DE69111236T2

DE69111236T2 - Rohrklemme.

Info

Publication number: DE69111236T2
Application number: DE69111236T
Authority: DE
Inventors: Jun Harold Kennedy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-14
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: US5071175A; EP0533749A4; DE69111236D1; WO1991019925A1; EP0533749A1; ATE125024T1; CA2084407C; EP0533749B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Spann- oder Haltevorrichtungen und insbesondere einen Spann- oder Haltemechanismus, der ein Rohr oder eine Leitung an einer Verbindung mit einem anderen Rohr, einem Schieber- bzw. Ventilgehäuse oder einem ähnlichen, mit dem Rohr gekoppelten Bauelement hält.

2. Historie des Stands der Technik

Seit vielen Jahren werden verschiedene Vorrichtungen und Techniken zum Koppeln oder Verbinden von Rohren aller Arten mit einem anderen Rohr, Ventilen oder Schiebern, verschiedenen Rohranschlüssen, Hydranten und Mehrzweckverbindungen angewandt, wo das Rohr an einem anderen Element befestigt und anschließend internem Fluiddruck ausgesetzt ist, der bestrebt ist, das Rohr von dem Element, an welches es angeschlossen ist, zu trennen. Typische Anwendungen für eine Vielfalt solcher Rohrvorrichtungen sind Abwassersysteme, Wasserverteilungssysteme und dgl. Obgleich solche Rohrsysteme häufig bildsames (ductile) Eisenrohr verwenden, ist es in den letzten Jahren sehr üblich geworden, auch Kunststoffrohr, wie Rohr aus Polyvinylchlorid (gewöhnlich als PVC-Rohr bezeichnet), zu verwenden. Bei solchen Systemen ist es auch üblich, Anschlüsse (Fittinge) und Ventile oder Schieber zu verwenden, die in erster Linie zur Verwendung mit Gußeisen- und bildsamem (oder Weich-)Eisenrohr ausgelegt sind. Das bei solchen Anschlüssen aufgeworfene Hauptproblem besteht im Erfassen oder Verspannen des Rohrs. Rohranschlußhaltevorrichtungen, die sich lediglich auf Reibung stützen, sind (in ihrer Wirkung) sehr unvorherbestimmbar. Zum Halten oder Aufnehmen vernünftiger Größen von Innendruck im Rohr hat es sich als nötig erwiesen, in der Oberfläche des Rohrs eine Nut oder Rille auszubilden, die ausreichend tief und breit ist, um eine ausreichende Scherfestigkeit für die Aufnahme großer, durch den Druck erzeugter Axialbelastungen bereitzustellen. Die weiche Eigenschaft von PVC-Rohr machte es nötig, Rillen um die Außenfläche des Rohrs über den größten Teil seines Umfangs hinweg auszubilden, ohne entweder das Rohr zu beschädigen oder seine Fähigkeit, dem Druck standzuhalten, herabzusetzen. Für die Schaffung eines Systems unter Verwendung von PVC-Rohr, das hohe Axialbelastungen auszuhalten vermag, ist es erforderlich, mindestens eine Rille ausreichender Tiefe in nahezu dem Gesamtumfang des Rohrs vorzusehen. Ebenso können mehrere, parallel zueinander angeordnete Rillen angewandt werden. Für die Schaffung eines Systems, das ohne Beschädigung des Rohrs hohen Axialbelastungen standzuhalten vermag, war es nötig, die Radialbelastungen am Rohr auf einer Mindestgröße zu halten und die Radialbelastungen nach der Ausbildung der Rille zu reduzieren. Der zur Herstellung der Halte- bzw. Spannverbindung mit dem Rohr benutzte Mechanismus muß schubbeständige Eingreifmittel aufweisen, die in der (den) um das Rohr umlaufenden Rille(n) verbleiben.
Zahlreiche frühere Patentschriften veranschaulichen eine große Vielfalt von Vorrichtungen und Verfahren für den Anschluß zum Erfassen bzw. Verspannen eines Rohrs.
Verschiedene Vorrichtungen verwendeten eine schiefe oder schräge Ebene zur Schaffung einer ausreichend großen mechanischen Übersetzung, um ein Rohr zur Verhinderung einer Trennung zu verspannen; vgl. US-PSen 1 898 623 (Gammeter), 3 594 023 (Yano), 3 937 500 (Sato), 4 070 046 (Felker), 4 417 754 (Yamaji) und 4 438 954 (Hattori). Diese Vorrichtungen bieten keine Begrenzung für den Weg des Verkeilungselements, und es ist daher nur eine geringe oder keine Begrenzung der Radialauslenkung des Rohrrings aufgrund der äußerst großen Radialkraft gegeben. Zudem erfordern diese Vorrichtungen extrem feste(s) Ringe und Rohr(materialien), wenn hohe Drücke und Rohre großen Durchmessers gehalten bzw. verspannt werden.
Die US-PS 3 920 270 (Babb) sieht einen Frontflansch am betreffenden Griffring vor, der als Grenze für den (Verschiebungs-)Weg des Keils benutzt werden kann. Wenn jedoch der Druck weiter ansteigt, nachdem der Keil seine Grenze erreicht hat, ergibt sich ein Kipp-Gelenkstück (toggle), das beim Überdrehen des Keils eine extrem große Radialkraft am Rohr erzeugt.
Die US-PS 4 092 036 (Sato) veranschaulicht eine Verkeilungswirkung mit einer Grenze oder Begrenzung in Form einer in einem Gehäuse vorgesehenen Rückwand, die den Keil am hinteren Ende kontaktiert und damit die Verschiebung des Keils stoppt. Praktische Erfahrung mit dieser Vorrichtung bei Verwendung an Rohr aus bildsamem Eisen (Weicheisen) und aus PVC hat gezeigt, daß infolge der oval geformten Öffnung in der Oberseite des Gehäuses eine Kipp-Gelenkstück- bzw. Kniehebelwirkung um den Schnittpunkt der Teile 28 und 43 nach Fig. 7a als Schwenkpunkt den hinteren Zahn aus dem Eingriff austreten und den vorderen Zahn in das Rohr eintauchen läßt. Diese Wirkung erhöht die Radialspannung in Rohr großen Durchmessers bei sehr großen Drücken, d.h. 500 psi.
Eine Kipp-Hebelwirkung (toggling) wurde auch zum Verspannen der Oberfläche des Rohrs in Verbindungshaltekonstruktionen angewandt. Die US-PSen 1 930 194 (Dillon) und 4 647 083 (Hashimoto) sowie die GB-PS 1 403 671 (Moussiaux) offenbaren Kipphebel- oder Belleville-Federvorrichtungen. Eine Kipphebelwirkung verlangt ein Schwenken um einen Punkt, der von der lotrechten Mittellinie des Mechanismus leicht versetzt ist. Wenn der Schwenkpunkt die Lotrechte passiert, verbleibt gewöhnlich eine Auslenkung oder Durchbiegung des Rohrs oder der Rille. Gemäß der US-PS 4 647 083 beträgt für ein 12 Zoll-Rohr und einen 1 Zoll-Kipphebelarm die größte Rillentiefe etwa 0,026 Zoll.
Der Schlüssel zu einer zuverlässigen Spann- oder Haltevorrichtung für PVC-Rohr, speziell bei größeren Durchmessern, ist die Fähigkeit, diese Rillen verläßlich auszubilden. Bei anderen Vorrichtungen, wie sie in den US-PSen 4 336 959 (Roche) und 4 568 112 (Bradley) beschrieben sind, werden mit Seitenbolzen, die zwei Halbringe verbinden, Rillen im Rohr geformt. Hierbei wird keine ausreichend große Kraft erzeugt, um verläßlich mehrere Rillen vollständig um ein Rohr großen Durchmessers, etwa 12 - 30 Zoll-Rohr, herum zu formen. Das Ergebnis ist Schlupf am Rohr und vorzeitiger Ausfall oder Bruch. Versuche mit großen Durchmesser besitzenden Versionen dieser Vorrichtungen haben gezeigt, daß Rillen nur nahe der Seitenbolzen geformt werden. Wenn der Druck ansteigt, verursachen Scherbrüche in diesen begrenzten Rillen plötzlichen Schlupf und Schlag an dem hochbelasteten PVC-Rohr. Die Folge ist ein plötzliches vorzeitiges Bersten des Rohrs selbst bei Drücken, die deutlich unter den nach der AWWA-Norm geforderten liegen.
Die US-PS 4 664 426 offenbart einen Rohrhaltemechanismus (d.h. eine Rohrklemme) zum Verspannen der Außenfläche eines Rohrs an einer Verbindung zwischen dem Rohr und einem anderen Element, umfassend:
ein Keilgehäuse, das ein Mittel zum Halten des Keilgehäuses an einer Rohroberfläche aufweist, wobei das Keilgehäuse eine Keiltasche hat, die eine im Einsatz zu einer Rohroberfläche hin offene Unterseite, eine vordere Wand, eine hintere Wand und eine obere Wand aufweist;
einen Rohreinspannkeil, der in der Tasche zur radialen Bewegung zum Eingriff in die Rohroberfläche angeordnet ist, wobei der Keil eine obere Fläche, eine der hinteren Wand gegenüberliegende hintere Fläche, eine untere Fläche und mindestens einen Rohreinspannzahn aufweist, der von der unteren Fläche absteht, (und)
