DE602004003372T2

DE602004003372T2 - Fasergewickeltes verbundauslegerrohr

Info

Publication number: DE602004003372T2
Application number: DE602004003372T
Authority: DE
Inventors: G. Martin MAYER; T. John Cincinnati WILLIG
Original assignee: Putzmeister Inc
Current assignee: Putzmeister Engineering GmbH
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: WO2004101992A1; EP1629196B1; ES2277272T3; US20040228739A1; EP1629196A1; DE602004003372D1

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der am 12. Mai 2003 eingereichten US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/469870 und nimmt Priorität über diese in Anspruch.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf eine Pumpeneinheit für Beton mit einer schwenkbaren Konstruktion, welche nachstehend als Auslegerarm bezeichnet wird, einschließlich eines mehrgliedrigen Rohres, nachstehend als Auslegerrohr bezeichnet, mit dem der gepumpte Beton zu einem von der Pumpeneinheit entfernt liegenden Standort befördert wird. Insbesondere beziehen sich die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung und Herstellung von fasergewickelten verstärkten Rohrabschnitten aus Urethan für den Einsatz mit einem mobilen Pumpenfahrzeug für Beton. Der fasergewickelte verstärkte Rohrabschnitt aus Urethan verringert das Gesamtgewicht des Auslegerarms, während er die für die Lieferung von Beton oder anderen Materialien erforderliche Festigkeit und Langlebigkeit bereitstellt.
Gegenwärtig stehen mobile Pumpenfahrzeuge für Beton und ortsfeste Pumpeneinheiten für Beton zur Verfügung, welche einen mehrgliedrigen Auslegerarm umfassen, der während des Transports und der Lagerung kompakt zusammengefahren werden kann. Sobald die Pumpeneinheit auf einer Baustelle installiert ist, wird der zusammengeklappte Auslegerarm ausgefahren, um Beton an einen entfernten Standort zu befördern. Gewöhnlich umfasst der Auslegerarm ein Auslegerrohr aus Stahl, welches sich aus mehrfachen Abschnitten zusammensetzt, die so vom Auslegerarm abgestützt werden, dass Beton an einen entfernt liegenden Standort auf der Baustelle befördert werden kann. Jeder Rohrabschnitt wird derzeit aus Stahl gefertigt, um die erforderliche Langlebigkeit und Festigkeit bereitstellen zu können, damit dem Innendruck des Betons, der von der Einheit gepumpt wird, standgehalten werden kann.
Gegenwärtig umfassen einige mobile Pumpenfahrzeuge für Beton und mastmontierte Pumpeneinheiten einen Auslegerarm, der bis zu 53,3 m (175 Fuß) von einem Träger ausgefahren werden kann. Wenn sich der Auslegerarm in seiner ausgefahrenen Position befindet, muss jeder Abschnitt des Auslegerarms in der Lage sein, nicht nur das Gewicht des Auslegerarms, sondern auch das Gewicht der einzelnen Rohrabschnitte sowie das Gewicht des in jedem Rohrabschnitt enthaltenen Betons zu tragen. Somit stellt das Gesamtgewicht des Auslegerarms während der Zuführung von Beton hinsichtlich der möglichen Länge des Auslegerarms ohne eine Erweiterung des Auslegerarms um wesentliche Verstärkungen zur Abstützung des Gesamtgewichts des Auslegerarms einschließlich des gepumpten Betons eine Begrenzung dar.
Eine in Erwägung gezogene Lösung zur Reduzierung des Gesamtgewichts des Auslegerarms besteht im Ersetzen der Auslegerrohrabschnitte aus Stahl durch ein leichteres Material wie beispielsweise Kunststoff. Obwohl die Rohrabschnitte aus Kunststoff das Gesamtgewicht des Auslegerarms reduzieren würden, sind wenige Kunststoffe stark genug, um ein Brechen aufgrund des Pumpendrucks von ungefähr 82,7 bar (1200 psi) innerhalb von jedem Rohrabschnitt zu verhindern. Obwohl die Idee des Ersetzens der Stahlrohre durch eine Alternative mit leichterem Gewicht und hoher Verschleißfestigkeit erstrebenswert erscheint, gibt es dennoch derzeit keine Rohre, welche die gewünschten Gewichtseinsparungen bieten und gleichzeitig die mit dem Hochdruckpumpenbetrieb von beispielsweise Beton verbundene erforderliche Festigkeit und Tragbarkeit gewährleisten können.
Gegenwärtig beinhalten Pumpeneinheiten für Beton gewöhnlich mehrere Auslegerrohrabschnitte, die eingesetzt werden, um gepumpten Beton von einem Eingabebehälter, nachstehend als Anleger bezeichnet, an die Spitze eines Auslegerarms an einem entfernten Standort auf der Baustelle zu befördern. Sämtliche Rohrabschnitte sowohl auf dem Fahrgestell als auch auf dem einziehbaren Auslegerarm werden derzeit aus Stahl mit gerillten Stahlhülsen gefertigt, die an beiden Enden des Rohrabschnittes festgeschweißt sind. Die derzeitigen Stahlrohrabschnitte sind durch eine Klemmvorrichtung aus Stahl oder Aluminium miteinander verbunden, welche die Rillen auf den Stahlhülsen zusammen mit einem Dichtgummiring verwendet, um eine abgedichtete Verbindung zu bilden, die dem Innendruck des gepumpten Materials standhalten kann.
