es una vista en sección transversal del haz de varillas de material compuesto de la Figura 2, que muestra todas las varillas de material compuesto;
la Figura 4 es una vista en planta de una realización de un miembro de tensión de la invención;
la Figura 5 es una vista detallada, en sección transversal, que muestra la interconexión del haz de varillas de material compuesto con un accesorio terminal que no forma parte de la invención;
la Figura 6 es una vista en sección transversal a través de las líneas 6-6 de la Figura 5, que muestra la interconexión entre las varillas de material compuesto individuales, el cono de inserto y el cuerpo de terminal;
la Figura 7 es un detalle de la Figura 6, que muestra las varillas de material compuesto encoladas con el alojamiento terminal y el tronco de cono;
la Figura 8 es una vista en planta de una combinación de collar/ conjunto de tuerca collar, que no forma parte de la invención;
la Figura 9 es una vista en planta de una combinación de inserto de collar/ accesorio de fijación, que no forma parte de la invención;
la Figura 10 es una vista en sección transversal que muestra un perfil alternativo del haz de varillas de material compuesto;
la Figura 11 es un diagrama de flujo que muestra un procedimiento de formación de un miembro de tensión, que no forma parte de la invención;
la Figura 12 es una vista en planta superior que muestra una realización de un extremo de accesorio terminal del miembro de tensión de material compuesto de la invención, con anterioridad a su montaje;
la Figura 13 es una vista en planta superior, parcialmente al descubierto, que muestra el accesorio terminal de la Figura 12 ensamblado y enganchado con un gancho de ojo;
la Figura 14 es una vista en sección transversal del tapón troncocónico, tomada a lo largo de las líneas 14-14 de la Figura 12;
la Figura 15 es una vista en planta superior, que muestra una parte de un molde para la formación de tapones troncocónicos con varillas de material compuesto embutidas, fijadas en los mismos;
la Figura 16 es una vista esquemática que muestra una estructura horizontal para formar miembros de tensión de material compuesto según la invención;
la Figura 17 es una vista esquemática que muestra una estructura horizontal para formar miembros de tensión de material compuesto, que tiene una curva sin debilitamiento a lo largo de la longitud de la porción de cable;
la Figura 18 es una vista en planta superior que muestra un accesorio terminal sobre-envuelto con una envoltura de alta resistencia, para proporcionar una resistencia tangencial incrementada;
la Figura 19 es una vista en planta superior que muestra un accesorio terminal con una porción de cable que tiene una construcción de varilla de material compuesto unitaria;
la Figura 20 es un detalle de una porción del accesorio terminal de la Figura 19;
la Figura 21 es una vista en planta superior que muestra un miembro de tensión de material compuesto ensamblado, según la invención;
la Figura 22 es un detalle de una porción del accesorio terminal de la Figura 21;
la Figura 23 es una vista en planta superior que muestra otro miembro de tensión de material compuesto ensamblado según la invención, con un tornillo tensor;
la Figura 24 es un diagrama de flujo que muestra un procedimiento de formación del miembro de tensión de material compuesto de la invención;
la Figura 25 es una vista en sección, parcialmente al descubierto, de un accesorio terminal para miembro de tensión de material compuesto, que no forma parte de la invención;
la Figura 26 es una vista superior que muestra una realización de la invención en la que una pluralidad de miembros de tensión de material compuesto están unidos a una articulación de pasador de horquilla;
la Figura 27 es una vista en planta superior que muestra una placa de colector de la articulación de perno de horquilla;
la Figura 28 es un detalle que muestra un dispositivo de pivotamiento para portar un miembro de tensión sobre la placa de colector.
Descripción detallada de la invención
Volviendo a la Figura 1, se muestra una vista despiezada del extremo 10 de accesorio terminal, el cual comprende un cuerpo 12 de accesorio terminal, un medio de deflexión o despliegue, tal como un inserto 14 cónico, y un medio para asegurar el inserto 16 cónico, tal como una tuerca de collar de cierre exterior. La tuerca 16 de collar de cierre exterior tiene roscas 18 externas y un orificio 20 interiormente roscado. Una porción 22 de gancho de ojo roscado de una porción del tornillo tensor, está dimensionada de modo que es susceptible de encajar roscadamente con las roscas 20 internas de la tuerca de collar de cierre exterior. El inserto 14 cónico se ha construido, con preferencia, con un material fuerte y rígido, tal como acero inoxidable, aluminio, titanio, y algún otro material fuerte. El cuerpo 12 de accesorio terminal posee un extremo 24 proximal, con un orificio 26 axial formado a través del mismo. Una porción 28 intermedia del accesorio de terminación posee una cavidad 30 interior acampanada, que se ensancha hacia el exterior desde su extremo 32 proximal hasta su extremo 34 distal, para definir una cavidad de forma troncocónica. El alojamiento terminal posee un extremo 36 distal que posee medios 38 de sujeción, tales como roscas hembra, que son complementarias con los medios 18 de fijación de la tuerca 16 de collar de cierre exterior. Alternativamente, las roscas situadas externamente pueden ser colocadas sobre el extremo 36 distal, y la tuerca de collar de cierre exterior puede ser sustituida por un capuchón roscado, o se puede utilizar cualquier algún otro medio de fijación (no representado). Según se muestra en las Figuras 1 y 5, el inserto 14 cónico posee forma de cono, con menor pendiente que los ángulos de ensanchamiento de la cavidad 32 interna de la porción 28 intermedia el cuerpo 12 de accesorio terminal. El cuerpo 12 de accesorio terminal posee, con preferencia, una abertura 40 de entrada de adhesivo, formada en un extremo de la porción 28 intermedia, y una abertura 42 de aireación formada en el otro extremo de la porción intermedia. El número y la posición relativos de la entrada de adhesivo y de los puertos de aireación, puede ser mayor de uno si se desea. Durante la fabricación del alojamiento 12 terminal y del inserto 14 cónico, las superficies 44 de pared interior de la cavidad 30 acampanada y las superficies 46 exteriores del inserto 14 cónico, pueden ser tratadas a efectos de una adhesión incrementada mediante descarga de perlas o enarenado basto, seguido preferentemente de una capa ligera de adhesivo epoxi que se aplica a la superficie de las mismas, seguido de desgaste abrasivo, para formar superficies adhesivas incrementadas. Aunque la desviación de las varillas individuales en el interior de la cavidad es una forma preferida de aumentar el área de contacto superficial, se pueden utilizar otros medios para aumentar el área superficial adhesiva entre la pluralidad de varillas de material compuesto y el alojamiento terminal, de modo que la carga de cizallamiento se distribuya sobre un área superficial mayor. En general, el cuerpo de accesorio terminal puede tener una cavidad interna con un área de vinculación adhesiva con un área de vinculación superficial ampliada, para la vinculación de la pluralidad de varillas de material compuesto al área superficial de vinculación ampliada, y un medio para desviar las varillas de material compuesto individuales de modo que las mismas se lleven hacia la proximidad del área superficial de vinculación ampliada, en la que la resistencia de la unión adhesiva entre los nexos de material compuesto y el alojamiento sea al menos tan grande como la resistencia de las varillas de material compuesto.
