CN116167182B - 一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其包括如下内容:构建防火门系统关门到位状态的第一临界情形力学模型，据分析可得出开门力的计算公式：构建防火门系统开门到位状态的第二临界情形力学模型，据分析可得出关门力的计算公式： 优点为，其适用于市面上大多数闭门器产品理论计算，可为闭门器向多种规格的防火门上安装提供理论指导；还可为闭门器产品设计作理论支撑，高效的指导后续产品开发，避免仅凭借设计经验开发产品，降低产品开发失败风险。

Description

一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法

技术领域

本发明涉及防火门闭门器领域，具体涉及一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法。

背景技术

防火门是指在一定时间内能满足耐火稳定性、完整性和隔热性要求的门。它是设在防火分区间、疏散楼梯间、垂直竖井等具有一定耐火性的防火分隔物。在消防行业，现阶段大部分的防火门闭门器生产厂家根据各自的产品特点形成一套标准的产品安装说明书，用于指导用户按照厂家统一安装标准将闭门器产品安装在防火门上。然而主流的闭门器供应商提供的产品安装标准都来源于有限个上门实测经验值，无法做到一种安装标准兼容市场上若干种不同规格的防火门。闭门器产品按照统一的安装标准安装于不同规格的防火门时，有些情况会导致闭门器产品失效，进而衍生了重大安全事故。

火灾发生时，在防火门闭门器的作用下，防火门处于关闭状态，阻止火势蔓延和烟气扩散，在一定时间内延长人员逃生时间，确保人员的安全疏散，在人员通过后防火门闭门器使防火门能够自动关闭。在人员逃生和疏散过程中，防火门会经常被开启，若所需的开启力过大，就会导致开门困难甚至无法开门的情况，不利于人员逃生和疏散，十分危险。防火门闭门器是为防火门提供开启力矩和关闭力矩的关键装置，对于其开启力矩的设计显得尤为重要。计算开启力矩时应考虑的影响因素主要有防火门的规格、防火门闭门器的关闭力矩、防火门各结构之间的摩擦力以及防烟排烟系统风压等。然而，目前对闭门器产品安装标准涉及的力学研究(包括开启力及关闭力等的理论计算)还很欠缺。另外，在闭门器产品的设计研发工作中，目前还基本是依靠研发人员的经验进行，产品开发失败的风险较高，缺乏一套能够在开始设计闭门器产品之前进行适当程度计算的理论方法作支撑。

发明内容

本发明提供一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，旨在对闭门器产品安装标准涉及的力学相关内容进行研究，给出开启力和关闭力的计算公式，明确与之关联的安装参数，以便闭门器产品安装于不同规格防火门上时进行相应安装参数调整，克服现有技术中统一安装标准将闭门器产品安装在不同规格防火门上时可能存在重大安全隐患的不足，同时经反向计算也能为闭门器产品的设计研发提供理论支撑。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其包括如下内容：

1)构建防火门系统由防火门关闭静止状态因受力即将向开启转动状态切换的第一临界情形力学模型，根据力学分析及受力平衡条件，可得出如下公式：

M_k≥M_c+M_f+M₀ (1)

M_k＝F_开(W-d) (2)

推导得出开门力的计算公式：

2)构建防火门系统由防火门开启静止状态因受力即将向关闭转动状态切换的第二临界情形力学模型，根据力学分析及受力平衡条件，可得出如下公式：

M_b＝F_关(W-d) (5)

M_b≥M_x+M_f-M₀-M_c (7)

推导得出关门力的计算公式：

以上公式中：M_k为开启防火门所需的力矩；M_c为闭门器的关闭力矩；M_f为各结构之间的摩擦力矩；M₀为防烟排烟系统风压产生的力矩；F_开为防火门的开启力；W为防火门门扇的宽度；d为防火门把手与防火门门扇外边缘的距离；H为防火门门扇的高度；ΔP为防烟排烟系统提供的风压；M_b为关闭防火门所需的力矩；M_x为闭门器的开门限位力矩；F_关为防火门的关闭力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体选择。

具体的，ΔP的取值满足如下规定：前室、合用前室、封闭避难层、封闭楼梯间与疏散走道之间的压差为25Pa～30Pa；防烟楼梯间与疏散走道之间的压差为40Pa～50Pa。

具体的，对闭门器的液压装置进行受力分析，得出闭门器的关闭力矩M_c由如下公式计算:

M_c＝k·Δx·r·η₁

r为液压装置中齿轮齿条机构中齿轮分度圆半径；k为液压装置中大力弹簧刚度系数；Δx为液压装置中大力弹簧被压缩量；η₁为液压装置中齿轮齿条机构传动效率。

具体的，对闭门器结构特征及安装后于防火门门扇上后防火门关闭后的状态进行分析，得出闭门器开启力矩M_x由如下公式计算:

M_x＝F_h·e

F_h为闭门器的滑块脱扣力；e为闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构中滑块偏置防火门门轴的距离。

具体的，闭门器安装于门扇上后，其运动及受力类似于偏置曲柄滑块机构，由偏置曲柄滑块机构的运动几何关系可得出如下计算公式：

a为曲柄长度，也即闭门器液压装置在防火门扇上安装位置与门轴之间的水平距离；b为连杆长度，也即闭门器连杆长度；α为防火门扇开启角度；β为防火门扇与连杆之间的夹角。

具体的，闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，对曲柄进行受力分析，得出摩擦力矩M_f和闭门器的关闭力矩M_c满足如下计算公式：

M_C·η₂+M_f＝0

η₂为曲柄的主动转矩传递效率。

具体的，以滑块为分析对象，当滑块朝关门方向加速滑动时，其满足如下条件：

F_h≥F_L·cosφ-f

F_L为连杆对滑块的反作用力；为连杆与滑块滑动方向之间的夹角；f为滑块与滑轨之间的摩擦力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一套防火门器开启力与关闭力计算方法，适用范围广，经本发明提供的计算方法对相应参数的理论计算，可为市面上大多数闭门器产品在不同规格防火门上的安装提供一定理论指导，克服当前安装标准仅来源于有限个上门实测经验值的不足。此外，本发明的计算方法不仅能够为闭门器安装提供指导，也能够反向推导用于闭门器产品的研发，当开发适用于特定规格的防火门使用的闭门器产品时，相关的安装参数及使用人群的开启关闭力大致确定，经本发明提供的公式进行反向推导，从而确定闭门器产品本身的一些性能参数，确保在开始设计闭门器产品之前有一定理论支撑，高效的指导后续产品开发，避免仅凭借设计经验开发产品，避免埋下设计缺陷隐患，降低产品开发失败风险。

附图说明

图1为防火门系统处于关闭到位状态受力即将启动开启的第一临界情形的受力情况示意；

图2为防火门系统处于开启到位状态受力即将启动关闭的第二临界情形的受力情况示意；

图3为闭门器液压装置提供关闭力矩Mc的示意图；

图4为防火门与闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构的运动简图；

图5为防火门与闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构的示意图(图中标号Vh的箭头代表关门方向)；

图6为图5中曲柄的受力分析图；

图7为图5中连杆的受力分析图；

图8为图5中滑块的受力分析图(图中标号Vh的箭头代表关门方向)。

以上附图中出现的标号代表的含义如下：

1.防火门门轴；2.防火门门扇；3.防火门把手；4.防火门门框；5.闭门器产品；6.大力弹簧；7.齿轮；8.齿条。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其包括如下内容：

1)构建防火门系统由防火门关闭静止状态因受力即将绕防火门门轴1向开启转动状态切换的第一临界情形力学模型，第一临界情形如图1所示，此时防火门门扇2关闭到位，图1中标号F为人从室内向外推动防火门把手3给防火门门扇施加的开启力，也即为F_开，室内侧因防烟排系统的抽送排风而气压相对较低为低压侧，室外侧为高压侧，图1中下侧为高压侧，防火门按规范要求为外开，根据力学分析，可得出如下公式：

M_k≥M_c+M_f+M₀ (1)

M_k＝F_开(W-d) (2)

推导得出开门力的计算公式：

式中，M_k为开启防火门所需的力矩；M_c为闭门器的关闭力矩；M_f为各结构之间的摩擦力矩；M₀为防烟排烟系统风压产生的力矩；F_开为防火门的开启力；W为防火门门扇的宽度；d为防火门把手与防火门门扇外边缘的距离；H为防火门门扇的高度；ΔP为防烟排烟系统提供的风压。

