專利名稱：聚合物基體的強(qiáng)化加強(qiáng)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抵抗彎曲并容忍惡劣環(huán)境狀況的彈性體基體的強(qiáng)化保護(hù)元件。
背景技術(shù)：
US 5，526， 846公開了一種彎曲加強(qiáng)桿，其包括一個由圍繞一個待被加強(qiáng)的細(xì)長本體的彈性體所制成的彈性構(gòu)件，所述彈性構(gòu)件被整體附接到一個殼體支撐件的一端。它包括在彈性材料內(nèi)部的從彈性構(gòu)件的一端延伸過該彈性構(gòu)件的一部分長度的強(qiáng)化構(gòu)件，所述強(qiáng)化構(gòu)件通過用于緊固的裝置被整體地附接至殼體支撐件。"846"中所公開的具體的強(qiáng)化構(gòu)件是
-一個被多個拉桿軸向固定的圓環(huán)，所述拉桿平行于管道的軸并且沿圓周均勻分布
-紗或帶相互編織的兩個同心薄板
-一個薄圓柱套
- 一個形成圓柱形頂環(huán)(布置為螺旋線)的松散式柵格需要一種性能優(yōu)良的改進(jìn)的彎曲加強(qiáng)桿。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一方面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方案的透視圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一方面的強(qiáng)化纖維的第一內(nèi)層的立體圖4是示出穿過終止構(gòu)件的定位環(huán)的纖維的詳細(xì)視圖5是類似于圖4的詳細(xì)視圖，示出了預(yù)張緊定位環(huán)的螺栓；
圖6是示出在第一強(qiáng)化層上的環(huán)形裝曱(hoop armour)層的立體
圖7是示出在第二強(qiáng)化層上的環(huán)形裝曱層的立體圖；圖8是終止構(gòu)件的詳細(xì)視圖9是替代性實(shí)施方案的透視圖。
具體實(shí)施例方式
將參考所附的一系列附圖以及隨附的描述性文本，來詳細(xì)描述本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種聚合物材料的細(xì)長圓柱形的彎曲加強(qiáng)桿。圖1、 3、 4、 5、 6和7示出了根據(jù)本發(fā)明一方面的彎曲加強(qiáng)桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件布置。圖2和圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施方案的透視圖，但并未示出位于聚合物材料中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在圖1、3、 6和7中，內(nèi)部部件相對于細(xì)長圓柱形中心桿1進(jìn)行布置，所述細(xì)長圓柱形中心桿本身并不形成彎曲加強(qiáng)桿的部件，而是用作在形成彎曲加強(qiáng)桿的圓柱形中心孔的注塑成型過程中的模板。
如圖所示，所述彎曲加強(qiáng)桿的內(nèi)部部件包括聚合物纖維的辮狀套(braided sock) 2。所述辮狀套包括多個編織在一起的束，所述束包括多根細(xì)絲。如圖l所示，在彈性體噴注之前，辮狀套2被布置為與中心桿同軸并且沿該中心桿的表面凈皮拉動。
在一些情況下，所述辮狀套將與所述中心桿直接接觸。在其他情況下，例如為了在強(qiáng)化的辮狀套和中心桿之間構(gòu)建較厚的基體層，可添加環(huán)形物或薄墊片以使所述辮狀套與中心桿保持隔離開。
應(yīng)注意的是，所述辮狀套使強(qiáng)化纖維易于安裝。然而，所有導(dǎo)致形成圓柱形強(qiáng)化的材料和制造操作將可以例如如以下的設(shè)計完成，即，將一層辮狀纖維圍繞中心桿進(jìn)行纏繞從而形成圓柱形狀。盡管辮狀套通常被沿著中心桿表面的整個長度拉動，但這并非必須，這將由加強(qiáng)
桿所要求的特性來確定。