Volviendo a la Figura 2, se ha mostrado una vista en sección transversal, parcialmente al descubierto, de una sección extrema terminal de un haz de varillas 60 de material compuesto. Las varillas de material compuesto pueden estar formadas por fibra de carbono, y fibra de vidrio y resina epoxi, y otras fibras conocidas y resinas conocidas. La Figura 3 es una vista en sección transversal que muestra una pluralidad de varillas 62 de material compuesto rodeadas por roscas 64 y 66 de vinculación, arrolladas contra-helicoidalmente. Por claridad de la presentación, solamente se muestran dos de las roscas arrolladas contra- helicoidalmente en la Figura 2, y solamente se muestran dos varillas 62 de material compuesto en la Figura 2. Con preferencia, el haz ligado mediante la rosca de las varillas 62 de material compuesto, se extiende sobre una capa 66 impermeable a las condiciones atmosféricas, e impermeable al agua, tal como de neopreno, o de silicona, o de película de PTFE (politetrafluoretileno), para protección contra daños y contra los agentes atmosféricos. Las roscas pueden comprender, preferentemente, un material fuerte tal como Kevlar^{TM} (poli-para- parafenilen tereftalamida). Se podría utilizar alternativamente otro material fuerte de envoltura, incluyendo fibras de Aramida (poliamida sintética). En lugar de una rosca fuerte, se podría utilizar también una envoltura de tipo cinta, y un material de embalaje retráctil y/o se podría aplicar un recubrimiento aplicado de forma permanente a la porción intermedia del miembro de tensión.
Volviendo a la Figura 4, se muestra una vista en planta superior de un miembro 80 de cable de tensión de material compuesto, que muestra los accesorios 10 terminales conectados a la porción 60 de cable de material compuesto. Según se muestra, un gancho de ojo 22 con tornillo tensor, está enganchado con el cuerpo 12 terminal. El resto de los tornillos tensores no se ha representado. La distancia "D" a la que el gancho de ojo se extiende desde el alojamiento 12 terminal, es ajustable, siendo con ello útil para cambiar la tensión situada sobre el miembro 80 de cable de tensión de material compuesto. Alternativamente, se puede proporcionar otro medio de fijación en el que se realice un tornillo tensor separado u otro ajuste para proporcionar tensión adicional al miembro 80 de cable de tensión de material compuesto.
Con referencia a la Figura 5, se muestra una vista parcialmente al descubierto, que muestra un haz de varillas 60 de material compuesto enganchadas con el alojamiento 12 terminal. Por claridad de la presentación, la Figura 5 ha sido mostrada con solo algunas de las varillas de material compuesto. En realidad, la varilla 60 de la porción de cable de varilla de material compuesto debería tener una densidad de varillas como la mostrada en la Figura 3 y sería un espacio 90 relleno de forma más completa. Según se muestra, las varillas 62 de material compuesto individuales se extienden a través de la abertura 26 del extremo 24 proximal del alojamiento terminal, y se despliegan hacia el exterior en el espacio 90 de recepción de varilla formado entre las caras 46 externas del núcleo 14 del inserto y la pared 44 interior de la cavidad 30. Según se puede ver, como resultado de los diferentes ángulos de inclinación del núcleo 14 de inserto y de la cavidad 30 acampanada, el espacio 90 entre las paredes 44 y 46 de recepción de varilla, es más ancho en la porción 92 delantera, y éste disminuye hacia una porción 94 trasera del espacio 90. La razón para ello es que la densidad de varillas 92 individuales es mayor cerca de donde la pluralidad de varillas entran en la cavidad 90 que en el extremo distal.
La Figura 6 ha sido tomada a lo largo de una línea 6-6 de la Figura 5, y muestra el núcleo 14 de inserto y la proximidad cercana de las varillas 62 con las paredes 44 interiores de la cavidad 30 y con la superficie 46 de pared exterior del inserto 14 cónico. Adhesivo 96 vincula cada una de las varillas 62 de material compuesto con las otras y con el núcleo 14 de inserto, y con las paredes 44 interiores del cuerpo terminal. Un puerto 40 de relleno de adhesivo puede estar preferentemente roscado para disponer de un accesorio de tipo Zerk, en el que se puede hacer salir a chorro adhesivo a presión, hacia el espacio 90, y con ello inter-rellenar los espacios entre las varillas 62 individuales y las paredes del alojamiento terminal y el tronco de cono del inserto, proporcionando con ello adhesión. La tuerca 16 de collar de cierre exterior puede ser enroscada apretadamente, con el fin de empujar sobre el núcleo 14 de inserto y provocar que las varillas 62 individuales sean comprimidas y enganchadas por fricción con el alojamiento terminal y con el tronco de cono del inserto. Además, cuando el espacio 90 se llena de adhesivo 96 a presión, el adhesivo provocará que se produzca el rellenado, formando una masa de forma general troncocónica de adhesivo y varillas de material compuesto. Esta masa en forma de núcleo, no solo está fijada adhesivamente en su lugar mediante la presión ejercida por el núcleo de inserto que está comprimido por la tuerca 12 de collar, sino que también proporciona una estructura que no puede ser retirada del alojamiento terminal, y con ello proporciona un enganche extremadamente seguro y libre de deslizamiento entre el haz de varillas y el alojamiento 10 terminal.
Entretanto, la Figura 6 muestra un único anillo de varillas formado en el interior del espacio 90, que preferentemente se producirá en los extremos terminales de las varillas 62 de material compuesto. Sin embargo, adicionalmente al extremo proximal del alojamiento terminal, la densidad de las varillas es más alta según están siendo desplegadas hacia fuera.
La Figura 7 es un detalle que muestra varillas 62 adheridas con adhesivo 96 a las paredes 44 y 46 del alojamiento 12 terminal y del núcleo 14 de inserto, respectivamente.
Volviendo a la Figura 8, se ha mostrado una combinación de núcleo/tuerca de collar 100, donde la porción 102 de núcleo de inserto es integral con una porción 104 de tuerca de collar, en la que la porción 104 de tuerca de collar posee preferentemente roscas 106 externas y un orificio 108 roscado internamente para su encaje con un perno de ojo de un tornillo tensor u otro medio de enganche.
La Figura 9 muestra una realización alternativa para una combinación de inserto cónico/miembro de gancho 102, que posee una porción 122 de inserto cónico, una porción 124 central roscada, y una porción 126 de ojete.
