高層建筑智能防火門窗精密構件研究

【摘要】作為高層、超高層建筑重要的防火設施，智能防火門窗的作用日益受到人們的重視，本文著重研究智能防火門窗精密構件的結構、材料，制造成型工藝、裝備、模具等，以供業(yè)內人員參考。

【關鍵詞】建筑智能防火門窗;精密構件

城市的高層、超高層建筑是城市、經濟發(fā)展的必然產物和大勢所趨，火災已成為此類“摩天大樓”致命的“殺手”。高層建筑火災撲救成了一個世界性的現實難題，現代化高樓為城市消防的“軟肋”。近年來，全球城市建設使建筑物向高空發(fā)展，城市的高層、超高層建筑數量日益增多，使得城市高層建筑的消防安全形勢越來越嚴峻，而且大部分高層建筑都位于繁華的人員密集的城市中心，發(fā)生火災必將造成全局性、連續(xù)性、連鎖性的社會影響，甚至嚴重的經濟損失和政治影響。

1.高層建筑智能防火門窗精密構件結構

防火門窗由鋼窗框、鋼窗扇、防火玻璃等部分組成，能起隔離和阻止火勢蔓延。防火門窗主要分為兩大類：一是不可開啟的防火窗;另一個是可開啟的防火窗。可開啟防火窗的窗扇可進行開啟，在防火窗啟閉裝置的作用下可關閉。

本方案研究設計的高層智能可開啟防火窗精密構件包括四連桿鉸鏈、閉門器以及傳動裝置等構件，如圖1，其原理、結構及特點如下：

1.1四連桿鉸鏈、閉門器以及傳動裝置各盡所能，又互相配合的創(chuàng)新設計：四連桿鉸鏈主要用于連接窗框和窗扇、支撐窗扇、引導窗扇的開啟和閉合;閉門器主要在于提供使窗扇閉合的作用力;傳動裝置的作用在于當滿足某一條件時，將閉門器提供的關閉力傳遞給窗扇，使窗扇關閉。

1.2傳動裝置：傳動裝置由滑軌、彈射組件、阻擋彈簧片、緊固螺釘、滑塊組件、鉚釘以及傳動桿組成。

彈射組件由底座、連接螺桿、彈簧座、彈簧、受熱發(fā)爆管以及彈射體組成：連接螺桿先后穿過彈簧座、彈簧、彈射體、彈簧座的裝配孔后與底座螺紋連接，受熱發(fā)爆管則裝配在彈射體與彈簧座之間，阻擋被壓縮的彈簧對彈射體的彈射。彈射組件裝配在滑軌的一端。

阻擋彈簧片的一端裝配在底座的底部，并通過緊固螺釘被固定在底槽的一端，阻擋彈簧片的中段部分則向上彎曲。

滑塊組件的底部裝配有滾珠，滾珠上面裝配有調節(jié)螺釘，用于調節(jié)滾珠與阻擋彈簧片之間的壓力。

在窗扇的開啟過程中，滑塊組件由滑軌的另一端向裝配有彈射組件的一端滑動，當滑塊組件滑動到緊靠在彈射組件底座的一邊時，滑塊組件底部的滾珠緊壓在阻擋彈簧片向上彎曲中段部分，阻力較大，此時閉門器通過傳動桿所提供的作用力不足于使滑塊組件在滑軌內滑動，當無外力作用時，窗扇保持在此開啟位置。當火災發(fā)生時，受熱發(fā)爆管因受熱發(fā)生破裂，彈射體被壓縮的彈簧彈射，撞擊滑塊組件，滑塊組件擺脫阻擋彈簧片的阻力，此時閉門器通過傳動桿所提供的作用力足于使滑塊組件在滑軌內滑動，從而可帶動窗扇關閉，防止火災煙塵進入室內，隔絕火災空氣源，并防止火災迅速擴大。

1.3四連桿鉸鏈托懸臂與支撐塊之間的鉚接、托懸臂與滑塊之間的鉚接、托懸臂之間的鉚接，通過對配合尺寸以及對鉚接工藝的改進，使其在軸線方向的接合緊密、無間隙，而在徑向方向互相之間可靈活轉動。因而四連桿鉸鏈既能承受窗扇的重量而不下垂，又能在發(fā)生火災時能順利地關閉。

