于瑞騏

（浙江省杭州高級(jí)中學(xué)，浙江杭州，310003）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及消防、保暖等的需要，閉門器的應(yīng)用越來越廣，例如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定建筑物內(nèi)應(yīng)設(shè)置常閉防火門,而常閉防火門一般通過閉門器實(shí)現(xiàn)。閉門器是與門配合使用的一個(gè)附件，一般連接在門框與門之間，在門開啟后可以產(chǎn)生類似彈簧的拉力把門自動(dòng)緩慢閉合。由于閉門器關(guān)乎火災(zāi)逃生，與大家生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此其可靠工作非常重要，有必要對(duì)其故障進(jìn)行深入研究。

閉門器的種類有很多，例如英國(guó)某款閉門器[2]采用電磁及聲音控制閉門器在火災(zāi)發(fā)生時(shí)工作，并可在正常條件下保持自由通行，但是存在延遲時(shí)間較長(zhǎng)、自由擺動(dòng)、可能被吸塵器等觸發(fā)誤啟動(dòng)等缺點(diǎn)。張?jiān)雒偷萚3]提出了一種利用記憶合金驅(qū)動(dòng)的感溫閉門器，可在火災(zāi)發(fā)生時(shí)利用記憶合金形狀記憶效應(yīng)自動(dòng)閉門，具有無電子元件、無源等優(yōu)點(diǎn)，但是它靠溫度觸發(fā)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)可能對(duì)煙不敏感，且閉合位置可能存在精度不高、閉門不嚴(yán)等缺點(diǎn)。目前大多數(shù)閉門器利用特殊的流體設(shè)計(jì)結(jié)合齒輪齒條結(jié)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)門的自動(dòng)閉合作用，具有可靠、無電子元件、無源等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中應(yīng)用最廣，也是本文的研究對(duì)象。

閉門器的常見故障包括安裝螺釘松動(dòng)或丟失、連接臂損壞、關(guān)閉時(shí)的緩沖效果變差等，可進(jìn)一步導(dǎo)致閉門器未處在正確的安裝位置上、門與門框撞擊、門體變形等問題。本文針對(duì)作者日常生活中見到了閉門器實(shí)際故障，即連接臂損壞變形故障，對(duì)這一故障的原因進(jìn)行分析并提出了改進(jìn)措施。

1 研究對(duì)象和閉門器原理

圖1 閉門器實(shí)物圖

本文所研究的閉門器如圖1所示，閉門器連桿和門、門框視為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)。為了便于敘述和研究，參考圖2，將門框記為A桿，與連桿鉸接處距門軸22.5cm；將與門框鉸接的粗桿記為B桿，長(zhǎng)度25cm；將于門鉸接的細(xì)連桿記為C桿，長(zhǎng)度為28cm；門為D桿，總長(zhǎng)90cm，與C桿連接處距門軸32cm。門框（A桿）與粗連桿（B桿）相連，而粗連桿（B桿）的末端連接閉門器控制盒中的齒輪。

圖2 閉門器效果參考圖

2 待研究的故障

參考圖3，在使用一段時(shí)間后，閉門器故障表現(xiàn)為：B桿出現(xiàn)不可恢復(fù)的向下彎曲，影響開門靈活程度，并在開門幅度較大時(shí)可能出現(xiàn)無法自動(dòng)閉門的狀況。經(jīng)過檢查，閉門器各個(gè)鉸鏈潤(rùn)滑、活動(dòng)狀態(tài)良好，控制盒動(dòng)作正常，初步懷疑與閉門器四桿機(jī)構(gòu)的不良設(shè)計(jì)有關(guān)。

圖3 閉門器故障狀態(tài)

3 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析

在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，C桿長(zhǎng)度為28cm，在門（D桿）張開到一定角度時(shí)， B桿和C桿共線。此時(shí)，B桿與C桿鉸接處運(yùn)動(dòng)方向與受力方向垂直，即壓力角為90°、傳動(dòng)角為0°，故出現(xiàn)死點(diǎn)。此時(shí)門的張開角度可由余弦定理計(jì)算，即：

算得張開角度為152.6°，說明門打開152.6°時(shí)四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)較差，可能處于異常受力狀態(tài)，C桿對(duì)B桿的作用力沿C桿桿長(zhǎng)方向，沒有使B桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力的分量，且門已經(jīng)不能繼續(xù)開啟。在后續(xù)關(guān)門中，B桿有轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能發(fā)生錯(cuò)誤。

4 受力分析

參考圖4，閉門器在該狀態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法自動(dòng)關(guān)閉的故障，即連架桿B桿頂住門D桿，發(fā)生干涉，使門無法關(guān)閉。這時(shí)由于在門開啟角度為152.6°后，關(guān)門時(shí)B桿本來應(yīng)該順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)原路返回，但是轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生錯(cuò)誤，繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致這一故障。

圖4 閉門器無法閉門情況示意圖

根據(jù)速度瞬心法，C桿和機(jī)架A桿的瞬心就在B桿和D桿的干涉點(diǎn)，因此發(fā)生干涉時(shí)，C桿在干涉點(diǎn)的瞬時(shí)速度為0，因此關(guān)門時(shí)B桿在干涉點(diǎn)不會(huì)發(fā)生來自C桿的較大沖擊。但是因?yàn)殛P(guān)門會(huì)導(dǎo)致門（D桿）對(duì)B桿在干涉點(diǎn)造成沖擊。假設(shè)關(guān)門的力為F，根據(jù)杠桿作用，沖擊力穩(wěn)定后為90/(32-28)F=22.5F，即門（D桿）對(duì)B桿的力是關(guān)門力的22.5倍，這一結(jié)果還是沖擊穩(wěn)定后的結(jié)果，瞬時(shí)沖擊力更大，具體數(shù)值與關(guān)門速度有關(guān)。這就是閉門器B桿發(fā)生變形的原因。

為了避免閉門器再次發(fā)生故障，可考慮調(diào)節(jié)C桿長(zhǎng)度使四桿機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)。當(dāng)門完全打開，即與門框成180°角度時(shí)四桿機(jī)構(gòu)最可能出現(xiàn)死點(diǎn)。若使不出現(xiàn)死點(diǎn)，應(yīng)使B桿和C桿長(zhǎng)度和大于A桿和D桿長(zhǎng)度和，即：25 cm+Lc＞22.5 cm +32 cm，可以得到：Lc＞29.5cm。

5 結(jié)論

本文針對(duì)連接臂損壞變形故障，對(duì)這一故障的原因進(jìn)行分析并提出了改進(jìn)措施。研究中取得了如下主要結(jié)論：

（1）閉門器連桿和門、門框可被視為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)。

（2）C桿長(zhǎng)度為28cm時(shí)，在門（D桿）張開到152.6°會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，在后續(xù)關(guān)門中，B桿有轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能發(fā)生錯(cuò)誤，頂住門D桿，發(fā)生干涉，使門無法關(guān)閉，并有較大沖擊力，使B桿發(fā)生變形導(dǎo)致閉門器故障。

（3）C桿長(zhǎng)度＞29.5cm時(shí)，可避免閉門器四桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)死點(diǎn)。

本文的研究?jī)H針對(duì)某一款閉門器進(jìn)行，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大研究的適用性。