隔音屏蔽门铰链的优化设计介绍

不锈钢工业铰链 不锈钢铰链 608℃ 0评论

 

普通的隔音电磁屏蔽门自重和关门阻力较大,不锈钢工业铰链易变形和损坏,导致隔音屏蔽性能不理想。为了解决这一问题,以屏蔽门、铰链和铰链轴为研究对象,对其进行三维建模和有限元分析, 得到部件的应力、位移及安全系数的分布规律。通过对数据及图形参数的分析,进行结构的设计和优化,加强了铰链、铰链轴的强度。铰链轴的强度对于门扇应用的影响尤为关键。


1 隔音屏蔽门
1. 1 隔音屏蔽门减重设计

门的骨架通常选用矩形钢管,材质为普通碳钢,门的内部填充木板。为了增加隔音效果、减轻门重,改为填充保温棉,密度为30kg/m3,填充体积为0.3m3。门扇及门框的骨架选用铝合金6061-T6,门总重约130kg。隔音屏蔽门的实物照片如图1所示(四角尼龙平面合页)。

1. 2 隔音屏蔽门问题

隔音屏蔽门试制后,经过检验发现以下问题:

( 1) 铰链转动困难,有异响;

( 2) 关门阻力大,持续时间长。

 

1. 3 ML2-020-2和不锈钢工业铰链运动分析

对ML2-020-2铰链进行关门力校验时,发现门扇距离完全关闭约有20°时开始出现阻力,随着关门动作 的继续,则需更大的作用力才能将门完全关闭。更换不锈钢工业铰链后,问题有较大改善。因此对使用ML2-020-2铰链和不锈钢工业铰链的情况分别进行分析(黑色尼龙铰链)。

 

》1. 3. 1 ML2-020-2铰链运动分析

在理想条件下,对ML2-020-2铰链进行运动分析。理 想条件包括: 门扇和门框未变形; 铰链和轴未因为负载变形; 各个部件的加工精度满足设计要求,且配合无缝隙; 购买的衬垫未变形。应用SolidWorks软件进行三维建模,模拟使用ML2-020-2铰链关门时的情况。 (轻型尼龙铰链)分析表明,当门扇与门框之间的夹角约为25°时,下方凹槽内的衬垫与门扇接触,即将发生压缩变形,如图2所示。


铰链下方衬垫与门扇发生接触 继续关门时,下方衬垫继续被压缩。当上方衬垫发生接触时,如图3所示,此时门扇与门框之间的夹角约为6°,下方衬垫压缩量约为5mm。当门扇完全关闭时,门扇与门框保持水平,夹角为0°,下方衬垫压缩量为6.5mm,上方的衬垫压缩量为5.5mm(机械尼龙黑色四角合页)。

》1. 3. 2 不锈钢工业铰链运动分析

在同样的理想条件下对不锈钢工业铰链进行运动分析。当门扇与门框之间的夹角约为6°时,下面的衬垫刚好与门扇接触,如图4所示。

继续关门时,下方衬垫继续被压缩。当上方衬垫发生接触时,如图5所示,门扇与门框之间的夹角约为3°,下面的衬垫压缩量约为3mm。

当门扇完全关闭后,门扇与门框保持水平,夹角为0°,下方衬垫压缩量为6.5mm,上方衬垫压缩量为5. 5mm。 分析铰链ML2-020-2和不锈钢工业的运动情况,得出对比表,见表1(工业用尼龙铰链)。

总结以上数据,得到以下结论:

( 1) 在门扇完全关闭时,上、下两个衬垫的压缩量没有变化,说明 ML2-020-2铰链与不锈钢工业铰链在最终完成关门的瞬间,所施加的关门力数值相等。

( 2) 关门过程中,不锈钢工业铰链需要施加作用力的持续时间更短,力量更小。 由此可见,不锈钢工业铰链的结构更合理,更适用于关门力大、有密封隔音要求的工作场合(桥型铰链)。
2.ML2-020-2铰链结构分析和设计优化

在使用ML2-020-2铰链时,装配后的门经过校验,通常会发现门有不同程度的下垂,且关门吃力; 新门使用几次后,门轴有异响。因此,需要对ML2-020-2 铰链 的结构强度进行分析。

 

2. 1ML2-020-2 铰链结构强度分析

》2. 1. 1 ML2-020-2 铰链三维实体模型

根据ML2-020-2铰链图纸,使用SolidWorks 软件绘制 其三维实体模型图。创建材料属性,铰链选用的材料为6061 - T6,弹性模量为0. 7e + 11Pa,泊松比为 0. 33,许用应力为225MPa。铰链轴外径9. 5mm, 选用的材质为45钢,弹性模量为2. 1e + 11Pa,泊 松比为0. 28,许用应力大于220MPa(大弯铰链)。

 