Aunque el accesorio terminal ha sido mostrado con un alojamiento 12 con un extremo distal roscado hembra y una tuerca de collar roscada por el exterior, se pueden utilizar otros medios para comprimir un medio de encaje por fricción que comprenda una estructura troncocónica o de otro tipo en el interior de una cavidad, para comprimir e inmovilizar con ello una pluralidad de varillas en el interior de la cavidad y para un abocinamiento de las mismas hacia el exterior.
Además de que el haz de varillas 60 de material compuesto tenga un perfil circular, éste puede tener otros perfiles, tal como el perfil 130 en forma de lágrima, como se muestra en la Figura 10, donde la aerodinámica constituye una consideración, tal como en competiciones de embarcaciones a vela.
Volviendo a continuación a la Figura 11, se ha mostrado un diagrama de flujo que describe el proceso de formación de miembros de tensión. En la etapa 1, 140, se proporciona una pluralidad de varillas que material compuesto que tienen un diámetro predeterminado. Por ejemplo, alrededor de 75-80 varillas de material compuesto con un diámetro de 0,97 mm (0,038 pulgadas) formarán un haz con un diámetro de 9,5 mm (0,375 pulgadas). Dependiendo del diseño característico, el número y el tamaño pueden variar. También es posible incluir varillas de material compuesto desiguales para formar el cable intermedio.
En la etapa 2, 142, se proporcionan accesorios terminales que tienen cavidades internas acampanadas y medios de fijación de núcleo de inserto.
En la etapa 3, 144, una pluralidad de varillas de material compuesto son empaquetadas conjuntamente, e insertadas en la cavidad interna acampanada del accesorio terminal, y el núcleo de inserto se introduce en el mismo para provocar que las varillas de material compuesto individuales se desplieguen hacia el exterior, cada una contacto con las otras y con las superficies del núcleo de inserto y de la cavidad del accesorio terminal. Un medio de fijación, tal como una tuerca de collar de cierre exterior, se utiliza para asegurar en su lugar el núcleo de inserto y las varillas de material compuesto desplegadas.
En la etapa 4, 146, se inyecta adhesivo en la cavidad formada entre el núcleo de inserto y el alojamiento terminal para provocar que la pluralidad de varillas de material compuesto se adhieran unas con otras y con las superficies internas del núcleo de inserto y del alojamiento terminal.
En la etapa 5, 148, la pluralidad de varillas de material compuesto se alinean axialmente, si es necesario, y se ponen bajo tensión. Alternativamente, las varillas de material compuesto podrían ser también retorcidas en forma de cable retorcido.
En la etapa 6, 150, se repiten las etapas 3-5 para asegurar un segundo accesorio terminal al segundo extremo del haz de varillas de material compuesto.
En la etapa 7, 152, la pluralidad de varillas de material compuesto se unen entre sí, por ejemplo con una arrollamiento de Kevlar^{TM} envuelto contra- helicoidalmente. Para una protección adicional contra daños y a prueba de agua, se puede aplicar una capa adicional de solape.
Los miembros de tensión de la invención pueden ser formados con cualesquiera longitudes deseadas, proporcionando a los usuarios bobinas de varilla de material compuesto y varios accesorios terminales, permitiendo con ello que los usuarios construyan la longitud deseada y las características del miembro de tensión que se ha de formar. Para aplicaciones que requieran secciones extremadamente largas de miembros de tensión, por ejemplo en cuerdas de fondeo para plataformas petrolíferas mar adentro en mar profundo, los extremos terminales de los miembros de tensión pueden estar adaptados para un enganche conjunto de forma fijable (por ejemplo, mediante un enganche arrollable u otro medio) para permitir que se reúnan longitudes muy largas (no representadas). En efecto, en aplicaciones para cuerdas de fondeo en instalaciones petrolíferas mar adentro, la longitud de las cuerdas de fondeo puede ser tan larga que el peso del propio cable ejerza esfuerzos inaceptablemente altos sobre el cable, proporcionando poca resistencia adicional para soportar el cordaje. El miembro de tensión de la invención sería ideal para este propó-
sito.
Según se ha indicado en lo que antecede, los elementos pequeños de varilla de material compuesto proporcionan un medio de alta resistencia para fijar los terminales a los miembros de tensión de material compuesto. Los elementos de varilla de material compuesto tienen una relación de área superficial respecto a resistencia a la tracción que permite que las varillas sean vinculadas en un tapón terminal de resina con una resistencia adecuada. Por ejemplo, una varilla de material compuesto de carbono/epoxi de 1,0 mm (0,038 pulgadas) de diámetro, tiene una resistencia final a la tracción de 225 kg (496 libras). Un valor típico de resistencia adhesiva al cizallamiento de solapamiento para una unión de resina epoxi es de 280.533 kg/m^{2} (4.000 p.s.i.). Por lo tanto, debe haber al menos 8,0 mm^{2} (0,124 pulgadas cuadradas) de contacto de resina epoxi o de inserción de la varilla de carbono en un tapón terminal de resina con vistas a mantener la resistencia de la varilla de carbono (por ejemplo, 225 kg divididos por 280.533 kg/m^{2}
(o 496 libras dividido por 4.000 p.s.i.)). La varilla de carbono de 1,0 mm (0,038 pulgadas) debe tener una longitud de inserción de al menos 2,64 cm (1,039 pulgadas) con el fin de conseguir un área de cizallamiento de solapamiento de al menos 8,0 mm^{2} (0,124 pulgadas cuadradas). Si se pretende hacer un cable de material compuesto de carbono de
9,5 mm (3/8 de pulgada) de diámetro, la resistencia a la tracción final deberá ser cercana a 17.270 kg (38.000 libras). Sin embargo, no es posible grafar, estampar o enlazar un accesorio terminal a un miembro único de tensión de material compuesto de carbono de 9,5 mm (3/8 de pulgada) de diámetro que pueda equipararse con la resistencia del cable de 17.270 kg (3/8 de pulgada). Además, una unión con pegamento para manejar un esfuerzo de 17.270 kg (38.000 libras) no resulta factible. En teoría, la carga de 17.270 kg (38.000 libras) podría ser manejada pegando 20,3 cm (8 pulgadas) de la varilla de diámetro de 17.270 kg (3/8 de pulgada) en el terminal. Sin embargo, existe una concentración de esfuerzo en el punto en que la varilla está pegada al terminal. La concentración local de esfuerzo es mayor que la capacidad frente al cizallamiento de solapamiento del adhesivo. En consecuencia, existe un fallo de cizallamiento de solapamiento que se propaga hacia abajo por la longitud de la unión adhesiva. Esto es similar al fenómeno de desgarrar página a página una guía telefónica frente al desgarro de todas las páginas de una vez. Una varilla de 1,00 mm (0,038 pulgadas) de diámetro tiene la misma concentración de esfuerzo, aunque la concentración de esfuerzo sea más baja que la resistencia al cizallamiento de solapamiento del adhesivo. Por lo tanto, si el cable está formado con 76 varillas pequeñas de carbono, cada una de ellas con un diámetro de 1,0 mm (0,038 pulgadas) y empaquetadas conjuntamente para producir un cable de 9,5 mm (3/8 de pulgada) de diámetro, se puede conseguir un terminal suficientemente fuerte. La vinculación de una única varilla de material compuesto de carbono de 1,0 mm (0,038 pulgadas) de diámetro en un accesorio terminal, puede alcanzar aproximadamente el 90% de la resistencia del límite teórico de la varilla. La utilización de una cantidad de elementos de varilla pequeña de material compuesto para realizar un cable o miembro de tensión grande, permite también una armonización o ajuste fino de la resistencia del artículo final en relación con su peso, variando el número de elementos de varilla. Habiendo descrito además las bases teóricas de la invención, se van a describir ahora otras realizaciones de la invención.
