一种改进的防火门

在我国,防火门按照材质的不同划分,主要有木质防火门和钢质防火门两种，另外也有钢木防火门和其他材质的防火门，但使用较少，市场上99%的都是木质和钢质防火门。顾名思义木质防火门即以木材作为框架材料，内部填充耐火材料，使其具有阻燃性能的一种门。钢质防火门其内部填充物与木质防火门完全相同，不同的只是门框与门扇为钢板制作而成。

很多消费者不清楚木质防火门和钢制防火门之间的差别，内心总是对木质防火门的防火性能持有怀疑态度，认为钢制防火门的防火效果比木质防火门的好，那么，这种观点是否正确呢，下面由中沃门业为您一一解析。

一、防火门耐火极限

按照防火门规范，根据发生耐火极限时间的不同，木质防火门和钢质防火门分别划分出三个防火门级别,甲级防火门（耐火极限1.5h）,乙级防火门（耐火极限1.0h）和丙级防火门（耐火极限0.5h）。

二、木质防火门和钢质防火门哪种更好

虽然说两种门都可达到一定耐火极限时间标准，但因为材质的原因在发生火灾时，钢质防火门的燃烧完整性、稳定性会更加出色。不过在按小时计算的耐火时间前提下，火场人员疏散两种防火门所能提供的时间一般情况下完全可以满足，所以在选择木质防火门和钢质防火门时更多的是以日常实际使用为选择目标，通常来说，建筑物内部主要以木质防火门为主，外部配置钢质防火门更多。

河南省中沃门业有限公司是河南省知名防火门生产厂家，位于中国郑州马寨经济开发区，公司始创于1995年，是一家专注于防火门研发、生产、销售的企业，公司下属河南中沃消防科技有限公司、郑州万霖新型门窗有限公司。

中沃门业始终坚持为客户服务，用良心做门，凭良心做人！

常州博瑞电力自动化设备有限公司的研究人员何峋，在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文，主要阐述的是在开发一种新机柜过程中，相对与常规机柜的结构布置，的确改善了散热状态。但它的载荷大，跨度大，重心高，引发的强度和稳定性问题是潜在的另一个风险。

为此，综合有限元分析工具，作了一些力学分析和改进设计，使其满足了产品功能。此外，为类似的非常规设计提供可借鉴的思路。

1 产品概述

通用变流器柜是用于光伏发电的电力设备，里面装有4个电抗器和4个发电模组，每个电抗器的质量约250kg，4个共1000kg，每个模组的重量为80kg，4个共320kg，都是并列布置，加上其它电气元件和结构件，总质量将近1800kg。常规的布局是：电抗器重量比较重，将它们固定在柜体的底部，发电模组比较轻，固定在上部，这样整体柜子的重心可以稳定一点。

但这种结构虽有其利，必有其弊。因为电抗器散热比较大，热流向上升，都传递给了上部的模组，模组本身也在发热，本身热值小于电抗器。所有的热量综合在模组上，然后再上升，往顶部的通风孔流出，这时的模组已吸收了更多的外界热量后，不能快速发散热量，影响功效和寿命，并且散热慢，使得整个柜子温升在加剧，不利于电器柜的运行。

本案例改进思路，翻新了柜体结构设计。为了散热更良好，有意将4个电抗器安装在柜体的上部，直接将热量散发到柜子顶部，模组安装在柜子的底部，避免模组吸收大量的热值。这样散热效果是改善了，但是结构上变得头重脚轻，重心显得非常不稳定。新产品的特点是载荷大，跨度大，重心高，运输稳定性也会有点困难。（如图1通用变流器柜设计雏形）

图1 通用变流器柜设计雏形

所以设计和制造这个产品的过程需要解决的新问题是：跨度大，载荷大，如何使得柜体强度能承受更苛刻的挑战，尤其是横梁和立柱，因为电抗器质量大，如何保证在1400mm的跨度上，1600mm的高度上，使1000kg的载荷得到可靠的固定支撑，如何让运输过程的重心稳定。

2 分析受力

本文重点阐述翻新设计中的强度解决方案和改进过程，运输稳定性将会有其它措施解决，不在此赘述。

初始设计方案：材料选用截面为63mm规格的槽钢，作为横梁（如图1，序2）；160mm规格的槽钢作为侧面梁（如图1，序3）。从采购便利上考虑，都属标准型材。

装配工艺为：160号槽钢做的侧梁先固定在立柱上，63号槽钢做的横梁和4个电抗器同时固定后，宽度尺寸为1150mm，柜体立柱间内尺寸为1230mm，尺寸1150<1230，所以四个电抗器可以用叉车一起推进入柜内，加载到侧梁上，然后固定。

安装后在力学结构上，预计会产生以下效果：（如图2 载荷示意）

图2 载荷示意

1）63号槽钢承受重力载荷和引起的弯矩；

2）侧梁承受压应力F1，F2，因为还有悬臂结构的存在，造成的弯矩M，这是很差的受力状态。因为跨度大，转接点多，总的变形量更容易被放大；

3）立柱承受重力载荷的传递，引起的不仅是压力，更有忌讳的弯矩M，因为重心高，立柱稳定性受弯矩危害很大。

进一步论证，经过仿真计算，很明显，63号槽钢无法承受如此大的载荷而严重弯曲。同时立柱和侧梁受弯矩后，工作状态相当差，造成潜在失效模式，立柱扭曲。（如图3 仿真分析结果）

