專利名稱：彈性充氣式囊袋,組合和將充氣式囊袋附設于支承結構之方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及強化復合結構連接系統(tǒng)，可連接于其他類似材料或各種支承結構。本發(fā)明尤指充氣式囊袋設計。本發(fā)明另一方面涉及水壩溢洪道之堰頂閘門系統(tǒng)所用充氣式囊袋，例如其中一個或更多的剛性閘門是可樞動地附設在溢洪道結構頂部，并可借囊袋充氣而移至上升位置，并用于不利用可樞動地附設的鑲板的充氣式水壩。
充氣式囊袋已知用于水壩溢洪道樞轉安裝的堰頂閘門鑲板之下游側，以控制堰頂閘門后面的水高度。這種系統(tǒng)例如在美國專利4 780 024和5 092707號中說明，在此列入?yún)⒖肌?br>
在已知堰頂閘門系統(tǒng)中，充氣式囊袋包含一邊部，利用螺栓栓緊于溢洪道的夾件固定在水壩溢洪道的上表面。
在已知橡膠水壩中，充氣式隔膜利用螺栓栓緊于溢洪道的一排或多排夾件，固定于溢洪道。這類系統(tǒng)例如在美國專利4299514，4330224，4498810，4836713，4909666，5067851，5318381號中有說明。
現(xiàn)有技術的夾持機構適用于局限高度的系統(tǒng)，對于受到較大負荷的較高系統(tǒng)則效果不佳或不經(jīng)濟。高負荷需要多層的強化物。已知的夾持機構將剪力負荷從內(nèi)層強化物，經(jīng)外層強化物傳至夾持系統(tǒng)，以致在強化膜的外層有不成比例的高剪力負荷。此外，現(xiàn)有技術依賴固定螺栓，將受夾持膜施與的剪力負荷全部或部分，帶到諸如混凝土溢洪道等支承結構。這導致在固定螺栓進入混凝土結構之處，有高的固定螺栓應力和混凝土中的集中負荷。在現(xiàn)有技術的設計中，隨時間變化之變形(蠕變或壓縮變形)有減少將隔膜彼此密封和密封于結構的夾力之傾向，導致泄漏或需定期再鎖緊螺栓。大多數(shù)現(xiàn)有技術的夾持系統(tǒng)有賴改變受夾持膜與夾持系統(tǒng)元件間的摩擦程度。
按照本發(fā)明，提供了一種改進充氣式囊袋系統(tǒng)，其中囊袋包括充氣式封袋，具有楔形的相對邊部。在較佳實施例中，囊袋包括多個方向性強化彈性片材，彼此重疊，而邊部包含多個三角形楔，結合在強化層間。
在一實施例中，楔可包括剛性楔，相對表面粘結于強化層。在另一變型中，楔可包括彈料楔，相對表面粘結于強化層。
楔最好插入全部相鄰的強化層間，也可粘結于強化表面層的外面。
邊部最好為互補形狀，彼此相頂設置時，形成密封邊，套合夾持系統(tǒng)的內(nèi)側。當邊部彼此相頂設置，并且固定于支承表面或結構中之凹部或凹溝內(nèi)時，邊部則牢靠固定成使附著力大約等于囊袋強化層的內(nèi)部強度。
在一實施例中，囊袋是固定在水壩溢洪道上表面的長形凹部或凹溝內(nèi)。夾件延伸于凹部上方，并螺栓于溢洪道，以擋住充氣式囊袋的邊部。在囊袋充氣時，夾持邊部即保持牢固固定在凹部或凹溝內(nèi)。附著強度大約等于囊袋本身的內(nèi)部強度。換言之，本發(fā)明系統(tǒng)在夾持位置的橡膠或其強化物內(nèi)，不產(chǎn)生高應力區(qū)域。楔容許夾持系統(tǒng)內(nèi)的壓縮應力對強化層施以拉力負荷，并沒有從隔膜中間向外逐層累積剪應力的效應。