Катушка для сварочной проволоки

Полезная модель относится к устройствам для смотки проволоки и может быть использована для упаковки, транспортировки и хранения иной длинномерной продукции, например, полимерного кабеля для 3D-принтеров, электрокабеля или металлокорда.
Известна катушка, состоящая из барабана и фланцев, содержащая ребра жесткости, расположенные на внешней стороне фланцев (см. пат. РФ № 2155154, В65H 75/14, G02B 6/44).
Недостатком известного устройства является низкий срок службы, так как не обеспечивает достаточной прочности при деформации фланцев, имеющих форму тонкой кольцевой пластины. Деформация фланца, имеющего форму тонкой кольцевой пластины, возникает от давления витков проволоки на фланцы, а также вследствие ударных и тепловых нагрузок при транспортировке и складировании катушек. Направление наибольших напряжений и, соответственно, наибольших деформаций фланца не совпадает с направлением ребер жесткости указанного устройства, а, следовательно, приводит к снижению прочности изделия.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является катушка, состоящая из барабана и фланцев с радиальными ребрами жесткости (см. пат. BY № 3997, В65P 75/18).
Недостатком этого устройства является то, что оно не обладает достаточной прочностью в направлении наибольших напряжений изгиба фланца, а, следовательно, снижает срок службы данного изделия.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении срока службы катушки для сварочной проволоки путем повышения прочности её фланцев.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной проблемы, заключается в установлении дополнительных ребер жесткости фланцев катушки в направлении наибольших напряжений, что приведет к повышению прочности изделия, а, следовательно, к увеличению его срока службы.
Поставленная задача решается тем, что в катушке для сварочной проволоки, содержащей барабан и фланцы, снабженные радиальными ребрами жесткости, согласно изменению фланцы снабжены дополнительными ребрами жесткости, направленными под углом к радиальным ребрам жесткости и образующими с последними треугольные элементы.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где
на фиг. 1 схематично изображена катушка для сварочной проволоки с дополнительными ребрами жесткости, направленными под углом к радиальным ребрам жесткости.
Катушка для сварочной проволоки состоит из полого барабана 1 (фиг. 1) и фланцев 2. С внешней стороны фланцев 2 выполнены радиальные 3 и, расположенные под углом к ним, дополнительные 4 ребра жесткости. Катушка может быть также выполнена с кольцевыми ребрами жесткости (на фиг. не показано). Дополнительные ребра жесткости 4 образуют с радиальными 3 треугольные элементы 5. Такое конструктивное выполнение катушки для сварочной проволоки позволяет повысить прочность фланцев за счет повышения сопротивления их изгибу в направлении наибольших напряжений, что приведет к увеличению срока службы изделия.
Катушку для сварочной проволоки (фиг. 1) изготавливают термопластическим формованием под давлением из полимерного материала, например, полистирола. Катушка может быть изготовлена монолитной. При этом барабан 1 и фланцы 2 катушки образуют единое целое. На внешних поверхностях фланцев одновременно формируют ребра жесткости: радиальные 3 и дополнительные 4, которые расположены под углом к вышеуказанным ребрам и образуют с ними треугольные элементы 5.
Кроме того, катушка для сварочной проволоки может быть изготовлена сборной. При этом отдельно, например, на 3D принтере, изготавливают фланцы 2 катушки, после чего их навинчивают на резьбовой выступ (на рисунке не показано) барабана 1.
Пример выполнения стандартной катушки Д200 с базовыми размерами по ГОСТ 25445-82 (СТ СЭВ 2735-80): внешний диаметр фланцев D = 200 мм, внутренний (посадочный) диаметр барабана d = 50 мм, ширина барабана  b = 55 мм.
Предлагаемую катушку для сварочной проволоки используют следующим образом. Катушку устанавливают в намоточное устройство и производят намотку проволоки согласно существующей технологической инструкции по рядной намотке проволоки (см.  например,  «Технологическая инструкция ТИ ММК-МЕТИЗ-К.ПР-26-2008 Волочение проволоки различного назначения на стане прямоточного типа RI 120/8», п. 5.3.
Доступ: электронный ресурс https://studfiles.net/preview/1744230/page:4/).
