ОТРАЖАТЕЛЬ СВЕТИЛЬНИКА
LAMP REFLECTOR

Предлагаемое изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в производстве светильников с круглосимметричными и асимметричными отражателями различной формы, в том числе с большой и резко изменяющейся крутизной рабочего профиля, со ступенчато изменяющимся по форме профилем и т.д.
Отражатель является элементом светильника, в значительной степени определяющим его технико-экономические показатели и функциональные характеристики: светораспределение, КПД, защитный угол, материалоемкость, технологическую себестоимость и др. Затраты на энергопотребление в осветительных установках напрямую связаны со светотехническими показателями светильников, которые, в свою очередь, в значительной степени определяются физическими свойствами отражающей поверхности и конструктивно-технологическими параметрами отражателя.
Как в отечественной, так и в зарубежной практике наибольшее распространение получили отражатели, изготовленные из листового алюминия или стали толщиной 0,8…2,5 мм.
Отражатели из алюминия после формования для получения поверхности с высоким коэффициентом отражения подвергают различным видам механической, химической или электрохимической полировки с последующим анодированием и уплотнением анодной пленки, например, в жидком стекле.
Стальные отражатели после формовки, как правило, красят, эмалируют или на них напыляют отражающий слой с последующей его защитой. Примером светильников с отражателями такого класса являются светильники с лампами накаливания и разрядными лампами высокого давления серий НСП, РСП, ГСП и ЖСП, производства Ардатовского светотехнического завода (1). Отражатели указанных светильников изготовляются широко известными в машиностроении способами: глубокой вытяжкой и ротационным выдавливанием.
Оба метода основаны на пластической деформации материала, в результате которой исходная плоская заготовка переформовывается в замкнутую пространственную конструкцию. Процесс такого получения деталей сопровождается изменением структуры материала заготовки как в объеме, так и по поверхности. Так, при наиболее прогрессивном и широко применяемом в настоящее время ротационном выдавливании (2, 3) утонение исходной заготовки в ходе выдавливания происходит по закону синуса:
о
S=Sx Sinα, где
S - толщина детали в данном конкретном сечении;
o
S - толщина исходной заготовки;
α - угол проецирования элемента заготовки на давильный патрон в соответствующем сечении.
Таким образом, толщина отражателя в меридиональном сечении будет не одинакова. Все слои в сечении отражателя, в том числе и отражающий слой, подвергаются большой деформации.
Для изготовления отражателей указанным способом требуются высокопластичные материалы, обеспечивающие течение материала по раскатной оправке без разрыва материала.
Существуют методы, позволяющие уменьшить влияние указанного недостатка ротационного выдавливания - предварительная формовка заготовки штамповкой, многокопирное выдавливание, выдавливание по заданной программе на станках с ЧПУ. Однако все они приводят к увеличению материалоемкости и трудоемкости изделий. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение по патенту (4). Отражатель выполнен в виде фацет из цельного тонкого куска материала, обладающего достаточной для данного процесса пластичностью. Исходный материал - плоская заготовка формуется по форме профиля отражателя методом двойного изгиба (в поперечной и продольной плоскости). Вначале деформируемая заготовка принимает зигзагообразную замкнутую вокруг вертикальной оси форму, напоминающую «растянутые меха гармони», с широкими впадинами между выступами с переменной высотой. При дальнейшем формировании образующиеся излишки материала полностью перетягиваются в меридиональные ребра жесткости, представляющие собой сдвоенный материал заготовки. Ребра жесткости, полученные в ходе операции гибки отдельных участков - фацет, обеспечивают защиту тонкостенного рабочего профиля отражателя от механических повреждений.
Обеспечение формовки отражателя методом продольно-поперечной гибки, конструкция ребер, соотношение их размеров и количество определяются из условия:
г
o
H=π*(R+L-R)/N, где
Н - высота ребра в расчетной точке профиля, определяемая расстоянием от точки на рабочем профиле, до соответствующей точки на ребре, равноотстоящих от начальной точки на профиле;
N - количество ребер;
г
R - радиус начальной точки рабочего профиля в верхней начальной точке (радиус горловины);
L - длина дуги рабочего профиля и соответствующего ребра жесткости, равноотстоящих от начальной точки профиля;
о
R - радиус внутренней окружности профиля отражателя в сечении, перпендикулярном оптической оси.
Данное решение позволяет в 2…3 раза снизить расход материала на отражатель.
Вместе с тем, как показывает практика использования данного решения, оно накладывает ограничения на используемый материал в части его жесткости и пластичности. В частности, возникают трудности при формовании отражателей из жестких нагартованных материалов с низкими значениями относительного удлинения (ниже 4%). Трудности при работе с такими материалами возникают на начальных участках ребер жесткости (в местах соединения с горловиной) и в зонах резкого изменения формы (крутизны) профиля отражателя, а также в угловых зонах ступенчатых конструкций отражателей. Требуются большие усилия на начальной стадии формования ребра (начиная с нулевой высоты в зоне примыкания к горловине) и при резких изменениях крутизны профиля в любой другой его зоне. Большие усилия ведут к очаговому (местному) повреждению светоотражающей поверхности и нечеткому оформлению ребер в начальной зоне и в местах резких переходов.