橡膠楔充分適于耐受所產(chǎn)生之三軸向壓縮應力。最大剪應力在楔間均勻分布，且在個別楔內(nèi)較低。楔形邊利用空氣囊袋的箍環(huán)拉力之作用，緊緊壓縮，在彈性組件發(fā)生隨時間而變形時，可維持緊密密封所需夾力。此自行夾緊特性即不需定期用手上緊夾持系統(tǒng)。自行夾緊特性亦可容許直接對不適用現(xiàn)有技術的夾持機構的不規(guī)則粗糙混凝土溢洪道表面有可靠的防漏夾持。該實施例又一優(yōu)點，在于造成剪力負荷均勻分布于支承結構，而非集中于固定螺栓。該夾持系統(tǒng)又一優(yōu)點是，不依賴對夾件的摩擦或化學粘結，將膜扣持于夾件內(nèi)。事實上，即使所有組件都在組合以前潤滑，本發(fā)明功能仍極佳。本發(fā)明夾持系統(tǒng)即可避免因摩擦表面隨時間而變滑所致之故障。
在本發(fā)明另一實施例中，充氣式囊袋可表面安裝在要求的支承結構(例如水壩溢洪道)的表面，不需在支承表面形成凹部或凹溝。
在本發(fā)明另一實施例中，充氣式囊袋可為車輛的車輪或軌道系統(tǒng)的一段。在該實施例中的楔之幾何形狀，容許充氣式段在消氣狀態(tài)時容易插入燕尾槽的尾端或取出。充氣時，隔膜張力維持緊密緊封，并以機械式可靠連結于車輪或軌道段。與現(xiàn)有的充氣輪胎不同的是，損壞段可以快速更換，不需重裝備或將車輛頂起。
在本發(fā)明另一實施例中，充氣式囊袋可以采用強化軟管或充氣彈簧的形式，楔形斷面的突緣段，加設前述楔，插在強化層之間。該突緣末端可用剛性環(huán)和相關螺栓系統(tǒng)彼此夾持或夾持于普通的剛性突緣。這一實施例享有上述實施例的優(yōu)點，包含自行旋緊和高強度。此實施例也具有軟管內(nèi)襯的完整連續(xù)性，使軟管組件的耐腐蝕性和耐磨耗性最佳化。
下面參照附圖詳述本發(fā)明，其中諸圖中的同樣組件以同樣符號標示，附圖中
圖1為按照本發(fā)明構成的堰頂閘門溢洪道系統(tǒng)一實施例在囊袋充氣時之透視圖；圖2為圖1所示系統(tǒng)之斷面圖；圖3為圖2所示系統(tǒng)一部分之放大斷面圖；圖4為圖1所示系統(tǒng)在囊袋消氣時之斷面圖；圖5為按照本發(fā)明構成的堰頂閘門溢洪道系統(tǒng)另一實施例在囊袋充氣時之斷面圖；圖6為圖5所示實施例在囊袋消氣時之斷面圖；圖7為圖5所示系統(tǒng)一部分在囊袋充氣時之放大斷面圖；圖8為圖5所示系統(tǒng)一部分在囊袋消氣時之放大斷面圖；圖9為圖5至圖8所示實施例之透視斷面圖；圖10為圖9所示系統(tǒng)一部分之放大圖，亦示出單個強化層和楔之斷面；圖11為圖10所示系統(tǒng)一部分之斷面圖；圖12為圖1至圖4所示熔接件實施例之透視圖；圖13a為單個楔件的一段之未變形有限元模型網(wǎng)；圖13b為圖13a之變形有限元模型網(wǎng)，表示粘結強化層之拉力負荷，和夾持系統(tǒng)所施壓縮負荷；圖13c為初期彈性von Mises應力通過本發(fā)明單個楔斷面之分布圖；圖14為本發(fā)明在橡膠水壩上連結機構另一實施例之斷面圖；圖14a為圖14所示連結機構之放大圖；圖15為本發(fā)明橡膠水壩夾持機構另一實施例之斷面圖；圖16為本發(fā)明橡膠水壩夾持機構另一實施例之斷面圖；圖17為本發(fā)明軟管連結系統(tǒng)之斷面圖18和圖18A表示本發(fā)明分段輪胎；圖19表示本發(fā)明有軌車輛或輸送帶系統(tǒng)的典型連桿圖；圖20表示在組裝于夾持系統(tǒng)內(nèi)之前典型的成型充氣式囊袋剛成型之形態(tài)；圖21為充氣式囊袋相對于限定囊袋形狀的心軸和成型件之斷面圖。