Volviendo a la Figura 12, se ha mostrado una vista en planta superior que muestra otra realización de un accesorio 200 terminal del miembro de tensión de material compuesto de la invención, con anterioridad a su montaje. Un cable 202 realizado con una pluralidad de varillas de material compuesto, tiene un extremo 204 terminal embutido en un tapón 206 en forma de tronco de cono. Se ha previsto un alojamiento 208 de accesorio terminal, y tiene una abertura 210 de forma troncocónica formada en el mismo, cuya abertura 210 está dimensionada para recibir ajustadamente el tapón 206 de forma troncocónica. El alojamiento 208 de accesorio terminal posee un extremo 212 distal roscado en un extremo 213 distal del alojamiento, que recibe una tuerca 214 de collar. La tuerca 214 de collar actúa para retener el tapón 206 de forma troncocónica y el cable 202 llevado ajustadamente a su lugar en la abertura 210 de forma troncocónica del alojamiento 208 del accesorio terminal. Se pueden utilizar otros medios para mantener en su lugar el tapón 206 de forma troncocónica.
La Figura 13 es una vista en planta, parcialmente al descubierto, que muestra el accesorio terminal de la Figura 12 montado y enganchado con un gancho de ojo 216, el cual está encajado roscadamente con un orificio 218 roscado de la tuerca 214 de collar. Una tuerca 220 de bloqueo se utiliza para retener el perno de ojo 216 en la tuerca 214 de collar roscada. La junta tórica está comprimido para mantener el tronco de cono en su lugar. Éste no es una junta de estanquidad. Una junta tórica 222 monta sobre un extremo 224 distal del tapón 206 de forma troncocónica, para ayudar a mantenerlo en su lugar. El cable 204 ha sido mostrado con su enfundado 226 parcialmente retirado para poner de manifiesto el roscado 228 de vinculación arrollado alrededor de la pluralidad de varillas 230 de material compuesto, para mantenerlas en un haz, permitiendo incluso cualquier movimiento deslizante necesario de las varillas 230 de material compuesto individuales durante el montaje del miembro de tensión de material compuesto.
La Figura 14 es una vista en sección transversal del tapón 206 troncocónico, tomada a lo largo de las líneas 14-14 de la Figura 12. Una pluralidad de varillas 230 de material compuesto individuales, mostradas sin ninguna sobre-envoltura o enfundado, han sido formadas en la porción 202 de cable de material compuesto, y las mismas están ligeramente desplegadas desde un extremo 232 proximal, más estrecho, donde las mismas entran en el tapón 206 troncocónico, hasta el extremo 234 distal, más ancho. La razón de este leve despliegue consiste en permitir un buen contacto entre todas las varillas 230 de material compuesto individuales y el material 236 de resina (por ejemplo, resina epoxi), a partir de la cual se forma el tapón 206 troncocónico. Este buen contacto entre las varillas 230 de material compuesto individuales y el material del tapón troncocónico, alcanza una resistencia muy alta e impide que las varillas 230 de material compuesto tiren sueltas del tapón troncocónico incluso bajo una tensión que pudiera romper el cable de material compuesto, evitando con ello el fallo del miembro de tensión de material compuesto en los accesorios terminales. Se puede añadir relleno particulado o de fibra de vidrio, desmenuzado o molido, a la epoxi para el tapón cónico, con el fin de incrementar la resistencia del material del tapón cónico.
Según se aplica carga de tracción al conjunto de cable, el tapón de forma troncocónica es arrastrado hacia abajo en el accesorio. Puesto que el accesorio tiene una resistencia tangencial y una rigidez significativas, la carga de tracción sobre el tapón troncocónico da como resultado una fuerza de compresión sobre el tapón troncocónico, normal al ángulo de acuñamiento cónico. La fuerza de compresión sobre el tapón troncocónico, crea también una fuerza de compresión sobre las varillas pequeñas de material compuesto que incrementan la adhesión de cizallamiento de solape de las varillas con el tapón troncocónico. El tapón troncocónico debe ajustar de forma precisa con el accesorio, con el fin de crear una compresión uniforme sobre el tapón cónico y las varillas de material compuesto embutidas. Se permite que el tapón de resina troncocónico deslice en el accesorio troncocónico, de modo que se crea una fuerza de acuñamiento. Puesto que un ejemplo de tapón troncocónico de la invención, realizado a partir de materiales fácilmente disponibles, tiene una resistencia de compresión máxima de solamente alrededor de 4.500 p.s.i., es necesario hacer que el tapón troncocónico sea suficientemente grande, de modo que pueda manejar la fuerza de compresión aplicada al mismo. El tapón troncocónico debe ser diseñado de tal modo que la relación del área superficial del tapón troncocónico respecto al esfuerzo máximo de tracción del cable esté dentro de la capacidad de resistencia de compresión del tapón de resina troncocónico. El ángulo incluido del accesorio tiene un gran efecto sobre las fuerzas de acuñamiento generadas según está el miembro de tensión de material compuesto bajo un esfuerzo de tracción. Cuanto mayor es el ángulo, menor es la carga de compresión o efecto cuña. Un menor ángulo de cuña crea una mayor fuerza de compresión sobre el tapón de resina troncocónico. También, un ángulo más grande crea un accesorio más grande y más pesado, mientras que un ángulo más pequeño crea un accesorio más pequeño y más ligero de peso. El inventor ha encontrado que un ángulo incluido de aproximadamente 15 grados (\alpha = aproximadamente 7,5 grados por cada lado), es un buen compromiso entre conseguir una resistencia máxima para el terminal y el objetivo de diseño de conseguir un conjunto pequeño de cable ligero de peso. A alrededor de 15 grados de ángulo incluido, la fuerza normal a la superficie de la cuña troncocónica es significativamente mayor que la carga de tracción sobre el conjunto global de miembro de tensión (aproximadamente 1,6 veces la carga de tracción). La fuerza de cuña desarrolla una fuerza de compresión significativa sobre la cuña troncocónica, e incrementa significativamente la adhesión de las pequeñas varillas de material compuesto de carbono en el interior de la cuña troncocónica.