За последние годы появились материалы с очень высокими значениями коэффициентов отражения до 95% (5) и даже до 98% (6). Однако это, как правило, многослойные материалы, состоящие из подложки из высоконагартованного материала, придающей большую жесткость материалу, и ряда тончайших (микронной толщины) слоев, придающих материалу высокую отражательную способность.
Применение таких материалов позволит существенно увеличить КПД световых приборов. Так, по исследованиям фирмы Alanod (Германия), применение материалов с коэффициентом отражения 95% позволит увеличить КПД световых приборов на 16,5…35% (5, 6). Широкому внедрению указанных материалов препятствуют их низкая пластичность (как правило, допустимое относительное удлинение в пределах 2%) и ограниченная возможность в части допустимой деформации многослойного отражающего слоя без его повреждения.
Предлагаемое техническое решение позволяет исключить указанные выше трудности в части формирования ребер жесткости на начальном участке (в местах примыкания их к горловине) и в зонах резкого изменения крутизны профиля, в том числе в угловых зонах ступенчатых конструкций отражателей, что открывает возможности использования новых материалов в наиболее массовых светильниках.
На фиг.1 изображен отражатель светильника. В качестве конструкционного материала принят нагартованный упругий материал. Отражатель включает в себя горловину 1, рабочий профиль 2 с меридиональными ребрами жесткости 3, отформованными из плоской заготовки методом продольно-поперечной гибки. На осевых линиях сгибов ребер жесткости 3 в зоне, примыкающей к горловине 1, выполнены технологические отверстия 4, облегчающие формирование ребер на начальных участках, и разгрузочные пазы 5 в местах крутых изгибов и ступенчатых переходов в отражателе. Примеры выполнения технологических отверстий и разгрузочных пазов показаны на фиг.1, 3, ребер жесткости на фиг.2. Технологические отверстия в зоне примыкания к горловине отражателя могут одновременно выполнять функции перераспределения светового потока источника света и направления части его в верхнюю полусферу, а также обеспечивать выход нагретого во внутреннем пространстве воздуха с целью облегчения теплового режима светильника и снижения загрязнения отражателя за счет так называемого эффекта «дымовой трубы». Форма и размеры ребер жесткости выбраны из следующих условий.
1. Радиус гибки в любом сечении ребра больше или равен минимально допустимому радиусу для данного материала R≥r, где
R - принятый радиус гибки,
r - минимально допустимый для данного материала и его покрытия радиус гибки, при котором исключается повреждение материала и его покрытия при изгибе.
2. Периметр ребра жесткости в любом сечении
Г
o
L=2π(R+l-R)/N, где
L - периметр ребер жесткости в любом сечении, перпендикулярном касательной к профилю отражателя в расчетной точке профиля;
Г
R - радиус горловины;
l - длина рабочего профиля отражателя от горловины до расчетной точки;
o
R - радиус отражателя в сечении, перпендикулярном оси и проходящем через расчетную точку профиля;
N - число меридиональных ребер жесткости.
Изготовление отражателя по предполагаемому изобретению производится в следующей последовательности: из плоского материала с предварительно нанесенным отражающим покрытием, с заданными светотехническими характеристиками, вырезаются круги, соответствующие по размеру конкретному по размерам отражателю; в круглой заготовке 6 фиг.1, 3 пробиваются отверстие под горловину 1, технологические отверстия 4 по осям будущих ребер жесткости в зоне примыкания их к горловине и отверстия 5 в зоне формирования разгрузочных пазов ребер жесткости 3; из заготовки путем продольно-поперечной гибки формируется рабочий профиль 2, а излишки материала перетягиваются в ребра жесткости 3, при этом избыточные напряжения растяжения, возникающие в зоне примыкания к горловине на начальных участках ребер жесткости и в местах резкого изменения крутизны профиля, нивелируются предварительно выполненными в заготовке отверстиями. В зависимости от поставленной задачи форма и размеры отверстий 4, 5 в заготовке фиг.3 могут меняться: на всю высоту ребра, на часть ребра по высоте, на всю высоту ребра с выходом на рабочий участок профиля отражателя.
Предложенное техническое решение позволяет существенно расширить область применения высокоэффективных светоотражающих материалов, обеспечить энергосбережение в осветительных установках, улучшить экологическую обстановку.
Источники информации
1. Каталог изделий ОАО «Ардатовский светотехнический завод», изд. Красный Октябрь, г.Саранск, 2007 г., стр.22…38.
2. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках с ЧПУ, г.Тернополь, Облполиграфиздат, 1990 г.
3. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.А.Гредитор, Машиностроение, 1971 г., стр.9.
4. Патент России №1610196 с приоритетом от 28.12.1992 г.
5. Д.Альбрехт, X.Кюстнер. Повышение эффективности освещения с помощью новых светорассеивающих материалов, М.: Светотехника, №1, 1997 г., стр.24…26.
6. М.Вайгерт. "MIRO-SILVER" - новое поколение светоотражающих материалов. М.: Светотехника, №2, 2006 г., стр.29.