塑料門窗五金鋼帶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張海峰

【摘要】本文本著不影響五金件的使用性能，而又能降低生產(chǎn)成本，降低材料的消耗的目的，僅就制造動(dòng)桿和靜桿鋼帶的規(guī)格、使用、性能進(jìn)行淺顯的探討。

【關(guān)鍵詞】滑動(dòng)板（動(dòng)桿）;聯(lián)動(dòng)板（靜桿）;抗彎強(qiáng)度;抗彎力;扭力;鎖點(diǎn);傳動(dòng)力;剪應(yīng)力

塑料門窗五金件鋼帶規(guī)格的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，一直是一個(gè)大家較關(guān)心的熱門話題。近幾年來，用于生產(chǎn)塑窗五金配件的材料價(jià)格不斷上漲，致使很多廠家為降低生產(chǎn)成本，而作了很多嘗試，究其效果不是十分明確。

塑料門窗主要是由塑料PVC擠出型材、密封膠條、密封毛條、增強(qiáng)型鋼、玻璃及五金配件等部分組成 ，其門窗的開啟與關(guān)閉是靠五金配件來控制完成的。五金配件的組成：一是傳動(dòng)部件;二是固定部件;三是承重（合頁、滑撐）部件;四是控制部件等部件所組成。用于傳動(dòng)及固定的部件——滑動(dòng)板（動(dòng)桿）和聯(lián)動(dòng)板（靜桿）是五金件的重要組成部分之一。

滑動(dòng)板及聯(lián)動(dòng)板所使用鋼帶材料消耗的降低，是降低生產(chǎn)成本的重要手段之一。滑動(dòng)板及聯(lián)動(dòng)板的寬度尺寸，是裝配于歐標(biāo)槽口的配合尺寸，因歐標(biāo)槽口是型材擠出的標(biāo)準(zhǔn)要求，故該方向的尺寸是不能減小或擴(kuò)大的。厚度尺寸是用來承受傳動(dòng)力的，是與其他五金配件裝配使用，所以，可采用改動(dòng)其他配件裝配尺寸的方法，以達(dá)到合理的配合。故滑動(dòng)板及聯(lián)動(dòng)板的厚度尺寸是可以減小或擴(kuò)大的，達(dá)到既降低鋼帶材料消耗，又保證五金件在門窗使用中其剛度及強(qiáng)度的最基本需求。

1. 理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶尺寸及原規(guī)格鋼帶尺寸

滑動(dòng)板新設(shè)計(jì)規(guī)格為：10×2.4（mm）;原規(guī)格為10×2.7（mm）。

聯(lián)動(dòng)板新設(shè)計(jì)規(guī)格為：16×2.2（mm）;原規(guī)格為16×2.5（mm）。

1.2新規(guī)格鋼帶與原規(guī)格鋼帶的抗彎強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)西北工業(yè)大學(xué)出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)》中有關(guān)彎曲力的計(jì)算公式規(guī)定，彎曲力受材料性能、彎曲方法等多種因素影響，用理論公式來計(jì)算不但計(jì)算復(fù)雜，且不一定準(zhǔn)確。因此，經(jīng)工作實(shí)際總結(jié)出一套理論與實(shí)踐相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)公式，可做一般設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2.1滑動(dòng)板

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖1所示）。

1.3.1滑動(dòng)板抗彎力

取新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶10×2.4及原規(guī)格鋼帶10×2.7各3組樣件，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別作彎曲實(shí)驗(yàn)，獲得以下數(shù)據(jù)：

新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶：樣件1：1020N;樣件2：1050N;樣件3：1030N;

新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶平均值：1033.3N;

原規(guī)格鋼帶：樣件1：1360N;樣件2：1380N;樣件3：1330N;

原規(guī)格鋼帶平均值：1356.7N。

1.3.2聯(lián)動(dòng)板抗彎力

取新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶16×2.2及原規(guī)格鋼帶16×2.5各3組樣件，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別作彎曲實(shí)驗(yàn)，獲得以下數(shù)據(jù)：

新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶：樣件1：1400N;樣件2：1450N;樣件3：1430N;

新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶平均值：1426.7N

原規(guī)格鋼帶：樣件1：1810N;樣件2：1840N;樣件3：1780N;