Según se ha indicado, el tapón de resina de forma troncocónica puede estar fabricado con una resina epoxi estructural. El tapón de resina de forma troncocónica es un componente estructural crítico del terminal de miembro de tensión. Sin embargo, la resistencia a la compresión, la resistencia al cizallamiento y el módulo de la resina epoxi, son más bajos que los de un miembro de tensión de material compuesto al carbono o que los del accesorio metálico. La carga de tracción es transferida desde las varillas de carbono al tapón de resina, y a continuación al accesorio metálico. Un factor clave en la capacidad de la resina epoxi, que es un material más débil, para transferir la carga, consiste en un incremento de las propiedades mecánicas según se incrementa el esfuerzo de tracción sobre el miembro de tensión. Puesto que el tapón de resina de forma troncocónica está contenido en el accesorio metálico, está sometido a compresión. La compresión capturada sobre un material plástico incrementa las propiedades mecánicas del material plástico. El material plástico bajo compresión se vuelve más denso, mejorando con ello su resistencia y su módulo.
La Figura 15 es una vista en planta superior que muestra una parte de un molde 240 para formar los tapones 206 troncocónicos con varillas de material compuesto embutidas o varillas en los mismos. Según se muestra, un haz 242 de varillas 230 individuales de material compuesto, se coloca en un molde 240 que tiene un canal 244 para recibir el haz de varillas. Cada una de las varillas 230 de material compuesto está roscada a través de una placa 246 de cardadura que está encajada con el molde, y que separa los extremos distales de las varillas 230 de material compuesto. Otra parte del molde (no representada) se encaja a continuación con la primera parte del molde 240, y se inyecta la resina a través de un puerto 248 para rellenar los espacios entre las varillas 238 de material compuesto con resina, para encapsular las varillas de carbono y formar un tapón de resina troncocónico. El molde puede ser calentado para curar la resina. Después de que la resina ha sido curada, el cable y el tapón de resina fundida y la placa 246 de cardadura, son extraídos del molde, y se cortan las varillas de material compuesto que se extienden más allá del extremo distal del tapón troncocónico. Se obtienen buenos resultados con resina epoxi estructural. La epoxi utilizada puede estar rellena de fibras de vidrio desmenuzada (por ejemplo, un 10% en volumen), para incrementar su resistencia a la compresión. A la resina epoxi se le extrae el aire por vacío, para eliminar cualesquiera burbujas de aire presentes en la mezcla de resina con anterioridad a la inyección de la resina en el molde. Como opción, justamente antes de inyectar el tapón de resina cónico, se puede aplicar a las varillas una mezcla especial de resina de alta elongación. La mezcla especial de resina puede comprender 1 parte de resina de la marca Epon^{TM} 828, hasta 1,5 partes de agente de curado de la marca Epicure^{TM} 3140, ofertados ambos por Resolution Performance Products, de Houston, Texas. Esta mezcla especial de resina tiene una elongación de aproximadamente el 100%. Sin embargo, se pueden utilizar otros productos. También se puede añadir a la mezcla de resina Sílice Ahumada, en una relación de 1 a 1 en volumen. La mezcla especial de resina es tixotrópica debido a la adición de sílice ahumada. La mezcla especial de resina puede ser aplicada a las varillas de carbono con un pequeño cepillo. La mezcla especial de resina recubrirá la superficie de las varillas de carbono con un espesor de recubrimiento de aproximadamente 1-2 milésimas. El efecto de la mezcla especial de resina es el de incrementar la resistencia de retención de las varillas de carbono en el tapón de resina de forma troncocónica, reduciendo la concentración de esfuerzo local donde entran las varillas en el tapón de resina de forma troncocónica. El inventor ha encontrado que las varillas de material compuesto deben ser embutidas en el tapón troncocónico de aproximadamente 15 grados con un curvado o despliegue tan pequeño como sea posible. En otras palabras, las varillas de material compuesto deben ser posicionadas idealmente cerca del centro axial del tapón troncocónico, para mantener la máxima resistencia. Es necesario desplegar las varillas pequeñas de material compuesto hacia fuera una cantidad pequeña, simplemente para que fluya la resina alrededor de las varillas durante el proceso de moldeo del tapón troncocónico. Sin embargo, las varillas deben tener una curvatura tan pequeña como sea posible debido a que un retorcimiento reduce la resistencia final de cada varilla.
Existe un accesorio terminal de cable de alambre de acero común disponible, con un tapón de resina vertida que es algo similar en concepto respecto al tapón troncocónico de material compuesto del inventor. Sin embargo, existen algunas diferencias clave. En el cable de acero, los alambres están curvados hacia el exterior de forma aleatoria, sin ninguna preocupación en cuanto a su posición. En el cable de alambre de acero, no se hace ningún esfuerzo para tensionar del mismo modo los elementos de alambre. Se funde una resina de poliéster alrededor de los elementos de alambre de acero con el accesorio en posición vertical. La resina de poliéster se funde en el propio accesorio para afianzar los elementos del cable de alambre de acero en el accesorio. En la tecnología del cable de material compuesto del inventor, los elementos de varillas de material compuesto son controlados cuidadosamente en relación con el posicionamiento de las varillas embutidas en el tapón troncocónico con relación a la aplicación de tracción sobre las varillas de material compuesto. El posicionamiento cuidadoso de las varillas en el tapón troncocónico y el tensionado uniforme de las varillas, es importante para conseguir un accesorio terminal de material compuesto fiable con una máxima resistencia.
La Figura 16 es una vista esquemática que muestra una instalación para formar miembros de tensión de material compuesto según loa invención. Una pista 260 horizontal porta el molde 240. Un haz de varillas 262 de material compuesto entra en el molde 240, y los extremos distales de la pluralidad de varillas 230 de material compuesto pasan a través del mismo, y salen y son encaminadas a través de una segunda placa 264 de cardadura que está situada sobre la pista 260 horizontal. Clips 266 se encuentran sujetos cerca de los extremos terminales de las varillas 230 de material compuesto. A su vez, los clips 266 están sujetos a cuerdas 268. Con el fin de establecer una tensión uniforme sobre el tapón troncocónico de resina de las varillas 230 individuales de material compuesto que se está formando, se cuelgan pesos 270 iguales desde las cuerdas 268, tal como desde poleas 272. En lugar de pesos, se pueden utilizar también resortes colocados con el mismo grado de tensión, para establecer igual tensión en todas las varillas de material compuesto del haz de varillas de material compuesto. Una ventaja de esta disposición de montaje horizontal consiste en que permite que se formen longitudes muy largas de elementos de tensión de material compuesto. Puesto que las varillas de material compuesto tienen una resistencia a la tracción muy alta, pero no son muy extensibles, si algunas varillas están hechas para que soporten más tensión que otras varillas, es posible que esas varillas se rompan pronto, reduciendo con ello la resistencia del cable. Por lo tanto, es importante que durante el proceso de formación del tapón troncocónico, cada una de las varillas sea puesta bajo la misma tensión, para evitar situaciones en las que se haga que algunas de las varillas soporten más tensión que otras.
