Портальная балка

Полезная модель относится к области машиностроения (станкостроения), в частности к стальным (алюминиевым) сборным конструкциям, преимущественно к сборным портальным балкам, эксплуатируемым в условиях высоких динамических нагрузок, в частности, к балкам промышленного оборудования по обработке поверхностей.
Известны: металлическая балка (патент RU 2105843 C1), включающая пояса, плоскую перфорированную стенку, поперечные опорные и продольные подкрепляющие ребра жесткости; металлическая балка с мультигофрированной стенкой (патент RU 91584 U1), содержащая сжатый и растянутый пояса, соединенные поперечно-гофрированной стенкой. Недостатками приведенных конструкций является низкая технологичность при изготовлении балок, а также сложность выставления и соблюдения заданной геометрии боковых стенок при сборке балок путем сварки боковых стенок к поясам.
В качестве ближайшего аналога выбрана «высокоресурсная портальная двухстенчатая подкрановая балка» (патент RU 2677375 C1), состоящая из верхнего и нижнего пояса, соединенных с парой вертикальных стенок. Пояса выполнены из портальных симметрично размещенных относительно горизонтальной оси рельсов. Каждая пара вертикальных стенок каждого из рельсов снабжена горизонтальными рядами отверстий с регулярным шагом и соединена высокоресурсными шпильками с шайбами. Соединенные между собой пара портальных рельсов и пара вертикальных стенок образуют замкнутый контур, обладающий аномально высоким моментом инерции при кручении.
Недостатком этого устройства является высокая металлоемкость конструкции, соответственно, высокая удельная плотность, что оказывает дополнительную нагрузку на опорные устройства и высокую инерцию при динамических нагрузках.
Известное решение принято за прототип полезной модели.
Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: портальная балка, содержащая верхний и нижний пояса, соединенные с парой вертикальных стенок, снабженных горизонтальными рядами отверстий.
Технической проблемой полезной модели является высокая металлоемкость и высокая инерционность (низкая скорость смены вектора движения) балки, соответственно, невозможность использования такой балки для динамичной работы нагруженных систем.
Техническая проблема решается за счет конструкции портальной балки, содержащей верхний и нижний пояса, соединенные с парой вертикальных стенок, снабженных горизонтальными рядами отверстий, отличающейся от прототипа тем, что верхний и нижний пояса, размещенные симметрично относительно друг друга, выполнены в виде металлических или композитных профилей с двойным крестовым сечением, между которыми закреплена перемычка, выполненная также из профиля с двойным крестовым сечением, ориентированная перпендикулярно по отношению к верхнему и нижнему поясу, образуя с ними двутавр. Одна из вертикальных стенок выполнена в виде швеллера, закрепленного к перемычке болтовыми соединениями с предварительным нанесением клея на соединяющиеся поверхности. При этом перемычка, швеллер и вертикальная стенка закреплены к поясам как сверху, так и снизу при помощи болтовых соединений с предварительным нанесением клея на соединяющиеся поверхности. Вертикальная стенка и швеллер могут быть закреплены к поясам и перемычке с одной общей стороны, а вертикальная стенка может иметь Х-образную перфорацию. При этом вертикальная стенка и швеллер дополнительно скреплены между собой точечной сваркой, выполненной на стыках между Х-образной перфорации вертикальной стенки.
Техническая сущность предложенного устройства поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - портальная балка (вид в сечении);
на фиг. 2 - портальная балка (вид спереди);
на фиг. 3 - портальная балка (общий вид).
В качестве примера, на фиг. 1 показано сечение портальной балки промышленного станка по обработке поверхностей, содержащей одинаковые верхний и нижний пояса 1, выполненные из профиля с двойным крестовым сечением, симметрично размещенные относительно друг друга и соединенные с парой вертикальных стенок, причем одна из вертикальных стенок выполнена в виде швеллера 5. Двойное крестовое сечение представляет собой два крестообразных профиля, соединенные между собой путем экструзии. Профиль с двойным крестовым сечением снабжен канавками со стенками для потайного крепления гаек болтового соединения 4 (на фиг. не показано). Между поясами 1 крепится перемычка 3, выполненная из профиля с двойным крестовым сечением, ориентированная перпендикулярно по отношению к верхнему и нижнему поясу 1 и уменьшающая гибкость вертикальной стенки 2.
Профили 1 и 3 могут быть выполнены из легкого металла, например, алюминия или композита, например, полимербетона.
