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【技术】浅析节能提升推拉门五金系统关键结构的力学模型

安徽省门窗幕墙协会 2018-07-30 13:58:43

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  一、前言

  提升推拉门五金系统广泛应用于铝合金、塑料和实木等不同的型材门上 ,本文以铝合金提升推拉门为例展开阐述;提升推拉门五金系统是由提升机构、传动机构、锁闭部件等组成的,可以使门具有升降、推拉、锁闭等功能的五金系统。随着生活水平的提高,人们家里的阳台门、阳光门、隔断门等对提升推拉门应用不断增多,对提升推拉门的功能和性能要求也日益提高,如开启扇大尺寸、大重量,操作轻便、灵活等,提升推拉门关键的结构是提升机构和锁闭部件,下面对关键结构进行力学分析。

  二、技术分析

  一)传动部分

  1、系统传动机构选择

  门扇的提升与下降功能是通过给执手施加扭矩,驱动曲柄滑块机构,带动传动杆,轮组座沿着轮组提升机构方向运动,实现门扇的提升与下降功能。

  三种提升推拉型材门的型材配合槽口如图1,由图可知铝合金提升推拉门搭接为8mm,所以将轮组提升机构提升的高度设计为8mm;

  系统传动可选择连杆传动机构,连杆机构构件间用转动低副连接,传动可靠,承载力大,耐磨性能好。连杆机构能实现多种运动形式的变换和多种运动规律的输出,构件中的运动副元素多为圆柱或平面,加工方便,精度容易保证。图2为系统传动原理图;图3为轮组提升机构原理图。

图1 型材截面图

图2 系统传动原理图

图3 轮组提升机构原理图

  按图3所示分析,机构提升8mm,在水平方向传动距离L为未知, 角越大,整个门扇下降越快,执手的反应是快速反弹,很容易造成执手伤人;当 角过小,可能整个门扇无法下降,需要用力旋转执手,才能完成机构下降功能。

  2、机构下降时,轮组提升机构的力学分析

  机构下降时,轮组提升机构力学模型如图4。

图4 机构下降时,轮组提升机构力学模型

  F为水平方向的驱动力,f为摩擦力, 为摩擦系数, 为摩擦角;

  假设下降阶段为匀速,根据力的平衡方程得:

  3、机构提升时,轮组提升机构的力学分析

  当机构提升时,轮组提升机构的力学模型如图5:

图5 机构提升时,轮组提升机构的力学模型

  4、轮组提升机构倾斜角度 和水平传动距离 L 的计算

  6、方孔中心到曲柄滑块运动轨迹间的距离h,即曲柄力臂的计算

  按JG/T 308-2011建筑门用提升推拉五金系统第5.4.1规定:提升推拉五金系统初始执手操作力不应大于100N。执手的操作力要求垂直手柄中心线,距离执手旋转中心230mm处施加100N,如图6。

图6 执手的操作力示意图

  可用图解法设计出曲柄滑块机构原理图,校核 h值,见图7。

图7 曲柄滑块机构原理图

  以上具体的数值计算和分析为门扇质量300kg对五金件承重要求苛刻的情况。按标准JG/T 308-2011 5.4.1条款:单个活动扇质量不大于200kg时,系统初始操作力不应大于100N;单扇活动扇质量大于200kg,供需双方商定。门扇质量200kg相关数值的计算和分析与上述方法一样,在这就不再累赘。

  二)、零件强度计算和材质选用

  1、机构提升时轮轴的受力计算及材料的选取

  图8为轮子受力分析示意图,两组轮组,四个轮子承受300kg质量的重力。

图8 轮子受力分析示意图

  2、机构提升时转角块处各受力连接轴的受力计算及材料的选取

  结合制造工艺和装配工艺,可以算出各受力轴的设计尺寸。

图9 机构提升状态示意图

  3、前轮组固定板的强度计算

  两滑轮之间为可抽象为两端固定的梁,力学模型如图10

图10 两端固定的梁力学模型

图11 轮组固定板横截面示意图

  4、转角连接处零件“转角块”的强度计算及材料的选用

  应用可同时解决线性和非线性复杂问题的工程模拟有限元分析软件ABAQUS进行力学分析:在门扇300kg质量的重力作用下,机构提升时所需驱动力 =1483N,应力分析结果如图12:

图12

  5、曲柄滑块机构的曲柄零件转动器的强度计算和材料选用

图13

  6、塑料轮材料的选择和尺寸设计

  接触应力是指两个接触物体相互挤压时在接触区及其附近产生的应力。因轮子与轨道间实际不是面接触,所以轮子与轨道的运动副为高副,如果轮子的材料选择和尺寸设计不当,会在接触表面的局部区域产生剥落,形成麻点或凹坑,使运转噪声增大,振动加剧,温度升高,磨损加快,最后导致零件失效。

 

  三、在实际工作中的应用

  提升推拉五金系统在建筑当中优点较多,各种型材,如铝合金型材、塑料型材、实木型材所要求的槽口尺寸基本一致,槽口形式基本就是槽口大、小两种,配件比较通用。使用上,由于采用了胶条密封,所以比传统普通推拉门物理性能要好的多;并且避免了传统的普通推拉门晃动较大的问题。与推拉折叠门相比,虽然通过空间相对推拉折叠门较小,但比较稳定,安装之后的效果及寿命更好。

  行业中,目前提升推拉门五金系统生产厂家比较多,但由于技术设计和制作工艺的问题,良莠不齐,问题较多。

  通过本文的上述分析,我们已经比较清楚地了解了提升推拉门五金系统设计中的理论分析和结构分析的方法,那么今后在实际应用中,我们应该对结构进行详细分析,得出最合理的方案。

  行业内不少厂家只是拿相似的配件进行逆向设计,不去深入考虑其应用方面的问题,结果设计制作后问题多多,造成很多不良影响。

  四、结论

  通过对提升推拉五金系统的提升原理、结构分析、强度分析,我们对提升推拉门五金系统中的技术理论分析有了初步的印象。相信大家对提升推拉五金系统的设计理念有了更深层次的了解,希望提高行业的整体设计水平,对五金系统的整体制作水平能有提高。

  参考资料

  [1] 《大学物理》 高等教育出版社

  [2] 《理论力学》 高等教育出版社

  [3] 《材料力学》 高等教育出版社

  [4] 《机械设计手册》 机械工业出版社


  作者:朴永日 黄锋


来源:2017转型发展高峰论坛


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