原規(guī)格鋼帶平均值：1810N。

1.4 結(jié)論

塑料門窗在實(shí)現(xiàn)啟閉時(shí)各部件傳動(dòng)力應(yīng)符合門窗啟閉力不應(yīng)大于“50N”的要求，且滿足JG/T126-2007《建筑門窗五金件 傳動(dòng)鎖閉器》標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，鎖點(diǎn)抗剪力1800N的要求，為使其性能更加得以保證，現(xiàn)增加一倍的安全系數(shù)為： 50N×2=100N。

通過以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶抗彎力：

滑動(dòng)板：4434N、聯(lián)動(dòng)板：6180N。

而原設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶抗彎力：

滑動(dòng)板：5329N， 聯(lián)動(dòng)板：7565N。

由此可知：雖然新設(shè)計(jì)規(guī)格小于原規(guī)格鋼帶抗彎力，但是均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全系數(shù)大一倍的啟閉力“100N”及鎖點(diǎn)抗剪力“1800N”的要求。

結(jié)論：能夠滿足塑料門窗傳動(dòng)力的要求。

2. 啟閉傳動(dòng)力及鎖點(diǎn)抗剪力應(yīng)小于新規(guī)格帶鋼最薄弱位置的抗彎力及拉力

現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定啟閉力為“50N”的數(shù)據(jù)包括：

a）門窗啟閉時(shí)膠條的回彈力或壓縮力;

b）啟閉時(shí)各鎖點(diǎn)與鎖塊的摩擦力;

c）啟閉時(shí)滑動(dòng)板與聯(lián)動(dòng)板的摩擦力;

d）其余傳動(dòng)部件的摩擦力等。

2.1 計(jì)算

新規(guī)格鋼帶：滑動(dòng)板及聯(lián)動(dòng)板最薄弱位置截面，如圖2所示。

滑動(dòng)板最小截面的抗彎力：

P1=（B·t2·δb）/（R+t）=（4.8×2.42×435）/（2.4+2.4）=2505N

聯(lián)動(dòng)板最小截面的抗彎力：

P2=（B·t2·δb）/（R+t）=（9×2.22×435） / （2.2+2.2）=3915N

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

取按照?qǐng)D2最小截面尺寸的鋼帶樣件各6組，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別作滑動(dòng)板及聯(lián)動(dòng)板的拉力試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)，獲得以下數(shù)據(jù)：

滑動(dòng)板的抗拉力：樣件1：13500N;樣件2：14300;樣件3：14800N;平均值為：14200N。

抗彎力：樣件1：730N;樣件2：690N;樣件3：715N;平均值為：711.7N。

聯(lián)動(dòng)板的抗拉力：樣件1：≥9800N;樣件2：≥9800N ;樣件3：≥9800;平均值為≥9800N。

抗彎力：樣件1：960N;樣件2：980N;樣件3：970N;平均值為：970N。

（注：材料：Q235;硬度：HRB 90～95;狀態(tài)：冷軋;）

2.3 結(jié)論

理論計(jì)算：

滑動(dòng)板的抗彎力： 2505N大于50N的啟閉力及1800N鎖點(diǎn)抗剪力。

聯(lián)動(dòng)板的抗彎力：3915N大于50N的啟閉力及1800N鎖點(diǎn)抗剪力。

試驗(yàn)驗(yàn)證：

滑動(dòng)板平均抗拉力：14200N，抗彎力：711.7N均大于50N的啟閉力;

聯(lián)動(dòng)板平均抗拉力：≥9800N，抗彎力： 970N均大于50N的啟閉力;

結(jié)論：根據(jù)以上計(jì)算及試驗(yàn)的各種數(shù)據(jù)，能滿足塑料門窗使用性能要求。

3. 鎖閉時(shí)的鎖閉力應(yīng)小于新設(shè)計(jì)鋼帶與鎖點(diǎn)鉚合的剪應(yīng)力

塑窗鎖閉時(shí)的鎖閉力包括：a）門窗啟閉力;b）門窗鎖閉時(shí)的1/2抗風(fēng)壓力。

3.1 門窗啟閉力

按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“門窗啟閉力不應(yīng)大于50N”的規(guī)定，門窗啟閉力在計(jì)算中增加一倍的安全系數(shù)，可按50N×2=100N力計(jì)。

3.2 門窗鎖閉時(shí)的1/2抗風(fēng)壓力

按國家GB/T7106-2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在抗風(fēng)壓力為6級(jí)時(shí)，風(fēng)壓為：4000Pa，若窗扇面積為1 m2時(shí)，則承壓力為4000N，門窗在鎖閉時(shí)，設(shè)定風(fēng)向?yàn)榇怪遍T窗正面，則鉸鏈及鎖點(diǎn)的鉚合銷與五金鋼帶的鉚合點(diǎn)各承受近1/2的風(fēng)壓壓力，故可設(shè)定為：4000/2=2000N，