US 2002/0117219 A1 bezieht sich auf einen Ausleger, der eine Vielzahl von miteinander verbundenen Auslegerabschnitten in einer gelenkigen Anordnung umfasst. Eine Rohrleitung wird von den Auslegerabschnitten getragen, wobei die Rohrleitung im Inneren von mindestens einem der Auslegerabschnitte angebracht ist. Die Rohrleitung umfasst durch Übergangsrohrstücke miteinander verbundene Rohrabschnitte.
US 4290836 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohrs mit einem eingegossenen Glockenende.
Deshalb besteht Bedarf an sowohl einem mobilen Pumpenfahrzeug für Beton als auch einer mastmontierten Pumpeneinheit, welche eine Rohrversorgung mit reduziertem Gewicht verwenden, die stark genug ist, um dem beim Pumpen von Beton entstehenden Druck standzuhalten. Des Weiteren wird ein Verbundrohrabschnitt benötigt, welcher mit einem mobilen Pumpenfahrzeug verwendet werden kann, der eine wesentliche Gewichtsreduzierung für das Zuführungsrohr bedeutet, während er die erforderliche Langlebigkeit und Festigkeit bereitstellt. Ferner besteht Bedarf an einem Auslegerrohrabschnitt, der eine gerillte Hülse an jedem Ende beinhaltet, so dass die Verbundrohrabschnitte in ähnlicher Weise mit den gegenwärtig verfügbaren Rohrabschnitten verbunden werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Pumpeneinheit für Beton, die ein Auslegerrohr einsetzt, das aus Verbundrohrabschnitten gebildet wird, wovon jeder über eine verschleißfeste Innenschicht sowie eine äußere verstärkende Schicht verfügt, um gepumpten Beton an das Ende eines schwenkbaren Auslegerarms zu befördern. Des Weiteren sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darauf ausgerichtet, eine Kupplungskonstruktion bereitzustellen, die es ermöglicht, die Verbundauslegerrohrabschnitte mit Hilfe von herkömmlichen Techniken aneinander zu befestigen.
Eine Pumpeneinheit für Beton, wie beispielsweise eine mobile Pumpenvorrichtung, beinhaltet einen Auslegerarm mit einer Vielzahl von Auslegerabschnitten, so dass der Auslegerarm aus einer zusammengeklappten Position in eine verlängerte Position ausgefahren werden kann, um die Versorgung mit Beton an einem gewünschten entfernten Standort bereitstellen zu können. Die Auslegerarmabschnitte stützen jeweils einen oder mehrere Abschnitte eines Auslegerrohrs ab, so dass der gepumpte Beton an das Ende des Auslegerarms befördert werden kann. Gegenwärtig sind alle Auslegerrohrabschnitte aus Stahl gefertigt. Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden die Stahlrohrabschnitte jeweils durch einen leichten, haltbaren, fasergewickelten verstärkten Verbundrohrabschnitt aus Urethan ersetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Pumpeneinheit nach Anspruch 1 definiert sowie ein mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 7.
Jeder fasergewickelte Rohrabschnitt aus Verbundwerkstoff beinhaltet eine verschleißfeste Innenschicht und eine verstärkende Außenschicht aus hochfesten Fasern. Die verstärkende Außenschicht stellt die erforderliche Festigkeit in Umfangsrichtung oder Zugfestigkeit bereit, um dem Druck des gepumpten Betons standzuhalten. Die verschleißfeste Innenfläche weist die erforderliche Beständigkeit für den Kontakt mit dem sehr abrasiven Betonmaterial, das gepumpt wird, auf.
Die verstärkende Schicht von Fasern wird mittels eines Verfahrens aufgetragen, welches als Präzisionswickelverfahren bezeichnet wird. Das Präzisionswickelverfahren ist ein Verfahren, bei dem ein umlaufendes Faserseil oder ungezwirnte, unidirektionale Fasern mittels eines Bindeharzes in einem vorbestimmten Muster über eine rotierende Form oder einen rotierenden Dorn aufgelegt werden. Der Dorn ist in diesem Fall ein geformtes Rohr aus Urethan. Der Fasertyp, die Anzahl von Schichten, das Querprofil sowie die Gießmasse sind so berechnet, dass sie die notwendige Festigkeit in Umfangsrichtung und Steifigkeit für das Rohr bereitstellen. Die rechnergesteuerte Wickelmaschine steuert die Bahn, auf der die Fasern während des Präzisionswickelverfahrens abgelegt werden. Diese Maschine regelt auch die Rotationsgeschwindigkeit des Dorns sowie sonstige Anforderungen.
Die zur Entwicklung der verstärkenden Schicht eingesetzten Fasern sind vorzugsweise Kohlefasern, obwohl auch andere Materialien wie beispielsweise Glasfasern oder Kevlar^® (Aramidfasern) möglich sind. Das bevorzugte Bindeharz ist Epoxidharz, doch auch andere Bindemittel wie beispielsweise Urethan und Polyester sind annehmbar.
Die verschleißfeste Innenschicht wird vorzugsweise aus Urethan mit einem Durometer-Härtewert zwischen 90 A und 95 A gebildet. Allerdings werden in Abhängigkeit vom Typ des gepumpten Materials auch andere Härtewerte in Erwägung gezogen.
