预成型钢丝加强带条卷
技术领域
本发明涉及一种包括弹性体的带条卷，其中采用平行布置在所述带条内的钢丝加强。
背景技术
由弹性体构成的带条卷是公知的并且广泛地用于多种应用中。目前的发明涉及一种采用钢丝加强的弹性体带条卷。这样的复合物结合了两者的最佳特点：弹性体的韧性、不渗透性、易加工性、相对的化学惰性与钢丝的强度、柔性、耐高温性的有利特性。当两种成分相互非常好地附着时，有利的特性进一步提高。采用钢丝加强的弹性体带条已经以钢丝加强传送带的形式、或作为动力传送带、或作为轮胎生产中的中间产品使用了很多年。更近一些，这样的钢丝加强弹性体带条作为电梯起重元件(WO00/37738)也越来越重要。在所有这些动态应用中，钢丝的柔性是重要的。因此，使用由许多单独的细丝组成的钢丝，因为采用这些细丝，如果细丝相互滑动，那么钢丝的硬度会大大降低(细丝的硬度力矩与其直径的4次方成比例)，并且钢丝的柔性会增加。
但是，有许多准静态的应用，其中，钢丝的柔性仅仅因为加工的原因才需要：在带条被置入适当的位置后，钢丝仅仅被静态或准静态地加载，并且钢丝的柔性不能长久地使用。柔性管的加强(WO02/090812)和通过用带条翻新混凝土柱子而对其进行的修补是这样的应用的非穷尽的实例。在这些应用中，将弹性体带条加强的钢丝卷缠绕在将要被加强的物体周围，该物体在柔性管的情况下是内管，而在混凝土修补的情况下是柱子。虽然为了将带条应用在这些物体上，需要钢丝的柔性，但是一旦带条位于适当的位置，此柔性就不再需要了。但是，将这样的柔性引入钢丝中会使钢丝变得昂贵：钢丝需要被拉到更细的直径并且更多的钢丝需要被组装在一起。因此，投入了大量的努力和成本到仅仅使用一次的钢丝上。
另一方面，当使用更硬的钢丝以便降低成本时，将要被加强的物体周围的弯曲会在带条内引入残余应力，而使带条在将要被加强的物体上的应用变得更加困难。这导致加强层内的应力不平衡。同时，由于当端部被松开时带条可能被弹回，因此这些残余应力可以很危险。此外，较大的硬度会使带条的起始或末端处的附装更加困难。带条的增加的硬度还增大了被带条缠绕的物体上的力。在混凝土柱子的修补中，这不会是很大的问题，但是在柔性管中，为了在缠绕过程中不会在带条施加的力的作用下被破坏，内管必须制造得足够强，也就是说，带条的硬度会抑制薄壁内管的使用。
发明内容
因此，本发明的第一个目的是提供一种消除上面列举的问题并允许使用更硬的钢丝的带条卷。本发明的另一目的是提供一种比现有技术的带条更适用于其目的的带条卷。更特别地，提供了一种按照待加强的物体而预成型的带条卷。
按照本发明的第一方面(权利要求1)，要求保护一种带条卷。“带条卷”指的是具有一定的宽度W的薄材料(带条)的基本长度，所述带条在与其长度和宽度方向垂直的一个方向上弯曲，并且这样卷回到其自身上，从而形成具有与带条的宽度W基本相同宽度并具有内径和外径的环形体。带条可以缠绕在芯管或线轴上，或者它可以缠绕在可拆除芯部上，该芯部在缠绕之后可被拆除。
所提供的带条包括相互平行布置并与带条的表面平行的钢丝。在该结构中，“平行”指的是钢丝相互之间的距离和单独的钢丝到表面的距离在带条的整个长度上保持不变。所以，当在带条中的任意位置取横截面时，该横截面实际上将与任意其它位置的横截面相同，单独的钢丝会在相同的位置出现。
用于钢丝密封的弹性体可以是热固性或热塑性的聚合物。前者的实例当然可以是所有已知形式的橡胶，例如天然的或合成的异戊二烯橡胶、丁苯橡胶(SBR)、乙烯三元共聚物(EPDM)或任意其它适用于该目的的橡胶。后者的实例是高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PCV)或任意其它热塑性聚合物。在聚合物的选择中，带条必须承受的环境和将要被加强的材料类型是非常重要的。例如，对于非常容易腐蚀的材料，必须使用聚四氟乙烯(PTFE)或某种其它含氟聚合物。在带条用于高温应用的情况下，可以考虑使用聚苯硫醚(PPS)。
