闭门器关门失败故障分析及设计改进

2018-11-08于瑞骐

电子制作 2018年20期

于瑞骐

（浙江省杭州高级中学，浙江杭州，310003）

0 引言

随着经济的发展以及消防、保暖等的需要，闭门器的应用越来越广，例如国家标准[1]规定建筑物内应设置常闭防火门,而常闭防火门一般通过闭门器实现。闭门器是与门配合使用的一个附件，一般连接在门框与门之间，在门开启后可以产生类似弹簧的拉力把门自动缓慢闭合。由于闭门器关乎火灾逃生，与大家生命财产安全息息相关，因此其可靠工作非常重要，有必要对其故障进行深入研究。

闭门器的种类有很多，例如英国某款闭门器[2]采用电磁及声音控制闭门器在火灾发生时工作，并可在正常条件下保持自由通行，但是存在延迟时间较长、自由摆动、可能被吸尘器等触发误启动等缺点。张增猛等[3]提出了一种利用记忆合金驱动的感温闭门器，可在火灾发生时利用记忆合金形状记忆效应自动闭门，具有无电子元件、无源等优点，但是它靠温度触发，火灾发生时可能对烟不敏感，且闭合位置可能存在精度不高、闭门不严等缺点。目前大多数闭门器利用特殊的流体设计结合齿轮齿条结构、四杆机构实现对门的自动闭合作用，具有可靠、无电子元件、无源等优点，在实际中应用最广，也是本文的研究对象。

闭门器的常见故障包括安装螺钉松动或丢失、连接臂损坏、关闭时的缓冲效果变差等，可进一步导致闭门器未处在正确的安装位置上、门与门框撞击、门体变形等问题。本文针对作者日常生活中见到了闭门器实际故障，即连接臂损坏变形故障，对这一故障的原因进行分析并提出了改进措施。

1 研究对象和闭门器原理

图1 闭门器实物图

本文所研究的闭门器如图1所示，闭门器连杆和门、门框视为一个四杆机构。为了便于叙述和研究，参考图2，将门框记为A杆，与连杆铰接处距门轴22.5cm；将与门框铰接的粗杆记为B杆，长度25cm；将于门铰接的细连杆记为C杆，长度为28cm；门为D杆，总长90cm，与C杆连接处距门轴32cm。门框（A杆）与粗连杆（B杆）相连，而粗连杆（B杆）的末端连接闭门器控制盒中的齿轮。

图2 闭门器效果参考图

2 待研究的故障

参考图3，在使用一段时间后，闭门器故障表现为：B杆出现不可恢复的向下弯曲，影响开门灵活程度，并在开门幅度较大时可能出现无法自动闭门的状况。经过检查，闭门器各个铰链润滑、活动状态良好，控制盒动作正常，初步怀疑与闭门器四杆机构的不良设计有关。

图3 闭门器故障状态

3 机构传动分析

在现有设计中，C杆长度为28cm，在门（D杆）张开到一定角度时， B杆和C杆共线。此时，B杆与C杆铰接处运动方向与受力方向垂直，即压力角为90°、传动角为0°，故出现死点。此时门的张开角度可由余弦定理计算，即：

算得张开角度为152.6°，说明门打开152.6°时四杆机构传动较差，可能处于异常受力状态，C杆对B杆的作用力沿C杆杆长方向，没有使B杆发生转动的力的分量，且门已经不能继续开启。在后续关门中，B杆有转动方向可能发生错误。

4 受力分析

参考图4，闭门器在该状态时会出现无法自动关闭的故障，即连架杆B杆顶住门D杆，发生干涉，使门无法关闭。这时由于在门开启角度为152.6°后，关门时B杆本来应该顺时针转动原路返回，但是转动方向发生错误，继续逆时针转动，导致这一故障。

图4 闭门器无法闭门情况示意图

根据速度瞬心法，C杆和机架A杆的瞬心就在B杆和D杆的干涉点，因此发生干涉时，C杆在干涉点的瞬时速度为0，因此关门时B杆在干涉点不会发生来自C杆的较大冲击。但是因为关门会导致门（D杆）对B杆在干涉点造成冲击。假设关门的力为F，根据杠杆作用，冲击力稳定后为90/(32-28)F=22.5F，即门（D杆）对B杆的力是关门力的22.5倍，这一结果还是冲击稳定后的结果，瞬时冲击力更大，具体数值与关门速度有关。这就是闭门器B杆发生变形的原因。

为了避免闭门器再次发生故障，可考虑调节C杆长度使四杆机构不会出现死点。当门完全打开，即与门框成180°角度时四杆机构最可能出现死点。若使不出现死点，应使B杆和C杆长度和大于A杆和D杆长度和，即：25 cm+Lc＞22.5 cm +32 cm，可以得到：Lc＞29.5cm。