In einem Ausführungsbeispiel wiegt jeder verstärkte fasergewickelte Rohrabschnitt, bei dem Kohlefaserwicklungen und Urethan einsetzt werden, ungefähr 25 % eines ähnlichen Stahlrohrs. Somit haben die mit Kohlefasern verstärkten Rohrabschnitte aus Urethan ein Gewicht von ungefähr 3,9 kg/m (2,6 Pfund je Fuß) im Vergleich zu ungefähr 15,2 kg/m (10,2 Pfund je Fuß) für ein Stahlrohr. Folglich kann mit einem mobilen Pumpenfahrzeug, welches Verbundrohrabschnitte aus einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einsetzt und eine Auslegerlänge von 61 m (200 Fuß) aufweist, eine Reduzierung der Auslegerkraft von etwa 206.112 Nm (152.000 Fuß pro Pfund) erzielt werden.
Die verstärkten Verbundauslegerrohrabschnitte aus den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden wie folgt hergestellt. Zunächst wird mit Hilfe eines Rotationssinterverfahrens ein Urethanrohr geformt. In diesem Verfahren wird ein bearbeitetes Metallrohr als Matrize eingesetzt, bei dem der Innendurchmesser des Metallrohrs auf einen spezifischen Durchmesser geglättet und ziehgeschliffen ist. Dieser Durchmesser bestimmt den fertigen Außendurchmesser des geformten Urethanrohrs.
Die Metallrohrmatrize wird in einer Maschine auf etwa 121,1 °C (250 °F) erhitzt und bei ungefähr 400 Umdr./Min. um ihre eigene Achse gedreht. Wenn flüssiges Urethan in das sich drehende Metallrohr gefüllt wird, drückt die durch das rotierende Rohr erzeugte Zentrifugalkraft das Urethanmaterial nach außen gegen das Rohr. Nach einige Minuten härtet die Wärme das Urethan bis zu dem Punkt aus, an dem das Urethan, das nun zu einem Rohr geformt worden ist, entfernt werden kann. Dieses Verfahren stellt ein blasenfreies Rohr mit genauen Abmessungen bereit.
Das Urethan, das ein elastisches Polymerisationsprodukt oder gummiähnliches Material darstellt, kann den mit dem Betonpumpverfahren verbundenen Drücken nicht von selbst standhalten und muss somit verstärkt werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen solche Verstärkungen durch das Präzisionswickelverfahren bereit.
Beim Präzisionswickelverfahren wird das Urethanrohr mit Hilfe einer rechnergesteuerten Maschine mit hochfesten Fasern umwickelt, es können allerdings auch manuelle Maschinen mit einer geringeren Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Beim Präzisionswickelverfahren wird das Urethanrohr als Dorn oder Form, über welche die Kohlefaser gewickelt wird, verwendet. Da das Urethanrohr elastisch ist, wird das Rohr über einem Innendorn aus Metall befestigt, der zwischen Zentren gehalten wird und sich drehen kann, während Fasern und Harz aufgebracht werden. Der Dorn mit dem Metallkern stellt die notwendige Steifigkeit des Urethans während der Bearbeitung bereit. Die Präzisionswickelmaschine dreht sich bei niedrigen Geschwindigkeiten, während eine fortlaufende Faser auf der Oberfläche in einem vorbestimmten Muster über die gesamte Länge des Rohrs aufgebracht wird. Das bevorzugte Harz zur Befestigung der Fasern am Urethanrohr ist Epoxidharz, wenn auch andere Harze wie beispielsweise Urethan oder Polyester aufgebracht werden können.
Da die Faser in einer Vor- und Zurückbewegung aufgebracht wird, beinhaltet jedes Ende des Rohrs einen Umkehrabschnitt, in dem die Fasern nicht die angemessene Ausrichtung beibehalten. Nach Beenden des Präzisionswickelverfahrens werden die Enden des Rohrs abgeschnitten, um eine korrekte Faserausrichtung sicherzustellen.
Sobald das jetzt faserverstärkte Urethanrohr aus dem Metallinnendorn entfernt worden ist und die Enden abgeschnitten worden sind, wird das Rohr in einem Ofen nachgehärtet, um maximale Eigenschaften zu erzielen. Nach dem Aushärteprozess werden an jedes Ende des Rohrs zu Montagezwecken Metallendkupplungsstücke geschweißt. Gewöhnlich dient Urethan oder Epoxidkleber zur Befestigung der Endkupplungsstücke an der Außenfläche des Verbundrohrs.
