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Die Erfindung betrifft einen biegsamen Hochdruckgummischlauch mit Verstärkungslagen.
Gummischläuche dieser Art werden immer mehr höherenAnforderungen ausgesetzt, welche zur Zeit Innen- durchmesser von 100 mm und mehr sowie eine Anwendbarkeit bei Innendrücken bis zu 700 atü vorschreiben. Für spezielle Zwecke werden Gummischläuche verlangt, welche einem zusätzlichen äusseren Druck von 300 atü und einer in Achsrichtung wirkenden Kraft von 300 t Widerstand zu leisten haben, wobei sie auch durch ein Drehmoment bis zu 2000 mkp belastet werden können sollen.
Da herkömmliche Gummischläuche für derartige Belastungen ungeeignet sind, ist vorgeschlagen worden,
Gummischläuche aus einer Mehrzahl von rundgewebten, einander überlagerten Verstärkungslagen aufzubauen. Die Lebensdauer oder Standzeit dieser Gummischläuche ist aber noch immer unbefriedigend, weil sich die zusammengeflochtenen Stränge unter der Wirkung des inneren Druckes aneinander reiben.
Ein anderer bekannter Vorschlag besteht darin, dass Verstärkungslagen verwendet werden, deren Stränge abwechselnd in entgegengesetzter Richtung gewickelt werden. Gummischläuche dieser Art weisen aber den Nachteil auf, dass ein Zusammenwirken zwischen den Lagen verschiedener Durchmesser nur schwierig erreicht wer- den kann. Hiezu kommt, dass diese Schläuche bei Belastung verhältnismässig stark verdreht werden.
Um das Zusammenwirken zwischen den einzelnen Lagen aerartiger Gummischläuche zu fördern, ist vorgeschlagen worden, vom herkömmlichen Wert von 35016 t des Flechtwinkels (Steigungswinkel im Verhältnis zur Schlauchachse) abzuweichen, obwohl dieser Wert als ideal erachtet worden war. Zu diesem Zweck wurden entweder paarweise gleiche Winkel in Betracht gezogen oder aber ein geringer Winkelunterschied zwischen einander zugeordneten Verstärkungslagen angewendet. Diese Massnahmen führten jedoch ebenfalls nicht zum Ziel.
Die auftretenden Kräfte weichen nämlich wesentlich voneinander ab und Messungen haben sogar Änderungen von 50 bis 300% ergeben.
Die Erfindung bezweckt die Behebung dieser Unzulänglichkeiten und die Schaffung eines biegsamen Hochdruckgummischlauches mit aus Draht bestehenden Verstärkungslagen, die im Betrieb das gewünschte Zusammenwirken gewährleisten. Verschiedene Untersuchungen wurden angestellt, um die Ursachen der zu beseitigenden Mängel zu ermitteln :
Ein Gummischlauch, der ein Paar von Verstärkungslagen aufwies, die einen Flechtwinkel vom herkömmlichen Wert von 350161 hatten, wurde einem Druck ausgesetzt. Der Gummischlauch zeigte dabei wesentliche Torsionsausschläge, ohne erhebliche Längenänderungen. Die durch die Torsion bedingten Verschwenkungen erschienen bereits bei verhältnismässig geringen Drücken im Bereich von 25 bis 50 at. Weitere Druckerhöhungen führten nur unbedeutende Längenänderungen herbei.
Die Richtung der Torsion war immer von der Art, dass die obere Verstärkungslage kontrahierte. Dieses Verhalten des Gummischlauches dürfte durch die Herstellungsweise bedingt sein, bei welcher das Zusammenwirken der Verstärkungslagen nur nach einer bestimmten Kontraktion erreicht werden kann, da während der Herstellung im Gummischlauch immer eine gewisse durch den gegenseitigen Abstand der Verstärkungslagen bedingte restliche Lockerung vorhanden ist. Ein Kontrahieren wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser der inneren Geflechtslage bei Torsion zunimmt, der Durchmesser der äusseren Geflechtslage aber geringer wird. Bei sorgfältig aufgebauten Gummischläuchen mit Durchmessern von 76 bis 101 mm beträgt der Wert des Kontrahierens etwa 0,] bis 0, 8 mm.
