PL245296B1 - Słup rurowy i sposób wytwarzania słupa rurowego - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie dotyczy słupa rurowego (1), który zawiera rurę wewnętrzną (2) oraz rurę zewnętrzną (3), które są wykonane z materiałów kompozytowych i zawierają włókna wzmacniające. Rura wewnętrzna (2) o stałym przekroju poprzecznym wykonana metodą pultruzji ma ciągłe włókna wzmacniające przebiegające wzdłużnie, zaś rura zewnętrzna (3) wykonana metoda nawijania impregnowanych włókien ma włókna wzmacniające o przebiegu linii śrubowej, przy czym pomiędzy rurą wewnętrzną (2) a rurą zewnętrzną (3) usytuowana jest pośrednia warstwa kształtująca (4). W zgłoszeniu ujawniono ponadto sposób wytwarzania słupa rurowego (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest słup rurowy i sposób wytwarzania słupa rurowego, znajdującego zastosowanie w szczególności w przemyśle energetycznym i telekomunikacyjnym, w budownictwie oraz w rolnictwie, jako na przykład słup teletechniczny, słup oświetleniowy, słup energetyczny czy też słup do uprawy chmielu.

Znane są liczne konstrukcje słupów do zastosowań przemysłowych, jak na przykład słup ujawniony w opisie PL 197277. Przedstawiony w tym opisie słup jest specjalnie wydrążonym, rurowym członem i jest przeznaczony do stosowania w szczególności jako słup wspierający światła uliczne, światła drogowe lub znaki drogowe. Rurowy człon słupa jest wykonany z dwóch warstw, przy czym wewnętrzna warstwa jest wykonana z termoutwardzalnego tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem, a zewnętrzna warstwa jest wykonana z tworzywa poliolefinowego. Wewnętrzna warstwa zawiera włókna szklane, włókna kevlarowe, włókna węglowe lub podobne. Zewnętrzna warstwa jest warstwą jednolitą i ciągłą. Pomiędzy warstwami jest usytuowany materiał klejący.

Z kolei CN101161964 ujawnia słup z materiałów kompozytowych zawierający wewnętrzną metalową rurę i nałożoną na nią rurę z tworzywa sztucznego - pomiędzy nimi usytuowane jest wypełnienie z piany poliestrowej.

Jeszcze inne rozwiązanie znane jest z CN 204252616 - opis ten ujawnia słup kompozytowy z nawiniętych włókien szklanych i wewnętrznej warstwy betonu.

WO2016/124953 ujawnia słup modułowy utworzony z łączonych ze sobą elementów wykonanych z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem, które są wytworzone metodą pultruzji.

Inna konstrukcja znana jest z US3429758. Ujawniony w tym opisie słup wytworzony jest przez nawijanie włókien impregnowanych żywicą, w następujących po sobie etapach technologicznych: formowanie pierwszej warstwy osnów żywicy wzmocnionych włóknami wokół zewnętrznej powierzchni rurowego trzpienia; natryskiwanie podatnej na spienianie kompozycji żywicznej zawierającej katalizator na wspomnianą pierwszą warstwę żywicy wzmocnionej włóknami; utworzenie drugiej warstwy osnów z żywicy wzmocnionych włóknami wokół zewnętrznej powierzchni wspomnianej kompozycji spienialnej; pozwolenie tej kompozycji na spienienie się in situ aż do utwardzenia; i usunięcie wspomnianego trzpienia z wnętrza wspomnianej warstwy wzdłuż jej podłużnej osi, gdy wspomniana pierwsza i druga warstwa oraz wspomniany komórkowy rdzeń zostały sztywno uformowane w integralną strukturę rurową.

US 3896858 ujawnia wydrążony, wydłużony słup użytkowy przydatny przykładowo do podtrzymywania opraw oświetleniowych oraz sposób jego wytwarzania, w którym sekcja rdzenia wewnętrznego jest utworzona przez owijanie włókien, najlepiej ciągłych włókien szklanych impregnowanych w żywicy wiążącej, pod stosunkowo szerokim kątem do osi podłużnej słupa, aby utworzyć wybraną liczbę warstw włókien z naprzemiennymi warstwami włókien przecinającymi się w przeciwnych kierunkach. Zewnętrzna sekcja rdzenia o większej wadze niż wewnętrzna sekcja rdzenia jest formowana na wewnętrznej sekcji rdzenia poprzez owijanie wybranej liczby stosunkowo wąskich pasm włókien, najlepiej ciągłych włókien szklanych impregnowanych żywicą wiążącą, pod stosunkowo niewielkim kątem do osi wzdłużnej słupa. Owinięte warstwy włókien po owinięciu są podgrzewane w wybranej temperaturze w celu utwardzenia i utworzenia sztywnej struktury.