用在本发明的带条卷中的钢丝的类型的选择是由带条所需的横向强度决定的，该横向强度是由应用决定的。通常，该强度ST(用N/mm表示)如下计算：
ST＝(N/W)×Fb＝(Fb/dcord)×_strip
其中，N是带条中的钢丝的数量，Fb是用“牛顿”表示的钢丝的破坏载荷，W是与其长度垂直并用“mm”表示的带条的宽度。当所有的钢丝位于同一层上时，在所有的钢丝相互邻近时可获得最大值(N/W)。那么，(N/W)等于1/dcord，其中，dcord是所使用的钢丝的直径。通常，钢丝将相互稍微间隔开，这导致“带条充填度_strip”等于带条中的钢丝的所有直径的总和除以带条的宽度。当由于成本的原因，希望在应用中减少带条层的数量时，非常清楚的是，(Fb/dcord)和_strip需要尽可能的大。
关于第一个因素(Fb/dcord)，将寻找如下的钢丝：
·具有高金属密度，也就是说，在钢丝的横截面上，金属的面积与外接圆的面积的比值应当尽可能的高。所以对于由单个圆钢丝组成的钢丝(m＝1)，此金属密度是100％。对于m等于2的情况，由于钢丝由两个相互缠绕的单独的圆细丝制成，该值立即下降到50％。对于m值为3和7的情况，该值分别变成65％和78％。对于更大的m值，该比值可达到最大的理论值90.7％。
·由具有高抗张强度的细丝组成。抗张强度是细丝的破坏载荷与其金属的横截面面积的比值。实际上，具有高抗张强度(例如高于3700N/mm2)的细丝，只能制成为具有圆横截面，并且直径低于例如0.75mm。
虽然在现有技术的类型的带条中，钢丝的硬度在设计中也起到重要的作用，但是对于本发明的带条卷并非如此。钢丝的硬度与单独的细丝的硬度成比例并且与d4成比例，d是构成钢丝的细丝的直径。因此，现有技术的带条是由典型地0.15mm-0.175mm的相对较细的细丝生产的。
本发明的带条卷是用包括有限数量(优选为全部具有相同的直径)的钢丝的结构非常简单的钢丝制成的，其优选地在一个步骤中被组装成一束。最优选的是当钢丝只包括单个的细丝时，在所谓的“钢丝”中明确地包括外壳。钢丝领域的技术人员将如下的钢丝视为适当的钢丝：
·例如19×1W的瓦灵顿结构类型。这是在单个操作中组装的线束，因此具有单个的捻距并且具有三种不同的细丝直径。它具有大约84％的金属密度。
·例如12CC的密实性钢丝的结构类型。这也是在单个操作中组装的线束，具有单个捻距(lay length)，其中所有的细丝具有相同的直径。它具有大约70％的金属密度。
·具有100％的金属密度的单个细丝。
用于本发明的钢丝的钢优选地具有普通碳钢成分。这样的钢通常具有0.40wt％C或至少0.70wt％C的最小碳含量，但是最优选地至少0.80wt％C且最大值为1.1wt％C，锰含量在0.10-0.90wt％Mn的范围内，硫磺和磷的含量每个都优选保持在0.03wt％以下；也可以加入附加的微合金元素，例如铬(高达0.2-0.4wt％)、硼、钴、镍、钒(非穷尽的列举)。钢丝可以被涂覆或未被涂覆。可以涂覆涂层以便改进对弹性体的附着性。涂层可以是例如有机功能性硅烷、有机功能性钛酸盐或有机功能性锆酸盐的本领域已知的改进附着性的有机涂层。或者，涂层可以是已知的附着在弹性体上的金属或金属合金，例如将黄铜附着在橡胶上。涂层也可以是防腐蚀层，例如锌涂层或例如锌铝合金的锌合金涂层。
实际上，本发明的带条卷与现有技术的带条卷的区别在于，在缠绕成带条卷之前，带条塑性变形到一定的程度。这样的塑性变形通过从直径为D的带条卷上截取一块带条即样本而容易地确定。样本的长度应当大约等于3到3.5乘以D。当该样本被自由地悬挂时，它将自己形成线圈。“自由悬挂”指的是除了线圈本身的残余应力，作用在线圈上的所有力都可以忽略。线圈的直径C1可以被测量。按照权利要求1，该直径C1必须小于D。通常，线圈在其中心被悬挂，并且在重力的作用下自由地悬挂。但是，这样的方法将容易在重力的作用下使线圈下垂。为此，自由悬挂端可以被支撑以便抵消重力。