包含本發(fā)明獨特連結系統(tǒng)的充氣式囊袋，是由多層增強彈性材料(例如天然或合成橡膠)組成。一個較佳強化囊袋之構成描述于1995年6月15日申請之美國專利申請案第08/490643中，該案于此列入?yún)⒖肌?br>
在圖1至圖4中，示出本發(fā)明堰頂閘門溢洪道系統(tǒng)10之一實施例。圖示堰頂閘門系統(tǒng)附設于混凝土溢洪道18的上表面18A。以肋條20c加強的熔接件20，埋入溢洪道18，用固定螺栓17a固定。
熔接件20的下游側最好向前朝熔接件的上游側彎角，使朝凹部或凹溝開口的頂部比凹溝基部狹。當囊袋12和鉸翼22的楔形邊部，置于凹部內(nèi)且被夾件16壓下，囊袋和鉸翼即牢靠地固定于凹部內(nèi)。囊袋和鉸翼的楔形邊部無法向上拉出凹部外。夾件16最好為三角形斷面，以螺栓17固緊時，夾件16扣住囊袋的楔形邊部12A和12B以及鉸翼的楔形邊部于凹部內(nèi)。
鉸翼部22最好含有上段22A和楔形下段22B。上段22a利用螺栓15固定于閘門鑲板14的下端14A。下段22B利用夾件16扣于凹部或凹溝內(nèi)，如圖3所示。
鉸翼部22典型地由強化之硫化可撓性彈性材料(諸如橡膠)構成，其可無限地撓曲。翼部上邊最好含有不可壓縮性插件23。鉸翼最好含有第一強化構件22C，包含斜交輪胎簾布強化層，相對于閘門樞軸呈45度方向，從楔組件的大端22d中間，延伸及包圍不可壓縮性插件(例如尼龍棒)，到鄰接楔組件的大邊始點以及在楔組件大端上角起始的直層強化物為止，延伸包圍尼龍棒插件，再延伸回到楔組件下端的下角。楔22e和22f是在內(nèi)斜交簾布層22c和各縱向外層22g間整體硫化。以此方式，楔內(nèi)剪切應力即很均勻，利用斜交簾布層包圍附設于閘門鑲板14所需螺栓孔15a，提供負荷通徑。
閘門鑲板的下邊B最好是圓邊，如圖3所示，其直徑至少等于(最好大于)閘門鑲板的厚度。此圓邊可將翼部22以及與邊B接觸的囊袋12部分的應力減到最小。
熔接件20的角部20a圓滑，以減少與角部20a接觸的囊袋橡膠部之應力。
可撓性扣帶13最好是一端固設于溢洪道，相對端固設于閘門鑲板14上端。該帶可防止閘門鑲板向前傾斜太遠。
空氣可經(jīng)管件24供至囊袋12。管件最好埋于水壩溢洪道之上表面內(nèi)。
充氣式囊袋系統(tǒng)30之另一實施例，如圖5至圖8所示。在此實施例中，水壩溢洪道并無凹部或凹溝，以扣持充氣式囊袋的邊部。而囊袋的楔形邊部12A和12B，是利用夾持機構32扣持。而后者是利用螺栓33固緊于溢洪道的上表面，夾件32包含腳部32A，向下突出。囊袋的楔形邊部和翼部32，被扣持在夾件與水壩溢洪道上表面之間。
溢洪道內(nèi)的管件34，需要時供應空氣至囊袋。
圖13a，13b和13c示出，拉力負荷47由夾件系統(tǒng)所施之壓縮力48承載，不需將剪力負荷傳到鄰層。
用做橡膠水壩的充氣式囊袋系統(tǒng)另一實施例，如圖14，14a，15，16所示。用做橡膠水壩的圖示夾持系統(tǒng)之功能與所述用于含有樞動閘門鑲板的系統(tǒng)者相似。