Dokument EP1911911 ujawnia słup utworzony przez nakładanie kolejnych warstw mających za zadanie powiększenie grubości włóknami oraz żywicą z piaskiem. Sposób opisany w tym dokumencie polega na nakładaniu na rdzeń z warstwą przeciw przyczepną, wzmocnienia, utwardzenia, nakładania żywicy i piasku i kolejno nakładania wzmocnienia. Jest to wytwarzanie rury w sposób ciągły z kolejno następującymi po sobie warstwami, a każda kolejna warstwa wytwarzana jest przez oddzielne urządzenie, które to urządzenia powinny być związane z liniową jednakową prędkością wytwarzanej rury co determinuje architekturę wzmocnienia.

EP2134536 ujawnia słup kompozytowy, który ma warstwy z wzdłużnymi włóknami wzmacniającymi o różnym module sprężystości, wytwarzanymi przez przeciąganie. Ponadto słup zawiera włókna usytuowane skośnie, pod kątem. Słup posiada litą strukturę pomiędzy warstwami.

Wynalazek dotyczy słupa rurowego, zawierającego rurę wewnętrzną oraz rurę zewnętrzną, które są wykonane z materiałów kompozytowych i zawierają włókna wzmacniające.

Istota wynalazku polega na tym, że rura wewnętrzna o stałym przekroju poprzecznym ma ciągłe włókna wzmacniające przebiegające wzdłużnie, zaś rura zewnętrzna ma włókna wzmacniające o przebiegu linii śrubowej, przy czym pomiędzy rurą wewnętrzną a rurą zewnętrzną usytuowana jest pośrednia warstwa kształtująca.

Pod pojęciem rury w niniejszym opisie rozumie się wzdłużny element rurowy o przekroju kołowym, owalnym bądź innym, przykładowo wielokąta. Pod pojęciem pośredniej warstwy kształtującej rozumie się warstwę wykonaną z tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego, porowatego i/lub litego, która stanowi pośredni element wypełniający pomiędzy rurą wewnętrzną a rurą zewnętrzną, nadający kształt rurze zewnętrznej, ale bez istotnego wpływu na charakterystykę wytrzymałościową rurowego słupa według wynalazku.

W korzystnym wykonaniu wszystkie włókna wzmacniające rury zewnętrznej mają jednakowy kierunek przebiegu. Alternatywnie przedmiotowe włókna wzmacniające mają przeciwny kierunek przebiegu. Wówczas celowym jest, gdy włókna wzmacniające są wzajemnie przeplecione.

W dalszym korzystnym wykonaniu rura wewnętrzna i rura zewnętrzna przebiegają na całej długości słupa. Alternatywnie, w przypadkach gdy wytrzymałość słupa wymaga zróżnicowanej wytrzymałości w odniesieniu do długości słupa, rura wewnętrzna przebiega wyłącznie na części długości słupa.

W najprostszym wykonaniu rura zewnętrzna ma stałą średnicę. W celu zróżnicowanej wytrzymałości w odniesieniu do długości słupa, rura zewnętrzna ma zmienną średnicę lub zmienny kształt.

Włókna wzmacniające mogą być wykonane ze stali i/lub tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego.

Kolejny wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania słupa rurowego, zawierającego rurę wewnętrzną oraz rurę zewnętrzną wykonane z materiałów kompozytowych, z wykorzystaniem technologii nawijania impregnowanych włókien.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że rurę wewnętrzną o stałym przekroju poprzecznym wytwarza się poprzez pultruzję z wzdłużnie przebiegającymi ciągłymi włóknami wzmacniającymi, a następnie łączy się rurę wewnętrzną z rurą zewnętrzną przy wykorzystaniu pośredniej warstwy kształtującej, przy czym rurę zewnętrzną wykonuje się poprzez nawijanie ciągłych włókien nasączonych impregnatem nadając im przebieg o zarysie linii śrubowej.

Pultruzja to metoda przeciągania nasyconego przykładowo żywicą utwardzalną lub tworzywem termoplastycznym włókna, polegająca na wytwarzaniu sposobem ciągłym profili kompozytowych o różnych kształtach. Nawijanie włókna to metoda, w której na obracający się trzpień nawija się nasycone przykładowo żywicą utwardzalną lub tworzywem termoplastycznym włókna w określonej konfiguracji.