Somit wird bei Gummischläuchen mit zwei Verstärkungslagen die Zusammenarbeit zwischen den letzteren durch Torsionsausschläge erreicht, obwohl die Belastung der Verstärkungslagen nicht gleichmässig ist. Versuche haben sogar gezeigt, dass der Unterschied zwischen den Belastungen auch etwa 50% betragen kann, was nicht vernachlässigt werden darf.
Bei Hochdruckgummischläuchen mit einer Mehrzahl von Verstärkungslagen sind die Schwierigkeiten noch grösser, weil das Kontrahieren zwischen den verschiedenen Verstärkungslagen nicht immer durch Torsionsausschläge herbeigeführt wird. So z. B. bei Gummischläuchen mit vier Verstärkungslagen, welche abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen und unter gleichem Flechtwinkel, oder paarweise in der gleichen Richtung gewickelt wurden, zeigte die unterste Verstärkungslage eine Durchmesservergrösserung, wogegen die zweite Verstärkungslage bei innerem Druck eine Durchmesserverringerung erfuhr. Auf diese Weise nahm der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Verstärkungslage ab. Die erste Verstärkungslage hat aber über die Rohrverbindung des Schlauches die dritte Verstärkungslage von gleichem Wicklungssinn aufgeweitet, wodurch ihr Durchmesser zunahm.
Da der Durchmesser der zweiten Verstärkungslage abnahm, konnte für das Zusammenwirken zwischen der zweiten und der dritten Verstärkungslage keine Kontraktion erreicht werden.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Unterschiede zwischen den Belastungen der Verstärkungslagen und ihren Verformungen unter diesen Belastungen durch drei Ursachen bedingt sind. Zunächst kann ein Kontrahieren von belasteten Verstärkungslagen selbst dann nicht vollständig unterbunden werden, selbst wenn das beste bekannte Herstellungsverfahren zur Anwendung gelangt. Dann führen die Torsionsausschläge keine gleichförmigen Belastungen in den Verstärkungslagen herbei, wobei sogar Scherkräfte auftreten, durch welche die Lebensdauer der Schläuche weitgehend beschränkt wird. Schliesslich können die Drahtverstärkungslagen von Hochleistungsgummischläuchen nur aus Werkstoffen hergestellt werden, die eine ausserordentlich niedrige Dehnung aufweisen.
Dies bedeutet, dass Werkstoffe bevorzugt werden. die praktisch keine Dehnung aufweisen. Dann kann aber auch kein Ausgleich der Belastungen zwischen den Verstärkungslagen eines Gummischlauches erfolgen.
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Die einzige Möglichkeit, zwischen den Verstärkungslagen eines Gummischlauches Kontraktion und gleichmässige Verteilung ihrer Belastungen zu erreichen, besteht in der Längenänderung des Schlauches. Zu diesem Zweck sind aber die Verstärkungslagen mit verschiedenen Flechtwinkeln zu wickeln, deren Verschiedenheit derart gewählt werden muss, dass bei Längenänderungen die Verstärkungslagen mit grösserem Flechtwinkel ihren Durchmesser stärker verändern werden, als jene von geringerem Flechtwinkel. Eine weitere Erkenntnis besteht
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mit Verstärkungslagen, die mit einem geringeren Flechtwinkel gewickelt worden sind als der erwähnte herkömmliche Wert, ihre Länge vergrössern.
Es ist nun ermittelt worden, dass ein gewünschtes gleichmässiges Kontrahieren und eine gewünschte gleichmässige Verteilung der Belastung zwischen den Verstärkungslagen eines Gummischlauches durch Längenänderungen erreicht werden kann, wenn der Flechtwinkel bei sich verküzrenden Gummischläuchen in radialer Richtung nach aussen abnimmt, während die Flechtwinkel der Verstärkungslagen von Gummischläuchen der sich verlängernden Art in radialer Richtung nach aussen zunehmen, u. zw. in der Art, dass der Winkelunterschied zwischen den Verstärkungslagen grösserer Flechtwinkel geringer ist als der Unterschied zwischen den Winkel der Verstärkungslagen geringerer Flechtwinkel. Dies ist das Wesen der Erfindung.