ein Keilbetätigungsmittel, das sich in dem Gehäuse befindet und sich von der oberen Wand entlang einer Längsachse in die Tasche erstreckt, um in den Keil einzugreifen und ihn gegen eine Rohroberfläche zu treiben, wobei der Keil in der Tasche frei ist.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Mechanismus zum Halten (Verspannen) eines Rohrs gegen die Kraft des Innendrucks an einer Verbindung des Rohrs mit einem anderen Rohr oder sonstigen Elementen, wie einem Ventil bzw. Schieber.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus, der sowohl für Kunststoffrohre, wie PVC-Rohr, als auch für verschiedene Formen von Metallrohr geeignet ist.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus, der speziell zur Verwendung mit PVC-Rohr geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines PVC-Rohr-Haltemechanismus, der weder das Rohr beschädigt noch die Fähigkeit des Rohrs, einen hohen Innendruck auszuhalten, herabsetzt. Weiterhin ist eine Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus, welcher die erforderlichen Rillen in Rohr aus PVC oder bildsamem Eisen formt und hohe Drücke darin aufnimmt, während die zur Ausbildung der Rillen erforderliche radiale Kraft auf ein absolutes Mindestmaß herabgesetzt ist oder wird, nachdem die Rille eingestochen worden ist, so daß sich das schubbeständige Eingreifelement oder der Keil mit einem geringen Teil der ursprünglich für das Einstechen der Rille erforderlichen radialen Kraft in der Rille festsetzen kann.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus, welcher die (mechanische) Spannung im Gehäusering oder in der Stopfbüchse (gland) um das Rohr herum vermindert, dabei aber die Festigkeit der Rohrwandung und der Stopfbüchse, um Axialschub und Innendruck aushalten zu können, aufrechterhält. Ferner ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus unter Verwendung eines Rohr(ein)spannkeils, der anfänglich mittels mechanischer Drehmoment- oder Torsionswirkung mit dem Rohr in Eingriff gebracht und danach durch Verkeilung und zusätzliche Drehmoment- oder Torsionswirkung in Abhängigkeit von Axialschub im Rohr, der durch den inneren Fluiddruck im Rohr erzeugt wird, weiter in Eingriff gebracht wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Rohrhaltemechanismus, der - sobald er mit dem Rohr in Eingriff gebracht ist - eine minimale statische Belastung auf das Rohr ausübt und danach in Abhängigkeit vom Hydraulikdruck im Rohr und diesem proportional das Rohr noch fester verspannt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rohrhaltemechanismus zum Einspannen der äußeren Oberfläche eines Rohrs an einer Verbindung zwischen dem Rohr und einem anderen Element, umfassend:
ein Keilgehäuse, das ein Mittel zum Halten des Keilgehäuses an einer Rohroberfläche aufweist, wobei das Keilgehäuse eine Keiltasche hat, die eine im Einsatz zu einer Rohroberfläche hin offenen Unterseite, eine vordere Wand, eine hintere Wand und eine obere Wand aufweist;
einen Rohr(ein)spannkeil, der in der Tasche zur radialen Bewegung zum Eingriff in die Rohroberfläche angeordnet ist, wobei der Keil eine obere Fläche, eine der genannten hinteren Wand gegenüberliegende hintere Fläche, eine untere Fläche und mindestens einen Rohreinspannzahn zum Eingreifen in die Rohroberfläche aufweist;
ein Keilbetätigungsmittel, das sich im Gehäuse befindet und sich von der oberen Wand entlang einer Längsachse in die Tasche erstreckt, um in den Keil einzugreifen und ihn gegen eine Rohroberfläche zu treiben, wobei der Keil in der Tasche frei ist, um sich im Verhältnis (relativ) zum Keilbetätigungsmittel und der Tasche zu drehen; ferner umfassend, daß der mindestens eine Zahn aus der unteren Fläche herausragt, die untere Fläche eine Anschlagfläche zum Beschränken des Eindringens des mindestens einen Zahns in das Rohr definiert, der Keil eine untere hintere Ecke hat, der mindestens eine Zahn in größerem Abstand zu der hinteren Fläche des Keils angeordnet ist als die genannte Längsachse, entlang der sich das Betätigungsmittel erstreckt, so daß beim Ausfahren des Betätigungsmittel bewirkt wird, daß sich der Keil in einer Richtung um den mindestens einen Zahn auf eine erste Position dreht, in der die hintere Fläche von der oberen Wand wegbewegt wurde, um die hintere Ecke mit der Rohroberfläche in Berührung zu bringen, der eine Zahn teilweise in das genannte Rohr gedrückt wurde und die obere Fläche im Verhältnis (relativ) zum Betätigungsmittel geneigt wurde, um eine Keiloberfläche zu definieren, so daß der Keil bei axialer Verschiebung des Rohrs in Reaktion auf Rohrinnendruck im Verhältnis (relativ) zum Betätigungsmittel axial bewegt wird und die obere Fläche und das Betätigungsmittel durch einen Verkeilungsvorgang zusammenwirken, um zu bewirken, daß der Keil um die hintere Ecke in eine der genannten Richtung entgegengesetzte Richtung auf eine zweite Position gedreht wird, in der der eine Zahn ganz in das genannte Rohr gedrückt wird und die untere Keilfläche auf dem genannten Rohr aufsitzt, um das Eindringen des genannten Zahns in das Rohr zu beschränken.
Der Rohrhaltemechanismus wird in mechanischen und Steck- Rohrverbindungen mit Flanschen, in (Rohr-)Kupplungen und dgl. eingesetzt. Die Haltemechanismen werden in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung um ein Rohr herum montiert; die Zahl der verwendeten Mechanismen hängt vom Rohrdurchmesser ab.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Einzelheiten spezifischer Ausführungsformen der Erfindung sowie die vorgenannten Aufgaben und Vorteile ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung von eine Rohrverbindungshalte-Stopfbüchse beinhaltenden Rohrhaltemechanismen mit den Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teildraufsicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1 zur Darstellung eines Keilgehäuses und eines Rohr(ein)spannkeils in der Tasche des Gehäuses,
Fig. 3 eine Schnittansicht des Keilgehäuses und des Keils, längs einer Ebene parallel zur Darstellungsebene von Fig. 2 und (im Schnitt) längs der Linie 3-3 in Fig. 4 dargestellt,
Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung des Keilgehäuses und des Keils, in einer lotrechten Ebene längs der Linie 4-4 in Fig. 1 gesehen,
Fig. 5 eine Draufsicht auf den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Rohrspannkeil,
Fig. 6 eine Rückseitenansicht des Keils nach Fig. 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht des rechten Endes des Keils nach den Fig. 5 und 6,
Fig. 8 eine Teildraufsicht auf ein abgewandeltes oberes Keilgehäuse eines Haltemechanismus einer Halte(r)stopfbüchse gemäß Fig. 1 mit entfernter Keilbetätigungsschraube,
Fig. 9 eine Teilvorderansicht des Haltestopfbüchsenteils nach Fig. 8, wobei in gestrichelten Linien die Keiltasche und die in die Tasche mündende Betätigungsschraubenbohrung dargestellt sind,
Fig. 10 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form des beim Mechanismus nach den Fig. 8 und 9 verwendeten Rohrspannkeils,
Fig. 11 eine Rückseitenansicht des Keils nach Fig. 10,
Fig. 12 eine im Schnitt und Seitenansicht gehaltene Darstellung des Keils nach den Fig. 10 und 11, (im Schnitt) längs der Linie 12-12 in Fig. 11 gesehen,
Fig. 13 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer Rohrkupplung mit der Haltestopfbüchse nach Fig. 1 im Einsatz an einem Rohr, teleskopartig in ein Muffenende an einem axial ausgefluchteten Rohr eingeschoben, wobei die Rohrspannkeile der erfindungsgemäßen Rohrhaltemechanismen voll mit dem Rohrende in Eingriff gebracht dargestellt sind,
Fig. 14 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht der Rohrkupplung nach Fig. 13, in einer gegenüber der Ebene von Fig. 13 um 45º verdrehten Ebene gehalten,
Fig. 15 eine Seitenansicht (Stirnansicht) im Schnitt längs der Linie 15-15 in Fig. 13,
Fig. 16 eine Teil-Schnittseitenansicht des erfindungsgemäßen Mechanismus im Einsatz gemäß Fig. 13 in der Anfangsstufe des Betriebs, in welcher der Rohrspannkeil noch nicht aktiviert worden ist,
Fig. 17 eine der Fig. 16 ähnliche Teil-Schnittseitenansicht zur Darstellung einer ersten Stufe in der Betätigung des Keils, in welcher die Betätigungsschraube den Keil nach unten gedrückt und ihn in Richtung auf die Rückwand der Tasche des Keilgehäuses gedreht hat,
Fig. 18 eine der Fig. 17 ähnliche Teil-Schnittseitenansicht zur Darstellung der nächsten Stufe in der Betätigung in Abhängigkeit von Hydraulikdruck im Rohr zur Veranschaulichung des Keils, der rückwärts und abwärts in die Rohroberfläche bewegt worden ist, und von Keilzähnen, die sich weiter in die Rohroberfläche eingegraben haben,
Fig. 19 eine der Fig. 18 ähnliche Teil-Schnittseitenansicht zur Darstellung der Endstufe in der Betätigung des Keils und zur Veranschaulichung der Keilbodenfläche oder -unterseite (in Anlage) gegen die Rohroberfläche, wobei die Rückseite des Keils an der Rückwandfläche der Keiltasche anliegt und sich die Keilzähne vollständig in die Rohroberfläche eingegraben haben,