1.4支撐塊采用加長型鑲鑄滑塊形式（即在塑料滑塊內部鑲鑄不銹鋼片），但又不像滑塊那樣與拖懸臂相應鉚接后鑲插入滑軌（可在滑軌內滑動），而是鑲插入滑軌后連同滑軌一起與拖懸臂相應鉚接，由于支撐塊對與之鉸接的托懸臂的支撐面積大于直接在滑軌的相應位置沖壓鉚接孔所形成的頂部支撐面，這種裝配方式不僅增加了托懸臂的支撐受力面（特別是采用加長支撐塊，其支撐受力面更大），使托懸臂在外力作用下不易傾斜，避免了托懸臂在開、關窗扇的過程中會與滑軌的上折邊接觸、摩擦，使產品啟閉順暢、耐用。

1.5滑塊采用工程塑料鑲鑄不銹鋼片的結構形式，因而即使鑲插在滑軌內部滑塊的塑料部分因火或其他原因損毀，由于其不銹鋼片仍保留在滑軌內部，滑塊也不會脫離滑軌而造成窗扇墜落傷人。且既能發(fā)揮工程塑料耐磨性好的特點，又通過不銹鋼鑲件提高滑塊的強度，使滑塊不易變形或斷裂，而且耐磨。

2. 高層建筑智能防火門窗精密構件設計

2.1材料設計

對于防火窗的制作主要使用的材料，需要有足夠高的高溫強度、耐腐蝕性和較好的壓力加工性能。本方案設計的智能防火門窗金屬精密構件均選用優(yōu)質304不銹鋼。該類材料屬于奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的高溫強度和抗高溫氧化及電化學腐蝕性能，其壓力加工性能較好，但是對模具及壓力加工機床要求較高。

2.2結構設計

為了在滿足使用性能的前提下充分發(fā)揮材料的力學性能潛力，節(jié)約材料，減輕重量以及滿足外觀造型需要，本方案建立了準確的力學設計模型，并通過有限元分析等工具進行仿真，確定精密構件的形位尺寸。

以平開窗滑撐為例，在實際使用時，考慮到以下四個方面：承重力、滑撐的下垂變形、滑撐的開啟角度、滑撐與型材之間的聯(lián)接。

首先，進行幾個設定：

A.滑撐固定在框上的滑槽、滑塊及與連桿連接部分設定是一個標準的平面懸臂梁機構;

B.滑撐各連桿鉚接相連的點，設定為只能繞固定點軸線轉動的平面鉸支座;

C. 滑撐各部件的自重忽略不計。

即窗扇開啟后穩(wěn)定在某一個位置的受力情況模型如圖2，其中：G—窗扇重量;φ—窗扇開啟角度 ;θ —連桿開啟角度。

通過建立數學模型分析計算，可以清楚地計算外平開窗用滑撐的受力和撓度變形，就可以知道在滑撐的設計中，應該兼顧哪些方面。由于現有的窗戶設計基本上按中空玻璃的形式，所以在選擇平開窗用滑撐時一定要盡量選擇承重量較大的滑撐。

一般情況下，對于高層防火平開窗用滑撐，可從兩個方面著手：一是增加滑撐安裝空間的疊高，可以有效地增加第一托懸臂和第三托懸臂的厚度，來增加滑撐的強度和剛度;二是對滑撐本身的形式結構進行改良，減小受荷載的托懸臂的長度，加強輔助托懸臂的強度和剛度，從而減小撓度變形。

經過優(yōu)化設計，與同類型滑撐鉸鏈比較，本方案設計的平開窗滑撐鉸鏈增強了托懸臂尤其是第一托懸臂在受力情況下抗彎曲的能力，減少托懸臂與長托懸臂之間在窗扇啟閉過程中相互摩擦，使鉸鏈能夠承受更大的窗扇載荷，使用過程中不會因托懸臂之間互相摩擦而影響產品外觀，產品的使用壽命更長。