La Figura 17 es una vista esquemática que muestra un miembro 290 de tensión de material compuesto que tiene una curvatura 290 de mínimo debilitamiento a lo largo de la longitud de la porción de cable que se está formando. Se forma un tapón troncocónico en un extremo de la porción de cable, y el haz de varillas de material compuesto se curva sobre la forma 294 para adoptar el contorno que el miembro de tensión de material compuesto deberá adoptar cuando esté instalado. Un ejemplo consiste en la instalación del miembro de tensión de material compuesto como refuerzo superior en embarcaciones de vela, donde el refuerzo superior se curva alrededor de separadores que se extienden desde el mástil. Cuando el haz de varillas de material compuesto se curva con la forma 294, se permitirá que las varillas 230 de material compuesto individuales del haz deslicen unas en relación con las otras, teniendo la parte externa de las curvas una longitud más larga, y teniendo el interior de las curvas una longitud más corta. Dependiendo del grado de curvatura y del diámetro del haz de varillas acabado, la diferencia de longitudes de las varillas individuales puede ser bastante sustancial. A continuación, se forma el tapón troncocónico final en el extremo terminal. Esto da como resultado que se aplique una fuerza no uniforme sobre las diferentes varillas de material compuesto que forman el miembro de tensión de material compuesto. Esto contrasta con los cables y varillas en los que existen esfuerzos en el área de curvado, cuyos esfuerzos causan el debilitamiento del área de curvatura. Se permite que cada varilla de carbono encuentre su trayectoria natural de modo que, según se aplica una carga, todas las varillas de carbono comparten la carga del mismo modo. Por el contrario, en un cable que se ha hecho recto y después se curva sobre un separador, algunas de las varillas quedan flojas y las varillas exteriores deben soportar toda la carga. Un cable fabricado con varillas de varias longitudes específicamente para separadores, solamente puede ser utilizado para esa geometría específica del separador.
Resulta beneficioso que el cable de material compuesto tenga una capa de camisa protectora por el exterior. El propósito de la camisa protectora es el de proporcionar protección frente a daños del haz de varillas de material compuesto, y protección frente a elementos tales como la luz UV, la cual puede degradar las propiedades de las varillas de material compuesto durante períodos de tiempo extensos. Normalmente, se podría extruir una camisa de plástico o de caucho sobre el haz de cable de material compuesto como es típico en la industria de los cables eléctricos. A continuación se podría quitar la camisa extruida en la zona donde se deben instalar los accesorios terminales. Sin embargo, la extrusión de una camisa no es ideal para esta aplicación, debido a que se deben fabricar diversas longitudes de cable y las varillas de material compuesto deben ser de la misma longitud y estar bajo la misma tensión cuando se ensamblan con los accesorios terminales. La camisa extruida podría impedir que las varillas de material compuesto deslicen unas en relación con las otras, y podría obstaculizar la capacidad de asegurar que las varillas individuales estén rectas y bajo la misma tensión. Resulta por lo tanto necesario instalar una camisa protectora sobre el cable después de que se hayan fabricado y ensamblado los accesorios terminales. La instalación de la camisa después de que los accesorios terminales estén instalados, hace también que sea más fácil asegurar que la camisa protectora se adapta ajustadamente hasta los accesorios terminales. El inventor ha desarrollado formas de fabricación de la capa de camisa protectora entre los accesorios terminales. Una forma representativa consiste en vincular el haz de cable con una fibra sintética de peso ligero, tal como fibra Aramida arrollada o Kevlar^{TM} para sujetar las varillas de material compuesto apretadamente entre sí en un haz redondo. A continuación, se aplica una capa de caucho de neopreno de graduación B sin curar, sobre el exterior del haz de cable con una costura de solape axial. El espesor típico del caucho sin curar es de aproximadamente 0,76 mm (0,030 pulgadas). A continuación se coloca un tubo hendido de caucho de silicona sobre el conjunto de cable de material compuesto, para que actúe a modo de lámina de prensado pero en forma tubular. Una envoltura helicoidal de película retráctil, se aplica a continuación sobre el tubo de silicona y la camisa de caucho sin curar y el haz de cable. El cable se coloca en un horno de túnel largo, y se aplica calor a aproximadamente 148°C (300°F) durante aproximadamente de 1 hora. El calor contrae la película retráctil de nilón sobre el tubo de prensado de silicona y el caucho sin curar, y compacta el caucho alrededor del cable de material compuesto. El caucho sin curar se cura con el calor. Después de haber permitido que el conjunto se enfríe y haya sido extraído del horno, la película retráctil y el tubo de silicona se eliminan. El resultado es un recubrimiento protector duradero sobre el exterior del cable, que se adapta de forma precisa hasta los accesorios terminales. También se puede utilizar una bolsa de vacío de nilón en lugar de la película retráctil para aplicar presión al conjunto de tubo de prensado de silicona y cable durante la cura de la camisa de caucho. El caucho de silicona sin curar puede ser utilizado también para la camisa del cable. Adicionalmente, si se desea, se puede utilizar tejido fino de fibra de vidrio u otras fibras fuertes en la lámina de caucho sin curar para añadir resistencia adicional frente a daños a la camisa del cable.