Fig. 20 eine Teil-Schnittseitenansicht des erfindungsgemäßen Rohrhaltemechanismus gemäß der Darstellung von Fig. 16 bei Verwendung bei einem Metallrohr, etwa aus bildsamem Eisen, zur Darstellung eines Keilabstandstücks in der Tasche, um den Keil während des Zusammensetzens und während der ersten Stufe der Keilbetätigungen in der vorderen Stellung zu halten,
Fig. 21, 22 und 23 der Fig. 20 ähnliche Teil-Schnittseitenansichten zur Darstellung der aufeinanderfolgenden Stufen oder Schritte bei der Betätigung des Mechanismus nach den Fig. 17 bis 19 und
Fig. 24 eine der Fig. 4 ähnliche Teilschnittansicht einer Abwandlung des Haltemechanismus, der mit einem Schlitzringtyp der Haltestopfbüchse eingesetzt werden kann.
Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Rohrhaltemechanismusanordnung oder Haltestopfbüchse (oder auch -buchse) 50 vier auf Umfangsabstände verteilte Rohrhaltemechanismen 51 mit Merkmalen nach der Erfindung. Ersichtlicherweise hängt die Zahl der Mechanismen 51 vom Durchmesser des Rohrs ab, an welchem die (auch als Überwurf stück zu bezeichnende) Stopfbüchse (gland) montiert wird. Die vier Rohrmechanismen gemäß Fig. 1 besitzen identische Konstruktion. Zum Zwecke der Verdeutlichung und Beschreibung sind spezifische Einzelheiten nur des unteren Mechanismus gemäß Fig. 1 in den Fig. 2 bis 7 dargestellt und anhand dieser Figuren beschrieben.
Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Beschreibung des Rohrhaltemechanismus 51 die Ausdrücke "vorne", "oben", "hinten" und "unten" lediglich aus Gründen der Definition benutzt werden und aufgrund der Orientierung des Mechanismus 51 gemäß den Fig. 16 bis 23 gewählt sind, um ein besseres Verständnis der aufeinanderfolgenden Betätigung bzw. Betätigungen oder der fortlaufenden Schritte in der Betätigung des Rohrspannkeils, wie er unter Bezugnahnme auf die Fig. 16 bis 23 beschrieben werden soll und dargestellt ist, zu gewährleisten. Es ist somit ersichtlich, daß deshalb, weil die Haltestopfbüchse gemäß Fig. 1 vier der Mechanismen 51 enthält, die Benutzung der Ausdrücke "vorne", "oben" usw. bezüglich der tatsächlichen Positionen der Mechanismen in der Haltestopfbüchse bedeutungslos ist. Weiterhin ist der untere Mechanismus 51 nach den Fig. 1 bis 7 gegenüber dem Mechanismus 51 nach den Fig. 16 bis 23 umgedreht (dargestellt). Gemäß den Fig. 1 bis 4 und 13 umfaßt der Rohrhaltemechanismus 51 ein Keilgehäuse 52 mit einer Vorderwand 53, einer oberen Wand 54 sowie einer Rückwand 55. Die Rückwand ist in drei Sektionen ausgebildet, d.h. (einer Sektion) 55a parallel zur Vorderwand 53 sowie vorwärts und auswärts divergierenden Wandsektionen 55b. Die Wandsektionen 55b und die Vorderwand 53 gehen in Seiten- oder Endwände 60 über. Die Wände 60 liegen im wesentlichen senkrecht zur Vorderwand 53 und parallel zueinander. Die Innenflächen der vorderen und hinteren Wände 53 bzw. 55 sowie der oberen Wand 54 definieren eine Keiltasche 61, die eine der oberen Wand 54 gegenüberliegende offene Unterseite aufweist. Jede der Innenflächen der Endwände 60 weist eine Ausnehmung 62 auf, die in jeder Endwand von der Vorderseite zur Rückseite der Tasche parallel zur oberen Wand 54 verläuft und einem noch zu erläuternden Zweck dient.
Die obere Wand 54 des Gehäuses 52 des Haltemechanismus 51 weist eine mit Innengewinde versehene Schraubenbohrung 63 auf, welche durch die obere Wand verläuft und in der Tasche längs einer Achse senkrecht zur Unterseite der oberen Wand, welche die Oberseite der Tasche definiert, mündet. Eine in die Schraubenbohrung 63 eingesetzte Keilbetätigungsschraube 64 ist drehbar, um das Ende 65 der Betätigungsschraube in die Tasche vorzuschieben. Gemäß den Fig. 13 und 16 bis 23 weist das Ende der Schraube 64 vorzugsweise eine sphärische Endfläche 65 auf. Die Betätigungsschraube weist einen Kopf 70 auf, der vorzugsweise eine begrenzende Torsions- oder Drehmomenttypanordnung bildet, wie sie in der US-PS 4 627 774 (Earl T. Bradley; ausgegeben am 9.12.1986) dargestellt und beschrieben ist. Wie noch näher beschrieben werden wird, ermöglicht der drehmomentbegrenzende Schraubenkopf die Ausübung der gewünschten Größe eines Drehmoments auf die Betätigungsschraube beim Anbau des Rohrhaltemechanismus 51 an einem Rohr. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß auch ein fester Schraubenkopf benutzt werden kann, wobei die Drehmomentbegrenzung durch Drehen bzw. Anziehen der Schraube mittels eines Drehmomentschlüssels erfolgen kann.
In die Gehäusetasche 61 ist ein Rohreinspann- bzw. -spannkeil 71 zum Verspannen gegen die Oberfläche eines Rohrs, an dem die Stopfbüchse 50 angebaut wird, eingesetzt. Der Keil ist in den Fig. 5 bis 7 im einzelnen dargestellt. In den Fig. 5 bis 7 ist der Keil 71 in einer gegenüber der Stellung nach den Fig. 13 und 16 bis 23 umgedrehten Stellung veranschaulicht. Der Keil weist eine untere Rohrangreiffläche 72 auf, an welcher Rohrangreifzähne 73 und 74 geformt sind. Die Unterseite 72 und die Zähne 73 und 74 sind gekrümmt oder bogenförmig zur Anpassung an die Kreisform der Außenfläche eines Rohrs, an dem der Haltemechanismus angebracht wird. Der Keil weist eine Vorderseite oder -fläche 75 sowie Rückseiten 80a und 80b auf, die divergierend von der Rückseite 80a nach vorn schräggestellt sind. Der Keil weist außerdem gegenüberliegende Seiten- oder Endflächen 81 und Endverriegelungs- oder Halteflansche 82 auf. Außerdem weist der Keil eine Oberseite 83 auf.
Aus den Zeichnungen und der Beschreibung geht hervor, daß die Gehäusetasche 61 und der Keil 71 mit Ausnahme der schräggestellten Rückseitenflächen, wie der Keilflächen 80b, im Radial-, Axial- und Umfangsquerschnitt im wesentlichen rechteckig sind. Die Gehäusetasche ist durch im wesentlichen parallele Axial- und Umfangswände festgelegt. Die parallelen End- oder Seitenwände bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 bis 4 enthalten die Ausnehmungen 62, während der Keil 71 bei dieser Ausführungsform mit den Endflanschen 82 versehen ist. Gemäß den Fig. 2 bis 4 besitzt die Gehäusetasche eine deutlich größere Breite als der Keil, so daß der Keil in der Tasche sehr lose bzw. locker sitzt. Gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Zwischenräume zwischen den Seiten des Keils und den die Tasche definierenden Seitenwänden mit einem festen, abscherbaren Material 84 ausgefüllt, das bei der bevorzugten Ausführungsform ein thermoplastischer Kunststoff ist, der in einem heißen und flüssigen Zustand um die Enden des Keils herum in die Tasche eingespritzt oder eingegossen worden ist. Beim Einsetzen des Keils in die Haltestopfbüchse wird das Material 84 in den Hohlraum eingebracht, um den Keil während des Verpackens, des Versands und des Anbaus der Stopfbüchse an einem Rohr in seiner Lage zu halten. Aufgrund seines extrem lockeren Sitzes in der Tasche könnte der Keil aus der Tasche herausfallen, wenn er nicht beispielsweise mittels des abscherbaren Materials vorübergehend in seiner Lage festgehalten wäre. Das abscherbare Material fließt in die Ausnehmungen 62 hinein und um die Flansche 82 herum. Die Ausnehmungen 62 in den Taschenseitenwänden begünstigen das Festhalten des abscherbaren Materials (in seiner Lage) an den Enden des Keils. Die Flansche 82 am Keil unterstützen das Festhalten des Keils in seiner Lage. Diese Funktionen der Ausnehmungen 62 und der Flansche 82 gehen aus Fig. 4 besonders deutlich hervor. Es ist darauf hinzuweisen, daß das abscherbare Material nur während Verpackung, Versand und Anbau des Haltemechanismus wirksam ist. Sobald die Betätigung des Keils mittels der Betätigungsschraube eingeleitet ist, schert das Material ab, und es gibt den Keil für radiale Einwärtsbewegung in Eingriff mit dem Rohr frei. Während das bevorzugte abscherbare Material der thermoplastische Kunststoff ist, können zum vorübergehenden Festhalten des Keils in der Tasche auch andere geeignete Materialien, z.B. ein wärmehärtender Kunststoff, Gummizapfen oder feste Metalle einer niedrigen Scherfestigkeit, die aufgeschmolzen werden können und an der betreffenden Stelle aushärten, wie Blei oder Zink, benutzt werden.