Вертикальные стенки 2, 5 снабжены горизонтальными рядами сквозных отверстий с регулярным шагом.
Швеллер 5 закреплен к перемычке 3 болтовыми соединениями 4 с предварительным нанесением клея на соединяющиеся поверхности.
Вертикальная стенка 2, пояса 1 и перемычка 3 как сверху, так и снизу соединены болтовым соединением 4 с предварительным нанесением на соединяющиеся поверхности клея.
В одном из вариантов изготовления (см. фиг.2, фиг.3), вертикальная стенка 2 может иметь, например, Х-образную перфорацию. Кроме того, вертикальная стенка 2 и швеллер 5 могут быть закреплены к поясам 1 и перемычке 3 с одной общей стороны, на которой будет установлено исполнительное устройство или каретка (например, печатная голова промышленного принтера), для усиления (на фигурах показана для примера правая сторона), и дополнительно скреплены между собой точечной сваркой, выполненной на стыках между Х-образной перфорацией вертикальной стенки 2. Точечная сварка, как и клей, дополнительно усиливает фиксацию боковых стенок 2, 5 с поясами 1 и перемычкой 3. Использование Х-образной перфорации снижает металлоемкость боковой стенки при сохранении необходимых физико-технических свойств для обеспечения прочности всей конструкции портальной балки на изгиб и кручение при высокой динамике работы.
Испытания показали, что двойное крестовое сечение профилей позволяет сделать ее простой в изготовлении, снизить металлоемкость и инерционность балки, сохранив устойчивость к деформации и изгибу в направлениях действия динамических нагрузок. Использование боковой вертикальной стенки 2 и швеллера 5 дополнительно повышает сопротивление всей портальной балки к воздействию на кручение и изгиб, исключая деформацию портальной балки при заданных нагрузках.
Пример процесса изготовления.
Портальная балка изготавливается, например, из алюминиевого профиля 100×50 мм, с двойным крестовым сечением - верхний и нижний пояса 1, а также перемычка 3 выполняются из одинакового профиля и крепятся друг с другом, симметрично оси Х, по двутавровой геометрии, то есть, получая сечение, близкое по форме к букве «I». Крепеж осуществляется болтовыми соединениями 4 с предварительным нанесением на соединяющиеся поверхности клея. Применение двутаврового закрепления профилей позволяет избежать таких проблем, как изгибы, кручение и деформация геометрии портальной балки. Затем одна из сторон портальной балки (на фиг. 1 показана в качестве примера справа) усиливается двумя элементами - боковой вертикальной стенкой 2 и швеллером 5. Сначала швеллер 5 П-образной формы без перфорации крепится к перемычке 3 болтовыми соединениями 4, с предварительным нанесением клея. Затем боковая стенка 2, заранее перфорированная Х-образными вырезами, крепится к верхнему и нижнему поясу 1 болтовыми соединениями 4, также с предварительным нанесением клея. В самом конце после отвердевания клея швеллер 5 и боковая стенка 2 дополнительно скрепляются между собой точечной сваркой 6, выполненной на стыках между Х-образной перфорацией вертикальной стенки 2.
Шаг сварки определяется в зависимости от шага перфорации.
Портальная балка работает следующим образом.
Портальная балка является частью несущей конструкции промышленного оборудования по обработке поверхностей. Балка устанавливается на стойки, размещаемые на направляющих рабочей поверхности стола оборудования. По этим направляющим происходит фронтальное передвижение балки вдоль рабочего стола при помощи шарико-винтовой пары. Перемещение балки вдоль рабочей поверхности стола осуществляется двумя серводвигателями, установленными с двух сторон балки (на фиг. не показано). После установки портальной балки на рабочую поверхность стола, на нее устанавливается исполнительное устройство или каретка. Масса каретки может достигать до 70 кг. Скорость перемещения до 2-3 м/сек. Примером каретки служит печатная голова промышленного принтера. Приводом перемещения каретки вдоль балки служит линейный двигатель, установленный на балке (на фиг. не показано). Вся несущая конструкция обеспечивает высокоточную или прецизионную обработку поверхностей, таких как, высокоточная печать, резка материалов, заливка и черчение, 2D и 3D печать, шлифовка и прочее.
Техническим результатом является снижение металлоемкости и удельной плотности конструкции, при сохранении прочностных характеристик на кручение и изгиб, что позволяет применять данную конструкцию для высокодинамичных нагруженных систем без риска деформации геометрии портальной балки при ее работе.