3. 高層建筑智能防火門窗精密構件制造關鍵技術

以不銹鋼滑撐鉸鏈為典型例子，本方案研究的高層建筑智能防火門窗精密構件制造工藝路線流程如圖3所示。

門窗精密構件的主要工藝是沖壓、拉槽、壓筋等壓力加工。本方案采用氣動精密沖床，級進模連續(xù)沖壓加工成型。因為不銹鋼的特點，影響產品質量和生產效率的因素包括設備性能、材料工藝性、模具結構、模具材料、模具熱處理工藝、模具加工工藝、模具使用及維護保養(yǎng)等等多個方面。其中級進模的使用壽命是生產中出現問題最多的因素，因此提高模具壽命是高層建筑智能防火門窗精密構件制造的關鍵技術。

4.高層建筑智能防火門窗精密構件沖壓模具強化

不銹鋼的成型模具材料主要采用高碳高鉻鋼成套制備，在不銹鋼成形中由于高碳高鉻鋼與不銹鋼高速接觸中存在一定的相容性，造成表面積瘤粘著現象，影響不銹鋼的外觀質量，同時造成模具容易磨損失效，增加模具消耗和換模工時消耗。因此，優(yōu)化模具設計，并通過對模具材料整體強化和表面強化是提高高層建筑智能防火門窗精密構件制造技術水平的重要措施，也是本方案的研究內容。

項目研究的技術路線如圖3。

4.1優(yōu)化選擇模具材料

模具材料是關系到不銹鋼級進模壽命的關鍵因素，好的材料，其耐磨性、韌性、硬度等性能指標較好，但價格昂貴。因此，設計模具時，應充分考慮零件的批量大小，選用合適的模具材料，才能達到最好的經濟效益。防火門窗精密構件質量要求高，采用鑲拼的級進模，選擇Cr12MoV鋼作為模具材料，具有較高的性價比。

Cr12MoV模具鋼首先須保證其冶煉質量，化學成分達標。模具材料成分分析采用SparkCCD 6000火花直讀光譜儀進行金屬材料成分分析檢驗。

Cr12MoV模具鋼性能的另一重要因素是其金相共晶碳化物組織結構。粗大的共晶碳化物組織將極大降低模具的使用壽命，其形態(tài)為“細、小、勻、圓”才能保證模具耐用，如圖4，a為不良組織，b為良好組織。

共晶碳化物組織形態(tài)取決于材料冶煉時的凝固條件，一旦出現不良組織只能通過鍛造改善，一般的熱處理無能為力。因此，對使用的高碳高鉻鋼模具鋼除了成份分析，另一個重要的是金相組織檢驗。

4.2優(yōu)化模具熱處理工藝

Cr12MoV模具鋼熱處理溫度達1050℃左右，熱處理加熱時容易出現表面氧化、脫碳和合金元素燒損。本方案將研發(fā)優(yōu)化真空熱處理工藝，實現無氧化脫碳加熱，保證表面合金元素含量及分布均勻，同時實現脫氫，進一步提高其耐磨和強韌性，整體延長使用壽命。

4.3模具表面復合化學熱處理強化

高碳高鉻模具鋼與不銹鋼產品同屬高鉻含量材料，除了因不銹鋼的強韌性能而需要比一般的碳鋼材料沖壓更好的硬度強度之外，模具與不銹鋼高速接觸中存在一定的相容性，造成表面積瘤粘著現象，不但影響不銹鋼的外觀質量，同時造成模具更容易磨損失效。因此，本方案研發(fā)表面復合化學熱處理強化技術和工藝設備，提高模具表面硬度，同時減小摩擦系數，以期顯著提高其耐磨性。

表面復合化學熱處理強化的基本方法是首先進行表面氮碳硫氧釩低溫多元共滲，然后進行表面制備高錫銅錫合金涂層。

參考文獻

[1] 李學美，任伯幟，劉新華. 城市高層建筑火災消防及安全逃生策略研究[D].中國安全科學學報，2009-08-15

[2] 許小東，陳大川. 影響不銹鋼級進模壽命的因素及對策[J]. 機電工程技術，2014-07-20

[3] 樸永日.建立滑撐力學模型的探討（二）——平開窗滑撐受力分析[J].中國建筑金屬結構，2006-01-06