Während der lose Sitz des Keils 71 in der Tasche 61 die Verwendung des abscherbaren Materials zum vorübergehenden Festhalten des Keils ermöglicht, sind mit dem losen Sitz und der sphärischen Form des Betätigungselementes 65 der Schraube 64 noch weitere Vorteile verbunden. Bei ähnlichen, herkömmlichen Vorrichtungen muß das Eingreifelement der Vorrichtung, z.B. der Keil 71, mittels der Winkelorientierung des Gehäuses, etwa des Gehäuses 52 geführt werden bzw. dieser folgen. Wenn somit eine mittels herkömmlicher Vorrichtungen gebildete Rohrverbindung sich während des Zusammensetzens, aber vor dem Angriff an der Rohroberfläche durchbiegt, kann die Berührung mit der Rohroberfläche beeinträchtigt werden. Beispielsweise kann ein Zahn an einem Angreifelement, wie die Zähne 73 und 74 am Keil 71, die ausgelegt sind zum Angreifen an einem Rohr längs einer Linie senkrecht zur Rohroberfläche, die Rohroberfläche nicht einwandfrei erfassen, wenn der Zahn mißausgerichtet ist. Im Gegensatz dazu sind bei dieser Erfindung das sphärische Ende 65 der Betätigungsschraube und der lose Sitz des Keils in der Tasche nach dem Abscheren des Materials 84 vorgesehen, so daß sich der Keil einwandfrei auf die Oberfläche des Rohrs ausrichten kann und eine optimale Berührung bzw. ein optimaler Angriff des Keils am Rohr unter dem zweckmäßigen Winkel gewährleistet wird. Der Keil richtet sich somit unabhängig von der Winkelstellung des Gehäuses automatisch auf die Rohroberfläche aus, so daß die Zähne stets unter dem gleichen Winkel in die Oberfläche eindringen und sich somit keine Minderung der Schubaufnahmefähigkeit des Mechanismus ergibt, wenn sich das Gehäuse unter einem Winkel befindet, der von einer senkrechten Lage zur Rohrachse verschieden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen sehr weiten Bereich von Rohrgrößen einsetzbar, beispielsweise von einem 4 Zoll-Rohr bis zu einem Rohr von 24 Zoll oder mehr Durchmesser (1 Zoll = 2,54 cm). Bei solchen größeren Rohrabmessungen kann es zweckmäßig sein, die radiale Dicke oder Höhe und Länge des Keils und der Gehäusetasche zu minimieren, wie dies in den Fig. 8 bis 12 veranschaulicht ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform sind der Rohrhaltemechanismus und ähnliche Merkmale bzw. Einzelheiten der Bauteile dieses Mechanismus, wie sie in Verbindung mit dem Mechanismus 51 beschrieben sind, mit den gleichen Bezugsziffern (wie vorher) mit einem angehängten Buchstaben "A" bezeichnet. Gemäß den Fig. 8 und 9 weist der Mechanismus 51A eine Tasche 61A mit Ausnehmungen 62A für das Einbringen des abscherbaren Materials längs der sich verjüngenden Rückwandflächen der Tasche auf, wie dies am besten aus Fig. 8 hervorgeht. Der gemäß den Fig. 10 bis 12 in die Tasche 61A eingesetzte Keil 71a weist auf ähnliche Weise in seinen sich verjüngenden bzw. zusammenlaufenden Rückwänden Ausnehmungen 90 auf. Ersichtlicherweise sind beim Keil 71A die beim Keil 71 vorgesehenen Flansche 82 weggelassen und durch die Ausnehmungen 90 ersetzt. Bei der abgewandelten Ausführungsform des Haltemechanismus nach den Fig. 8 bis 12 erfüllen die Ausnehmungen 62A und die Ausnehmungen 90 genau die gleiche Funktion wie die Ausnehmungen 62 in der Tasche und die Flansche 82 am Keil des Mechanismus 51. Wenn der Keil 71A in die Tasche 61A eingesetzt und das abscherbare Material 84 in die Tasche zwischen den Taschen- und den Keilwänden eingebracht wird, fließt dieses Material in die Taschenausnehmungen 62A sowie in die Keilausnehmungen 90, um den Keil während Verpackung, Versand und Anbau des Mechanismus an einem Rohr besser in der Tasche festzuhalten.
Eine bevorzugte Anwendung des Rohrhaltemechanismus 51 gemäß dieser Erfindung ist die als ein Bauteil einer Rohrverbindungs-Haltestopfbüchse, wie im Fall der in Fig. 1 dargestellten Stopfbüchse (gland) 50. Gemäß den Fig. 13 bis 19 dient die Stopfbüchse 50 (bzw. das Überwurfstück) zum Erfassen oder Verspannen eines Endabschnitts eines Rohrs 100 an einer Kupplung 101 des Rohrs mit einer Muffe 102 an einem Rohr 103. Die Muffe weist einen Flansch 104 für die Anbringung des Halters 50 an der Muffe zur Vervollständigung der Kopplung des Rohrs 100 mit dem Rohr 103 auf. Das Zusammensetzen der Kupplung 101 beginnt mit dem Anbau des Halters 50 am Endabschnitt des Rohrs 100. Da der Halter 50 nicht geschlitzt oder geteilt ist, wird er auf das Ende des Rohrs 100 aufgesetzt und auf diesem so weit verschoben, daß das Ende des Rohrs bis zu der in den Fig. 13 und 14 dargestellten Position in die Muffe 102 (teleskopartig) eingeschoben werden kann. Nach dem Aufsetzen des Halters auf das Rohrende wird eine Ringdichtung oder ein Dichtring 105 auf das Rohr aufgesetzt, um innerhalb des Flansches 104 eine Abdichtung zwischen diesem und dem Halter 50 herzustellen. Wenn der Halter auf das Rohrende aufgesetzt ist, befinden sich die Betätigungsschrauben 64 und die Keile 71 in den in den Fig. 4 und 16 dargestellten zurückgezogenen Stellungen. Wie sich am besten aus Fig. 4 ergibt, werden die Keile durch das abscherbare Material 84 in diesen zurückgezogenen Stellungen festgehalten. Wie erwähnt, hält das abscherbare Material die Keile sicher in den zurückgezogenen Stellungen fest, bis die Betätigungsschrauben 64 gedreht werden, um die Keile radial einwärts zu treiben. Während sich Halter und Dichtring am Rohr 100 befinden, wird das Rohr in die Muffe 102 eingeführt, wobei der Dichtring 105, wie in Fig. 13 gezeigt, im Flansch 104 zu liegen kommt. Der Halter 50 wird am Flansch 104 mit Hilfe von Schraubbolzen 110 mit Köpfen 111 befestigt, die an der Fläche des Flansches anliegen. Die Schraubbolzen 110 durchsetzen Bohrungen 112 im Halterring. Auf die Schraubbolzen werden Muttern 113 gegen den Halterring aufgeschraubt, um diesen am Flansch festzuhalten. Wenn der Halter mittels der Schraubbolzen in Richtung auf den Flansch gezogen wird, wird der Dichtring 105 innerhalb des Flansches um das Rohr 100 herum in eine Abdichtungsbeziehung gedrängt.
Wenn sich der Halter 50 am Rohr 100 befindet und am Muffenflansch 104 angebracht ist, wie dies in den Fig. 13, 14 und 16 dargestellt ist, und dabei die Keile 71 und die Schrauben 64 gemäß Fig. 16 zurückgezogen sind, werden die Rohrhaltemechanismen 51 zum Erfassen bzw. Verspannen des Rohrs 100 betätigt. Wenn sich die Keile 71 in ihren anfänglichen zurückgezogenen Stellungen gemäß Fig. 16 befinden, ist die Schraubenachse 114 vom Keilzahn 73 in Richtung auf die Rückwand 52 der Gehäusetasche beabstandet. Diese Relativstellungen von Betätigungsschraube und Keilzahn 73 gewährleisten einen Hebelarm um den Keilzahn 73 herum, gemessen durch den Abstand zwischen der Schraubenachse 114 und einer mit dem Zahn 73 fluchtenden Linie 115 (vgl. Fig. 16). Der erste Schritt des Angreifenlassens der Keile 71 an der Oberfläche des Rohrs 100 beginnt dann mit dem Drehen der Betätigungsschraube 64 mittels eines am Schraubenkopf 70 angesetzten Schraubenschlüssels. Die Schraube wird dabei gemäß Fig. 16 abwärts in die Gehäusetasche hineingedreht, wie dies aus Fig. 17 hervorgeht. Durch die Schraube 64 wird über ihr sphärisches Ende 65 eine radial abwärts gerichtete Kraft auf die Oberseite des Keils 71 ausgeübt, wodurch das Material 64 abgeschert, der Keil freigegeben und anschließend der Keil nach unten gedrückt wird. Wenn der Zahn 73 an der Rohroberfläche angreift, wirkt die Abwärtskraft des Schraubenendes auf den Keil ein, wodurch eine Drehkraft mit einem Hebelarm (moment arm), gemessen durch den Abstand zwischen der Achse der Schraube und dem Zahn 73, wie in Fig. 16 zwischen den Linien 114 und 115 dargestellt, erzeugt wird. Die Schraube wird betätigt, um den Keil in Richtung auf die Rückseite der Tasche in die Stellung gemäß Fig. 17 zu drehen, in welcher die untere hintere Ecke 71a des Keils an der Rohroberfläche angreift, während der Zahn 73 gemäß Fig. 17 zur Vorderseite der Tasche hin an der Rohroberfläche angreift. Wenn die untere hintere Ecke 71a des Keils an der Rohroberfläche angreift, beginnt der Zahn 73 in die Rohroberfläche einzustechen. Mit diesem ersten Schritt des Angreifens des Keils an der Rohroberfläche über die Betätigungsschraube beginnt das anfängliche teilweise Einstechen der Keilzähne in die Rohroberfläche, doch kann wegen der Länge der Zähne der Keil mittels der Schraube allein nicht vollständig in Eingriff gebracht werden. Ohne eine übermäßige Durchbiegung oder eine allgemeine Eindrückung der Rohroberfläche kann auf die Schraube keine ausreichend große radiale Kraft zum Einstechenlassen der Zähne ausgeübt werden. Der drehmomentbegrenzende Schraubenkopf 70 steuert oder kontrolliert dabei die Größe des auf die Schraube ausübbaren Drehmoments, wobei ein Schraubenkopf gewählt ist oder wird, um das Drehmoment auf eine Größe zu begrenzen, bei welcher das Rohr nicht beschädigt wird Wird kein drehmomentbegrenzender Schraubenkopf verwendet, kann ein Drehmomentschlüssel benutzt werden, um die Größe des auf die Schraube ausgeübten Drehmoments zu begrenzen. Ein anderer, diese erste Stufe des Abwärtstreibens des Keils gegen das Rohrs beeinflussender Faktor ist die Vorstandsgröße des Schraubenendes 65 in der Gehäusetasche. Dies stellt einen Faktor bei der Konstruktion oder Auslegung des Mechanismus dar, durch den bestimmt wird, wie weit sich die Schraube bewegen muß, um den Keil abwärts in die Stellung gemäß Fig. 17 zu treiben, in welcher das anfängliche Einstechen des Keilzahns 73 einsetzt.