Es kann gezeigt werden, dass für drei überlagerte Verstärkungslagen die erwähnte Forderung eine Beziehung bedeutet, in welcher
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worin D-,, Dj, Dj+l die ursprünglichen Durchmesser, ', i,D'j,D -j+, die geänderten Durchmesser bedeuten und wobei j die Reihennummer einer Verstärkungslage in radialer Richtung nach aussen bezeichnet.
Die Beziehung (1), der weitere Verstärkungslagen ebenfalls entsprechen müssen, bedeutet bei Gummischläuchen, die aus mehr als drei Verstärkungslagen bestehen, dass der Unterschied zwischen den Durchmesser- änderungen der zwei ersten Verstärkungslagen gleich dem Unterschied zwischen den Durchmesser änderungen der zweiten zwei Verstärkungslagen sein muss. Berechnungen auf Grund der Beziehung (1) führten zur folgenden Beziehung zwischen den Flechtwinkeln von drei überlagerten Verstärkungslagen :
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worin cx den Flechtwinkel der Verstärkungslage bezeichnet.
Die Flechtwinkel der weiteren Verstärkungslagen werden in gleicher Weise berechnet.
Die Beziehung (2) bestimmt einen genauen gegenseitigen Zusammenhang zwischen den Flechtwinkeln von überlagerten Verstärkungslagen in einer Gruppe derselben. Es hat sich aber herausgestellt, dass nochweitere Forderungen erfüllt werden müssen, wenn zwischen den Verstärkungslagen einheitliche Kontraktionen und Lastverteilungen erreicht werden sollen. Zunächst müssen beide äusseren Winkel, d. s. die Flechtwinkel der innersten und der äussersten Verstärkungslagen, gemäss dem geringsten Unterschied zwischen den Belastungen in den einzelnen Verstärkungslagen gewählt werden, wobei die Belastungen selbst durch Messungen festgestellt werden.
Dann ist auch zu berücksichtigen, dass Gummischläuche mit Verstärkungslagen grosser Flechtwinkel in der Nähe von 900 weniger biegsam sind, was verhältnismässig höhere Belastungen beim Biegen bedeutet. Schliesslich ist zu bedenken, dass je grösser der Unterschied zwischen den Flechtwinkeln ist, desto geringer die Längenänderung sein wird, die fUr das Kontrahieren der Verstärkungslagen erforderlich ist.
Diese Betrachtungen zeigen, dass bei Gummischläuchen mit mindestens drei überlagerten Verstärkungslagen der Unterschied zwischen den beiden äusseren Winkeln im Bereich von 6 bis 800 liegen muss, wobei die dazwischen liegenden Winkel derart gewählt werden müssen, dass sie der Beziehung (2) gerecht werden. Dann wird der Unterschied zwischen den Durchmesseränderungen eine Kontraktion von 0, 1 bis 0, 8 mm herbeiführen. Somit bezieht sich die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form auf biegsame Hochdruckgummischläuche mit einer Anzahl von lasttragenden eingebetteten Verstärkungslagen, deren jede aus einer Mehrzahl von einzelnen nachgiebig biegsamen Drähten besteht, die in parallelen schraubenlinienförmigen Windungen um die Längsachse des Schlauches verlaufen.
Die Erfindung selbst besteht darin, dass die Verstärkungslagen abwechselnd links-und rechtsgängige Gänge bilden und die Steigungswinkel der einzelnen Verstärkungslagen von innen nach aussen entweder zu-oder abnehmen, derart, dass der Unterschied zwischen den Steigungswinkeln der innersten und äussersten Verstärkungslage 6 bis 800 beträgt, wobei die Winkel jeder einzelnen Verstärkungslage voneinander unterschiedlich sind und die Winkel von drei benachbarten Verstärkungslagen die Gleichung
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Die Erfindung wird nachstehend auf Grund der Zeichnungen näher beschrieben, deren Fig. 1 bis 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Gummischlauches perspektivisch darstellen, wobei verschiedene Teile des Schlauches der Reihe nach entfernt sind, um die Eigenart der einzelnen Teile darstellen zu können.