作为确定曲率半径的等价方法，可以截取仅具有大约D/5或更小的长度的样本。这样的样本不易在重力的作用下下垂。当样本的中心位于平层上时，通过测量端部相对于平层的升高，采用标准的几何方法可以确定该带条块的曲率半径，从而通过将半径乘以2确定线圈直径C2。重力效应可以通过在以下情况下重复该过程而被进一步修正，其中该样本在其两端处靠在平层上并测量中间部分的高度。通过相同类型的计算，可以获得C3。C2和C3的平均值可以理解为线圈直径的最精确的测定值，从现在开始，无论测量方法如何，都将该值称为“C”。
本发明的带条卷与现有技术的带条卷的区别还在于这样的事实，当分离带条卷的端部时，它会在释放时弯回到带条卷上。
当带条卷将被用于类似管子或柱子的长的、圆柱形的物体的加强时，带条也可以被预成型成当它被松开时，不仅会出现径向塑性变形，而且会出现横向位移(从属权利要求2)。横向位移相对于带条的一个边缘进行测量。这样的横向位移必须至少等于在线圈的一个完整的圆周上的带条的宽度。
当使用带条卷缠绕在直径为Dobject的圆柱形物体的周围时，在下面的情况下，带条的边缘将正好彼此相邻：
其中，L是带条的节距，也就是在圆柱体上正好旋转一圈后，带条的横向位移。紧接着，自由悬挂线圈的横向位移“K”必须至少等于带条的宽度。更优选地，该位移与将要被加强的物体上的带条的最终缠绕角度相一致，在下面的情况下，可获得上述情况：
在许多情况下，在将被加强的物体上，在被称作中立角(neutralangle)的特定角度的情况下缠绕带条是有利的。当带条的周长“πDobject”与带条的缠绕节距长度“L”的比值等于√2＝1.41421...时，缠绕是在中立角的情况下进行的。因此，其中自由悬挂线圈出现线圈直径的2-3倍的位移的带条卷是优选的。该位移为线圈直径的2和2.5倍之间是更为优选的。
带条的预成型不需要在带条的整个长度上延伸。也可以限定在带条的外端(从属权利要求3)以使带条对被缠绕的物体的连接更容易。
钢丝的位置如已经提到过的是相互平行的并且与表面平行。获得该位置的最方便的方法是将所有钢丝固定在与带条的表面平行的一层中。这将产生仍然可以沿着与其长度和宽度方向垂直的方向容易地弯曲的带条，因为加强钢丝将在中立平面上。另一种选择性的方案(如在从属权利要求4中要求保护的)是钢丝分布在均与带条的表面平行但是距离稍微不同的两个层上。最方便的是，偶数的钢丝布置在第一层上，而奇数的钢丝布置在第二层上。这样的带条将更加坚硬，因为钢丝现在位于中立平面之外。但是，从某种意义上说，该结构提供的主要优点是允许“带条充填度_strip”大于1。因此，带条的强度可以增加，这可以减少所需的加强层的数量。
按照本发明的第二方面，提供了一种生产本发明的带条卷的方法。在该方法中，在用弹性体涂覆之前，将钢丝保持在单个层内。这可以通过从线轴架上展开钢丝并在用弹性体密封之前将其通过挤压机进行供给而完成，该挤压机具有将所有的钢丝保持在单个层上的压模嵌入件(die insert)。在挤压模具之后，带条在优选地被冷却的辊子上弯曲。辊子的直径小到可使钢丝和弹性体合成物塑性延长到这样的程度，即带条样本弯曲成直径比其缠绕在上面的带条卷的直径小的线圈。
塑性变形量通过预成型的辊子的直径与带条的厚度的比值以及合成物的材料特性进行控制，后者如下进行确定：
·用于钢丝的钢丝直径和钢丝的屈服极限σ0.2(σ0.2是需要施加在钢丝上以便当应力去除时具有0.2％的持久伸长的应力)。所使用的钢丝越厚，当其在预成型的辊子上弯曲时在最外面的纤维上施加大的伸长就越容易。屈服极限越低，使钢丝产生持久伸长就越容易。除了其它的参数之外，屈服极限也由钢丝的极限抗张强度决定：抗张强度越大，使钢丝持久变形所需要的应力越大。因此，具有不太高的抗张强度的、带有厚钢丝的钢丝在这里是最优选的。