In diesem ersten Schritt wird die Kupplung ausreichend oder zweckmäßig eingestellt, damit das Rohr den Innendruck auszuhalten vermag. Die zweiten und dritten Stufen oder Schritte des Angreifens des Keils an der Rohroberfläche erfolgen sodann mit dem im Rohr herrschenden Hydraulikdruck, der bestrebt ist, das Rohr gemäß den Fig. 16 bis 19 nach links von der Muffe wegzudrücken. Wenn der anfängliche Eingriff oder Angriff des Zahns 73 und der unteren hinteren Ecke 71a des Keils hergestellt ist, beginnt der zweite Schritt des Verspannens des Rohrs mit dem Keil als eine Verkeilungswirkung zwischen der Schraube und dem Keil. Gemäß Fig. 17 ist die Oberseite des Keils 71 zu seiner Rückseite hin abwärts geneigt, so daß sie eine schräge oder schiefe Ebene mit dem Ende 65 der Betätigungsschraube 65 bildet. In dieser Stufe der Bewegung oder Verschiebung des Keils sind die Rückflächen 80a und 80b des Keils immer noch in Vorwärtsrichtung von den Rückwänden der Tasche beabstandet. Der Zahn 73 des Keils sticht dabei in die Rohroberfläche ein. Der im Rohr herrschende Hydraulikdruck erhöht sich bzw. wird erhöht; während dabei der Zahn 73 in die Rohroberfläche einsticht, wird der Keil durch das sich verschiebene Rohr mit einer Verkeilungswirkung, die zwischen dem sphärischen Ende 65 der Schraube und der schrägen Oberseite des Keils auftritt, in Richtung auf die Rückseite der Tasche gedrängt. Während der Hydraulikdruck das Rohr 100 nach links zwingt und dabei der Keil vom Rohr mitgenommen wird, und weil das sphärisches Ende 65 der Betätigungsschraube sich nicht aufwärts bewegen kann, wird durch die durch das Schraubenende auf den Keil ausgeübte Verkeilungswirkung der Keil weiter abwärts in das Rohr getrieben, wobei die Zähne 73 und 74 in die Rohroberfläche einstechen. Diese Verkeilungswirkung und das fortgesetzte Einstechen der Keilzähne in die Rohroberfläche dauern an, während das Rohr den Keil zur Rückwand der Tasche zieht. Gemäß Fig. 17 legt sich der Keil zuerst an der oberen hinteren Ecke 71b an die Rückwand der Tasche an. Diese zweite Stufe des Angreifenlassens des Keils kann mit einem mäßigen inneren Hydraulikdruck bewerkstelligt werden. Da die Verkeilungswirkung in Verbindung mit den hydrostatischen Kräften eine außerordentlich große radiale Kraft erzeugt, muß die Verkeilung streng gesteuert bzw. kontrolliert werden. Diese Kontrolle erfolgt durch Begrenzung der Strecke, über welche diese Wirkung stattfinden kann. Bei der Rückwärtsverschiebung des Keils stechen die Zähne weiter ein, wobei eine geringfügige Drehung des Keils auftritt. Wenn sich die obere hintere Ecke 71b des Keils an die Taschen-Rückwand anlegt, ist oder wird die Verkeilungswirkung beendet. Bei den Ausführungsformen der Erfindung für Anwendung auf PVC-Rohr, bei dem die für das Einstechen der Zähne erforderliche Kraft vergleichsweise klein ist, ist oder wird der Mechanismus zur Gewährleistung einer kurzen Bewegungsstrecke des Keils, innerhalb welcher die Verkeilungswirkung mittels der Schraube auftritt, ausgelegt. Dies ist die Strecke zwischen der Stellung des Keils, in welcher die Schraube den Keil in eine Position gedreht hat, in welcher die untere hintere Ecke 71a am Rohr angreift, und der Stellung, in welcher sich die obere hintere Ecke 71b des Keils an die Rückwand der Tasche anlegt. Indem dieser Abstand bzw. diese Strecke klein gewählt wird, wird die Verkeilungswirkung bei einem niedrigen Druck erreicht. Dieser Abstand bzw. diese Strecke variiert jedoch selbstverständlich in Abhändigkeit von der Härte des zu verspannenden Rohrs. Im Fall von PVC-Rohr hat es sich gezeigt, daß dieser Abstand bzw. diese Strecke etwa 1/16 Zoll beträgt.
Die dritte und letzte Stufe des Angreifenlassens der Keile 71 an der Oberfläche des Rohrs 100 wird mittels einer noch weiteren Erhöhung des hydrostatischen Drucks im Rohr an der Rohrkupplung durchgeführt. Wie erwähnt, ist oder wird die Verkeilungswirkung vollständig erreicht, wenn sich die obere hintere Ecke 71b des Keils an die Rückwand der Tasche anlegt (vgl. Fig. 18). In dieser Stufe kann der vordere Zahn 74 an der Rohroberfläche angreifen oder nicht angreifen. Wenn die beiden Zähne des Keils nicht vollständig in das Rohr einstehen, während die obere Ecke des Keils an der Rückwand der Tasche anliegt, kann der Keil durch Erhöhung des hydrostatischen Drucks weiter gemäß Fig. 18 im Uhrzeigersinn verdreht werden. Mit der Zunahme des hydrostatischen Drucks erhöht sich auch der auf das Rohr 100 ausgeübte axiale Schub. Während die Zähne in die Rohroberfläche einstechen, bewirkt die durch das Rohr auf die Zähne ausgeübte Kraft, daß der Keil sich um die obere hintere Ecke 71b aus der Stellung gemäß Fig. 18 in die endgültige, voll anliegende Stellung gemäß Fig. 19 dreht oder verdreht. Die durch das Rohr auf den Keil ausgeübte Kraft, während der Keil an der Rückwand der Tasche anliegt, bewirkt, daß sich der Keil mit einer Drehbewegung abwärts in die Stellung gemäß Fig. 19 bewegt oder verschiebt, in welche die Zähne vollständig in die Rohroberfläche eingreifen (einstechen) und die Unterseite des Keils auf der Rohroberfläche aufliegt. Dabei befindet sich die Rückseite des Keils in (voller) Anlage an der Rückseite der Tasche. Die obere hintere Ecke des Keils stellt dabei nicht länger eine Schwenkachse für den Keil dar. Eine etwaige weitere Kraft am Keil mit einer Tendenz zum Verdrehen des Keils entwickelt sich um die untere Ecke 52c der Rückwand des Gehäuses. Das durch den axialen Schub am Keil erzeugte Moment, multipliziert mit dem Abstand zum Schwenkpunkt an der oberen Ecke 71b des Keils, ist nunmehr auf den axialen Schub, multipliziert mit der Strecke zwischen der Rohroberfläche, reduziert worden, während bzw. da die Kraft auf die Keilzähne und die untere Ecke 52c des Gehäuses einwirkt, wodurch die radiale Kraft des Keils gegen das Gehäuse stark herabgesetzt wird, sobald der Keil vollständig an der Oberfläche des Rohrs angesetzt ist. Dies gewährleistet einen besonderen Vorteil im Einsatz des erfindungsgemäßen Mechanismus insofern, als fortgesetzte Erhöhungen des hydrostatischen Drucks im Rohr nicht unmittelbar zu entsprechenden Erhöhungen der radialen Kraft des Keils gegen das Rohr führen, so daß das Rohr vor übermäßiger Eindrückung und auch vor einem Bruch des Halterkörpers, welcher die Haltemechanismen um das Rohr herum festhält, geschützt ist. Bei Anwendung der bevorzugten Ausführungsform auf ein 12 Zoll-PVC-Rohr mit einem Außendurchmesser von 13,20 Zoll betrugen das reduzierte Moment und die entsprechend reduzierte radiale Kraft nur 10 % der ursprünglich durch den Keil auf das Rohr ausgeübten Kraft. Bei Verwendung an einem 12 Zoll-PVC-Rohr eines Außendurchmessers von 12,75 Zoll war die Radialkraft auf 37 % des ursprünglichen Werts reduziert. Die Oberseite des Keils liegt nicht länger am unteren Ende der Schraube an, und der Keil ist dabei in der Tasche lose bzw. locker eingeschlossen. Dies ermöglicht fortgesetzte Erhöhungen des Drucks im Rohr ohne entsprechende Beschädigung des Rohrs und der Halteranordnung.
In Versuchsdrucktests an 12 Zoll-Rohr hielt der Rohrhaltemechanismus Drücke aus, die deutlich über dem geforderten Mindestberstdruck gemäß DR 18 und DR 25 AWWA C900 sowie American Society for Testing Materials (ASTM), Standard 2241, SDR 21, IPS-Rohr, lagen. Die 12 Zoll-Vorrichtung ist auch an Rohr getestet worden, das entsprechend der American Water Works Association (AWWA) Standard C900, DR 18-Rohr auf einen Außendurchmesser von 12,75 Zoll und ein Dimensionsverhältnis von etwa DR 25 bearbeitet bzw. hergestellt worden ist.