》2. 1. 2ML2-020-2 铰链有限元分析

将门扇与铰链三维模型导入SolidWorks。为 了简化模型,便于分析,取消螺钉、顶丝、轴承、挡 圈、右瓣铰链模型,只保留门扇、左瓣铰链和铰链 轴。将门扇与铰链的配合方式选为刚性连接,分析时不考虑其本身的应力及变形。打开Simulation 插件,定义各零件的材料属性,设置约束和载荷,采用自动网格化,推荐值为20. 4(不锈钢合页)。

 

》2. 1. 3ML2-020-2铰链工况及载荷确定

门扇以铰链轴为轴心转动,无冲击,门扇为刚性结构,自重为130kg。铰链所承受的力来自于门扇的质量所产生的力矩,力臂为门扇重心到铰链轴 轴心的距离。

 

》2. 1. 4 ML2-020-2铰链加载结果及分析

由ML2-020-2铰链分析可知,最大的应力点发生在铰链轴上,靠近约束端,数值为231MPa,最小应力点发生在门扇的左下角,为25Pa。铰链轴的负载已 经超过其使用要求,需要对其材料和结构进行重新设计。 安全系数最小点发生在上端铰链轴上,靠近约束端,数值小于1,铰链轴的强度不满足要求。通过以上数据分析,可能存在问题的部件有 上、下铰链及铰链轴。下面对这4个部件分别进行应力及安全系数的分析(索斯科铰链)。

a. 上端铰链分析。 在Simulation 状态下,显示von Mises 等效应力云图,如图6所示。由图可知,上端铰链所受最大 应力点发生在轴孔的下端,为61MPa,因此上端铰链的结构及材料满足实际需要。

b. 下端铰链分析。 在Simulation 状态下,显示von Mises 等效应力云图,下端铰链所受最大应力点发生在轴孔的下端,为56MPa,因此下端铰链的结构及材料满足实 际需要。

c. 上端铰链轴分析。 由图7可知,上端铰链轴所受最大应力点发生在轴的底部,靠近约束端,为231MPa,因此上端铰链轴不满足强度要求,需要进行重新设计(304不锈钢铰链)。

d. 下端铰链轴分析。 在Simulation 状态下,显示von Mises 等效应力云图,下端铰链轴所受最大应力点发生在轴的底部,靠近约束端,为215MPa,刚好满足强度要求,但 是接近失效的边缘,因此下端铰链轴需要进行设计 优化。 总结以上分析,上、下铰链的强度满足要求; 上、 下铰链轴的强度存在问题,需要进行设计、优化(不锈钢铰链生产厂家)。

 

2. 2 ML2-020-2铰链轴设计和优化

》2. 2. 1 上端铰链轴设计和分析

由于上端铰链轴的强度不满足要求,需要对其 结构和材料进行重新设计。铰链轴使用的材料的 弹性模量已经足够大,因此不改变材料,只对结构尺寸进行重新设计。(不锈钢铰链图片)综合因素考虑,铰链轴由直径9.5mm变为直径15mm,铰链的轴孔同时要扩大至15mm。使用SolidWorks 三维建模,Simulation 做强度分析,得到上端铰链轴等效应力云图。从分析结果可知,上端铰链轴所受最大应力点发生在轴的底部,靠近约束端,为101MPa,安全系数大于2,因此将轴的直径加粗至15mm,可以有效提高轴的强度,新设计满足强度要求。

 

》2. 2. 2 下端铰链轴优化和分析

为了简化结构及方便图纸管理,下端铰链轴的结构尺寸与上端铰链轴相同,直径为15mm,从分析结果可知,下端铰链轴所受最大应力点发生在轴的底部,靠近约束端,为97MPa,安全系数大于2, 因此将下端铰链轴的直径加粗至15mm,与上端铰链轴相同,可以有效提高轴的强度和安全系数,改善其长期使用性能(不锈钢铰链怎么安装)。
2. 3 铰链强度校验

》2. 3. 1 上端铰链校验

由于铰链轴的直径加粗,引起铰链轴孔加大, 导致铰链强度减小,需要对其进行校验,由等效应力分析可知,上端铰链所受最大应力点发生在轴孔的下端,为29MPa,因此下端铰链的结构及材料满足实际需要。

》2. 3. 2 下端铰链校验

由等效应力分析可知,下端铰链所受最大应力点发生在轴孔的下端,(阻尼铰链的好处是什么)为22MPa,因此下端铰链的结构及材料满足实际需要。
3 结束语
本文根据门扇、门框、铰链、铰链轴等部件的工程图纸及参数进行三维建模,通过对ML2-020-2和不锈钢工业铰链的运动分析,证明不锈钢工业的结构更合理。利用SolidWorks 软件对使用ML2-020-2铰链的结构进行强度分析和有限元分析,得到最大应力的位置和应力分布,并据此规律对铰链轴进行关键部件的强化,提高了强度和可靠性,达到了使用要求(不锈钢铰链什么牌子好?)。

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