Verschiedene andere Ausstattungen, Gegenstände und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen illustrieren die gegenwärtig bestmöglichen in Betracht gezogenen Implementierung der Ausführungsformen der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines mobilen Pumpenfahrzeugs für Beton gemäß der vorliegenden Erfindung, welche verstärkte Verbundrohrabschnitte auf dem schwenkbaren Auslegerarm umfasst;
2 eine Rückansicht des mobilen Pumpenfahrzeugs für Beton, welche die Aufnahme des verstärkten Verbundrohrs darstellt;
3a und 3b das mobile Pumpenfahrzeug für Beton mit dem Auslegerarm in Zwischenpositionen zwischen einer eingefahrenen Position und einer vollständig ausgefahrenen Position;
4 eine Seitenansicht eines fasergewickelten Verbundrohrabschnitts der vorliegenden Erfindung mit einem Paar Endkupplungsstücke;
5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 aus 4, welche die tatsächliche Anordnung des fasergewickelten Rohrabschnitts sowie die geschweißte Verbindung des Endkupplungsstücks darstellt;
6 eine perspektivische Darstellung der Matrize, die zur Bildung des Urethanrohrs des Rohrabschnitts eingesetzt wird;
7 eine vergrößerte Seitenansicht der zur Bildung des Urethanrohrs des Rohrabschnitts eingesetzten Matrize, welche den zurückversetzten Rohrabschnitt innerhalb der Matrize veranschaulicht;
8 eine schematische Darstellung der Position der Matrize innerhalb eines Ofens zum Härten des Urethanrohrabschnitts;
9 eine perspektivische Darstellung, welche die Präzisionswicklungen am Urethanrohr veranschaulicht; und
10 eine Schnittansicht, welche ein zweites Ausführungsbeispiel des am Ende des fasergewickelten Rohrabschnitts verschweißten Endkupplungsstücks veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein mobiles Pumpenfahrzeug für Beton 10, das einen ausfahrbaren Auslegerarm 12 mit unabhängigen Abschnitten 14a–14c umfasst, die ausgefahren und verlängert werden können. Jeder der Abschnitte 14a–14c stützt einen oder mehrere Abschnitte eines Verbundauslegerrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung ab, um so eine Bahn für gepumpten Beton bereitzustellen, der aus einem Lageranleger 16 an die äußerste Spitze des Auslegerarms befördert wird.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das mobile Pumpenfahrzeug für Beton 10 eine Vielzahl von einzelnen Auslegerrohrabschnitten 18, die sich entlang der Länge von jedem Abschnitt des ausfahrbaren Auslegerarms 12 erstrecken, um den Weg für den Beton aus dem Anleger 16 bereitzustellen. Die einzelnen Rohrabschnitte 18 sind mittels eines beweglichen Gelenks so miteinander verbunden, dass der Auslegerarm 12 ausgefahren werden kann, ohne den Förderweg des Betons durch die verbundenen Rohrabschnitte 18 hindurch zu unterbrechen.
Unter Bezugnahme auf 3a wird der Auslegerarm 12 beim Beginnen des Herausfahrens aus der Karosserie 20 des Fahrzeugs 12 gezeigt. Wie in 3b dargestellt ist, kann der Auslegerarm 12 eine beachtliche Strecke aus der Karosserie 20 herausgefahren werden, um eine Fördermenge von Beton aus einem Betonförderschlauch 22 am äußeren Ende 23 des Auslegerarms 12 bereitzustellen und so Beton an einen gewünschten Standort zu transportieren. Derzeit verfügen mobile Pumpenfahrzeuge für Beton über Auslegerarme 12, welche bis zu 175 Fuß aus der Karosserie des Lasters 20 herausgefahren werden können, um Beton an den gewünschten Stellplatz zu bringen.
Wie aus 3b hervorgeht, muss jeder Auslegerabschnitt 14a–14c aus einem Material gefertigt sein, das stark genug ist, um nicht nur das Gewicht des Auslegerarms 12, sondern auch das Gewicht der Auslegerrohrabschnitte sowie das Gewicht des durch die Rohrabschnitte geförderten Betons zu halten. Das Gewicht auf dem Auslegerarm 12 erzeugt eine bedeutende Kraft entlang der Länge der Auslegerarmabschnitte 14a–14c und schränkt somit die Länge des Auslegers pro Querschnittskonstruktion und Materialtyp ein. Schließlich erreicht das Gesamtgewicht von Rohren, Beton und Armen den Punkt, an dem ein längerer Ausleger nur mit einem Querschnitt oder Material erzielt werden kann, das aus Gründen von Kosten, Verfügbarkeit und/oder Herstellungsbeschränkungen untragbar ist. Des Weiteren müsste dann das mobile Pumpenfahrzeug 10 für Beton mehr wiegen (mittels zusätzlicher Gegengewichte), um einen instabilen Zustand zu verhindern, was im Transportwesen nicht wünschenswert ist.
Auch wenn in den Abbildungen die besondere Eignung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für den Einsatz mit einem mobilen Betonpumpenfahrzeug hervorgehoben wird, so sollte deutlich werden, dass das Verbundauslegerrohr auch besondere Vorteile bietet, wenn es mit anderen Arten von Betonpumpeneinheit verwendet wird. Zum Beispiel sind derzeit Betonpumpeneinheiten verfügbar, die einen ausfahrbaren Auslegerarm beinhalten, bei dem die gesamte Pumpeneinheit auf einem verlängerten Mast montiert ist. Der Auslegerarm kann so von einem Träger ausgefahren werden, dass Beton an einen entfernten Standort auf einer Baustelle befördert werden kann. Eine mastmontierte Betonpumpeneinheit ist beim Bau von mehrstöckigen Gebäuden besonders nützlich. Die Vorteile der Verbundauslegerrohrabschnitte aus Urethan sind auf diese Art von Pumpeneinheit gleichermaßen anwendbar, da sich das Gesamtgewicht des Auslegerarms durch die Verbundauslegerrohrabschnitte aus Urethan reduziert, wodurch eine Ausdehnung der Länge des Auslegerarms im Vergleich zu Auslegerarmen auf der Basis von Auslegerrohrabschnitten aus Stahl ermöglicht wird.