在彎曲加強(qiáng)桿的終止末端，終止構(gòu)件3被臨時安裝在中心桿1上。所述終止構(gòu)件包括終止界面4,該終止界面4與應(yīng)附接有待加強(qiáng)的纜繩或管線的結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的附接構(gòu)件相協(xié)作并且附接到該對應(yīng)的附接構(gòu)件。所述終止構(gòu)件進(jìn)一步包括通過螺栓6固定到終止界面4的定位環(huán)5。如圖4、 5和8中所示的一個或多個隔套7布置在螺栓頭6和終止界面4的內(nèi)側(cè)表面之間，使得在相鄰的螺栓之間存在多個開口 8。如圖3、 4、 5和6中所示，在彎曲加強(qiáng)桿的終止末端，所述辮狀套被拆 解成束狀，并且所述束在開口 8之間穿過。使用隔套7，就能夠使將 定位環(huán)固定到終止界面的螺栓被預(yù)張緊，而不會緊密接觸穿過開口 8 的束，否則這將會破壞所述束的細(xì)絲。此類破壞將使彎曲加強(qiáng)桿的強(qiáng) 化的機(jī)械整體性變差，從而對設(shè)備的硬度和預(yù)期壽命造成負(fù)面影響。 盡管沒有示出，但可以針對多種應(yīng)用，在所述加強(qiáng)桿的兩端均布置終 止構(gòu)件。
在所述束穿過開口 8之后，彈性材料(方便起見稱為"環(huán)形裝曱") 9在圍繞中心桿1的靜態(tài)編織(st i 11-woven)的辮狀套的周圍螺旋狀巻 繞。所述環(huán)形裝甲的材料可包括與第一強(qiáng)化層相同或類似的纖維，或 者可為彈性帶。環(huán)形裝曱9從終止構(gòu)件處或者在其附近開始沿著彎曲 加強(qiáng)桿本體的長度向下螺旋形巻繞一個指定距離。所述距離由彎曲加 強(qiáng)桿的期望硬度特性所確定。環(huán)形裝曱不僅通過作為額外的強(qiáng)化材料， 而且還通過如下的事實(shí)向彎曲加強(qiáng)桿提供硬度，所述事實(shí)為當(dāng)所述 加強(qiáng)桿被彎曲時，環(huán)形裝曱保持彎曲加強(qiáng)桿的中心孔的圓形橫截面， 從而增大了硬度。這種環(huán)形裝曱也可由以給定間隔圍繞所述辮狀套設(shè) 置的環(huán)形帶所替代，或者由實(shí)現(xiàn)相同的功能的任何其他方案所替代。
如圖1和圖7所示，在已經(jīng)對環(huán)形裝曱9進(jìn)行固定之后，辮狀套 2的束被進(jìn)一步拆解成單獨(dú)的細(xì)絲狀。這些單獨(dú)的細(xì)絲能夠沿著中心 桿向下懸垂，從而重疊所述環(huán)形裝曱。這些單獨(dú)的細(xì)絲可優(yōu)選以不同 間隔夾緊，從而實(shí)現(xiàn)纖維密度逐漸減小的區(qū)域。例如，如圖l所示， 最大密度的第一區(qū)域10包括所有的返回纖維。相鄰于第一區(qū)域10的 是包括約2/3的返回纖維的第二區(qū)域11，然后是包括約1/3的返回纖 維的第三區(qū)域12，接著可能是包括約剩余的1/3的返回纖維的2/3的 第四區(qū)域等等。應(yīng)注意的是，為了示例性目的，圖l僅示出每個區(qū)域 的部分纖維，但是應(yīng)理解的是，每個區(qū)域的纖維均圍繞整個圓周進(jìn)行 布置。因此強(qiáng)化纖維的交錯密度在所完成的設(shè)備中提供了逐漸減小的 硬度。不同區(qū)域的長度和每個區(qū)域中的纖維密度是基于成品的預(yù)期特 性而確定的。根據(jù)本發(fā)明的一方面，如圖l所示，所述纖維以基本平 行于中心桿1的軸線的方式布置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以以預(yù) 定的螺旋度布置返回細(xì)絲。所述螺旋度是基于與細(xì)絲的延伸限度相關(guān)
7的彎曲加強(qiáng)桿的預(yù)期彎曲程度來確定。如果預(yù)期彎曲程度接近或者超 過細(xì)絲的延伸限度，則可盤旋所述細(xì)絲以降低細(xì)絲上的伸長應(yīng)力。根 據(jù)本發(fā)明的其他方面，可根據(jù)縱向和螺旋向的組合布置所述纖維，并 且也可以考慮其他方面。