2)构建防火门系统由防火门开启静止状态因受力即将向关闭转动状态切换的第二临界情形力学模型，第二临界情形如图2所示，此时防火门门扇2处于开启状态且开启到位(开启到最大角度)，闭门器产品5安装于防火门上，其中闭门器滑槽安装于防火门门框4的室外侧，闭门器液压装置安装于闭门器门扇外侧面顶部且靠近门扇的门轴，室外侧为高压侧，图2中ΔP所在侧为高压侧，防火门按规范要求为外开，其开启最大角度一般在90-150度之间，根据力学分析，可得出如下公式：

M_b＝F_关(W-d) (5)

M_b≥M_x+M_f-M₀-M_c (7)

推导得出关门力的计算公式：

式中，M_c为闭门器的关闭力矩；M_f为各结构之间的摩擦力矩；M₀为防烟排烟系统风压产生的力矩；W为防火门门扇的宽度；d为防火门把手与防火门门扇外边缘的距离；H为防火门门扇的高度；ΔP为防烟排烟系统提供的风压；M_b为关闭防火门所需的力矩；M_x为闭门器的开门限位力矩；F_关为防火门的关闭力。

需要说明的是，防火门一般分为两种，一种是常开式防火门，另一种则为常闭式，常开式防火门平时一般处于开启状态，遇到火灾时则会自动关闭或人为施加关闭力使其强行关闭，常闭式防火门则平时呈关闭状态，打开后能够自行关闭。本发明提供的防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法主要是针对于常开式防火门，对于常闭式防火门本发明提供的开门力的计算公式也适用。

本发明提供的防火门闭门器开启力与关闭力计算方法在应用于指导闭门器在不同规格的防火门上进行安装时，闭门器产品相关的参数是基本确定的，M_c和M₀此时是已知参数，对于相应规格的防火门而言，M_f、W、d和H也是确定的，而ΔP的取值在GB55036-2022《消防设施通用规范》中有记载：机械加压送风系统的送风量应满足不同部位的余压值要求，不同部位的余压值应符合下列规定：前室、合用前室、封闭避难层、封闭楼梯间与疏散走道之间的压差为25Pa～30Pa；防烟楼梯间与疏散走道之间的压差为40Pa～50Pa。将上述已知参数的相应数值代入开门力的计算公式(4)即可算出F_开的最小值，根据规定防火门扇的开启力一般不得大于80N，算得的F_开与此数值比较，即可知特定规格的闭门器产品是否适用于在相应规格的防火门扇上安装使用，同时对于使用于特定场合供特定人群使用的防火门，其开启力大小也有更具体的特别规定，根据上述计算也能指导对闭门器产品及防火门进行选型及安装作出初步的判断，具体而言，防火门确定时，可具体选用合适的闭门器，而闭门器产品确定时，也可根据计算选型特定的防火门。另外上，对于常开式防火门的关闭力(F_关)的大小可将相关参数代入相应的计算公式(8)中进行计算，常开式防火门配置的闭门器一般有释放按钮或为远程控制释放，此时对关闭力的计算主要是考虑远程控制失效时的强制关门需要的关闭力，对于特定的闭门器及确定规格的防火门，参数M_x、M_f、W、d和H以及ΔP为已知项，代入公式即可确定F_关的最小值，则根据其与使用人群的平均推力大小进行比较，即可知相应的闭门器产品是否适用于相应规格的防火门。

进一步的，为了更加明确闭门器关门力矩M_c及闭门器的开门限位力矩M_x与闭门器内部结构及一些安装参数之间的关系，以更好的指导安装或便于为闭门器产品的设计提供一定理论支撑，对闭门器进行拆解研究并将安装于防火门上使用时闭门器系统的运动及受力可类比为偏置曲柄滑块机构，防火门与闭门器产品共同组成一套消防联动控制系统，防火门门扇可以绕门框转动，将闭门器安装在防火门上，闭门器的液压装置安装在门扇上，闭门器的联动滑槽安装在门框上，闭门器的滑槽、滑块、连杆和液压装置共同组成一套曲柄滑块机构，当液压装置安装在门扇上时，液压装置转轴轴线到防火门门轴的一段距离成为曲柄滑块机构中的曲柄，其中，液压装置可以提供转矩，成为曲柄滑块机构中的动力源，也就是曲柄成为主动件，连杆、滑块成为从动件。

