АЛЮМИНИЕВАЯ ДВУХСЛОЙНАЯ ШПУЛЯ

Полезная модель относится к изделиям, использующимся при производстве катаных полуфабрикатов, свернутых в рулон, для формирования первых витков и дальнейшей их защиты от воздействий как внешней среды, так и при контакте рулона с различными механизмами при транспортировки, либо при дальнейшей переработке рулона.
Шпуля с признаками, указанными в формуле настоящего патента на полезную модель, предназначена для намотки лент из алюминиевых сплавов в промышленных условиях, где используются машины с высокими мощностями, развивающие натяжение при смотке свыше 650 Η на 100 мм. Рулоны, свернутые на шпуле, далее подлежат транспортировке, хранению на складе и дальнейшей переработке, таким образом, в функцию шпули входит сохранение целостности рулона на протяжении всего цикла его переработки. Из выше сказанного вытекают следующие требования к шпулям: устойчивость к влаге и маслу; выдерживание требуемых нагрузок и исключение нанесение поверхностных дефектов на рулонную продукцию. Ввиду того, что шпуля является расходным материалом, актуальна задача о снижении ее металлоемкости при сохранении всех контролируемых параметров.
Известная спиралевидная шпуля (аналог), выполненная из профилированной металлической полосы с продольными ребрами, спиралевидно навитой, смежные витки которой минимально частично соединяются внахлестку (см. заявку DE 10105973 А1, МПК опубл. 05.09.2002). Недостатком ее является повышенная металлоемкость, определяемая S-образной формой внутренней стороны спиралевидной трубы. Этот недостаток частично устранен в алюминиевой двухслойной бобине (аналог) за счет применения Ω-образной формы профиля (патент РФ на полезную модель №54364, МПК В65Н 75/14 (2006.01), опубл. 27.06.2006). Патентом на полезную модель №192312, МПК В65Н 75/00, опубл. 12.09.2019 (прототип) достигнуты повышенные прочностные характеристики за счет уточнения диапазона геометрических размеров бобины с Ω-образным профилем. Эта алюминиевая двухслойная бобина содержит профилированную ленту, свернутую в спираль с наложением краев ленты друг на друга и образующую внешнюю цилиндрическую и внутреннюю ребристую поверхности, образованную продольными гофрами Ω-образной формы, обращенными полукруглой частью формы вовнутрь бобины, а плоскими частями формы с цилиндрическими участками, выполненными с осевыми зазорами между ними, - на внешнюю сторону бобины, отличающаяся тем, что выполнены следующие соотношения размеров бобины: С=(0,2-0,4)В, R1=(0,4-0,6)B, где В - ширина цилиндрического участка, С - ширина осевого зазора, R1 - радиус скругления гофра. Внутренняя и внешняя поверхности соединены между собой зеркально симметричными усеченными коническими поверхностями.
Недостаток прототипа - это, по-прежнему, завышенная металлоемкость, которая определена параметрами формулы, продиктованными способом производства (см. таблицу 1 и таблицу 2), и более того, абсолютно не рассмотрено влияния остальных параметров на жесткость шпули таких, как толщина стенки и ее высота, не регламентируется угол наклона вертикальных поверхностей относительно горизонтальных, за счет которого формируется замок. Величины данных параметров напрямую влияют на жесткость конструкции.
Задача полезной модели - создание шпули, устойчивой к воздействию влаги и масла, выдерживающей требуемые нагрузки, со сниженной металлоемкостью при сохранении всех контролируемых параметров.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении металлоемкости за счет расширения технологического диапазона геометрических параметров профиля шпули, при сохранении необходимого уровня жесткости шпули.
Технический результат достигается за счет того, что поверхности алюминиевой двухслойной шпули, содержащей профилированную ленту, свернутую в спираль с наложением одной половины профиля на вторую, образуются П-образными гофрами, соединенными между собой вертикальными поверхностями, образующими с горизонтальными поверхностями угол не более 10°. При этом алюминиевая двухслойная шпуля имеет следующие соотношения размеров продольного сечения профиля:
B/h=l-l,23;
С/В=0,4-0,53;
N не менее B/2t (округляя в большую сторону до целого числа), где
В - ширина внешнего цилиндрического участка;
h - высота профиля, разница между внутренним радиусом бобины и внешним;
С - ширина разделительной канавки;
N - количество П-образных полок на 100 мм;
h/2t - не более 9;
t - толщина профилированной ленты.
α - угол наклона вертикальной полки, не более 10°.
1
0
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1-2), где на фиг. 1 показан общий вид алюминиевой двухслойной шпули, где L-длина шпули, D и D - внешний и внутренний диаметры шпули; на фиг. 2 показано продольное сечение шпули (1 и 2 - П-образные гофры, 3 - ребра жесткости, 4 - зазоры в виде поперечных канавок).