Gegenwärtig wird jeder Abschnitt des Auslegerrohrs 18 aus einem metallischen Material wie beispielsweise Stahl gefertigt, so dass jeder Abschnitt eines Rohrs über ein Gewicht von ungefähr 17,9 kg/m (12 Pfund pro Fuß) verfügt. Somit hätte das Förderrohr für einen Auslegerarm von 53,3 m (175 Fuß) in leerem Zustand ein Gesamtgewicht von 809,7 kg (1.785 Pfund). Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Auslegerrohrabschnitte 18 des mobilen Pumpenfahrzeugs für Beton 10 durch verstärkte Verbundrohrabschnitte aus Urethan mit einem wesentlich geringeren Gesamtgewicht ersetzt, so dass sich das Gewicht des Auslegerarms 12 im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich reduziert.
Unter Bezugnahme auf 4 wird zunächst ein verstärkter Verbundauslegerrohrabschnitt 24 gezeigt, der die Grundlage für die vorliegende Erfindung bildet. Der Auslegerrohrabschnitt 24 erstreckt sich zur Definierung der Gesamtlänge des Auslegerrohrabschnitts 24 von einem ersten Ende 26 zu einem zweiten Ende 28. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Länge des Rohrabschnitts 24 bis zu drei Meter, auch wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung größere Längen des Rohrs sicherlich in Erwägung gezogen werden.
Der Rohrabschnitt 24 umfasst ein erstes Endkupplungsstück 30 sowie ein zweites Endkupplungsstück 32, wodurch eine Verbindung des Rohrabschnitts 24 mit anderen in einer herkömmlichen Weise ermöglicht wird. Jedes der Endkupplungsstücke 30, 32 umfasst eine vertiefte Nut 34, welche im Handel als Victaulic^®-Nut bezeichnet wird, und sich zwischen einer äußeren Lippe 36 und einem inneren Befestigungsflansch 38 befindet. Die Ausführung der Endkupplungsstücke 30, 32 ist konventionell und wird derzeit zur Befestigung des Rohrs an mobilen Betonpumpenfahrzeugen eingesetzt.
Bezugnehmend auf 5 wird eine Schnittzeichnung des verstärkten Rohrabschnitts 24 aus Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der verstärkte Rohrabschnitt 24 beinhaltet eine gewickelte Verstärkungsschicht 40 sowie eine verschleißfeste Innenschicht 42. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gewickelte Verstärkungsschicht 40 eine fasergewickelte Faser 44, wie in 9 dargestellt ist. Diese gewickelte Faser 44 kann aus einer beliebigen Art von Fasermaterial hergestellt sein, zum Beispiel aus Glasfaser, Kohlefaser oder einer Synthetikfaser wie Kevlar^® oder Vectran^®. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fasermaterial 44 aufgrund seiner Gewichts- und Festigkeitseigenschaften Kohlefaser. Die Kohlefaser 44 stellt eine größere Zugfestigkeit für den verstärkten Auslegerrohrabschnitt 24 bereit, während sie ein niedriges Gesamtgewicht ermöglicht.
Nochmals zu 5 zurückkehrend: in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung verfügt die gewickelte verstärkende Schicht 40 über eine ungefähre Dicke von 0,3 cm (1/8 Inch) und wird unter Verwendung eines Kreuzschraffurmusters geschaffen, um sowohl in axialer als auch radialer Richtung Halt zu bieten. Die Art des Musters wird anhand von Computerberechnungen und Tests ausgewählt. Der typische in einem Auslegerrohr für Beton gebildete Innendruck beträgt ungefähr 82,7 bar (1200 psi). Da sich für die Ausführung des Rohrabschnitts ein doppelter Sicherheitsfaktor empfiehlt, sollte der verstärke Rohrabschnitt 24 Drücken von annähernd 165,5 bar (2400 psi) standhalten können. Die gewickelte verstärkende Schicht 40 stellt die erforderliche Festigkeit in Umfangsrichtung bereit, während die Verschleißschicht 42 eine extrem verschleißfeste Innenfläche für die Beförderung von Rohmaterialien wie Beton bietet.
Erneut auf 5 Bezug nehmend beinhaltet die fasergewickelte verstärkende Schicht 40 eine Außenschicht 46, die aus dem bei der Anwendung des Präzisionswickelns verwendeten Bindematerial gebildet wird. Die Außenschicht 46 bietet für die Wicklung der verstärkenden Schicht 40 Schutz, um den Rohrabschnitt 24 vor Verschleiß durch Berührung während des normalen Gebrauchs zu schützen.
Erneut Bezug nehmend auf 5 verfügt die Verschleißschicht 42 in der bevorzugten Ausführungsform der dargestellten Erfindung über eine Dicke von ungefähr 0,5 cm (3/16 Inch) und wird aus einem haltbaren Harz wie beispielsweise Urethan gebildet. Die Verschleißschicht aus Urethan 42 stellt die erforderliche Verschleiß- und Abriebfestigkeit bereit, während sie ein niedriges Gesamtgewicht des verstärkten Rohrabschnitts 24 ermöglicht. Urethan sowie andere ähnliche Chemikalien stehen in einer Reihe von verschiedenen Härten und chemischen Zusammensetzungen zur Verfügung. Die tatsächliche Formulierung der Härte der Verschleißschicht aus Urethan 42 kann in Abhängigkeit von der Art des Materials, das durch den verstärkten Rohrabschnitt 24 fließt, angepasst werden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Urethan mit einem Durometer-Härtewert zwischen 90 A bis 95 A ausgewählt worden. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass das Urethan für eine Anwendung der Rohrleitungen für andere Materialien als Beton einen Durometer-Härtewert zwischen 70 A und 75 D haben könnte.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 5 beinhaltet der Rohrabschnitt 24 ein Endkupplungsstück 32, welches nahe am äußeren Ende 28 angebracht ist. Wie in 4 dargestellt wird, ist ein zweites Endkupplungsstück 30 auch am Rohrabschnitt 24 nahe am ersten Ende 26 befestigt.