La Figura 18 es una vista en planta superior que muestra un accesorio 300 terminal sobre-envuelto con un material de material compuesto de alta resistencia, tal como fibra de carbono o Kevlar^{TM} o fibra de vidrio, para proporcionar una resistencia tangencial incrementada. El material de la envoltura puede estar arrollado alrededor de la porción 304 troncocónica del alojamiento terminal, puesto que es donde el esfuerzo tangencial será mayor. Según se ha indicado anteriormente, el accesorio metálico captura y sujeta el tapón troncocónico de resina bajo una carga de tracción. El accesorio metálico proporciona también un medio de sujeción de los extremos del miembro de tensión a cualquier cosa que esté siendo sujetada o retenida por el miembro de tensión. En el caso de un cordaje vertical de material compuesto para embarcaciones, el accesorio metálico se enfrenta con el mástil y/o con el equipamiento del barco. El accesorio metálico está sometido a dos cargas básicas. La primera carga es la carga de tracción. La segunda carga es la carga tangencial sobre el accesorio según hace cuña el tapón troncocónico en el accesorio bajo esfuerzo. La geometría básica del terminal asegura normalmente que exista material metálico adecuado para manejar las cargas de tracción. Sin embargo, se requiere un espesor de metal significativamente mayor en el diseño del accesorio para manejar el esfuerzo tangencial impuesto según se aplica tensión al cable y se tira del tapón troncocónico en el accesorio. Es muy importante que el accesorio metálico tenga un grado muy alto de rigidez tangencial para que la tecnología de terminal trabaje. Si el acceso metálico cede (elásticamente o permanentemente) según se tira del tapón troncocónico en el accesorio, no se creará compresión sobre la cuña troncocónica y no se podrá alcanzar el efecto beneficioso de mantener las varillas de material compuesto en la cuña de resina. A este efecto, el inventor desarrolló un accesorio reforzado con fibra de carbono para crear una alta rigidez tangencial en el accesorio metálico sin incremento excesivo de peso. El material compuesto de fibra de carbono se envuelve alrededor del accesorio metálico en la zona de alrededor de la cuña cónica para reforzar el accesorio. La envoltura de fibra de carbono puede ser variada para adaptarse a los requisitos de resistencia de un accesorio de un tamaño particular. Con este diseño, la porción metálica del accesorio puede ser dimensionada óptimamente, solo para manejar las cargas de tracción mientras las cargas tangenciales son manejadas por la envoltura de fibra de carbono de mayor resistencia y peso más ligero. El accesorio terminal híbrido metálico/ de material compuesto, es globalmente más ligero que un diseño realizado solamente con metal. Una capa de película adhesiva epoxi se incluye idealmente entre la sobre-envoltura de fibra de carbono y el accesorio metálico para la vinculación del material compuesto con el accesorio metálico, y para proporcionar una barrera dieléctrica entre los materiales desiguales cuando se exponen al agua salada.
La Figura 19 es una vista en planta que muestra otro accesorio 310 terminal con una porción 312 de cable que tiene una varilla unitaria de material compuesto. Una sujeción 314 está sujeta al alojamiento 316 terminal. Las áreas 318 son un detalle que se muestra a escala ampliada en la Figura 20, y que muestra una porción de un tapón 320 de resina troncocónico en el alojamiento 322, con un extremo de la fijación 314 atornillado junto con el alojamiento 316 terminal. Una junta tórica 324, puede ser utilizada para mantener el conjunto unido sin aflojamiento entre las partes del conjunto. En la fabricación, la varilla unitaria de material compuesto que forma la porción 312 de cable puede ser recubierta con poliuretano para obviar la necesidad de materiales sobre-envolventes adicionales. Según se ha descrito anteriormente, la varilla unitaria de material compuesto es más adecuada para miembros de tensión pequeños cargados de forma ligera, de 3,18 mm (1/8 de pulgada) de diámetro o menos. Este concepto puede ser utilizado para esquifes a vela y catamaranes.
La Figura 21 es una vista en planta superior que muestra una realización de un miembro 340 de tensión de material compuesto ensamblado según la invención, con una porción 342 de cable dotado de terminales 344 y 346 fijados a los extremos de la porción de cable. El terminal 344 posee un gancho de ojo 348, y el terminal 346 posee un gancho de anilla 350. El área 352 es un detalle mostrado a escala ampliada en la Figura 22, y muestra una porción de un tapón 354 de resina troncocónico en el alojamiento 356, una tuerca 356 de collar roscada junto con el alojamiento 356. Se puede utilizar una junta tórica 360 para hermetizar la unidad.
La Figura 23 es una vista en planta superior que muestra otro miembro 370 de tensión de material compuesto ensamblado según la invención, con un tornillo tensor 370 utilizado como puente entre un alojamiento 374 terminal y un soporte 376 de brida. Un tornillo 378 de rótula está enganchado con el otro alojamiento 380 terminal.
La Figura 24 es un diagrama de flujo 40 que muestra un procedimiento de formación del miembro de tensión de material compuesto de la invención. En la etapa 1, 402, se proporciona una pluralidad de varillas de material compuesto. En la etapa 2, 404, se proporcionan accesorios terminales con una cavidad interna de forma troncocónica. En la etapa 3, 406, la pluralidad de varillas de material compuesto se insertan en un accesorio terminal, y los extremos de las varillas de material compuesto son insertados en un molde con una cavidad interna de forma troncocónica emparejada con la del accesorio terminal. En la etapa 4, 408, el haz de varillas de material compuesto se extiende a lo largo del recorrido que el miembro de tensión acabado tendrá cuando se complete, incluyendo cualquier curva. En la etapa 5, 410, se aplica igual tensión a cada varilla de material compuesto. En la etapa 6, 412, las varillas de material compuesto son desplegadas ligeramente en el interior de la cavidad del molde, y se inserta resina epoxi en la misma para formar el tapón de forma troncocónica. En la etapa 7, 414, se repiten las etapas 4 & 5. En la etapa 8, 416, el haz de varillas de material compuesto se envuelve con material sintético fuerte. Y en la etapa 9, 418, se forma una camisa protectora sobre la varilla de material compuesto.
La Figura 25 es una vista en sección, parcialmente al descubierto, de un accesorio 450 terminal de miembro de tensión de material compuesto, que tiene un alojamiento 552 terminal con una cavidad 554 en la que se inserta una bola 556 metálica. La pluralidad de varillas 458 de material compuesto (de las que solo se han mostrado unas pocas), son presionadas hacia su contacto con la bola 456, y pueden ser atrapadas con una envoltura tangencial fuerte de material 458 de fibra de material compuesto. Ligando las varillas 458 alrededor de la bola 458, se fijan mejor las varillas en su lugar. El espacio no ocupado por la bola y las varillas, se llena de resina, y se puede utilizar una tuerca 460 de collar para retener la bola 456 en su lugar.
La Figura 26 es una vista superior que muestra una realización de la invención en la que una pluralidad de miembros 470 de tensión están unidos a una articulación 472 de pasador de horquilla. Cada uno de los miembros 470 de tensión de material compuesto posee un accesorio terminal que está sujeto a una placa 476 colectora con dispositivos 478 de pivotamiento. Extensiones 480 de horquilla se extienden desde la parte trasera de la placa 476 colectora, y una placa 482 de horquilla se extiende desde un elemento 484 de retención. Un perno 486 pasa a través de aberturas (no representadas) de las extensiones 480 de horquilla y de la placa 480 de horquilla para permitir el pivotamiento de la articulación de horquilla con relación al elemento 484 de retención. La pluralidad de miembros 470 de tensión de material compuesto están sobre-envueltos con una envoltura 485 de material compuesto para formar un haz de miembros 487 de tensión de material compuesto.