在返回細(xì)絲被布置成期望圖案之后，它們被外環(huán)形裝曱層13固 定。如同環(huán)形裝曱9，外環(huán)形裝曱層13沿著彎曲加強(qiáng)桿本體的長度以 螺旋形布置。然而，不同的是，外環(huán)形裝曱層13開始自距離定位環(huán)5 的一預(yù)定距離處。這確保了外環(huán)形裝曱層不會將返回纖維過度壓迫緊 靠所述定位環(huán)。該距離還基于所述彎曲加強(qiáng)桿在終止末端的預(yù)期硬度 來選擇。當(dāng)返回纖維從定位環(huán)向辮狀套2逐漸傾斜時，實(shí)現(xiàn)更大的硬 度。
在固定所述外環(huán)形裝曱層之后，將一圓柱形注塑模具固定在所述 中心桿周圍，并且根據(jù)本領(lǐng)域中公知的方法噴注彈性體混合物。在所 述彈性體已變硬之后，拆卸所述模具并且拔出該中心桿。
如圖2所示，所完成的設(shè)備包括具有圓柱形中心孔16的強(qiáng)化彈性 體15。通過經(jīng)所述定位環(huán)穿回的纖維，終止構(gòu)件3被緊固地附接到所 述彈性體。在本發(fā)明的一實(shí)施方案中，所述彈性體本體的外表面呈圓 錐形， 一相對更短的圓柱形過渡區(qū)域17緊密鄰接終止構(gòu)件3。所述過 渡區(qū)域幫助防止在終止構(gòu)件附近過度彎曲。通過這種纖細(xì)構(gòu)造，圓柱 形過渡區(qū)域17幫助確保強(qiáng)化纖維完全浸沒在彈性基體中。需要注意的 是，在此所描述的本發(fā)明具有非常短的剛性圓柱形過渡部分，諸如通 常為5cm，從而通常減小了這種加強(qiáng)桿的直徑和體積。
首先通過將彎曲加強(qiáng)桿在纜繩或者待加強(qiáng)的管道上穿過，來使用 根據(jù)圖2所示出的實(shí)施方案的彎曲加強(qiáng)桿。其后所述纜繩或者管道終 止在其預(yù)期的接收結(jié)構(gòu)。然后通過將終止界面4附接到纜繩或管道所 終止的結(jié)構(gòu)上的協(xié)作構(gòu)件，來固定所述彎曲加強(qiáng)桿。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施方案，該實(shí)施方案可與已經(jīng)終止 的纜繩或管道一起使用。根據(jù)該實(shí)施方案， 一縱向切口 18切進(jìn)本體 15的一側(cè)。在該實(shí)施方案中，終止界面4和定位環(huán)5也有切口 ，形成 為兩個半部。在該實(shí)施方案中，本體15在切口 18處物理開放，并且 布置在纜繩或管道上。隨后，通過布置在本體15的外表面中的同心凹
8槽19中的金屬帶來固定所述本體。如圖所示，所述金屬部件的半部或 者通過螺栓或者通過鎖緊環(huán)20彼此固定。測試已證實(shí)，在單側(cè)上并且 以上述方式固定的加強(qiáng)桿切口幾乎保持了未切口的加強(qiáng)桿的所有硬度 特性。
而根據(jù)一方面，加強(qiáng)桿設(shè)置有一個終止末端，然而也可將如在此 上文所述的生產(chǎn)過程和結(jié)構(gòu)應(yīng)用到設(shè)置有兩個終止末端的產(chǎn)品，即每 個末端有一個定位環(huán)。在此處，根據(jù)具體目的，撓性可對稱亦可非對 稱。這種類型的產(chǎn)品，除了用作彎曲加強(qiáng)桿，還可用作拖曳元件，或 者用作主拖曳元件，或者用作在主拖曳元件(例如纜繩)將斷裂的情 況下的自動防護(hù)裝置，或者用作在船上安裝或者拉動電纜(例如地震電 纜)期間的全面保護(hù)。作為主拖曳元件，在其周圍添加鉤連附件以使 它能夠進(jìn)行拖曳。作為自動防護(hù)裝置，可在兩側(cè)安裝自鎖環(huán)以阻止纜 繩在兩端上斷裂。
所述加強(qiáng)元件的末端可以是任何連接，或者一端自由，或者一端 帶有諸多功能。
纖維和彈性體的選擇
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面， 一種纖維和彈性體的組合可形成一種有 效的合成材料。如此則意味著形成一種在其中所有或者幾乎所有的強(qiáng) 化纖維的單獨(dú)的細(xì)絲均以彈性體浸透的合成材料。根據(jù)本發(fā)明的這一 方面，纖維所采用的密度和編織圖案，允許強(qiáng)化纖維的單獨(dú)的單細(xì)絲 完全或近似完全的飽和。根據(jù)一實(shí)施方案的纖維不做任何表面處理， 例如抗粘結(jié)處理，此類抗粘結(jié)處理將干擾在彈性體和細(xì)絲之間的結(jié)合。 根據(jù)這種實(shí)施方案，所述細(xì)絲容忍預(yù)期的水下環(huán)境，且容忍高達(dá)約90 攝氏度的溫度，并且所述纖維的彈性所容忍的不斷裂的由加強(qiáng)桿的預(yù) 計彎曲量所確定的伸長率，通常大于7%，而同時這樣的彈性提供了 強(qiáng)化好處。