Wie in 5 veranschaulicht, wird das Endkupplungsstück 32 durch eine Innenwand 50 und eine Außenwand 52 definiert. Vorzugsweise wird das Endkupplungsstück 32 aus einem einheitlichen Abschnitt aus Stahl in einer herkömmlichen Weise gebildet.
Das Endkupplungsstück 32 umfasst eine innere, ringförmige Nut 54, die von der Innenwand 50 abgesetzt ist. Die ringförmige Nut 54 hat einen Durchmesser, der etwas größer als der Außendurchmesser des dargestellten Rohrabschnitts 24 ist. Der innerste Abschnitt 56 der Innenwand 50 hat einen Durchmesser, der im Allgemeinen dem Außendurchmesser des Rohrabschnitts 24 in der Nähe des äußeren Endes 28 entspricht.
Wie obenstehend beschrieben, beinhaltet das Endkupplungsstück 32 eine vertiefte äußere Nut 34, die zwischen einer äußeren Lippe 36 und dem inneren Befestigungsflansch 38 angebracht ist. Die Nut 34 wird gemeinhin als Vitraulic^®-Nut bezeichnet und wird konventionell in mobilen Pumpenfahrzeugen für Beton verwendet.
Das Endkupplungsstück 32 wird am Ende 28 des Verbundrohrabschnitts 24 durch Aufbringen einer Menge von Urethanklebstoff 58 zwischen der inneren vertieften Nut 54 und der Außenfläche 60 der Außenschicht 46, die über der verstärkenden Schicht 40 angebracht ist, befestigt. Der hochfeste Klebstoff 58 stellt eine dauerhafte Haftung zwischen dem Endkupplungsstück 32 und dem verstärkten Rohrabschnitt 24 bereit, so dass der Rohrabschnitt 24 auf normale Art und Weise verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Rohrabschnitt 24 mit dem Paar von Endkupplungsstücken 30, 32 mit Hilfe einer Klemmvorrichtung, die im Handel unter der Bezeichnung Vitraulic^®-Klemme bekannt ist, an beliebige andere Verbundrohrabschnitte 24 oder herkömmliche Stahlauslegertypabschnitte angekoppelt werden. Wie bereits erläutert wurde, ist das Verbundauslegerrohr aus Urethan dank der Vitraulic^®-Nut 34 mit den derzeitigen gegenwärtig verfügbaren Stahlauslegerrohren austauschbar.
Die Innenfläche 56 des Endkupplungsstücks 32 berührt die Außenfläche 60 des Auslegerrohrabschnittes 24 und verhindert so, dass der Klebstoff 58 am Ende 28 herausfließt. Die Fläche 56 schließt damit den Klebstoff 58 ein und erlaubt es dem Klebstoff, zu härten und das Endkupplungsstück 32 dauerhaft am Auslegerrohrabschnitt 24 zu befestigen.
Die verstärkten, gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Verbundrohrabschnitte, welche im Rohr eine Innenschicht aus Urethan 42 mit einer im Präzisionswickelverfahren hergestellten Außenschicht 40 einsetzen, betragen etwa 25 % des Gewichts von Stahlrohrabschnitten. Zum Beispiel hat der Verbundrohrabschnitt 24 ein Gewicht von ungefähr 3,9 kg/m (2,6 Pfund pro Fuß), während ein ähnliches Stahlrohr ungefähr 15,2 kg/m (10,2 Pfund pro Fuß) wiegt. Folglich würde in einem mobilen Betonpumpenfahrzeug mit einem Auslegerarm mit einer ausgefahrenen Länge von 61 m (200 Fuß) das mobile Betonpumpenfahrzeug eine Reduzierung der Kraft in Höhe von ungefähr 206.112 Nm (152.000 Fuß pro Pfund) bewirken. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil dar, der gegenwärtig nicht verfügbar ist.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Bildung des verstärkten Rohrabschnitts 24 beschrieben. Der erste Schritt bei der Bildung des verstärkten Rohrabschnitts 24 der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Bildung eines Urethanrohrs, welches die Verschleißschicht 42 hervorbringen wird. Wie in 6 dargestellt, wird eine Matrize 50 bereitgestellt. Die Matrize 50 ist gewöhnlich ein Stahlrohr mit einer polierten Innenwand 52 und einer Außenwand 54, wie sie in 7 gezeigt wird. Die Matrize 50 verfügt vorzugsweise über eine Länge, die etwas größer als die Länge des zu bildenden verstärkten Rohrabschnitts ist, so dass die Enden des aus Urethan gebildeten Rohrs zugeschnitten werden können und das Rohr in gewünschter Länge gebildet werden kann.