參見圖10和圖21，可由內(nèi)襯12c，各層強化物(例如以-45度12d，0度12f和-45度12h方向的貼膠輪胎簾布)，接著是耐氣候蓋層a，在具有半徑邊a的平坦長方形心軸34上(半徑邊減少在充氣囊袋內(nèi)的拉應力集中)，依序疊積即可制成有楔形邊的空氣囊袋。上述諸層構成后，未硫化的高硬度橡膠的擠出楔12e，12g，12j和12k，插在強化層的相鄰邊之間。具有楔形腔室的成型件35a，35b則固定于心軸34，以控制楔形囊袋邊的正確形狀。成型件可加設可在硫化周期內(nèi)供應額外未硫化的橡膠材料的裝置，以消除組裝過程中產(chǎn)生的非故意的空隙。組件連同就位的成型件，即可利用已知機構在壓床或壓熱器內(nèi)熟化。
楔角最好選擇在強化層間可具有相等楔角，使總楔角等于夾持系統(tǒng)的內(nèi)角。與強化簾布層接觸的楔和相對應剪力區(qū)之長度，被選擇為使粘結強度乘粘結面積，等于或大于超過簾布拉力強度所需的粘結長度。楔最方便由高硬度彈性材料制成，可形成對各強化層的高強度粘結。
上述夾持系統(tǒng)和相對應有楔介入之多層強化物，可用于許多重要的工業(yè)用途，包含如圖17所示之大直徑軟管的連接，空氣彈簧之附設，充氣式浮船之附設，以及節(jié)段式輪胎之構成，如圖18a所示。
圖17所示軟管連接組件，包括襯材36，各層強化物37、蓋層38、夾環(huán)39a和39b，以及螺栓40。夾環(huán)內(nèi)凹部成型為與軟管的夾持楔形突緣配合。由此產(chǎn)生緊密密封，無金屬零件露出至軟管所載流體，而連接強度很接近軟管強化物本身的強度。此外，不需彈性材料對金屬之化學粘結來固定軟管。
參見圖18和18a，節(jié)段式輪胎可用上述楔附設機構構成。輪胎段42可固設于加設多個燕尾槽之貼圈內(nèi)，諸段利用充氣過程固定于其內(nèi)。充氣線44可直接夾入諸段的夾邊內(nèi)?？稍O成型胎面42b以產(chǎn)生圓形周緣。
參見圖19，充氣囊袋46可容易固定于車輛軌道系統(tǒng)之鍵節(jié)45，例如在各鍵節(jié)設有有為此目的之燕尾槽45a即可。
權利要求
1.一種彈性充氣式囊袋，包括多個強化彈性片材，彼此重疊，產(chǎn)生充氣式封袋，其具有相對邊，其中至少有一邊為楔形，且其中所述相對邊形成一開口。
2.如權利要求1的囊袋，其特征在于所述的楔形邊包含具有三角形斷面之多個楔。
3.如權利要求2的囊袋，其特征在于所述的楔包括剛性楔，其含有對立側面，粘結于該彈性片材之強化層。
4.如權利要求2的囊袋，其特征在于所述的楔包括彈料楔，含有相對側面，粘結于該彈性片材之強化層。
5.如權利要求1的囊袋，其特征在于有兩個所述的邊部，具有互補形狀。
6.如權利要求1的囊袋，其特征在于彈性片材包含強化簾布。
7.一種彈料性充氣式囊袋，包括多個強化彈性片材，彼此重疊，以產(chǎn)生充氣式封袋，其具有相對邊，形成開口，其中所述的囊袋包含整體楔形附設裝置。
8.如權利要求7的囊袋，其特征在于所述的附設裝置包括一楔形層，其具有相對立側面，粘結于相鄰彈性片材。
9.一種組合，包括(a)一個彈料性充氣式囊袋，包括多個強化彈性片材彼此重疊，以產(chǎn)生充氣式封袋，其具有相對邊，其中至少一邊為楔形；且其中所述的相對邊形成開口；(b)一支承表面或夾持機構，內(nèi)有長形凹部；其中所述的囊袋的所述的相對邊部，固定于該長形凹部內(nèi)。