芳族聚酰胺(aramide)被認(rèn)為是一種潛在候選物，但是發(fā)現(xiàn)并不令 人滿意。芳族聚酰胺纖維在伸長率為約3%時顯示出現(xiàn)斷裂點(diǎn)。然而， 芳族聚酰胺可用在環(huán)形裝曱中，此處延伸率的程度明顯更低。
盡管可使用滿足基本標(biāo)準(zhǔn)的任何纖維，然而在一實(shí)施方案中，優(yōu)選的纖維是聚酯纖維。根據(jù)該實(shí)施方案的最優(yōu)選的纖維是
Diolen⑧164S，產(chǎn)自德國，Wuppertal市的Diolen Industrial Fibers GmBH。優(yōu)選的編織圖案是圓柱形辮狀聚酯纖維套，其纖維容忍約15% 的伸長率。
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咎該頭拋萬果y ，尸/r迅wr玍,很現(xiàn)ffi未豎肝'r生"拔供一種優(yōu)4匕的 合成物。根據(jù)該實(shí)施方案的彈性體的部分特性為
*混合物必須環(huán)保；
*所用材料應(yīng)該具有必要的硬度，其肖氏A值優(yōu)選在8 0-95之間， 最優(yōu)選約95;
*所用材料的凝膠時間應(yīng)該足以允許在硬化之前使單獨(dú)的細(xì)絲
飽和，優(yōu)選至少3分鐘，更優(yōu)選超過9分鐘；
*所述彈性體還必須容忍水下環(huán)境和預(yù)期溫度；
*所用材料必須與所選纖維相協(xié)作以形成一種功能性合成材料。
基于上述標(biāo)準(zhǔn)，盡管可使用任何滿足基本標(biāo)準(zhǔn)的彈性體，然而用
于該實(shí)施方案的優(yōu)選的彈性體為聚亞安酯，更具體而言為MDI-型異氰
酸鹽PU。最優(yōu)選的聚亞安酯是Hyperlast⑧200/95,產(chǎn)自英國Birchvale
市的Hyperlast Ud。
10
權(quán)利要求
1. 一種用于細(xì)長結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)桿，包括a. 具有縱向中心孔的細(xì)長彈性體本體，b. 固定到所述細(xì)長彈性體本體的至少一端的終止界面，c. 編織的纖維材料的第一強(qiáng)化層，所述編織的纖維材料包括編織在一起而辮狀成束的多根細(xì)絲，所述編織的纖維材料被圓周設(shè)置在所述細(xì)長彈性體本體的彈性體材料中，并且至少部分地沿著所述細(xì)長彈性體本體的縱向長度布置，以及d. 設(shè)置在所述細(xì)長彈性體本體的彈性體材料中的第二強(qiáng)化層，所述第二強(qiáng)化層包括多根從所述第一強(qiáng)化層的材料連續(xù)延伸的至少部分被拆解和未編成辮狀的細(xì)絲，所述細(xì)絲接合所述終止界面的保持構(gòu)件并且沿所述細(xì)長彈性體本體的長度返回，從而至少部分地重疊所述第一強(qiáng)化層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述第二強(qiáng)化層的多根細(xì) 絲被切成多根預(yù)定長度，并且被布置為使得從所述終止末端沿著所述 第二強(qiáng)化層的長度形成纖維密度減小的區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述第一強(qiáng)化層的材料為 管形編織套。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，進(jìn)一步包括第三強(qiáng)化層，其圍 繞所述第一強(qiáng)化層的至少一部分而螺旋巻繞。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的加強(qiáng)桿，進(jìn)一步包括第四強(qiáng)化層，其圍 繞所述第二強(qiáng)化層的至少一部分而螺旋巻繞。