Отличительные инженерно-конструктивные решения турникетов Carddex: переменная толщина стенок

Когда вопрос касается изготовления корпусов всевозможного оборудования технических средств безопасности, как правило, основными исходными моментами выступают дизайн и доступность материалов. И турникеты не исключение. Но будучи исполнительными устройствами СКУД, при эксплуатации они испытывают вполне конкретные достаточно ощутимые, регулярные и к тому же знакопеременные нагрузки, что со временем неизбежно сказывается на сроке службы из-за износа несущей конструкции.

В нормальном режиме эксплуатации при прохождении каждого человека для поворота турникета в режиме разрешенного прохода к планке необходимо приложить усилие преодоления гидравлического демпфера – около 3 кг. (Сила F, рис.1) Кроме того при запрете прохода усилие на планку может существенно превышать указанную величину. Могут иметь место и ударные нагрузки как на планку, так и на стойку.

Но преодоление усилия демпфера – это обязательная и регулярная нагрузка. А точнее, периодическая и знакопеременная, поскольку проход возможен как в одну, так и в обратную сторону (направление силы F меняется на противоположное). Знакопеременная нагрузка – самая неблагоприятная с точки зрения устойчивости материала к разрушению – всем известно, что сломать проволоку можно путем многократных изгибов в разные стороны.

Тумба турникета закреплена неподвижно нижним основанием. Под действием силы F тумба работает как балка с сечением в виде прямоугольной трубы на изгиб. Обозначим высоту установки преграждающей планки от основания через L. Изгибающий момент Мизг. Будет создаваться силой F на максимальном плече L , т.е. у основания.

М изг. = FxL

По мере подъема от основания) изгибающий момент будет уменьшаться линейно в зависимости от уменьшаемого плеча. Эпюра изгибающего момента представлена на рис.2. И на уровне установки планки изгибающий момент будет равен нулю. Его не будет.

Хотя все панически бояться формулы расчета балки на изгиб, она содержит всего три величины и имеет вид:

σ – напряжение в балке ( в стенке тумбы турникета)
М – изгибающий момент.
W – момент сопротивления

Далее необходимо сравнить величину полученного напряжения с допустимым для данного материала (справочная величина). Если она не превышает допустимое, то прочность считается обеспеченной. А с учетом условий эксплуатации, возможности ударных нагрузок, постоянные знакопеременные нагрузки, необходимо, чтобы полученное напряжение было не просто меньше допустимого, а было кратно меньше. Кратность эта называется коэффициентом запаса прочности. Обычно составляет К= 2,5 – 3, но может доходить и до пяти.

Не будем усложнять понимание расчетом момента сопротивления трубы прямоугольного сечения, а просто укажем, что с увеличением толщины стенки момент сопротивления будет увеличиваться. Поэтому, вполне резонно для уменьшения напряжения увеличить толщину стенки. Но сам изгибающий момент будет уменьшаться по мере увеличения расстояния от основания (уменьшения плеча изгибающего момента) и на уровне установки планки будет равен нулю.

Поэтому, по мере уменьшения изгибающего момента можно уменьшать и момент сопротивления, оставляя величину напряжения неизменной. То есть, с увеличением расстояния от основания можно уменьшать толщину стенки турникета без потери общей прочности.

Конечно, не до нуля, поскольку необходимо еще и разместить сам механизм турникета, и есть еще дополнительные нагрузки, о которых скажем ниже. Делать весь турникет, задавшись необходимой толщиной стенки у основания, этот необоснованно не только расходовать металл, но в первую очередь неоправданно завышать вес всего турникета, увеличивать нагрузки на опору. Исходить из минимально допустимой толщины стенки в верхней части – это недопустимо снижать прочность всей конструкции у основания.

Но изгибающим моментом действующие нагрузки не ограничиваются.

На плече S сила F создает крутящий момент М крут. (Рис.1)

М крут.= F x S

В результате под действием этого крутящего момента возникает угол закручивания нашей балки – корпуса турникета. Если мы физически не ощущаем этот угол, это не значит, что его нет. Он есть и выражается формулой (для простоты примем стойку турникета за трубу):

Эта формула носит название формулы угла закручивания вала.
М – наш крутящий момент Мкрут.
L – длина вала – высота нашего корпуса от основания до уровня установки планки.
G – модуль Юнга. Зависит от материала.
Ip – полярный момент инерции.

Вот в этом моменте инерции и «спрятана» толщина стенки.
Угол закручивания  φ линейно зависит все от той же величины L, что и изгибающий момент. И вид эпюры этого угла совпадает с эпюрой изгибающего момента. У основания он самый большой, а на уровне установки планки равен нулю.

А от этого угла напрямую зависит напряжение материала.

Чем толще стенка, тем больше Ip и меньше φ. Но φ уменьшается и с уменьшением L, то есть с подъемом от основания. Для сохранения постоянного и допустимого φ вполне логично с увеличением расстояния от основания уменьшать толщину стенок, сохраняя величину напряжения металла постоянной для всей конструкции с учетом необходимого коэффициента запаса прочности.

Таким образом, безотносительно конкретных расчетов для конкретных материалов, конструкции, коэффициентов запаса прочности разная толщина стенок турникета – объективное и обязательное условие грамотного решения. В противном случае или не будет обеспечиваться необходимая прочность конструкции, или будет иметь место необоснованное увеличение веса и перерасход металла.

Поэтому все турникеты «Carddex» имеют разную толщину стенок по высоте (Рис.3).

У основания толщина металла достигает 6 мм, а в верхней части она уменьшается до 2 мм.

В том числе и благодаря этому турникеты «Carddex» имеют самый большой срок службы среди аналогов на рынке.

А в целом, разная толщина стенок турникета может рассматриваться как весьма веский критерий оценки рыночных предложений с точки зрения инженерной грамотности в реализации конкретных изделий, их надежности и долговечности.

Если говорить об исполнительных устройствах СКУД, то вопросы сопромата ничуть не менее, а в ряде случаев более актуальны, нежели вопросы электроники и программирования.