10.如權利要求9的組合，其特征在于所述的楔形邊包含多個楔，具有三角形斷面。
11.如權利要求10的組合，其特征在于所述的楔包括剛性楔，含有相對側面，粘結在該彈性片材之層間。
12.如權利要求9的組合，其特征在于所述的邊部為互補形狀。
13.如權利要求9的組合，其特征在于還包括夾持機構用來將該相對邊部固定于該長形凹部內(nèi)。
14.如權利要求13的組合，其特征在于所述的夾持機構包括夾件，延伸越過該凹部，以及固定螺栓，固定于該支承表面，將該夾件扣持于固定位置內(nèi)。
15.如權利要求9的組合，其特征在于所述的支承表面包括混凝土溢洪道。
16.如權利要求15的組合，其特征在于所述的溢洪道包含一上表面，且所述的凹部沿所述的上表面延伸。
17.如權利要求16的組合，其特征在于還包括閘門鑲板，具有前邊鉸接于該囊袋，鄰近該所述的囊袋的所述的相對邊部。
18.如權利要求17的組合，其特征在于所述的囊袋還包含楔形翼部，并且在所述的閘門鑲板的所述的前邊固定于所述的翼部。
19.一種將充氣式囊袋附設于支承結構的方法，包括下列步驟(a)提供一個彈性充氣式囊袋，它包括多個強化彈性片材，彼此重疊，以產(chǎn)生充氣式封袋，其具有相對邊，其中至少一邊為楔形；(b)提供一長形凹部，設于所述的支承結構或所述的夾持機構內(nèi)；(c)將所述的囊袋的所述的相對邊部固定于所述的凹部內(nèi)。
20.如權利要求19的方法，其特征在于有兩個相對邊為楔形。
21.如權利要求19的方法，其特征在于所述的相對邊部是利用楔形夾件固定于所述的凹部內(nèi)。
22.如權利要求21的方法，其特征在于所述的凹部的斷面形狀與所述的邊部和所述的夾件之斷面形狀互補。
23.一種組合，包括(a)一個復合結構，包括多個強化材料層，含有楔，固定于所述的層間，形成突部；(b)一支承表面；(c)夾持機構，將所述的突部附設于所述的支承表面。
24.如權利要求23的組合，其特征在于所述的復合結構包含一邊，所述的突部位于該邊。
25.一種軟管，包括多個強化材料層，并包含一終端部，其中所述的端部又含有楔，粘結于所述的強化材料相鄰層間。
26.一種車輪，包含一胎圈和多個充氣式段，附設于該胎圈之周緣。
27.如權利要求26的囊袋，其特征在于所述的胎圈包含多個凹溝設于所述的胎圈的周邊，并且各所述的充氣式段包括多個強化彈性片材，彼此重疊，產(chǎn)生充氣式封袋，其具有相對邊；且其中至少一邊為楔形。
28.一種組合，包括(a)一長形鍵節(jié)，具有上表面，內(nèi)有凹槽；(b)一充氣式囊袋，附設于該凹槽，在所述的上表面的上方延伸。
全文摘要
本發(fā)明總的涉及強化復合結構連接系統(tǒng),可連接于其他類似材料或各種支承結構。本發(fā)明尤指充氣式囊袋設計。本發(fā)明另一方面涉及水壩溢洪道之堰頂閘門系統(tǒng)所用的充氣式囊袋,例如其中一個或更多的剛性閘門是可樞動地附設在溢洪道結構頂部,并可借囊袋充氣而移至上升位置,并用于不利用可樞動地附設的鑲板的充氣式水壩。
文檔編號E02B7/40GK1199441SQ96197535
公開日1998年11月18日 申請日期1996年8月21日 優(yōu)先權日1995年8月23日
發(fā)明者亨利·K·奧博梅耶 申請人:亨利·K·奧博梅耶