按照此方案，在实物制造后，实际验证中也确实发生了明显的变形，这确实是不可靠的设计。

图3 仿真分析结果

3 改进方案

为此改进设计方案，从3个薄弱点找出解决思路。

1）放弃使用槽钢，槽钢显得粗糙笨重。本案中采用的材料是2mm的覆铝锌板，设计成封闭形，加大横梁高度尺寸，增加惯性矩和抗弯性能，同时兼顾工艺性和美观。

覆铝锌板作为免处理板材，不需要额外的外协喷涂工序，节省了制造周期；它的钣金加工工艺性比较好，外观精致，与柜体风格协调统一；综合计算材料成本和加工成本也比槽钢低，尤其在批量生产中，数控钣金设备加工的工艺优势更明显，质量也更稳定。

而且，设计成U形折弯强度要明显高于L形折弯，封闭形则更佳，但操作工艺会很有限制。（如图4 横梁3D设计图）（图5 横梁加强梁3D设计图）

图4 横梁3D设计图

图5 横梁加强梁3D设计图

将上述2种梁组合装配，其设计目的是，封闭后可增加截面稳定性和惯性矩。没有直接设计成一体的形状，是因为折弯工艺的操作性受到限制，所以采用合适的工艺，先分体折弯，再用铆钉连接组合的方式。为了现场装配更高效，有意在横梁的2端设计了辅助的挂钩，这样不仅增加了连接可靠性，而且装配工艺变得轻松简单。

操作工只要把横梁往侧梁上一挂即可解脱双手，然后舒适地操作紧固件，不需要额外的人辅助托着沉重的横梁进行安装。所以在设计过程不仅要解决产品的功能性问题，更要同时兼顾工艺性，一个小小的工艺改进，往往在生产和维护上会带来很大的便利和经济性。（如图6 横梁组合后的3D剖视图）

图6 横梁组合后的3D剖视图

2) 把160号槽钢取消，新横梁直接与新的侧梁对接，没有悬臂结构，所以侧梁上的弯矩为零，使横梁两端侧面和侧梁都直接承受拉应力和剪应力。连接螺钉强度为4.8级，即使弯钩的拉应力承载时效，螺钉强度经过载荷计算，也足以满足剪切力的要求。（图7 横梁组合后的安装）

图7 横梁组合后的安装

3)削弱载荷对立柱的弯矩影响，使立柱100%只承受垂直方向的力。

立柱材料同样是2mm的覆铝锌板，截面是8折型材兼有双重折边工艺，这种源于国外开关柜厂家的钣金工艺为：先将板材折弯后压平，再将上下层一起折弯成90度，这种工艺使得2mm的钢板具备了4mm钢板的抗弯强度，在垂直方向上它的强度和稳定性足以抗衡载荷的重力。而且适合后续的拉铆工艺，压铆工艺操作，工序操作机动灵活，钣金件外观整洁平整，双重折边在高压开关柜中已普及，是经过长期验证的成功案例。

装配工艺为：横梁先固定在侧梁上，因为新的横梁长度已超过柜体立柱的内尺寸空间，所以电抗器逐一安装在横梁上，不再和横梁整体进入柜内，经论证分析，这在装配工艺上是简单可行的。

4 方案可靠性验证

为验证新结构的可靠性，需要做梁的强度计算和分析。（如图8 载荷示意）

图8 载荷示意

转化为单跨度简支架力学模型图：(如图9 力学模型图)

图9 力学模型图

图10 惯性矩截图

上述参数和结构是改进设计后的方案，将上述参数调入公式中，计算挠度y，最大为y=0.32mm,这个形变量在1400mm的跨度上，是个微小的弹性变形值，可忽略。再根据仿真软件同步分析验算，得到变形量为0.4mm，这与理论计算结果非常接近。（如图11 仿真结果分析）

图11 仿真结果分析

再来验证该梁的屈服强度：材料选用的是Q235-A类钢，许用应力大于实际屈服强度，因此，该结构符合设计意图，能满足实际使用要求。附改进设计方案后的实物结构。（如图12）

图12 实物结构

5 模拟运输时的动态冲击分析

为进一步论证在动态条件下的柜体结构强度可靠性,模拟在公路上长途运输，将柜体固定在CNAS认可实验室的平台上进行破坏性试验。试验标准按照GB/T4857.23-2000（包装运输随机振动试验方法）执行。在垂直方向上振动3小时，水平振动方向上振动3小时，扫频共振条件下振动3小时，加速度和频率一直在随机变换。

其中扫频振动的破坏性是最大的，设备初始运行阶段在逐步变化各种频率，以扫描到试验样品的共振频率，随后在合适的频率进行共振。这也是放在最后做的原因。（如图13 实验室运输振动应力曲线）试验后，包装结构完好无损；电气部分一次回路，二次回路接线可靠，元件正确牢固，电阻，耐压，绝缘性能均没有出现明显的下降。结构件不松脱，机构各活动部分运转一切正常。表明柜体结构可以承受剧烈颠簸的公路运输条件而完好无损。

图13 CNAS实验室运输振动应力曲线

6 结束语

在电气柜结构设计中，所用的材料为90%以上薄板材料，考虑的是经济性和良好的工艺性，而钣金结构和材料的机械性能中，拉伸强度要强于抗压强度，过大的压应力会导致截面变形失效，或者不稳定。

在结构设计空间受到限制时，不妨分析一下力系分布，转换受力方式，改压应力为拉应力，或将集中载荷改为均布载荷，或增加折弯边数，或改截面形状，都可以取得简洁明快的结构，良好稳定的效果。而且充分，综合地利用计算机有限元自动分析软件，能提高产品可靠性，加速产品开发过程。