W korzystnym wykonaniu po wytworzeniu rury wewnętrznej słupa umieszcza się na niej pośrednią warstwę kształtującą, po czym na przedmiotową pośrednią warstwę kształtującą nawija się ciągłe włókna tworząc rurę zewnętrzną.

Alternatywnie rurę zewnętrzną wytwarza się osobno na ukształtowanym trzpieniu urządzenia do nawijania włókien, a następnie umieszcza się rurę wewnętrzną wewnątrz rury zewnętrznej i wypełnia się przestrzeń pomiędzy nimi pośrednią warstwą kształtującą.

W dalszym korzystnym wykonaniu rurę zewnętrzną wytwarza się o zróżnicowanym kształcie w przekroju poprzecznym.

Słup rurowy według wynalazku zawiera dwie rury kompozytowe, wytworzone dwoma różnymi technologiami, o różnej charakterystyce wzmocnienia dla każdej rury wynikającej z różnego usytuowania włókien wzmacniających w poszczególnych rurach. W konsekwencji osiągnięto zwiększoną wytrzymałość słupa na zginanie, ściskanie i skręcanie. Nowy rurowy słup kompozytowy posiada wysokie parametry wytrzymałościowe i nie posiada wad rozwiązań ze stanu techniki. Słup jest trudnopalny, odporny na korozję i wysoką temperaturę, a także posiada długi okres eksploatacji. Rura zewnętrzna słupa stanowi istotną ochronę dla rury wewnętrznej w zakresie zewnętrznych oddziaływań fizycznych i chemicznych. Pośrednia warstwa kształtująca wraz z zastosowaną technologią nawijania włókna pozwala na wytwarzanie rury zewnętrznej o zmiennym kształcie, co pozwala na różnicowanie wytrzymałości słupa według wynalazku na jego długości, a także kierunku wzmocnienia. Pośrednia warstwa kształtująca może ponadto pełnić funkcję tłumienia w przypadku wystąpienia uderzenia w słup, ograniczając oddziaływanie na rurę wewnętrzną.

Słup rurowy według wynalazku oraz sposób wytwarzania słupa rurowego zostały bliżej zobrazowane w poniższych przykładach wykonania i na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia słup rurowy w przekroju wzdłużnym, fig. 2 i fig. 3 - słup rurowy w przekroju wzdłużnym w innych wykonaniach, zaś fig. 4 - słup w przekroju poprzecznym w różnych wykonaniach.

Fig. 1 przedstawia słup rurowy 1 w przekroju wzdłużnym. Słup rurowy 1 zawiera rurę wewnętrzną 2 oraz rurę zewnętrzną 3. Rura wewnętrzna 2 wykonana jest z materiału kompozytowego na bazie żywicy utwardzalnej, przykładowo poliestrowej lub tworzywa termoplastycznego i zawiera ciągłe włókna wzmacniające wykonane ze stali i/lub tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego, przykładowo z włókna szklanego. Rura wewnętrzna 2 ma stały przekrój, w szczególności stałą średnicę i wykonana została metodą pultruzji, a włókna wzmacniające przebiegają wzdłużnie. Dzięki jednokierunkowemu, osiowemu ułożeniu włókien w rurze wewnętrznej 2 uzyskano wysokie wartości wytrzymałości i sprężystości w kierunku wzdłużnym. Rura zewnętrzna 3 wykonana została z materiału kompozytowego na bazie żywicy utwardzalnej, przykładowo poliestrowej, lub tworzywa termoplastycznego, metodą nawijania ciągłego włókna. Włókna wzmacniające mają więc przebieg linii śrubowej, i są wykonane ze stali i/lub tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego, przykładowo z włókna szklanego. Nawijanie włókien pod kątem do osi wzdłużnej skutkuje wysoką wytrzymałością w kierunku obwodowym oraz wytrzymałością na skręcanie. Nawinięte włókna mogą mieć postać obwodowych zespołów wzmacniających, o przebiegu odpowiadającym linii śrubowej, mogą mieć jednakowy albo przeciwny kierunek przebiegu, a także mogą też tworzyć strukturę bezwęzłowej siatki o dużej liczbie przeplotów. Przebieg śrubowy włókien wzmacniających może przykładowo posiadać pochylenie względem osi wzdłużnej od 10° do 89° na długości rury. Pochylenie poszczególnych włókien może być zróżnicowane, przykładowo wybrane włókna mogą przebiegać pod kątem 54°, a inne - pod kątem 89°. Pomiędzy rurą wewnętrzną 2 a rurą zewnętrzną 3 usytuowana jest pośrednia warstwa kształtująca 4, która może być wykonana z tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego, porowatego i/lub litego, przykładowo polimerowa warstwa spienionego poliuretanu. Na fig. 1 przedstawiono wykonanie słupa rurowego 1, w którym rura wewnętrza 2 ma stały przekrój poprzeczny, a rura zewnętrzna 3 o tej samej długości ma zmienny przekrój poprzeczny, w szczególności zmienną średnicę - jest zbieżna ku górze.