Erneut Bezug nehmend auf 6 zeigt sich, dass die Matrize 50 ein erstes Endstück 56 umfasst, das wie abgebildet an einem Ende der Matrize angebracht ist. Zunächst wird die Matrize 50 auf eine höhere Temperatur erhitzt, bevor das flüssige Urethan in das Innere der Matrize eingebracht wird. Nachdem das erste Endstück 56 installiert ist, wird eine Menge von flüssigem Urethan 58 vorzugsweise durch einen Trichter 60 und ein Verbindungsrohr 62 zugeführt und fließt dann an der axialen Länge der Matrize 50 entlang. Die Menge des in die Matrize 50 eingefüllten Urethans ist abhängig von der gewünschten Wandstärke der in 5 veranschaulichten Verschleißschicht 42. Bei den erhöhten Temperaturen von ungefähr 110 °C (230 °F) reduziert sich die Viskosität des Urethans, wodurch das Urethan leichter an der Länge der Matrize 50 entlang fließen kann. Obwohl das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel die einfache Einführung des flüssigen Urethans in Betracht zieht, wird in Erwägung gezogen, das Urethan in Abhängigkeit von der spezifischen Form der Matrize 50 unter Druck in das Innere der Matrize zu pumpen.
In 8 wird gezeigt, wie sich die Matrize entlang einer horizontalen Achse innerhalb einer Maschine 64 erstreckt, sobald die Matrize 50 mit der erforderlichen Menge von Urethan angefüllt worden ist. Die Maschine 64 kann so betrieben werden, dass sie die Matrize 50 um ihre horizontale Achse dreht, wie durch den Pfeil 66 dargestellt wird, so dass das Urethan nach außen gegen die glatte Innenwand der Matrize 50 gepresst wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Maschine 64 mehrere Heizelemente 68, die sich innerhalb eines geschlossenen, isolierten Gehäuses 70 befinden. Die Heizelemente 68 erhöhen die Temperatur der Matrize sowie des Urethans, damit das Urethan richtig gegen die Innenwand der Matrize fließen und das Urethan schließlich härten kann.
Sobald das flüssige Urethan und die Matrize erhitzt worden sind, wird die Drehgeschwindigkeit der Matrize 50 erhöht, so dass die sich drehende Matrize 50 eine Zentrifugalkraft erzeugt. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Matrize bei ungefähr 1.000 Umdr./Min. rotiert, um die erforderliche Zentrifugalkraft zu erzeugen. Während dieser Rotation werden eventuelle innerhalb des Urethans vorhandene Gussblasen ins Zentrum getrieben, um ein porositätsfreies Teil bereitzustellen. Auch hier wird die Dicke der Verschleißschicht durch die Menge des in die Matrize eingeführten Urethans geregelt.
Nach ungefähr 30 Minuten Rotation und Hitzeaussetzung ist das Urethan in der Matrize 50 ausreichend ausgehärtet, so dass das Rohr, welches die Verschleißschicht aus Urethan bildet, aus der Matrize 50 entfernt werden kann. Sobald das Urethanrohr entfernt worden ist, wird das Rohr in einem Ofen mehrere Stunden lang nachgehärtet, um das Urethan vollständig zu härten.
Wie in 7 dargestellt wird, hat das Urethanrohr 72, das schließlich die Innenschicht bildet, eine Länge, die geringer als die Länge der Matrize ist, wie durch die Länge A veranschaulicht wird. Der Unterschied zwischen der Länge des Urethanrohrs 72 und der Matrize 50 ergibt sich aus der Einführung der Endkappe 56 an jedem Ende der Matrize, wie in 6 beschrieben wurde.
Es wird nun auf 9 Bezug genommen, wo mit Hilfe eines Präzisionswickelverfahrens eine verstärkende Schicht aufgebracht wird, sobald das Urethanrohr 72 gebildet worden ist. Während des Präzisionswickelverfahrens wird ein umlaufendes Seil oder eine ungezwirnte, unidirektionale Faser mittels eines Bindeharzes in einem vorbestimmten Muster über einen sich drehenden Dorn abgelegt. In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Urethanrohr 72 über einen Metalldorn abgestützt, um dem Urethanrohr zusätzlichen Halt zu bieten.
Sobald der innere Dorn sowie das Urethanrohr richtig abgestützt sind, werden die Faserschichten mittels einer Menge von Harz in einem Muster auf das Urethanrohr aufgebracht. In der in 9 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Faserschicht in mehreren Durchgängen aufgebracht, um ein erstes Muster 74a sowie ein zweites Muster 74b zu schaffen. Die mehrfachen Durchgänge und mehrfachen Muster der Faserwicklungen bestimmen die Festigkeit in Umfangsrichtung des Rohrs und stellen die erforderliche Festigkeit für den Einsatz des Rohrabschnitts bereit. Die rechnergesteuerte Präzisionswickelmaschine steuert die Bahn, in der die Fasern abgelegt werden, während sie gleichzeitig die Geschwindigkeit regelt, mit der das Urethanrohr während des Präzisionswickelverfahrens gedreht wird.
Sobald das Urethan vollständig ausgehärtet worden ist, werden die äußeren Enden 76 und 78 des Rohrs abgetrennt. Die Enden des Rohrs müssen abgetrennt werden, da während des Präzisionswickelverfahrens die Faser in einer Vor- und Zurückbewegung aufgebracht wird und jedes Ende des Rohrs einen Umkehrabschnitt umfasst, in dem die Fasern nicht die richtige Ausrichtung beibehalten. Aus diesem Grund wird das Urethanrohr mit einer Länge gebildet, welche die erforderliche Länge der gewünschten Rohrabschnitte übersteigt, so dass jedes Ende des Rohrs abgetrennt werden kann.