In den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen Gummischlauch dar, der aus vier überlagerten Verstärkungslagen - 10. 12. 14 und 16-- aufgebaut ist, wobei jede Verstärkungslage aus einer Mehrzahl von einzelnen feinen Drähten hoher Festigkeit besteht, die um die Längsachse I-I des Schlauches in parallelen schraubenförmigen Windungen verlaufen. Die Windungen sind in aussen und innen paarweise nebeneinanderliegenden Verstärkungslagen-10, 12 bzw. 14, 16-einander entgegengesetzt gerichtet, wobei sie voneinander in an sich bekannter Weise z. B. durch gummierte Lagen-18, 20 bzw. 22-isoliert sind. Eine Lage-26-aus nichtmetallischem Gewebe liegt unter der innersten Verstärkungslage10-- und dient zum gleichmässigen Verteilen des Druckes, wobei sie ein Gummirohr --28-- umschlie sst.
Anderseits ist die Verstärkungslage --16-- durch einen Überzug - 30-von einem äusseren Gummimantel-32-getrennt, wobei der Überzug -30-- ebenfalls aus nichtmetallischem Gewebe besteht.
Gemäss der Erfindung besteht die Beziehung (2), dass D1tg2α1+D3tg2α3=2D2tg2α2 und D2tg2α2+D4tg2α4=2D3tg2α3#### ist, worin
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gleiche radiale und axiale Belastbarkeiten vorliegen, so müssen die Flechtwinkel eine weitere Beziehung erfüllen, gemäss welcher
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ist, worin
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<tb>
<tb> α1, <SEP> α2,....,α
n <SEP> die <SEP> Fiechtwinkel,
<tb> n <SEP> die <SEP> Zahl <SEP> der <SEP> Verstärkungslagen,
<tb> t <SEP> den <SEP> Abstand <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Drahtmitten <SEP> eines <SEP> Paares <SEP> von <SEP> nebeneinanderliegenden <SEP> Windungen <SEP> in <SEP> einer <SEP> Verstärkungslage <SEP> in <SEP> cm,
<tb> T <SEP> die <SEP> Summe <SEP> von <SEP> axialen <SEP> Aussenkräften <SEP> in <SEP> kp, <SEP> die <SEP> die <SEP> verschiedenen <SEP> einzelnen <SEP> Verstär- <SEP>
<tb> kungslagen <SEP> belasten,
<tb> P <SEP> die <SEP> Kräfte <SEP> in <SEP> kp, <SEP> die <SEP> in <SEP> den <SEP> Verstärkungslagen <SEP> auftreten, <SEP> und
<tb> D <SEP> den <SEP> mittleren <SEP> Durchmesser <SEP> der <SEP> Verstärkungslagen <SEP> in <SEP> cm
<tb>
bezeichnet.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist n = 4 und
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Die Richtungen der Stränge in den einzelnen Lagen müssen in Berücksichtigung der Torsion gewählt werden.
So z. B. beim dargestellten Ausführungsbeispiel eines Vierlagengummischlauches habenbeide Zwischenlagen-12
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und 14-eine gleiche Richtung, während beide äusseren Verstärkungslagen --10 und 16-- den Zwischenlagen entgegengerichtet sind. Wenn bei der Herstellung die Abmessungen derartiger Gummischläuche von den be- rechneten Werten abweichen, trachtet die Verschwenkung der ersten Lage-10-über ein nichtdargestelltes
Verbindungsstück des Gummischlauches die dritte Lage-14-zu kontrahieren. Dann entsteht ein geringfügiger Abstand zwischen der zweiten (vierten) Lage --12 oder 16-- und der dritten Lage-14-, als ob die dritte Lage in der gleichen Richtung verlief, wie die erste Lage-10--.