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，進(jìn)一步包括適于在所述加強(qiáng)桿 被彎曲時保持所述加強(qiáng)桿的圓形橫截面的裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述保持構(gòu)件為固定到所 述終止構(gòu)件的定位環(huán)，并且所述細(xì)絲通過在所述定位環(huán)上穿過而與所 述保持構(gòu)件接合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的加強(qiáng)桿，其中所述細(xì)長彈性 體本體沿一側(cè)縱向切開。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述第一和第二強(qiáng)化層的 纖維基本未進(jìn)行抗粘結(jié)表面處理，并且所述第一強(qiáng)化層的材料的密度和編織圖案允許基本完成單獨(dú)的單細(xì)絲與所述細(xì)長彈性體本體的彈性 體材料的飽和。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述第一和第二強(qiáng)化層 的纖維具有大于7%的伸長率容限。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述纖維是 Diolen⑧164S。
12. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的加強(qiáng)桿，其中所述第三和第四強(qiáng) 化層的材料包括與第一和第二強(qiáng)化層相同的材料的纖維。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的加強(qiáng)桿，其中所述第三和第四強(qiáng) 化層的材料是由芳族聚酰胺制成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)桿，其中所述彈性體本體包括具 有在80 - 95之間的肖氏A值的材料。
15. —種用于制造細(xì)長本體的加強(qiáng)桿的方法，包括a. 提供一細(xì)長圓柱形桿作為模板，b. 提供編織的聚合物纖維材料，c. 以所述編織的聚合物纖維材料圓周環(huán)繞所述圓柱形桿，d. 將一終止界面可去除地附接到所述圓柱形桿，所述終止界面 包括定位環(huán)，e. 至少部分地拆解在終止末端的所述編織的聚合物纖維材料， 并且將所述至少部分地拆解的纖維在所述定位環(huán)上穿過，并且沿套的 長度的至少一部分穿回，f. 在中心桿周圍布置圓柱形注塑模具，g. 將可聚合的彈性體混合物噴注到所述模具中，h. 允許所述彈性體變硬，i. 移除所述中心桿。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述編織的聚合物纖維材 料為管形編織套。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中多根所返回的纖維被切成 預(yù)定長度，并且布置在纖維密度變化的區(qū)域中。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在將所拆解的纖維沿所述 編織的聚合物纖維材料的長度穿回之前，使彈性材料圍繞所述編織的聚合物纖維材料螺旋巻繞。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法， 維螺旋巻繞。其中彈性材料圍繞所返回的纖
全文摘要
一種彎曲加強(qiáng)桿及其制造方法，包括聚合物材料的細(xì)長圓柱體，在該圓柱體的至少一端具有終止界面(4)。提供一種內(nèi)部強(qiáng)化基體，包括圓柱形布置的編織的材料(2)的第一層。所述第一層的材料在終止末端被拆解，所拆解的纖維接合終止構(gòu)件(3)并且在所述第一層上穿回。第二層的返回纖維可被切成多個長度，以提供從終止末端開始纖維密度減少的區(qū)域(10，11，12)。
文檔編號B29K105/10GK101501294SQ200780029671
公開日2009年8月5日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者H·邦-安德里亞森, R·斯坦達(dá) 申請人:海洋防護(hù)解決方案公司