Wykonanie słupa rurowego 1 przedstawionego na fig. 2 różni się od tego przedstawionego na fig. 1 tym, że rura wewnętrzna 2 ma mniejszą długość niż rura zewnętrzna 3, przy czym rura wewnętrzna 2 przebiega w dolnym odcinku rury zewnętrznej 3, która jest zbieżna ku górze tak jak w przykładzie przedstawionym na fig. 1.

W kolejnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 3 rura wewnętrzna 2 oraz rura zewnętrzna 3 mają taką samą długość, a rura zewnętrzna 3 ma ponadto stały przekrój poprzeczny.

Fig. 4 przedstawia różne mieszczące się w ramach wynalazku wykonania słupa rurowego w przekrojach poprzecznych, w szczególności różny kształt i zmieniające się wymiary poprzeczne rury zewnętrznej, a także różne możliwe wzajemne usytuowania rury wewnętrznej i rury zewnętrznej oddzielonych pośrednią warstwą kształtującą, wpływające na zmienne i zróżnicowane ukierunkowane wytrzymałości słupa rurowego, związane z kształtem rury wewnętrznej i rury zewnętrznej oraz technologiami ich wykonania.

Sposób wytwarzania słupa rurowego według wynalazku polega na tym, że rurę wewnętrzną o stałym przekroju poprzecznym wytwarza się poprzez pultruzję z wzdłużnie przebiegającymi ciągłymi włóknami wzmacniającymi. Pultruzja to metoda przeciągania włókna, polegająca na wytwarzaniu sposobem ciągłym profili kompozytowych o różnych kształtach. W szczególności przeciąga się włókna, wykonane ze stali, tworzywa organicznego lub tworzywa nieorganicznego, przykładowo z włókna szklanego, ze stelażu z nawojami przez system impregnujący z impregnatem na bazie żywicy utwardzalnej, przykładowo poliestrowej lub tworzywa termoplastycznego, przez zestaw dysz kształtujących, i kolejno przez system grzewczy gdzie żywica ulega polimeryzacji, oraz przez urządzenia ciągnące gotowy profil. A więc jest to zautomatyzowany proces, w którym w sposób ciągły wytwarza się liniowe profile o stałym przekroju poprzecznym poprzez przeciąganie włókien przez komorę żywicy, a następnie przez stacjonarną ogrzewaną matrycę/formę, w której następuje utwardzenie. Utwardzona rura wewnętrzna jest następnie przeciągana przez zautomatyzowaną przecinarkę, gdzie jest cięta na zadaną długość. Następnie łączy się rurę wewnętrzną z rurą zewnętrzną przy wykorzystaniu pośredniej warstwy kształtującej, przy czym rurę zewnętrzną wykonuje się poprzez nawijanie ciągłych włókien nasączonych impregnatem nadając im przebieg o zarysie linii śrubowej. W szczególności nawijanie włókien dokonuje się na zautomatyzowanej linii, w której głowica, czyli przyrząd do nanoszenia nasyconych żywicą włókien, porusza się tam i z powrotem wzdłuż długości obracającego się trzpienia, zawieszonego poziomo między końcowymi podporami, którym w przykładzie wykonania jest rura wewnętrzna z naniesioną na niej i uformowaną według założeń pośrednią warstwą kształtującą, wykonaną przykładowo z polimerowej warstwy spienionego poliuretanu, umieszczając włókno na trzpieniu w określonej konfiguracji. Dostępne są sterowane komputerowo nawijarki włókien, wyposażone w od 2 do 12 osi ruchu. Po utwardzeniu w piecu lub w autoklawie słup rurowy jest gotowy. Nawijanie włókien pozwala uzyskać rurę zewnętrzną słupa rurowego o dużej wytrzymałości obwodowej.