·弹性体的特性。弹性体在挤压模具中达到其最高温度。因此，在挤压模具的出口处，它仍然是热的并且是可变形的。通过立即在预成型辊子上进行冷却，弹性体会“冻住”预成型辊子的半径。这样，弹性体的极限硬度(肖氏硬度A，肖氏硬度D)也将确定塑性变形的程度。
在给定了变量的情况下，必需进行一些实验以便确定最佳的辊子直径。首先，理论计算表明，辊子的直径必须至少小于带条的厚度的20倍。更优选地，辊子的直径小于带条的厚度的10倍。
当辊子安装为在其离开挤压机时其轴线与带条的平面平行并且垂直于带条的纵向方向时，这将在拉到辊子上之后获得与带条的宽度和长度尺寸垂直的残余变形(从属权利要求6)。当对自由线圈直径进行取样时，可观察到可忽略的轴向位移。
当辊子安装为在其离开挤压机时其轴线与带条的平面平行但是相对于带条的长度尺寸成一定角度(不同于直角)安装时，残余轴向位移在带条卷上将是显著的(从属权利要求7)。
获得具有自由线圈直径和轴向位移的带条卷的另一种方法是在相同方向具有基本上相同水平的残余扭转的钢丝上采用上面描述的方法。钢丝的残余扭转是在其被从线轴上拉出大约6米后，钢丝端部被保持固定时发生的扭转。端部被释放时，钢丝将绕其自身的轴线旋转。端部旋转的转数是“在6米的范围内残余扭转的数量”。当带条中的所有的钢丝在相同的方向上(沿着钢丝观察线轴时的顺时针或逆时针)显示出一定的残余扭转水平并且具有大致相同的水平时，这将在挤压后反应在带条内。当结合了在辊子上的弯曲时，带条将具有形成为螺旋状的趋势(从属权利要求8)。
生产具有权利要求4中的特征的带条卷的方法在独立权利要求9中要求保护。钢丝分布在第一层和第二层中，第二层与第一层不重合。举例来说：带条中的偶数的钢丝形成第一层，而奇数的钢丝形成第二层。该方法的特征在于，第二层的钢丝比第一层的钢丝的供给速度快。不同的速度导致带条卷的自由线圈直径。作为附带的优点，当中立平面位于两层之间时带条更硬。同时，两层中的分布允许带条充填度_strip大于1。
生产具有权利要求4中的特性的带条卷的另一种方法在独立权利要求10中要求保护。钢丝在两层上的分布通过将两个带条相互连接获得。两个带条具有位于单个层中的钢丝。两个带条以不同的速度供给，这样在带条卷内产生残余弯曲。同样，带条更硬，并且带条充填度_strip大于1。
带条也可以相互连接，其中心钢丝相互轻微地偏移(从属权利要求11)。偏移在宽度尺寸上完成。用这种方法，在随后的线圈之间获得重叠。这样的重叠与带条的边对边的缠绕相比，可以有助于保证缠绕结构的更好的封闭。这样的封闭对于保证要被加强的结构的均匀支撑是有益的。当例如附加的填充物必须设置在将要被加强的物体和加强结构之间时，它也是有帮助的。可以设想混凝土需要注入在加强带条和柱子之间的情况。
两个带条的连接可以用多种方法完成。例如，它们可以相互粘合(从属权利要求12)。所使用的粘合剂当然必须与使用的弹性体兼容。或者，如果弹性体是热塑性弹性体，带条可以相互热焊接。
按照本发明的第三方面，要求保护带条卷在圆柱形的加强物体上的使用(独立权利要求14)。使用这样的带条卷消除了在其缠绕在将要被加强的物体周围之前对直带条进行预成型的需要。这样的圆柱形物体可以是需要被加强的任意物体。非穷尽的实例为：
·例如聚乙烯管子的管子，虽然混凝土管子、钢管或任意其它的管子同样可以通过本发明的带条卷的方法很好地加强(从属权利要求15)。
·例如柱子的圆柱形建筑结构(从属权利要求16)。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：
-图1描述了确定C1的测量方法。
-图2‘a’和‘b’阐明了C2和C3如何被测量的。
-图3示出轴向位移K是如何确定的。
-图4‘a’和‘b’是双层聚合物带条的横截面。
-图5示出按照本发明的带条的生产方法，其中冷却辊与带条方向垂直。