首先，对闭门器的液压装置进行分析，如图3所示，液压装置内部包括大力弹簧6、内部齿轮7和内部齿条8，其结构及提供的关闭力矩的力学模型如图3示意，得出闭门器的关闭力矩M_c由如下公式计算:

M_c＝k·Δx·r·η₁ (9)

上述公式的具体推导如下：

F_阻尼+F_弹簧力＝0

M_C+M_阻尼＝0

其中，F_弹簧力＝k·Δx

故等式替换得：M_c＝F_弹簧力·r·η₂＝k·Δx·r·η₂；

F_阻尼为液压装置中填充油液压力；F_弹簧力为液压装置中大力弹簧6被压缩产生的弹力；M_阻尼为液压装置中填充油液压力对齿轮7的力矩；r为液压装置中齿轮齿条机构中齿轮分度圆半径；k为液压装置中大力弹簧刚度系数；Δx为液压装置中大力弹簧被压缩量；η₁为液压装置中齿轮齿条机构传动效率(该传动效率在95％以上)。

然后，对闭门器结构特征及安装后于防火门门扇上后防火门关闭后的状态进行分析，得出闭门器开门限位力矩M_x由如下公式计算:

M_x＝F_h·e (10)

F_h为闭门器的滑块脱扣力；e为闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构中滑块偏置防火门门轴的距离。

随后，对安装于防火门上闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构进行分析，如图4所示，由偏置曲柄滑块机构的运动几何关系可得出如下计算公式：

a为曲柄长度，也即闭门器液压装置在防火门扇上安装位置与门轴之间的水平距离；b为连杆长度，也即闭门器连杆长度；α为防火门扇开启角度；β为防火门扇与连杆之间的夹角。图4中给出了α为60度和120度两个角度时曲柄、连杆及滑块的位置关系，其中实线代表α为60度时的情形，虚线为α为120度时的情形。

综合公式(8)、(9)、(10)和(11)，可推导出防火门闭门器关闭力的更加具体的计算公式：

上述公式在指导闭门器产品在各种规格的防火门上安装时，确定了使用人群，则推力大小确定，即F_关数值确定，代入除参数a以外的其他已知参数，即可计算得出a的最小数值，也即得出闭门器产品的液压装置在防火门门扇上距离门轴的最小距离，也即确定了最适安装位置，该位置确定后，根据防火门开启角度可确定闭门器的滑槽在防火门门框上的安装位置。换言之，本发明提供的关于防火门闭门器开启力与关闭力计算方法不仅能够确定特定的闭门器产品是否适合在各种规格的防火门上使用，还能具体确定闭门器在防火门上的最适安装位置，为闭门器产品的安装提供较好的理论指导。

在设计开启/关闭力矩时，应考虑使用人群的推力大小，若设计开启/关闭力大于人群的推力，同样会导致防火门无法正常开启或关闭。对于人群推力的大小，应考虑不同的使用环境，根据实际使用情况进行合理的调研、分析与总结，最终得出合理的设计指标。开启/关闭力矩是防火门闭门器的重要性能指标，在产品设计时应综合考虑各种因素的影响，只有充分评估才能确保防火门的正常使用，为火灾救援和人员疏散提供可靠的安全保障。

进一步的，再对闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构进行拆分研究，如图5所示，偏置曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，对曲柄进行受力分析，如图6所示，得出作用在连杆上的摩擦力矩M_f(也即装有闭门器的防火门使用时各结构之间的摩擦力矩)，静止或匀速状态时，作用在曲柄上的主动力矩M_c(也即闭门器的关闭力矩)满足如下计算公式：

M_C·η₂+M_f＝0

η₂为曲柄的主动转矩传递效率(当确保曲柄与连杆铰接处同轴，接并端面水平无扭曲时，该传递率取值约为95-98％)。

对曲柄分析，如图6所示，其受力还满足如下平衡方程：

F_OX为曲柄与门轴铰点处沿x方向分力；F_Oy为曲柄与门轴铰点处沿y方向分力；F_L为在曲柄与连杆铰接处，连杆对曲柄的作用力；F_OX为曲柄与门轴铰点处沿x方向分力；为曲柄与x轴正方向之间的夹角。