Das Urethanrohr, das nun faserverstärkt und auf seine gewünschte Länge zugeschnitten worden ist, wird dann in einem Ofen nachgehärtet, um maximale Eigenschaften für das Rohr zu erzielen. Nach dem Aushärtevorgang werden die in 4 gezeigten Metallendkupplungsstücke 30, 32 mit Klebstoff an jedem Ende des Rohrs befestigt, um den Rohrabschnitt zu bilden.
Obwohl ein erstes Ausführungsbeispiel des Endkupplungsstücks 32 in 5 gezeigt wird, stellt 10 ein zweites Ausführungsbeispiel eines alternativen Endkupplungsstücks 80 dar. In der in 10 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Endkupplungsstück 80 eine Reihe von Greifkanten 82, die entlang der Innenwand geformt werden und die ringförmige Nut 54 bilden. Jede Greifkante 82 erstreckt sich um den gesamten inneren Umfang des Endkupplungsstücks 80. Die einzelnen Greifkanten 82 wirken mit dem Urethanklebstoff 58 zusammen, um ein verbessertes Haften des Endkupplungsstücks 80 am Ende 28 des Rohrabschnitts 24 zu bieten. Jede Greifkante 82 wird durch Entfernen eines Abschnitts der Wand 84 des Endkupplungsstücks an der Innenfläche der ringförmigen Nut 54 entlang gebildet. Obwohl zahlreiche einzelne Nuten in der Ausführungsform aus 10 gezeigt werden, wird von den Erfindern in Betracht gezogen, dass die Größe und Form der einzelnen Greifkanten 82 im Rahmen der vorliegenden Erfindung verändert werden könnte.
Verschiedene Alternativen und Ausführungsbeispiele liegen im Rahmen der folgenden Patentansprüche, die den Gegenstand, der als die Erfindung gilt, besonders hervorheben und deutlich für sich in Anspruch nehmen.

Claims

Pumpeneinheit, welche folgende Merkmale umfasst: einen mehrgliedrigen beweglichen Auslegerarm (12) mit einer Vielzahl von Auslegerabschnitten (14a–14c), wobei der Auslegerarm aus einer eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position bewegt werden kann; und ein vom Auslegerarm abgestütztes Auslegerrohr, das sich zwischen einem Materialvorrat und einem äußeren Ende (23) des Auslegerarms erstreckt, wobei sich das Auslegerrohr aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Auslegerrohrabschnitten (24) zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Rohrabschnitte (24) jeweils über eine fasergewickelte verstärkende Außenschicht (46) verfügen, über eine verschleißfeste Innenschicht (42) sowie über an beiden Enden des Zuflussrohrabschnitts (24) angebrachte Endkupplungsstücke (30, 32), wovon jedes Endkupplungsstück mit Klebstoff am Rohrabschnitt befestigt ist.
Pumpeneinheit nach Anspruch 1, wobei die verstärkende Außenschicht (46) aus einer gewickelten Schicht aus geflochtenem Gewebe gebildet wird, die auf einer Außenfläche der Innenschicht (42) aufgebracht ist.
Pumpeneinheit nach Anspruch 2, wobei das geflochtene Gewebe aus Kohlefaser gebildet wird.
Pumpeneinheit nach Anspruch 2, wobei die verschleißfeste Innenschicht (42) aus Urethan gebildet wird.
Pumpeneinheit nach Anspruch 4, wobei das Urethan über einen Durometer Härtegrad zwischen 90-A und 95-A verfügt.
Pumpeneinheit nach Anspruch 1, wobei die Rohrabschnitte (24) jeweils einem Innendruck von mindestens 1200 psi (82.7 bar) standhalten können.
Mobiles Pumpenfahrzeug (10), welches die folgenden Merkmale umfasst: eine Fahrzeugkarosserie (20), einen Materialvorratsbehälter (16), der zur Aufnahme eines Materials an der Karosserie angebracht ist, welches vom Pumpenfahrzeug gepumpt werden soll; einen mehrgliedrigen beweglichen Auslegerarm (12) mit einer Vielzahl von Auslegerabschnitten (14a–14c), wobei der Auslegerarm an der Karosserie angebracht ist und aus einer eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position bewegt werden kann; und ein vom Auslegerarm abgestütztes Auslegerrohr zur Leitung des Materialflusses aus dem Vorratsbehälter an ein äußeres Ende des Auslegerarms, wobei sich das Auslegerrohr aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Verbundrohrabschnitten (24) zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Rohrabschnitte (24) jeweils über eine fasergewickelte verstärkende Außenschicht (46) verfügen, über eine verschleißfeste Innenschicht (42) sowie über an beiden Enden des Zuflussrohrabschnitts (24) angebrachte Endkupplungsstücke (30, 32), wovon jedes Endkupplungsstück mit Klebstoff am Rohrabschnitt befestigt ist.
Mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die verstärkende Außenschicht (46) aus einer gewickelten Schicht aus geflochtenem Gewebe gebildet wird, die auf einer Außenfläche der Innenschicht (42) aufgebracht ist.
Mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 8, wobei das geflochtene Gewebe aus Kohlefaser gebildet wird.
Mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei die verschleißfeste Innenschicht (42) aus Urethan gebildet wird.
Mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Urethan über einen Durometer Härtegrad zwischen 90-A und 95-A verfügt.
Mobiles Pumpenfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Rohrabschnitte (18) jeweils einem Innendruck von mindestens 1200 psi (82.7 bar) standhalten können.