Как алюминиевое колесо для инвалидной коляски снижает вес без потери прочности

Для пользователей электрических инвалидных колясок каждый килограмм имеет значение. Тяжёлая коляска трудно транспортируется, хранится и маневрируется. Однако снижение веса не должно происходить за счёт безопасности или прочности — рама, деформированная или треснувшая под нагрузкой, бесполезна. Алюминиевая электрическая инвалидная коляска решает эту дилемму. В компании Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd. мы изготовили тысячи алюминиевых электрических инвалидных колясок с использованием передовых инженерных технологий. Ниже приведены четыре метода, благодаря которым алюминий позволяет снизить вес без потери прочности.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (не чистый алюминий)

Распространённое заблуждение относительно алюминия заключается в том, что он является слабым материалом. На практике алюминиевые сплавы авиационного класса обладают очень высокой прочностью при сравнении по соотношению «прочность/вес». Алюминий сам по себе мягок, однако при легировании магнием, кремнием или цинком образуются материалы, прочность которых сопоставима с прочностью стали.

Алюминиевые инвалидные коляски с электроприводом, которые мы производим, изготовлены из термообработанного сплава с пределом текучести около 240–260 МПа — примерно 60–70 % от предела текучести низкоуглеродистой стали, но при плотности, составляющей лишь треть от плотности стали. Это означает, что алюминиевую раму можно спроектировать, увеличив толщину её стенок или диаметр труб, чтобы достичь такой же жёсткости, как у стальной рамы, но при значительно меньшей массе. На этапе проектирования мы применяем метод конечных элементов (МКЭ) для оптимизации формы труб, чтобы использовать материал исключительно в зонах максимальных напряжений.

Оптимизированная геометрия труб и усиление рёбрами жёсткости

Прочность рамы инвалидной коляски определяется не только материалом, но и формой конструкции. Хорошо спроектированная алюминиевая рама имеет трубы большего диаметра по сравнению с аналогичной стальной рамой, что повышает момент инерции (сопротивление изгибу).

Алюминиевые электрические инвалидные коляски разработаны с использованием крупногабаритных овальных и прямоугольных труб, которые распределяют нагрузку на более широкие участки. В местах пересечения труб (в том числе в точке соединения рамы подголовника и сиденья) мы устанавливаем кованые алюминиевые крепёжные элементы (усиливающие кронштейны), устраняющие пиковые напряжения. Большой диаметр труб с более тонкими стенками в сочетании со стратегическим усилением обеспечивают высокую жёсткость каркаса при нагрузке пользователя весом 120–150 кг без избыточного веса, характерного для стальных конструкций. Компьютерное моделирование гарантирует, что материал добавляется только там, где это действительно необходимо.

Роботизированная сварка и термообработка

Зона термического влияния (ЗТИ) любого алюминиевого сварного шва является его наиболее слабым участком, где прочность сплава может снизиться на 30–40 %. Некачественная сварка превращает даже удачный дизайн в потенциально опасную конструкцию.

Роботы на нашем заводе выполняют роботизированную сварку, при которой точно контролируются тепловой ввод и скорость перемещения для уменьшения зоны термического влияния (HAZ). После сварки каждая рама подвергается термообработке по режиму T6 (закалка с последующим искусственным старением), что обеспечивает сплаву высокую прочность по всей конструкции. Эта термообработка после сварки крайне важна: большинство производителей, выпускающих рамы низкого качества, её не применяют, и уже через несколько месяцев в местах сварных швов начинают появляться трещины. У нас имеется 60 систем обработки рам, включая специальные печи термообработки, что позволяет всем алюминиевым инвалидным коляскам достичь расчётной прочности.

Стратегическое применение стальных компонентов в зонах высоких нагрузок

Использование исключительно алюминиевой рамы — не всегда оптимальное решение. Наиболее продуманные и лёгкие конструкции представляют собой комбинированные решения: алюминий применяется в основной раме, а сталь — в элементах, испытывающих локальные нагрузки или подверженных абразивному износу.

Наши моторизованные инвалидные коляски, выполненные из алюминия, содержат стальные кронштейны осей (которые подвергаются многократной установке и снятию колес), противопрокатные балки (которые не должны деформироваться) и некоторые шарнирные узлы. Общий вес этих стальных компонентов составляет менее 1–2 кг, однако они значительно увеличивают срок службы коляски в наиболее нагруженных точках. Остальные элементы каркаса — боковые направляющие рамы, опоры спинки, кронштейны для подножек — выполнены из алюминия. Такое композитное решение обеспечивает снижение массы за счет алюминия и повышенную прочность за счет стали там, где это особенно необходимо.

Заключение

Четыре инженерных подхода — использование высокопрочных сплавов, оптимальная геометрия труб с применением ребер жесткости, роботизированная сварка и термообработка по режиму T6, а также размещение стали в зонах высоких напряжений — позволяют снизить массу алюминиевых моторизованных инвалидных колясок без потери прочности. Готовое изделие представляет собой легкую, но при этом достаточно прочную коляску, способную выдерживать ежедневную эксплуатацию в течение многих лет (обычно при массе пользователя 20–25 кг).

Мы применяем эти методы в компании Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd., которая располагается на производственной площадке площадью 20 000 м², оснащённой 60 станками для обработки оправ и 4 сборочными линиями. Свяжитесь с нами и почувствуйте преимущества лёгкого алюминия.