1
0
Шпуля состоит из двух слоев ленты, профилированной таким образом, чтобы первая половина профиля входила с определенным натягом во вторую, обеспечивая тем самым замок, не дающий раскрыться конструкции. Алюминиевая двухслойная шпуля (фиг. 1 и 2) содержит профилированную ленту, свернутую в спираль с наложением краев ленты друг на друга и образующую внешнюю цилиндрическую (размер D) и внутреннюю ребристую поверхности шпули (размер D). Профиль сформирован из П-образных гофр 1 и 2 и ребер жесткости 3, расположенных под углом не более 10° к горизонтальным поверхностям. В результате чередования П-образных полок на поверхностях шпули появляются зазоры в виде поперечных канавок 4.
Устройство работает следующим образом. Шпуля устанавливается в линию для смотки рулонов, внутренней частью она воспринимает нагрузку от сегментов разжимного барабана, на внешнюю часть шпули наматывается полоса материала, который требуется свернуть в рулон. Параметры профиля должны обеспечить отсутствие дефектов на внутренней части шпули и отсутствие дефектов на внутреннем витке рулона. Шпуля должна выдерживать требуемую нагрузку, которая возникает в процессе смотки рулона.
Эффект по сравнению с прототипом заключается в значительном снижении металлоемкости (до 13%) шпули за счет изменения высоты вертикальной стенки. Уровень прочностных свойств сохраняется за счет обеспечения прямоугольности профиля и выбора оптимального соотношения геометрии профиля. Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение металлоемкости шпули при сохранении всех остальных эксплуатационных свойств.
Решение указанной задачи достигнуто в алюминиевой двухслойной шпуле, содержащей профилированную ленту, свернутую в спираль с наложением одной половины профиля на вторую, отличающаяся тем, что поверхности образуются П-образными гофрами, соединенных между собой вертикальными поверхностями, образующими с горизонтальными поверхностями угол не более 10°, отличающееся тем, что выполнены следующие соотношения размеров продольного сечения профиля:
B/h=l-l,23;
С/В=0,4-0,53;
N не менее B/2t (округляя в большую сторону до целого числа), где
В - ширина внешнего цилиндрического участка;
h - высота профиля, разница между внутренним радиусом бобины и внешним;
С - ширина разделительной канавки;
N - количество П-образных гофр на 100 мм;
h/2t - не более 9;
t - толщина профилированной ленты.
α - угол наклона вертикальной поверхности к горизонтальной, не более 10°.
Предлагаемая полезная модель является результатом решения задачи по оптимизации, где с одной стороны необходимо сохранить уровень прочности, а с другой стороны сократить количество используемого материала. В качестве материала взята лента сплава 3104, в наиболее прочном ее состоянии H19. Оптимальной толщиной определена величина 0,285 мм. При увеличении толщины удельная прочность не повышается, а при снижении уровень прочности на шпуле диаметром 500 мм снижается до величин ниже критических. Еще один критерий, влияющий на жесткость шпули, - плотность вертикальных стенок и их высота. Установлено оптимальное количество стенок на 100 мм длины. Жесткость же самих стенок определяется пределом текучести материала, из которого они изготовлены, их высотой и диаметром шпули, аналитическую зависимость можно описать эмпирической формулой:
0.2
0
P=σ*h/D*t*k*100,
где Ρ - усилие при сдавливании при превышении которого происходит ее смятие, в кгс на 100 мм длины;
0.2
σ - предел текучести материала в МПа;
h - высота стенки, мм;
D - диаметр шпули, мм;
t - толщина ленты из которой сделан профиль, мм;
k - коэффициент, подбираемый эмпирически для конкретной формы профиля. Параметр k приведен в формуле для возможности калибровки формулы при внесении в геометрию профиля изменений. При ведении дальнейших расчетов коэффициент k принят равным 0,85, материал - лента сплава 3104 HI9.
Металлоемкость шпули будет определяться следующим выражением (при условии постоянной плотности):
cp
V=π*D*N*2t*(B+2h+C),
где V - объем металла на шпулю длиной 100 мм.
cp
1
0
D=(D+D)/2.
Однако замечено, что при увеличении высоты стенки фактическая прочность шпули не достигается расчетной, это объясняется тем, что теряется устойчивость стенки, и она начинает изгибаться в критических местах (где угол действия сил наиболее острый), что приводит к преждевременному смятию шпули. То же самое наблюдается, если вертикальная стенка профиля изначально изготовлена под углом к горизонтальной внешней поверхности более 10°.
Таким образом, установлен оптимальный диапазон величины h/2t и он находится в интервале 8-8,8. Оптимальная высота профиля позволяет значительно снизить количество требуемого материала на ее изготовления, и как следствие снизить ее себестоимость. Доказательство оптимальности указанного соотношения приведено в табл. 3.