然后，以连杆为分析对象，如图7所示，其受力满足如下平衡方程：

F_L反·cosτ-F_Nx＝0

F_L反·sinτ-F_Ny＝0

M_L+M_f＝0

F_L反为曲柄对连杆的反作用力，大小与F_L相等；F_Nx为连杆与滑块铰接处沿x方向分力；F_Ny为连杆与滑块铰接处沿y方向分力；τ为连杆与x轴正方向之间的夹角；M_L为作用在连杆上的反力矩；M_f为作用在连杆上的摩擦力矩。

最后，以滑块为分析对象，如图8所示，滑块静止或匀速滑动的平衡状态时，其力满足如下方程:

F_L·cosφ-f＝0

F_L·sinφ-F_N＝0

当滑块朝关门方向加速滑动时，其满足如下条件：

F_h≥F_L·cosφ-f

F_L为连杆对滑块的反作用力；F_N为滑轨对滑块的支撑力；为连杆与滑块滑动方向之间的夹角；f为滑块与滑轨之间的摩擦力。

需要说明的是，上述的以曲柄、连杆及滑块的受力平衡方程可用于对闭门器产品的研发设计的初期理论计算，确定连杆承受力大小、滑块受到的摩擦力大小、闭门器的滑块脱扣力大小及其相关关系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，包括如下内容：

1)构建防火门系统由防火门关闭静止状态因受力即将向开启转动状态切换的第一临界情形力学模型，根据力学分析，可得出如下公式：

M_k≥M_c+M_f+M₀ (1)

M_k＝F_开(W-d) (2)

推导得出开门力的计算公式：

2)构建防火门系统由防火门开启静止状态因受力即将向关闭转动状态切换的第二临界情形力学模型，根据力学分析，可得出如下公式：

M_b＝F_关(W-d) (5)

M_b≥M_x+M_f-M₀-M_c (7)

推导得出关门力的计算公式：

以上公式中：M_k为开启防火门所需的力矩；M_c为闭门器的关闭力矩；M_f为各结构之间的摩擦力矩；M₀为防烟排烟系统风压产生的力矩；F_开为防火门的开启力；W为防火门门扇的宽度；d为防火门把手与防火门门扇外边缘的距离；H为防火门门扇的高度；ΔP为防烟排烟系统提供的风压；M_b为关闭防火门所需的力矩；M_x为闭门器的开门限位力矩；F_关为防火门的关闭力；其中，闭门器系统的运动及受力类比为偏置曲柄滑块机构，闭门器的滑槽、滑块、连杆和液压装置共同组成一套曲柄滑块机构。

2.根据权利要求1所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，ΔP的取值满足如下规定：前室、合用前室、封闭避难层、封闭楼梯间与疏散走道之间的压差为25Pa～30Pa；防烟楼梯间与疏散走道之间的压差为40Pa～50Pa。

3.根据权利要求1所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，对闭门器的液压装置进行受力分析，得出闭门器的关闭力矩M_c由如下公式计算:

M_C＝k·△x·r·n₁

r为液压装置中齿轮齿条机构中齿轮分度圆半径；k为液压装置中大力弹簧刚度系数；Δx为液压装置中大力弹簧被压缩量；η₁为液压装置中齿轮齿条机构传动效率。

4.根据权利要求1所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，对闭门器结构特征及安装后于防火门门扇上后防火门关闭后的状态进行分析，得出闭门器的开门限位力矩M_x由如下公式计算:

M_x＝F_h·e

F_h为闭门器的滑块脱扣力；e为闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构中滑块偏置防火门门轴的距离。

5.根据权利要求4所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，闭门器安装于门扇上后，其运动及受力类似于偏置曲柄滑块机构，由偏置曲柄滑块机构的运动几何关系可得出如下计算公式：

a为曲柄长度，也即闭门器液压装置在防火门扇上安装位置与门轴之间的水平距离；b为连杆长度，也即闭门器连杆长度；α为防火门扇开启角度；β为防火门扇与连杆之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，闭门器系统组成的偏置曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，对曲柄进行受力分析，得出摩擦力矩M_f和闭门器的关闭力矩M_c满足如下计算公式：

M_c·η₂+M_f＝0

η₂为曲柄的主动转矩传递效率。

7.根据权利要求6所述的一种防火门闭门器开启力与关闭力的计算方法，其特征在于，以滑块为分析对象，当滑块朝关门方向加速滑动时，其满足如下条件：

F_h≥F_L·cosφ-f

F_L为连杆对滑块的反作用力；为连杆与滑块滑动方向之间的夹角；f为滑块与滑轨之间的摩擦力。