W alternatywnym przykładzie wykonania rurę zewnętrzną wytwarza się osobno na ukształtowanym i odpowiednio uformowanym trzpieniu urządzenia do nawijania włókien, a następnie po usunięciu niezależnego trzpienia z wykorzystaniem urządzenia do usuwania trzpieni umieszcza się uprzednio wykonaną metodą pultruzji rurę wewnętrzną wewnątrz rury zewnętrznej i wypełnia się przestrzeń pomiędzy nimi pośrednią warstwą kształtującą w postaci polimerowej warstwy spienionego poliuretanu.

W każdym z tych przykładów wykonania rurę zewnętrzną można wytworzyć o zróżnicowanym kształcie w przekroju poprzecznym, w zależności od wymagań wytrzymałościowych, poprzez odpowiednie wcześniejsze uformowanie pośredniej warstwy kształtującej na rurze wewnętrznej bądź trzpienia urządzenia do nawijania włókien.

Claims (14)

1. Słup rurowy, zawierający rurę wewnętrzną oraz rurę zewnętrzną, które są wykonane z materiałów kompozytowych i zawierają włókna wzmacniające, znamienny tym, że rura wewnętrzna (2) o stałym przekroju poprzecznym ma ciągłe włókna wzmacniające przebiegające wzdłużnie, zaś rura zewnętrzna (3) ma włókna wzmacniające o przebiegu linii śrubowej, przy czym pomiędzy rurą wewnętrzną (2) a rurą zewnętrzną (3) usytuowana jest pośrednia warstwa kształtująca (4).

2. Słup według zastrz. 1, znamienny tym, że wszystkie włókna wzmacniające rury zewnętrznej (3) mają jednakowy kierunek przebiegu.

3. Słup według zastrz. 1, znamienny tym, że rura zewnętrzna (3) zawiera włókna wzmacniające o przeciwnym kierunku przebiegu.

4. Słup według zastrz. 3, znamienny tym, że włókna wzmacniające są wzajemnie przeplecione.

5. Słup według jednego z zastrz. 1 do 4, znamiennym tym, że rura wewnętrzna (2) i rura zewnętrzna (3) przebiegają na całej długości słupa (1).

6. Słup według jednego z zastrz. 1 do 4, znamiennym tym, że rura wewnętrzna (2) przebiega wyłącznie na części długości słupa (1).

7. Słup według jednego z zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że rura zewnętrzna (3) ma stały przekrój poprzeczny.

8. Słup według jednego z zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że rura zewnętrzna (3) ma zmienny przekrój poprzeczny lub zmienny kształt.

9. Słup według jednego z zastrz. 1 do 8, znamienny tym, że włókna wzmacniające wykonane są ze stali i/lub tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego.

10. Słup według jednego z zastrz. 1 do 9, znamienny tym, że pośrednia warstwa kształtująca jest wykonana z tworzywa organicznego i/lub tworzywa nieorganicznego, porowatego i/lub litego.

11. Sposób wytwarzania słupa rurowego, zawierającego rurę wewnętrzną oraz rurę zewnętrzną wykonane z materiałów kompozytowych, z wykorzystaniem technologii nawijania impregnowanych włókien, znamienny tym, że rurę wewnętrzną (2) o stałym przekroju poprzecznym wytwarza się poprzez pultruzję z wzdłużnie przebiegającymi ciągłymi włóknami wzmacniającymi, a następnie łączy się rurę wewnętrzną (2) z rurą zewnętrzną (3) przy wykorzystaniu pośredniej warstwy kształtującej (4), przy czym rurę zewnętrzną (3) wykonuje się poprzez nawijanie ciągłych włókien nasączonych impregnatem nadając im przebieg o zarysie linii śrubowej.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że po wytworzeniu rury wewnętrznej (2) słupa (1) umieszcza się na niej pośrednią warstwę kształtującą (4), po czym na przedmiotową pośrednią warstwę kształtującą (4) nawija się ciągłe włókna tworząc rurę zewnętrzną (3).

13. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że rurę zewnętrzną (3) wytwarza się osobno na ukształtowanym trzpieniu urządzenia do nawijania włókien, a następnie umieszcza się rurę wewnętrzną (2) wewnątrz rury zewnętrznej (3) i wypełnia się przestrzeń pomiędzy nimi pośrednią warstwą kształtującą (4).

14. Sposób według jednego z zastrz. 11 do 13, znamienny tym, że rurę zewnętrzną (3) wytwarza się o zróżnicowanym kształcie w przekroju poprzecznym.