La Figura 27 es una vista en planta superior que muestra la placa 476 colectora, y que posee una pluralidad de orejetas 486 que se extienden desde la misma.
La Figura 28 es un detalle que muestra un dispositivo 488 de pivotamiento para portar un miembro 470 de tensión sobre la placa colectora. Cada dispositivo 488 de pivotamiento encaja pivotablemente con una orejeta 486, y posee una varilla 490 roscada que engancha con el accesorio 474 terminal.

Claims (15)

1. Un miembro de tensión de material compuesto, que comprende:
una pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto que forman un haz (60, 262), teniendo cada una de las varillas (62, 230) del haz (60, 262) un diámetro constante, estando las varillas (62, 230) de material compuesto dispuestas paralelas unas con otras y cada una de ellas paralela con el eje longitudinal del miembro de tensión de material compuesto, teniendo el haz (60, 262) dos regiones extremas;
un tapón (206) de cuña, formado alrededor de al menos una región (204) extrema de las varillas (62, 230) de material compuesto, en el que la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto del tapón (206) de cuña están desplegadas según una orientación ensanchada en el tapón (206) de cuña, desde las proximidades de un extremo (232) más estrecho, proximal, del tapón (206) de cuña por donde entra la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto, hasta un extremo (234) distal, más ancho, del tapón (206) de cuña, extendiéndose cada una de la pluralidad de varillas desde el extremo (232) proximal a toda la distancia hasta el extremo (234) distal del tapón (206) de cuña, en el que el tapón (206) de cuña es de forma troncocónica y está formado únicamente a partir de un material que une la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto situadas en el mismo, siendo el material o bien un material de resina o bien un material de resina reforzada con al menos uno de entre relleno de fibras y relleno particulado, y en el que la región (204) extrema completa que se extiende desde el extremo (232) más estrecho hasta el extremo (234) más ancho de todas las varillas (62, 230) de material compuesto individuales, está en contacto con el material con el que se ha formado el tapón (206) de cuña, y
al menos un accesorio (200) terminal con un cuerpo (208) de accesorio terminal que tiene una abertura en un extremo proximal para la recepción del haz (60, 262) de varillas (62, 230) de material compuesto, y que tiene una cavidad (210) interna que es acampanada hacia el exterior desde el extremo proximal hasta un extremo (213) distal, para adaptarse ajustadamente y recibir el tapón (206) de cuña.
2. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, que comprende además un miembro (214) de comprensión susceptible de encajar con el cuerpo (208) de accesorio terminal para aplicar una fuerza de compresión a, y retener, el tapón (206) de cuña en la cavidad (210) interna.
3. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 2, en el que el miembro (214) de compresión es una tuerca (214) de collar que es susceptible de encajar con un eje (218) roscado utilizado para fijar el miembro de tensión de material compuesto a otros objetos (216).
4. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que el tapón (206) de cuña está formado con resina (236) que está fundida alrededor de la superficie externa de la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto, de modo que las varillas (62, 230) están vinculadas en el interior de la resina (236) del tapón (206) de cuña, estando las varillas (62, 230) de material compuesto dispuestas en general bajo la misma tensión.
5. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que las paredes laterales del tapón (206) de forma troncocónica están separadas según un ángulo de aproximadamente 15 grados.
6. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que el cuerpo (208) de accesorio terminal está fabricado con metal, y está al menos parcialmente sobre-envuelto con material de incremento de la resistencia tangencial.
7. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto están sobre-envueltas con un material sintético distinto del utilizado en las regiones extremas para retener la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto con una orientación paralela en general en un haz, y el haz está cubierto con una capa protectora de material distinto al de las regiones extremas.
8. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 7, en el que la capa protectora de material proporciona un perfil aerodinámico.
9. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto son paralelas y están generalmente bajo la misma tensión cuando el miembro de tensión de material compuesto está en su perfil acabado.
10. El miembro de tensión de material compuesto de la reivindicación 1, en el que las varillas (62, 230) de material compuesto se eligen en el grupo consistente en fibra de carbono y resina, fibra de vidrio y resina, y material sintético y resina.
11. Un procedimiento para la formación de miembros de tensión de cable de tensión de material compuesto, que tienen longitudes, resistencia a la tracción, y características de perfil deseadas, que comprende las etapas que siguen, y no necesariamente por orden, de:
(a) proporcionar una pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto, que están dispuestas en un haz (60, 262), teniendo cada una de la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto una superficie externa, y teniendo un primer y un segundo extremos;
(b) proporcionar accesorios (208) terminales, teniendo cada accesorio (208) una cavidad (210) interna de forma troncocónica, con una entrada más estrecha y una salida (213) más ancha;
(c) insertar los primeros extremos de la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto en la entrada de un accesorio (208) terminal, e insertar los primeros extremos de la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto en un molde (240) con una cavidad interna de forma troncocónica;
(d) desplegar las varillas (62, 230) de material compuesto ligeramente en la cavidad interior del molde (240), e introducir resina en el mismo para formar un tapón (206) de forma troncocónica que se funde alrededor de la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto desplegadas, estando el área superficial externa de las varillas (62, 230) de material compuesto vinculada en el tapón (206) de resina, estando el tapón (206) de forma troncocónica dimensionado y conformado para acoplarse ajustadamente en la cavidad (210) interna de forma troncocónica del accesorio (208) terminal;
(e) tender el haz (60, 262) de varillas (62, 230) de material compuesto a lo largo del recorrido que el miembro de cable de tensión de material compuesto acabado tendrá cuando se haya completado, incluyendo cualquier curva;
(f) aplicar una tensión generalmente igual a cada varilla (62, 230) de material compuesto del haz (60) de varillas;
(g) repetir las etapas (c) y (d) con respecto a otro accesorio terminal, y
(h) formar una capa protectora alrededor del haz de varillas.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además la etapa de envolver el haz de varillas de material compuesto con material sintético fuerte con anterioridad a la etapa (h).
13. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la pluralidad de varillas (62, 230) de material compuesto están extendidas con una orientación horizontal, y la etapa de aplicar igual tensión a cada varilla de material compuesto del haz (60, 262) de varillas (62, 230) se consigue sujetando cuerdas con pesos (270) iguales sujetos a las mismas, y colgando desde poleas (272) en los extremos de las varillas (62, 230) de material compuesto durante la etapa de formar el tapón de forma troncocónica sobre los mismos.
14. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el tapón (206) de cuña se forma con anterioridad a ser posicionado en la abertura del cuerpo (208) de accesorio terminal, y no se dispone ninguna resina adicional entre el tapón de cuña y la abertura del cuerpo de accesorio terminal.
15. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la resina introducida en el molde (240) es resina reforzada.
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