Die Größe des Rohrs 100, an dem eine gegebene Rohrhaltemechanismusanordnung 50 angebracht wird, kann gewisse Durchmesserabweichungen aufweisen. Bei größerem Durchmesser des Rohrs, an dem die Anordnung angebracht wird, brauchen ersichtlicherweise der Keil 71 und die Betätigungsschrauben 64 in Radialrichtung nicht so weit einwärts bewegt werden, wie bei kleineren Rohr-Größen. Zur Anpassung an größere Rohr- Abmessungen unter Begrenzung der Einwärtsbewegung der Betätigungsschrauben kann ein Abstandstück, wie das Abstandstück 116 gemäß Fig. 1, auf den Schraubenschaft aufgesetzt werden, um die Strecke zu begrenzen, über welche die Schraube gedreht werden kann, um ihr unteres Ende gegen den Keil in die Gehäusetasche vorzuschieben. Aufgrund anderer Faktoren, wie zweckmäßige Abmessung des Anordnungsgehäuses für einwandfreies Festhalten der Ringdichtung 105 in ihrer Lage im Muffenflansch 104, können ersichtlicherweise durch Verwendung eines Abstandstücks nur vergleichsweise kleine Differenzen in den Rohrabmessungen ausgeglichen werden.
Obgleich der vorstehend beschriebene und in den Fig. 1 bis 19 dargestellte Mechanismus gemäß der Erfindung hauptsächlich für die Verwendung bei PVC-Rohr vorgesehen ist, kann er auch bei Metallrohren, z.B. aus bildsamem Eisen, eingesetzt werden. Eine Rohrkupplung mit solchen härteren Werkstoffen vermag mit höheren Innendrücken zu arbeiten und erfordert eine größere Kraft für das zweckmäßige Einstechen der Keilzähne in die Rohroberfläche. Für Anpassung an Werkstoffe, wie bildsames Eisen (ductile iron), wird der Mechanismus gemäß der Erfindung auf die in den Fig. 20 bis 23 dargestellte Weise abgewandelt, welche Figuren die Verwendung eines Rohrhaltemechanismus 51B zeigen, welcher dem Mechanismus 51 entspricht, jedoch mit Ausnahme einer Abwandlung der Beziehung zwischen dem Maß von Vorder- zu Hinterseite des Keils und dem Maß von Vorder- zu Hinterseite der Gehäusetasche. Der Mechanismus 51B enthält einen Keil 71B und ein Keilabstandstück 120. Die Strecke in der Tasche von Vorder- zu Rückwand ist (dabei) erheblich größer, um eine größere Bewegung des Keils 71B während der zweiten und dritten Stufen des Angreifenlassens des Keils an der Rohroberfläche zu gestatten. Der Keil 71B wird mittels des abscherbaren Materials 84 in seiner Lage in der Gehäusetasche festgehalten. Außerdem ist das Abstandstück 120 aus einem Werkstoff, der bei Einwirkung einer Druckkraft bricht, zwischen die Rückwände des Keils und der Tasche eingesetzt, um während Verpackung, Versand und Einbau den vergrößerten Zwischenraum zwischen dem Keil und der Rückseite der Tasche auszufüllen. Das Abstandstück 120 kann aus einem Werkstoff geformt sein, der dem des abscherbaren Materials 84 ähnlich oder gleich ist. Die Betätigung des Mechanismus 51B an einem Rohr aus bildsamem Eisen (Weicheisen) entspricht der Folge der Betätigungsschritte, die anhand der Fig. 16 bis 19 beschrieben worden sind. Nachdem ein Halter mit den modifizierten Mechanismen 51B am Rohr 100B aus bildsamem Eisen angebracht worden ist, werden die Betätigungsschrauben 64 gedreht, um sie in die Gehäusetasche vorzuschieben. Gemäß Fig. 20 verdrehen dabei die Betätigungsschrauben die Keile entgegen dem Uhrzeigersinn, wodurch das Abstandstück 120 zerdrückt und der Keil freigegeben wird, so daß er sich abwärts zur Rückseite der Tasche in die Stellung gemäß Fig. 21 drehen kann, in welcher die untere Eckkante des Abstandstücks (vermutlich: des Keils) an der Rohroberfläche angreift und der Keilzahn 73B in die Rohroberfläche einzudringen beginnt. Der Hydraulikdruck im Rohr wird erhöht, was zu einer Linksverschiebung des Rohrs gemäß Fig. 21 führt. Aufgrund des Eingriffs des Zahns 73B in die Rohroberfläche wird der Keil 71B längs der Tasche zu deren Rückseite hin geschleppt bzw. mitgenommen. Durch die Verkeilungswirkung mit dem unteren Ende der Betätigungsschraube verdreht sich der Keil im Uhrzeigersinn, wobei die Zähne 73B und 74B weiter in die Rohroberfläche einstechen. Wenn die obere hintere Ecke des Keils an der Rückwand der Tasche anstößt, wird oder ist die Verkeilungswirkung beendet, und die durch das Rohr auf die Zähne des Keils ausgeübte Kraft verdreht den Keil weiter im Uhrzeigersinn um die obere hintere Ecke des Keils als Drehachse herum, bis sich die Zähne vollständig in die Rohroberfläche eingegraben haben und die Rückseite des Keils an der Rückseite der Tasche anliegt (vgl. Fig. 23). Die Betätigung des Mechanismus 51B im Fall eines Rohrs aus bildsamem Eisen ist somit im wesentlichen die gleiche wie bei PVC-Rohr, mit Ausnahme der größeren Bewegungsstrecke der Keile, um den Mechanismus an die von Rohr aus bildsamem Eisen führbaren höheren Drücke anzupassen und größere Radialkräfte abwärts auf die Keile auszuüben und damit sich die Zähne der Keile sicher in die Oberfläche des Rohrs aus bildsamem Eisen eingraben zu lassen.
Obgleich die dargestellte und beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Betätigungsschraube 64 verwendet, kann eine in Fig. 23 dargestellte abgewandelte Ausführungsform in den Fällen verwendet werden, in denen der erfindungsgemäße Mechanismus auf eine Schlitzring-Haltestopfbüchse angewandt wird, einschließlich der Anwendungsfälle, in denen ein (sogenanntes) Geschirr verwendet wird (vgl. US-PS 4 568 112; erteilt für Earl C. Bradley, et al., 4.2.1986). In Fig. 24 sind die dem Mechanismus gemäß Fig. 4 entsprechenden Merkmale oder Einzelheiten mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 4, zuzüglich eines angehängten Buchstaben "C" bezeichnet. Beim abgewandelten Mechanismus 51C ist die Betätigungsschraube 64 weggelassen, und die obere Gehäuse-Wand 54 ist so abgewandelt worden, daß sie einen kalottenförmigen oder sphärischen Vorsprung 64C aufweist, der am Keil 71A angreift und die gleiche Kraftausübung auf den Keil herbeiführt, wie sie durch das Ende der Betätigungsschraube 64 ausgeübt wird. Eine weitere Abwandlung in der Beziehung zwischen Keil und Keilgehäuse ist das Vorsehen eines zusätzlichen Zwischenraums zwischen dem Keil und der oberen Wand 54C des Gehäuses, um eine gewisse Schwenkbewegung des Keils gegenüber dem Vorsprung zuzulassen, so daß sich der Keil, wenn er sich am Rohr anlegt, ohne weiteres selbst gegenüber der Rohroberfläche auszurichten vermag. Ersichtlicherweise werden die Keile, die im Mechanismus 51C in einer Schlitzringform oder geteilten Ringform der Haltestopfbüchse vorgesehen sind, gegen das Rohr gedrängt bzw. an dieses angepreßt, wenn die beiden Ringe (Ringhälften) der Stopfbüchse gegeneinandergezogen werden, beispielweise beim Anziehen der Schraubbolzen 32 gemäß Fig. 5 der US-PS 4 568 112. Wenn die Ringe mittels der Schraubbolzen zusammengedrängt werden, treibt der Vorsprung 64A den Keil auf die gleiche Weise wie das Ende der Betätigungsschraube 64 gegen die Rohroberfläche. Die mittels des Innendrucks induzierten Schritte des vollständigen Ansetzens des Keils gegen das Rohr finden auf die gleiche Weise wie bei den anderen Ausführungsformen 51A und 51B des Mechanismus statt.
Der erfindungsgemäße Mechanismus ist ohne weiteres an einen weiten Bereich von Rohrabmessungen und eine Vielfalt von Formen von Rohrkupplungsvorrichtungen anpaßbar, wie mechanische Verbindungs-Stopfbüchsen, Flansche, Steckrohrmuffen, (sogenannte) Geschirre und andere Haltevorrichtungen zum Halten von Kunststoff- und/oder Metallrohr gegeneinander und zum Halten verschiedener Rohranschlüsse mit Kunststoff- oder Metallrohr. Wie vorher erwähnt, besitzt der Mechanismus die Fähigkeit zum Erzeugen der nötigen Rillen für die Aufnahme hoher Drücke in Rohr aus PVC und Metall, wie bildsamem Eisen, wobei nach der Ausbildung der Rillen die radiale Kraft, die für das Formen der Rillen erforderlich war, auf einen absoluten Mindestwert zum Festhalten des Rohrs in einer Kupplung reduziert wird. Die Zähne der Keile ruhen bzw. liegen in den Rohrrillen mit einem Mindestmaß an Radialkraft im Vergleich zu der für die Ausbildung der Rillen erforderlichen radialen Kraft. Das Ergebnis ist analog zur Ausbildung der Rillen auf einer Drehbank mit anschließendem losen Einsetzen eines Eingreif- oder Verriegelungselements in die Rillen, etwa entsprechend den Keilzähnen gemäß der Erfindung. Hierdurch wird die mechanische Spannung in der Stopfbüchse oder im Halterring, in die bzw. den die erfindungsgemäßen Mechanismen eingebaut sind, verringert, so daß die Festigkeit der Rohrwandung und des Rings, um axialem Schub und Innendruck widerstehen zu können, erhalten bleibt. In einem Einsatzbeispiel der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mechanismus können in einem PVC-Rohr an 8 Stellen um ein 12 Zoll- Rohr und an 16 Stellen beim 24 Zoll-Rohr herum je zwei 0,08 Zoll tiefe und 3 Zoll lange Rillen geformt werden.