Eine derartige Gummischlauchkonstruktion kann als Type A-B-B-A benannt werden, wobei A eine ge- wählte Richtung und B die entgegengesetzte Richtung bezeichnen. Zusätzlich zu ihrer erwähnten Eigenschaft, dass sie vorteilhaft auf Torsionsausschläge reagiert, hat sie den weiteren Vorteil, dass die mittleren Durchmesser der Verstärkungslagenpaare entgegengesetzter Flechtrichtungen genau dieselben sind. Diese Gleichförmigkeit der beiden mittleren Durchmesser hat eine den kreisgewobenen oder geflochteten Verstärkungslagen ähnliche
Eigenschaft zur Folge, jedoch ohne die nachteilige Wirkung der Reibung der Stränge aneinander.
Fig. 2 stellt eine beispielsweise Ausführungsform dar, die in doppelter Hinsicht vom vorherigen Ausführungs- beispiel abweicht. Zunächst sind drei Verstärkungslagen --12, 14, 24-- anstatt vier vorgesehen. Dann besteht
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--34a- anstatt- 34--, die an Stelle der Lage-10-des vorherigen Ausführungsbeispiels zur Anwendung gelangt, durch ein hohes Trägheitsmoment ausgezeichnet, das mindestens fünfmal so gross ist, als das Trägheitsmoment der andern
Lagen-12 und 14-bei einem mittleren Durchmesser von D1 und einem geringen Flechtwinkel oc von höch- ) stens 5 . Wenn die Beziehung (3) durch die verschiedenen Parameter dieses Gummischlauches befriedigt ist,
wird er ausser den inneren und äusseren Drücken - wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel-also auch axialen zu- sätzlichen Lasten gewachsen sein, die durch bei Tiefbohrungen verlangte übermässige Längen bedingt sind, wo
Gummischläuche bis in Tiefen von 3000 m betrieben werden müssen. Versuche haben gezeigt, dass in ähnlichen
Fällen die Quetschwirkung der hohen axialen Überlasten durch die innerste schraubenlinienförmige Verstär- kungslage-34-aufgefangen wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wo die Reihe von Verstärkungslagen gleichsam in ein einziges Paar übergeführt ist, wie z. B. die Verstärkungslagen --10 und 12-des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 1. Die Ge-
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schied in Flechtwinkeln aufweisen. der im Bereich von 2 bis 8 liegt. Je nachdem ob Gummischläuche der sich verkürzenden oder verlängernden Art hergestellt werden sollen, wird der mittlere Wert der beiden Winkel um 10'grösser oder geringer sein, als der herkömmliche Wert von 35016'.
Die betriebsbedingten Verformungen von grossen Hochdruckgummischläuchen können noch weiter verringert werden. Versuche haben gezeigt, dass Verformungen bei verhältnismässig geringen Drücken auftreten. Deshalb sind die Gummischläuche im Verlauf ihrer Herstellungsverfahren unter einen inneren Druck zu legen, bevor sie vulkanisiert werden. Auf diese Weise werden ihre Verstärkungslagen gemäss den vor dem Vulkanisieren auftretenden Längenänderungen aufgebaut und in dieser Lage durch das Vulkanisieren festgesetzt, so dass Verformungen im Betrieb nur in praktisch vernachlässigbarem Mass auftreten werden.
Es ist gezeigt worden, dass bei Gummischläuchen sowohl der sich verkürzenden, wie auch der sich verlängernden Art gleiche Kontraktionen in den Verstärkungslagen erreicht werden können. In der Regel werden Gummischläuche der sich verkürzenden Art bevorzugt, da ihr Verhalten und ihre Biegeeigenschaften im Verhältnis zur andern Art vorteilhafter sind. Wenn jedoch die Beanspruchung des Gummischlauches hohe axiale Belastungen und Drehmomente zur Folge hat, ist es zweckmässig. Gummischläuche der sich verlängernden Art zu wählen.