关于电磁屏蔽暗室门铰链的优化分析

普通的隔音电磁屏蔽门自重和关门阻力较大，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。

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   S81和S201铰链运动分析 对S81 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S201铰链后，问题有较大改善。因此对使用S81铰链和S201铰链的情况分别进行分析。

1． 3． 1   S81铰链运动分析

在理想条件下，对S81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S81铰链关门时的情况。

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。

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。

1． 3． 2  S201铰链运动分析

在同样的理想条件下对S201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S81和S201的运动情况，得出对比表，见表1。

 

表1 S81 和S201 运动分析对比表

铰链运动参数	铰链型号
	S81	S201
下衬垫发生接触时，门扇与门框夹角/°	25	6
上衬垫发生接触时，门扇与门框夹角/°	6	3
上衬垫发生接触时，下衬垫压缩量/mm	5	3
完全关闭时，上衬垫压缩量/mm	5.5	5.5
完全关闭时，下衬垫压缩量/mm	6.5	6.5

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 S81铰链与S201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，S201铰链需要施加作用力的持续时间更短，力量更小。

由此可见，S201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。

2S81铰链结构分析和设计优化

在使用S81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S81 铰链 的结构强度进行分析。

2． 1 S81 铰链结构强度分析

2． 1． 1 S81 铰链三维实体模型

根据S81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。

2． 1． 2 S81 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。

2． 1． 3S81 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 S81 铰链加载结果及分析

由S81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。

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。

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。

2． 2 S81 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。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。

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，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S81和S201铰链的运动分析，证明S201的结构更合理。利用SolidWorks 软件对使用S81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。