普通的隔音電磁屏蔽門自重和關(guān)門阻力較大，鉸鏈易變形和損壞，導(dǎo)致隔音屏蔽性能不理想。為了解決這一問題，以屏蔽門、鉸鏈和鉸鏈軸為研究對象，對其進(jìn)行三維建模和有限元分析， 得到部件的應(yīng)力、位移及安全系數(shù)的分布規(guī)律。通過對數(shù)據(jù)及圖形參數(shù)的分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，加強了鉸鏈、鉸鏈軸的強度。鉸鏈軸的強度對于門扇應(yīng)用的影響尤為關(guān)鍵。

1 隔音屏蔽門

1． 1 隔音屏蔽門減重設(shè)計

門的骨架通常選用矩形鋼管，材質(zhì)為普通碳鋼，門的內(nèi)部填充木板。為了增加隔音效果、減輕門重，改為填充保溫棉，密度為30kg/m³，填充體積為0.3m³。門扇及門框的骨架選用鋁合金6061-T6，門總重約130kg。隔音屏蔽門的實物照片如圖1所示。

1． 2 隔音屏蔽門問題

隔音屏蔽門試制后，經(jīng)過檢驗發(fā)現(xiàn)以下問題:

( 1) 鉸鏈轉(zhuǎn)動困難，有異響; ( 2) 關(guān)門阻力大，持續(xù)時間長。

1． 3   S81和S201鉸鏈運動分析 對S81 鉸鏈進(jìn)行關(guān)門力校驗時，發(fā)現(xiàn)門扇距離完全關(guān)閉約有20°時開始出現(xiàn)阻力，隨著關(guān)門動作 的繼續(xù)，則需更大的作用力才能將門完全關(guān)閉。更換S201鉸鏈后，問題有較大改善。因此對使用S81鉸鏈和S201鉸鏈的情況分別進(jìn)行分析。

1． 3． 1   S81鉸鏈運動分析

在理想條件下，對S81鉸鏈進(jìn)行運動分析。理 想條件包括: 門扇和門框未變形; 鉸鏈和軸未因為負(fù)載變形; 各個部件的加工精度滿足設(shè)計要求，且配合無縫隙; 購買的襯墊未變形。應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，模擬使用S81鉸鏈關(guān)門時的情況。

分析表明，當(dāng)門扇與門框之間的夾角約為25°時，下方凹槽內(nèi)的襯墊與門扇接觸，即將發(fā)生壓縮變形，如圖2所示。

繼續(xù)關(guān)門時，下方襯墊繼續(xù)被壓縮。當(dāng)上方襯墊發(fā)生接觸時，如圖3所示，此時門扇與門框之間的夾角約為6°，下方襯墊壓縮量約為5mm。當(dāng)門扇完全關(guān)閉時，門扇與門框保持水平，夾角為0°，下方襯墊壓縮量為6.5mm，上方的襯墊壓縮量為5.5mm。

1． 3． 2  S201鉸鏈運動分析

在同樣的理想條件下對S201鉸鏈進(jìn)行運動分析。當(dāng)門扇與門框之間的夾角約為6°時，下面的襯墊剛好與門扇接觸，如圖4所示。

繼續(xù)關(guān)門時，下方襯墊繼續(xù)被壓縮。當(dāng)上方襯墊發(fā)生接觸時，如圖5所示，門扇與門框之間的夾角約為3°，下面的襯墊壓縮量約為3mm。

當(dāng)門扇完全關(guān)閉后，門扇與門框保持水平，夾角為0°，下方襯墊壓縮量為6.5mm，上方襯墊壓縮量為5. 5mm。

分析鉸鏈S81和S201的運動情況，得出對比表，見表1。

 

表1 S81 和S201 運動分析對比表

鉸鏈運動參數(shù)	鉸鏈型號
	S81	S201
下襯墊發(fā)生接觸時，門扇與門框夾角/°	25	6
上襯墊發(fā)生接觸時，門扇與門框夾角/°	6	3
上襯墊發(fā)生接觸時，下襯墊壓縮量/mm	5	3
完全關(guān)閉時，上襯墊壓縮量/mm	5.5	5.5
完全關(guān)閉時，下襯墊壓縮量/mm	6.5	6.5

總結(jié)以上數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論: ( 1) 在門扇完全關(guān)閉時，上、下兩個襯墊的壓縮量沒有變化，說明 S81鉸鏈與S201鉸鏈在最終完成關(guān)門的瞬間，所施加的關(guān)門力數(shù)值相等。( 2) 關(guān)門過程中，S201鉸鏈需要施加作用力的持續(xù)時間更短，力量更小。

由此可見，S201鉸鏈的結(jié)構(gòu)更合理，更適用于關(guān)門力大、有密封隔音要求的工作場合。

2S81鉸鏈結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計優(yōu)化

在使用S81鉸鏈時，裝配后的門經(jīng)過校驗，通常會發(fā)現(xiàn)門有不同程度的下垂，且關(guān)門吃力; 新門使用幾次后，門軸有異響。因此，需要對S81 鉸鏈 的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析。

2． 1 S81 鉸鏈結(jié)構(gòu)強度分析

2． 1． 1 S81 鉸鏈三維實體模型

根據(jù)S81鉸鏈圖紙，使用SolidWorks 軟件繪制 其三維實體模型圖。創(chuàng)建材料屬性，鉸鏈選用的材料為6061 － T6，彈性模量為0． 7e + 11Pa，泊松比為 0． 33，許用應(yīng)力為225MPa。鉸鏈軸外徑9． 5mm， 選用的材質(zhì)為45鋼，彈性模量為2． 1e + 11Pa，泊 松比為0. 28，許用應(yīng)力大于220MPa。

