Правило из алюминиевого профиля

Заявляемая полезная модель относится к ручным инструментам для выполнения отделочных работ, а именно к правилам, предназначенным для нанесения и выравнивания отделочных материалов на больших горизонтальных и вертикальных поверхностях.
Известны конструкции правил, полученных методом экструзии алюминиевого профиля трапециевидной формы длиной от 1 до 3 метров. Для облегчения массы правила профиль, как правило, делают полым, толщина стенки которого составляет не более 1,5 мм. При этом для придания продольной жёсткости в сечение профиля добавляют рёбра жёсткости различной конфигурации.
Например, известно правило по патенту на полезную модель РФ №93849, опубл. 10.05.2010, МПК E04F 21/16, которое содержит тонкостенный полый профиль из алюминия или его сплавов. Профиль имеет прямоугольное трапецеидальное поперечное сечение, две продольные внутренние перегородки и гофрирование большего основания внутрь полости трапеции. Одна перегородка размещена над гофрированием примерно перпендикулярно основаниям, а вторая - примерно перпендикулярно наклонной боковой стороне трапеции, при этом перегородки расположены так, что большее основание, начиная от высоты трапеции, делится ими в отношении примерно 1,5:1:2,5, толщина стенок трапеции и перегородок составляет примерно 1 мм, толщина профиля в заглаживающей кромке не менее 5 мм. Техническим результатом этого технического решения является повышение прочности при одновременном облегчении конструкции.
В известной конструкции две продольные внутренние перегородки и гофрирование большего основания внутрь полости трапеции придают профилю продольную жёсткость, однако при скручивании правила во время работы, такая конструкция не обеспечивает ему необходимую торсионную жёсткость.
Также известно правило по патенту на полезную модель РФ №181945, опубл. 30.07.2018, МПК E04F 21/04, E04F 21/16, выбранное в качестве прототипа, которое содержит корпус, выполненный из алюминиевого сплава в виде монолитного полого профиля трапецеидального контура в сечении, включающий выравниватель с заостренной заглаживающей кромкой и держатель выравнивателя, снабженный фиксатором положения пальцев рук ладони, при этом корпус снабжен продольным ребром жесткости, перпендикулярным основаниям и образующим две замкнутые смежные полости, имеющие в сечении, соответственно, контур в форме прямого треугольника и прямоугольный контур. При этом полость профиля корпуса с прямоугольным контуром сечения дополнительно снабжена наклонным продольным ребром жесткости, расположенным диагонально с образованием двух замкнутых полостей с контуром в форме прямых треугольников в сечении, а фиксатор положения пальцев рук ладони выполнен на большем и меньшем основаниях корпуса в виде прямолинейных участков с продольными канавками.
Наличие наклонного продольного ребра жёсткости в известной конструкции также придаёт профилю продольную жёсткость, но, при этом в случае скручивания правила также не обеспечивается необходимая торсионная жёсткость.
Таким образом, общим недостатком известных конструкций правил является то, что применяемые в них ребра жёсткости в основном добавляют профилю продольную жесткость. Однако при использовании правило испытывает в большей степени нагрузки на скручивание, а применяемые рёбра жёсткости не обеспечивают ему необходимую торсионную жёсткость.
Решаемой технической проблемой является недостаточная торсионная жесткость профиля правила, приводящая к снижению качества отделочных работ.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение более высокой торсионной жёсткости правила без значительного увеличения его массы.
Заявляемый технический результат достигается за счёт конструкции правила из алюминиевого профиля, имеющего внутреннюю полость, рабочее ребро и держатель, при этом во внутренней полости правила, в области его рабочего ребра, а также по углам держателя выполнены утолщения стенок профиля, внутренние границы которых равноудалены от центра масс профиля.
Такая конструкция обеспечивает максимально возможную торсионную жёсткость, при сохранении массы правила, что вытекает из следующих ниже расчётов.
Для сравнения был проведён расчёт торсионной жёсткости двух алюминиевых профилей правил и определены геометрические параметры из условия их равной жесткости (Фиг. 1):
А – профиля с утолщением в области рабочего ребра;
Б – профиля с ребром жесткости (наиболее распространенная форма).
Расчётная торсионная жёсткость при заделке одного конца определялась по формуле:
(1), где:
10
G - модуль сдвига материала, Па, для алюминия G = 2,69 × 10;
L - длина правила, м, стандартный размер L = 2;
p
4
J - полярный момент инерции сечения, м.
Расчетный полярный момент инерции сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения, равен:
P
0
0
[(
)2
(
)2]
J =ʃx - x + у - y dS (2), где:
x, y - координаты центра элементарной площадки сечения, м;
2
dS - площадь элементарной площадки сечения, м;
0
0
x, y - координаты центра тяжести сечения, м.
По формуле (1) была выполнена серия расчётов для сечений равной торсионной жёсткости. Результаты расчётов приведены в Таблице 1.
Было установлено, что торсионные жёсткости профилей А и Б (фиг.1) совпадают при геометрическом параметре профиля А (фиг.1) H = 2,44 мм.
Также были выполнены поверочные расчёты жёсткостей профилей при кручении моментом 100 Н×м методом конечных элементов. Результаты расчётов сведены в Таблицу 2.
На Фиг. 2 показаны расчётные вертикальные прогибы профилей, а на Фиг. 3 показаны напряжения в профилях, возникающие при их кручении.
В итоге, в соответствии с результатами расчётов, приведённых в Таблицах 1 и 2, торсионные жёсткости, определенные из характеристик сечения по формуле (1) и методом конечных элементов практически совпали.
Таким образом, крутильная жёсткость двух правил: с профилем, имеющим утолщение в области рабочего ребра (профиль А) и профилем, имеющим ребро жёсткости (профиль Б) (Фиг. 1) совпадают при высоте H профиля А равной 2,44 мм, при этом площадь сечения профиля А (Таблица 1) меньше чем площадь сечения профиля Б, из чего следует что и масса погонного метра профиля А меньше при тех же характеристиках. Следовательно, для обеспечения торсионной жёсткости профиля более эффективно создавать усиления (утолщения) стенок профиля в области рабочего ребра, а также по углам держателя, при этом внутренние границы таких утолщений должны быть равноудалены, то есть расположены по окружности от центра масс профиля.
2
3
На Фиг. 4 приведен пример конструкции правила из алюминиевого профиля с увеличенной торсионной жёсткостью, в которой на стенках профиля выполнены утолщения в области рабочего ребра, а также по углам держателя. Такая конструкция профиля позволяет достичь большую торсионную жёсткость, по сравнению с профилями, имеющими внутренние усиливающие рёбра, при сохранении той же площади поперечного сечения, а соответственно и сохранении массы погонного метра профиля М = 0.9 кг при площади сечения 324 мм и плотности 278 кг/м.
Таблица 1
Таблица 2