因?yàn)殚T窗鎖閉力Fs包括：門窗啟閉力Fq和1/2抗風(fēng)壓力Fy，

設(shè)窗扇受風(fēng)面積為1m2時(shí)：

Fs=Fq+Fy=2000+100=2100（N）

設(shè)窗扇受風(fēng)面積為1.5m2時(shí)，風(fēng)壓力按P=2000N

作用在塑窗上的總壓力為：Fz=1.5×2000=3000（N ）

支點(diǎn)載荷 ：窗上設(shè)有鉸鏈2個(gè)、鎖點(diǎn)3個(gè)、設(shè)鎖點(diǎn)均勻受力，各點(diǎn)承載力

Fh=1/2×1/3×Fz= 1/6×3000

= 500（N）

3.3 新設(shè)計(jì)鋼帶與鎖點(diǎn)鉚合剪應(yīng)力

3.3.1計(jì)算

滑動(dòng)板與聯(lián)動(dòng)板裝配鉚合后，各部位的尺寸如圖3所示，聯(lián)動(dòng)板與鎖點(diǎn)的剪應(yīng)力：

設(shè)扭矩為 M=500×4=2000N.m時(shí)，在扭矩M的作用下，滑動(dòng)板和聯(lián)動(dòng)板組合體所承受的剪應(yīng)力τ

τ=M/Wh≤[τ]就滿足塑窗的性能要求

[τ]為需用抗剪應(yīng)力，不易查到，一般可用材料抗拉屈服強(qiáng)度（δs或δ0.2）之半乘以安全系數(shù)n。例如：低碳鋼 δs=200N/mm2，則

[τ]= n×δs/2 = n ×100 =2.25×100 = 225（N/mm2 ）

n 為安全系數(shù)，可取2 ～2.5，本計(jì)算中取2.25中值;

Mh為抗扭截面模數(shù)，其計(jì)算較繁鎖，結(jié)合本結(jié)構(gòu)計(jì)算，如圖4：

γ1==5.85mm

γ2==3.7mm

Mh=2（5.85×4.5×2.2+3.7×3×2.4）

=169 mm3

τ=M / Wh

=525/169 =3.1N/mm2

3.3.2結(jié)論

τ=3.1N/mm2遠(yuǎn)小于[τ]=225N/mm2;故其抗剪切應(yīng)力，可滿足塑窗的使用性能要求。

4.結(jié)束語

通過以上對(duì)塑料門窗五金鋼帶三個(gè)受力點(diǎn)的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將門窗五金鋼帶改為新設(shè)計(jì)規(guī)格，能滿足門窗的使用性能要求，是基本合理的。達(dá)到了既不影響門窗的使用性能，又降低了鋼材的消耗，進(jìn)而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

因此建議：新設(shè)計(jì)規(guī)格鋼帶可適用于：常規(guī)窗型產(chǎn)品（高度在：2000mm，寬度在1500mm以下的窗型）。

非常規(guī)格窗型產(chǎn)品：可采用原規(guī)格鋼帶。同時(shí)可考慮特殊地區(qū)、特殊情況可特殊對(duì)待。

門用鋼帶建議還使用原規(guī)格鋼帶，可考慮有以下幾個(gè)原因：

（1） 門的啟閉頻率高;

（2） 門的靜載荷相對(duì)窗來講要大得多;

（3） 門在啟閉時(shí)所承受的力相對(duì)窗來講要大;

（4）國產(chǎn)圓鋼材質(zhì)與國外鋼材相比因含錳量稍稍偏低，如再降低規(guī)格，其受力狀況可能受到影響。

參考文獻(xiàn)

[1]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》.化學(xué)工業(yè)出版社，2016.3

[2]《公差與配合手冊(cè)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2013.3

[3]《建筑門窗五金件 ?通用要求》 GB/T32223-2015

[4]《建筑門窗五金件 ?傳動(dòng)鎖閉器》 JG/T126-2017

[5]《建筑門窗五金件 ?多點(diǎn)鎖閉器》 JG/T215-2017

（作者單位：亞薩合萊國強(qiáng)（山東）五金科技有限公司）

【中圖分類號(hào)】TU513

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）01-0058-03