-图6示出当冷却辊与带条方向成角度时，按照本发明的带条的生产方法。
具体实施方式
图1-3描述了确定线圈直径的大小的测量方法。在图1中，自由悬挂样本100被示为从带条卷上截取下来。由于其在自身重量的作用下会轻微地下垂而形成形状104，因此其端部必须相应地进行支撑102以便确定“自由悬挂”线圈直径C1。
由于该方法有点倾向于任意性，因此图2‘a’和‘b’中描述的方法更为优选。其中，小块带条的曲率半径在两个位置被确定：向上弯曲和向下弯曲的位置。样本的长度“L”和样本相对于平面的高度“H”共同被测量。这样，H、L和C2之间的关系简单地为：
该超越方程通过迭代法容易求解。作为初值，可以使用C2＝L2/(4H)。考虑到样本的厚度，可以通过将其从“H”中减去进行修正。在朝向上(C2)和朝向下(C3)的样本中应用相同的算法。两者的平均值给出了线圈直径“C”的最佳近似值。图3示出轴向位移“K”是如何确定的。
第一样本被制成包含24根在来自Solvay的HDPE Tub 172中挤压成的7×3×0.15规格的钢丝。带条的宽度为45.5mm。被挤压后，带条在直径为120mm的圆柱形管上预成型，随后被加热和冷却。预成型后，带条保持为圆柱形。加热温度越高，线圈直径越小：
线圈直径从图2a中的形状进行估计。
图4a示出包括两层间隔距离为“d2”的加强钢丝的优选实施例的横截面400。带条自身在与宽度和长度尺寸垂直的方向上弯曲(在图4a中不可见)。作为钢丝404，具有高拉伸性的导线的0.365+18×0.34密实性钢丝非常适合。该钢丝的破坏载荷为5600N，具有0.365和0.34mm的相对较粗的丝。钢丝自身的直径为1.73mm。作为聚合物，同样可以使用Solvay的HDPE Tub 172。在单个层中，可以在90.25mm的总宽度中容纳45根钢丝，其中心间隔为2mm。上层(被认为从带条卷径向向外的层)距带条的表面的距离为“d1”(例如大约1mm)。“d2”优选地比钢丝的直径略大，例如2mm。该实施例的优点为允许大于1的“_strip”。由于存在两个层，带条将会非常的坚硬，但是在这样的情况下，这不是问题，因为由于给定的预成型，带条自身将绕待加强的目标悬吊。该实施例甚至可以通过使其由两个单层的加强带条组成而进一步简化，这两个单层的加强带条如图4b中所示相互粘合且横向偏移。其中，组件460示出为包括两个在其共同的表面474上相互热焊接的带条466。该偏移允许不同的线圈相互配合以给出更为封闭的线圈。
图5示出使带条持久预成型的第一种方法。挤压装置500被示出，其中，不同的钢丝从不同的线轴504、504′、504″、504_与从漏斗502供给的弹性体一起供给到挤压机520中。该挤压工艺的特点是具有小直径的冷却预成型辊子506。优选地，该直径小于带厚度的20倍。更优选地，辊子506的直径小于带厚度的10倍。在这之后，带条被引导到(可能经过冷却地)拉动绞盘(pull-through capstan)508。因此，预成型辊子506不一定被驱动。该挤压机的另一个特点是带条510一旦被挤压就总是沿着相同的方向弯曲直到缠绕到带条卷512上。所以，不必注意到使带条反向弯曲。
图6示出不仅使带条预成型，而且使其偏移的进一步的改进方法。同样，示出了挤压装置600，其中送料线轴604、604′、604″、604_中包含的钢丝与通过漏斗602供给的弹性体一起被供给到挤压机620中。同样，在被卷绕到辊子612上之前，刚刚被挤压的带条由拉动绞盘608拉到冷却预成型辊子606上。和前面的方法相似，需要注意的是带条只向着一个方向(无反向弯曲)弯曲。和前面的方法的区别在于，预成型辊子的轴线与挤压钢丝的平面平行，但是相对于带条的长度尺寸成角度β(在辊子轴线与带条的长度尺寸垂直的情况下，β为0)。β的余弦必须大于但是接近于带条的宽度与带条绕辊子606的捻距的比值，以便防止带条被其自身线圈阻碍。