Claims

1. Rohrhaltemechanismus zum Einspannen der äußeren Oberfläche eines Rohrs (100) an einer Verbindung zwischen dem genannten Rohr und einem anderen Element, umfassend:

ein Keilgehäuse (52), das ein Mittel zum Halten des genannten Keilgehäuses (52) an einer Rohroberfläche (100) aufweist, wobei das genannte Keilgehäuse (52) eine Keiltasche (61) hat, die eine im Einsatz zu einer Rohroberfläche hin offenen Unterseite, eine vordere Wand (53), eine hintere Wand (55) und eine obere Wand (54) aufweist;

einen Rohreinspannkeil (71), der in der genannten Tasche (61) zur radialen Bewegung zum Eingriff in die genannte Rohroberfläche (100) angeordnet ist, wobei der genannte Keil (71) eine obere Fläche (83), eine der genannten hinteren Wand (55) gegenüberliegende hintere Fläche (80a), eine untere Fläche (72) und mindestens einen Rohreinspannzahn (73) zum Eingreifen in die genannte Rohroberfläche aufweist;

ein Keilbetätigungsmittel (64), das sich in dem genannten Gehäuse (52) befindet und sich von der genannten oberen Wand entlang einer Längsachse in die genannte Tasche (61) erstreckt um in den genannten Keil (71) einzugreifen und ihn gegen eine Rohroberfläche (100) zu treiben, wobei der genannte Keil (71) in der genannten Tasche (61) frei ist, um sich im Verhältnis zu dem genannten Keilbetätigungsmittel und der genannten Tasche (61) zu drehen; ferner umfassend, daß der genannte mindescens eine Zahn (73) aus der genannten unteren Fläche (72) herausragt, die untere Fläche eine Anschlagfläche zum Beschränken des Eindringens des genannten mindestens einen Zahns in das Rohr definiert, der Keil eine untere hintere Ecke (71a) hat, der genannte mindestens eine Zahn in größerem Abstand zu der genannten hinteren Fläche (80a) des genannten Keils angeordnet ist als die genannte Längsachse, entlang der sich das Betätigungsmittel (64) erstreckt, so daß beim Ausfahren des Betätigungsmittels (64) bewirkt wird, daß sich der Keil in einer Richtung um den mindestens einen Zahn (73) auf eine erste Position dreht, in der die hintere Fläche (80a) von der genannten oberen Wand (54) wegbewegt wurde, um die genannte hintere Ecke mit der Rohroberfläche in Berührung zu bringen, der genannte eine Zahn (73) teilweise in das genannte Rohr gedrückt wurde und die genannte obere Fläche (83) im Verhältnis zum Betätigungsmittel (64) geneigt wurde, um eine Keiloberfläche zu definieren, so daß der Keil (71) bei axialer Verschiebung des Rohrs in Reaktion auf Rohrinnendruck im Verhältnis zu dem Betätigungsmittel (64) axial bewegt wird und die obere Fläche (83) und das Betätigungsmittel (64) durch einen Verkeilungsvorgang zusammenwirken, um zu bewirken, daß der Keil (71) um die genannte hintere Ecke (71a) in eine der genannten Richtung entgegengesetzte Richtung auf eine zweite Position gedreht wird, in der der genannte eine Zahn (73) ganz in das genannte Rohr gedrückt wird und die genannte untere Keilfläche (72) auf dem genannten Rohr aufsitzt, um das Eindringen des genannten Zahns in das genannte Rohr zu beschränken.

2. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 1, bei dem die genannte obere Wand (54) und die genannte hintere Wand (55) im wesentlichen senkrecht sind, um eine Oberseite und eine Rückseite der genannten Tasche (61) zu definieren.

3. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 2, bei dem der genannte Keil (71) lose in der genannten Tasche (61) sitzt, so daß seine hintere Fläche (80a) in die genannte hintere Wand (55) eingreifen kann, wobei die obere Fläche (83) im wesentlichen senkrecht zu der genannten hinteren Fläche (80a) ist und der genannte mindestens eine in die Rohroberfläche eingreifende Zahn (73, 74) quer über die untere Fläche (72) im wesentlichen parallel zu der genannten hinteren Fläche (80a) des genannten Keils (71) ist.

4. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 2, bei dem der genannte Keil eine obere hintere Ecke (71b) hat, die zur hinteren Wand (55) hin bewegt wird, wenn der Keil in seine erste Position bewegt wird, wobei die genannte hintere Ecke (71b) mit der hinteren Wand (55) zusammenwirkt, um zu bewirken, daß der Keil (71) weiter in der genannten entgegengesetzten Richtung auf die genannte zweite Position gedreht wird.

5. Rohrhaltemechanismus nach den Ansprüchen 1 - 4, bei dem die genannte untere Fläche (72) im wesentlichen parallel zur genannten äußeren Oberfläche des genannten Rohrs (100) ist.

6. Rohrhaltemechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der genannte Keil (71) quer über die genannte untere Fläche (72) des genannten Keils (71) zwei mit Zwischenraum angeordnete Zähne (73, 74) aufweist.

7. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 6, bei dem ein erster der genannten Zähne (74) entlang einer unteren Vorderkante des genannten Keils (71) angeordnet ist und ein zweiter der genannten Zähne (73) zwischen dem genannten ersten Zahn (74) und einer Kreuzungslinie der genannten Achse des genannten Betätigungsmittels (64) und des genannten Keils (71) quer über die genannte untere Fläche hin zur genannten hinteren Fläche (80a) des genannten Keils (71) positioniert ist, um einen Drehmomentarm für den genannten Keil (71) vorzusehen, wenn das genannte Betätigungsmittel (64) mit der genannten oberen Fläche (83) des genannten Keils (71) in Eingriff kommt.

8. Rohrhaltemechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das genannte Betätigungsmittel (64) ein gerundetes unteres Ende (65) hat, das in die genannte obere Fläche (83) des genannten Keils (71) eingreifen kann.

9. Rohrhaltemechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der genannte Keil (71) der Oberfläche eines zylindrischen Rohrs (100) entsprechend gebogen ist.

10. Rohrhaltemechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der genannte Keil (71) eine Oberflächenstruktur (62) zum lösbaren Halten des genannten Keils (71) in der genannten Tasche (61) hat, wenn eine scherbare Masse (84) in die genannte Tasche (61) um die Enden des genannten Keils (71) eingespritzt wird, um den genannten Keil (71) in der genannten Tasche (61) zu halten, bis das Betätigungsmittel (64) betätigt wird.

11. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 10, bei dem die Oberflächenstruktur des genannten Keils (71) einen aus jedem Ende des genannten Keils (71) herausragenden Flansch (82) aufweist.

12. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 10, bei dem die Oberflächenstruktur einen Hohlraum (62) in jedem Ende des genannten Keils (71) aufweist.

13. Rohrhaltemechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Verwendung an Metallrohr, der einen brechbaren Abstandshalter (120) in der genannten Tasche (61) zwischen der hinteren Wand (53) der genannten Tasche (61) und der hinteren Fläche (80a) des genannten Keils (71) als Hilfe zum Halten des genannten Keils (71) in der genannten Tasche (61), bis das genannte Betätigungsmittel (64) betätigt wird, und um während des Verkeilungsvorgangs mit dem genannten Betätigungsmittel (64) einen größeren Hub des genannten Keils (71) zuzulassen, aufweist.

14. Rohrhaltemechanismus-Baugruppe, die eine Mehrzahl von Rohrhaltemechanismen gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist, wobei die genannten Rohrhaltemechanismen mit Abstand zueinander in Umfangsanordnung in einer kreisförmigen Konfiguration zum Positionieren um das genannte Rohr (100) zum Eingreifen in das genannte Rohr (100) und zum Festhalten dessen gegen eine Längsbewegung von einem benachbarten Element weg vorgesehen sind, das durch die genannte Baugruppe mit dem genannten Rohr (100) verbunden ist.

15. Rohrhaltemechanismus-Baugruppe nach Anspruch 14, bei der die genannten Rohrhaltemechanismen Bestandteile einer segmentierten Rohrverbindungsstopfbuchse sind.

16. Rohrhaltemechanismus-Baugruppe nach Anspruch 14, bei dem die genannten Rohrhaltemechanismen Teile einer aus einer Gruppe bestehend aus mechanischen Stopfbüchsen, Flangen, Steckrohrmuffen, Geschirren und Haltevorrichtungen für Kunststoff- und Metallrohre ausgewählten Kupplung sind.

17. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 1, bei dem das genannte Keilgehäuse (52) ein das Rohr umgebender Ring ist, der eine Mehrzahl der genannten Keile (71) aufweist, die mit Abstand zueinander in Umfangsanordnung um den genannten Ring herum montiert sind.

18. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 17, bei dem der genannte Keil (71) in jeder Gehäusetasche (61) lose in der genannten Tasche (61) angeordnet ist und das genannte Betätigungsmittel (64) ein kugelförmiges unteres Ende hat, wodurch der genannte Keil (71) am genannten Rohr (100) selbstausrichtend ist, wenn der genannte Keil (71) in das genannte Rohr (100) getrieben wird.

19. Rohrhaltemechanismus nach einem der Ansprüche 1 - 18, bei dem das genannte Keilbetätigungsmittel (64) eine Betätigungsschraube (64) in der oberen Wand (54) des genannten Gehäuses (52) ist.

20. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 19, bei dem die genannte Betätigungsschraube (64) einen Drehmomentbegrenzungskopf (70) hat.

21. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 19 oder 20, bei dem an der genannten Betätigungsschraube (64) zwischen dem genannten Kopf (70) und der genannten oberen Wand (54) des Gehäuses ein Abstandshalter (116) zum Begrenzen des Hubs des nach innen gerichteten Endes der genannten Betätigungsschraube (64) in die genannte Tasche (61) vorgesehen ist, um den genannten Mechanismus auf verschiedene Rohrgrößen (100) einzustellen.

22. Rohrhaltemechanismus nach einem der Ansprüche 1 - 18, bei dem das genannte Keilbetätigungsmittel (64) eine Protuberanz in dem genannten Gehäuse ist, die sich von der oberen Wand (54) der genannten Tasche (61) in den oberen Bereich der genannten Tasche (61) erstreckt, um in den genannten Keil (71) einzugreifen und den genannten Keilzahn (73) in das genannte Rohr (100) zu treiben, wenn das genannte Keilgehäuse (52) zum genannten Rohr (100) hin gedrückt wird.

23. Rohrhaltemechanismus nach Anspruch 1, bei dem ein Mittel zum Verbinden des genannten Keilgehäuses (52) mit einem anderen Element zum Halten des genannten Keilgehäuses (52) im Verhältnis zu einem von dem genannten Mechanismus eingespannten Rohr vorgesehen ist, wobei die Unterseite der genannten Keiltasche zum genannten Rohr hin offen ist.