2． 1． 2 S81 鉸鏈有限元分析 將門扇與鉸鏈三維模型導(dǎo)入SolidWorks。為 了簡化模型，便于分析，取消螺釘、頂絲、軸承、擋 圈、右瓣鉸鏈模型，只保留門扇、左瓣鉸鏈和鉸鏈 軸。將門扇與鉸鏈的配合方式選為剛性連接，分析時不考慮其本身的應(yīng)力及變形。打開Simulation 插件，定義各零件的材料屬性，設(shè)置約束和載荷，采用自動網(wǎng)格化，推薦值為20. 4。

2． 1． 3S81 鉸鏈工況及載荷確定

門扇以鉸鏈軸為軸心轉(zhuǎn)動，無沖擊，門扇為剛性結(jié)構(gòu)，自重為130kg。鉸鏈所承受的力來自于門扇的質(zhì)量所產(chǎn)生的力矩，力臂為門扇重心到鉸鏈軸 軸心的距離。

2． 1． 4 S81 鉸鏈加載結(jié)果及分析

由S81鉸鏈分析可知，最大的應(yīng)力點發(fā)生在鉸鏈軸上，靠近約束端，數(shù)值為231MPa，最小應(yīng)力點發(fā)生在門扇的左下角，為25Pa。鉸鏈軸的負(fù)載已 經(jīng)超過其使用要求，需要對其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。

安全系數(shù)最小點發(fā)生在上端鉸鏈軸上，靠近約束端，數(shù)值小于1，鉸鏈軸的強度不滿足要求。通過以上數(shù)據(jù)分析，可能存在問題的部件有 上、下鉸鏈及鉸鏈軸。下面對這4個部件分別進(jìn)行應(yīng)力及安全系數(shù)的分析。

a． 上端鉸鏈分析。

在Simulation 狀態(tài)下，顯示von Mises 等效應(yīng)力云圖，如圖6所示。由圖可知，上端鉸鏈所受最大 應(yīng)力點發(fā)生在軸孔的下端，為61MPa，因此上端鉸鏈的結(jié)構(gòu)及材料滿足實際需要。

b． 下端鉸鏈分析。

在Simulation 狀態(tài)下，顯示von Mises 等效應(yīng)力云圖，下端鉸鏈所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸孔的下端，為56MPa，因此下端鉸鏈的結(jié)構(gòu)及材料滿足實 際需要。

c． 上端鉸鏈軸分析。

由圖7可知，上端鉸鏈軸所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸的底部，靠近約束端，為231MPa，因此上端鉸鏈軸不滿足強度要求，需要進(jìn)行重新設(shè)計。

d． 下端鉸鏈軸分析。

在Simulation 狀態(tài)下，顯示von Mises 等效應(yīng)力云圖，下端鉸鏈軸所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸的底部，靠近約束端，為215MPa，剛好滿足強度要求，但 是接近失效的邊緣，因此下端鉸鏈軸需要進(jìn)行設(shè)計 優(yōu)化。

總結(jié)以上分析，上、下鉸鏈的強度滿足要求; 上、 下鉸鏈軸的強度存在問題，需要進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化。

2． 2 S81 鉸鏈軸設(shè)計和優(yōu)化

2． 2． 1 上端鉸鏈軸設(shè)計和分析

由于上端鉸鏈軸的強度不滿足要求，需要對其 結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行重新設(shè)計。鉸鏈軸使用的材料的 彈性模量已經(jīng)足夠大，因此不改變材料，只對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行重新設(shè)計。綜合因素考慮，鉸鏈軸由直徑9.5mm變?yōu)橹睆?5mm，鉸鏈的軸孔同時要擴(kuò)大至15mm。使用SolidWorks 三維建模，Simulation 做強度分析，得到上端鉸鏈軸等效應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果可知，上端鉸鏈軸所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸的底部，靠近約束端，為101MPa，安全系數(shù)大于2，因此將軸的直徑加粗至15mm，可以有效提高軸的強度，新設(shè)計滿足強度要求。

2． 2． 2 下端鉸鏈軸優(yōu)化和分析

為了簡化結(jié)構(gòu)及方便圖紙管理，下端鉸鏈軸的結(jié)構(gòu)尺寸與上端鉸鏈軸相同，直徑為15mm，從分析結(jié)果可知，下端鉸鏈軸所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸的底部，靠近約束端，為97MPa，安全系數(shù)大于2， 因此將下端鉸鏈軸的直徑加粗至15mm，與上端鉸鏈軸相同，可以有效提高軸的強度和安全系數(shù)，改善其長期使用性能。

2． 3 鉸鏈強度校驗

2． 3． 1 上端鉸鏈校驗

由于鉸鏈軸的直徑加粗，引起鉸鏈軸孔加大， 導(dǎo)致鉸鏈強度減小，需要對其進(jìn)行校驗，由等效應(yīng)力分析可知，上端鉸鏈所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸孔的下端，為29MPa，因此下端鉸鏈的結(jié)構(gòu)及材料滿足實際需要。

2． 3． 2 下端鉸鏈校驗

由等效應(yīng)力分析可知，下端鉸鏈所受最大應(yīng)力點發(fā)生在軸孔的下端，為22MPa，因此下端鉸鏈的結(jié)構(gòu)及材料滿足實際需要。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)門扇、門框、鉸鏈、鉸鏈軸等部件的工程圖紙及參數(shù)進(jìn)行三維建模，通過對S81和S201鉸鏈的運動分析，證明S201的結(jié)構(gòu)更合理。利用SolidWorks 軟件對使用S81鉸鏈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度分析和有限元分析，得到最大應(yīng)力的位置和應(yīng)力分布，并據(jù)此規(guī)律對鉸鏈軸進(jìn)行關(guān)鍵部件的強化，提高了強度和可靠性，達(dá)到了使用要求。