При намотке проволоки возникает направленное вдоль оси катушки давление витков на фланцы. Указанное давление возникает при смещении витков проволоки второго и последующего рядов намотки из положения «строго друг над другом» относительно витков предыдущего ряда. В результате смещения вдоль оси катушки виток проволоки последующего ряда попадает между фланцем катушки и витком проволоки предыдущего ряда. В этом положении у витка проволоки появляется возможность радиального перемещения. Эта возможность реализуется, поскольку намотка проволоки осуществляется с натяжением. Возникающее при этом радиальное смещение витка вызывает усилие защемления, проекция вектора которого направлена перпендикулярно плоскости фланца и вызывает его деформацию. Деформация фланцев при намотке проволоки с использованием намоточных устройств, имеющих специальные упоры для фланцев (см. п. 5.3.2 вышеупомянутой «Технологической инструкции») появляется после снятия катушки с намоточного устройства. Как следствие, фланец получает упругую деформацию изгиба, направленную в сторону внешней поверхности фланца. Вследствие этого на внутренних поверхностях фланцев материал испытывает растягивающие напряжения, а на внешних сторонах фланцев материал испытывает менее опасные напряжения сжатия (см., например, Н.М. Беляев. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976, 608 с. Раздел «Изгиб».)
r)
θ
r
θ
Ребра жесткости, как известно, снижают величину растягивающих напряжений. Однако, в отличие от балочных конструкций, фланец катушки, как кольцевая пластина, испытывает изгиб не только в радиальной плоскости, но и в перпендикулярной ей тангенциальной плоскости. Возникающие радиальные (M и тангенциальные (M) моменты приводят к появлению как радиально направленных (σ), так и тангенциально направленных (σ) нормальных напряжений (см., например, Конев С.В., Михайлец В.Ф., Тефтелев И.Е. Определение оптимальных размеров пластиковой катушки для сварочной проволоки // Научный форум: Технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - № 6 (7). - М., Изд. «МЦНО», 2017. С. 13-20, формулы 6, 7).
r
θ
Напряжения σ и σ являются максимальными в точках фланца при стандартном, регламентированном симметричном нагружении фланца. Однако, при непредвиденных ударных и термических нагрузках в большинстве случаев нагружение фланца не является симметричным. Сила при ударе может иметь линию действия, направленную под углом к радиусу фланца.
r
θ
r
θ
о
Аналогично, при возникновении тепловых напряжений на фланце, нагретом на солнце, указанные дополнительные тепловые напряжения, в общем случае не совпадают ни с радиальными, ни с тангенциальными напряжениями. В этом случае напряжения σ и σне являются максимальными в точках фланца. В расчетах на прочность они используются как исходные данные для расчета наибольших (главных) напряжений. Главные напряжения направлены под углом α или α+90к напряжениям σ, σ,. Рассчитываются они, например, по книге А.П. Филина Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т.1., Изд-во Наука, М., 1975, С. 397-398, ф-ла 5.26.
Конструктивное выполнение заявляемого устройства катушки, согласно формуле полезной модели, способствует снижению главных нормальных напряжений при изгибе фланца катушки.
Треугольные элементы 5 (фиг. 1), образуемые согласно формуле полезной модели дополнительными ребрами жесткости, в отличие от многоугольных элементов, являются геометрически неизменяемыми. Соединение ребер жесткости в треугольный элемент снижает деформацию фланца катушки в плоскости фланца, что дополнительно уменьшает величину главных напряжений в точках фланца, согласно закону Гука.
Для обоснования заявляемого признака от использования приводимой полезной модели при сравнении с прототипом проводили лабораторные испытания партии катушек для сварочной проволоки. Катушки изготавливали из полистирола. Количество катушек в партии составляло 100 шт. В ходе испытаний фиксировали количество поломок катушек по фланцу при их складировании. Кроме этого, катушки испытывали действием сосредоточенной нагрузки амплитудой 500 Н, приложенной к внешнему диаметру фланца D. Линия действия силы составляла угол 30° к радиусу фланца катушки, в проекции на плоскость фланца. Эффективность действия нагрузки усиливали отклонением линии действия указанной нагрузки относительно плоскости фланца.
Повышение прочности катушки для сварочной проволоки, изготовленной в соответствии с формулой полезной модели, привело к снижению количества поломок катушек по фланцу в 4-6 раз (см. таблицу).
Таблица
Модель катушки по ГОСТ25445-82
Поломки фланца при складировании катушек, %
Поломки фланца при опытном изгибе фланца, %
по прототипу
по формуле полезной модели
по прототипу
по формуле полезной модели
D200
4
1
6
1
D300
3
-
4
1
Таким образом, заявляемая катушка для сварочной проволоки  позволяет повысить прочность катушки за счет снижения главных напряжений при изгибных деформациях фланца от ударных и тепловых нагрузок и повысить срок её службы.