【技术】浅析:隐藏式铰链失效原因及其结构、材料的选用

发表于 讨论求助 2021-01-13 10:10:23

  隐藏式铰链近年来需求旺盛,产品发展迅速,原因是隐藏式铰链有着在门完全关闭的情况下,铰链的各部分均不外露的特点,满足例如酒店、写字楼、会所和其他商业建筑中的中高端装饰要求。

  隐藏式铰链开始主要应用于一些重量较轻、门扇较小的家具柜门和橱柜门,一般门扇重量在10~20Kg。由于其应用方面的特点,一些高端装饰设计中的房间门也需要类似的产品,但是对其承重性能要求需要大幅提高到40~100Kg甚至更高。

  应对旺盛的需求,很多厂家开发了应用于室内门的隐藏式铰链,分别采用了不同的产品结构和材质,并根据市场需要各自定义了相应的承重级别。

  市场中常见的隐藏式铰链的结构和材质:

  图1:钢/不锈钢叉片连接件;锌合金/不锈钢底座图2 :铝合金整体连接件;铝合金底座图3:不锈钢整体连接件;不锈钢底座

  然而,由于此类产品没有相关标准规范约束,没有统一明确的关于此类产品的要求和测试方法,因此各生产厂家都是根据自己的厂内标准进行测试,并标定承重性能等级。

  鉴于以上种种,我们在修编新的合页(铰链)行业标准时,明确了针对隐藏式铰链的要求和测试方法,并根据此要求和测试方法,进行了多个厂家的多款样品的试验。试验样品根据各厂家自行定义的不同承重性能级别进行,包含了市场上最为常见的叉片式连接件和整体式连接件,以及锌合金和钢/不锈钢材质的铰链底座和连接件。

  试验样本及试验结果如表1所示:测试样本4件,合格1件,不合格3件。

  根据试验结果分析,不合格项目主要包括:

  样本1:反复启闭20万次试验后,底座出现变形、破裂;

  样本2:反复启闭20万次试验后,垂直方向变形超出允许范围,底座出现变形、破裂;

  样本3:反复启闭过程中,连接件出现弯曲变形,开裂。

  以上测试样本,在承受静态荷载的检测项目中全部合格,不合格项均发生在反复启闭试验过程中。

表1 试验样本及结果

  隐藏式铰链的结构与明装式铰链的结构主要区别在于,明装式铰链绝大部分为单轴且回转轴为定轴,铰链叶片围绕回转轴转动,其受力状况在整个转动过程中是一致的;而隐藏式铰链的结构则为连杆结构,其回转轴为不定轴,门框座和门扇座与连接件在转动过程中,其受力状况是一直变化的。

  隐藏式铰链在反复启闭的循环运动中,有两个地方处于运动状态:铰链底座与连接件之间和连接件的连杆和连杆之间。设计的理论状态下,所有铰链仅承受竖直方向的荷载,并围绕同一轴线进行运转。而实际上铰链承受门扇重量时,因为各零部件之间间隙、零部件自身的强度和刚性等因素的影响,会受到竖直方向的分力和水平方向的分力,产生在这两个方向的变形。水平方向变形量的大小,决定了一组两个铰链围绕同一轴线运转的程度(同轴度)。两片铰链不同轴的程度越大,在运转过程中产生额外的附加力就越大,造成的局部磨损越严重;这一磨损的情况又进一步扩大了不同轴的程度,形成恶性循环使得铰链失效加速。

  试验结果证明了上面的分析:测试样本通过了静载测试,但在反复启闭的循环测试中出现了不合格的情况,是由于铰链在水平方向上的变形量逐步扩大造成的。

  我们认为,材料选择、加工精度和连接件的结构型式上的差异,是造成上述失效的主要原因。

  1.连接件型式

  试验结果可以看出,不合格的3个样本都是叉片型式,而合格的1个样本是整体式的。叉片式和整体式最大的差别,叉片式的连接件是由多片叉片组合、铆接而成,整体式的连接件是整体铸造的。

  叉片多为冲压制成,该生产工艺会产生或多或少的叉片弯曲不平整和毛刺,组合在一起时叉片和叉片之间必然存在间隙。这些间隙会造成一个后果,即在铰链承受门扇重量时,并不是所有叉片整体同时承受荷载,而是仅有部分叉片依次去承受,容易造成叉片弯曲变形,甚至破裂失效。此不利因素在试验时间较短的静载试验时并不马上反应出来,而在长时间的反复启闭的循环试验中就会明显的体现出来。

  整体式的连接件,多由铸造或挤型工艺制成,连接件作为一个整体共同承受荷载,上述不利因素得到很大程度的消除。同时,整体式的连接件,通常会带有不同形式的支撑垫。这个支撑垫通常由高分子材料制成,起到两个作用:降低铰链运转时的摩擦力和减小铰链承受门扇重量后的变形。

  2.材料选择

  根据试验结果,不合格的情况发生在锌合金底座和钢制连接件上。压铸锌合金的抗拉强度为270MPa,普通碳素钢的抗拉强度为375MPa;合格的样本材质为不锈钢304, 其抗拉强度为520MPa,远高于锌合金和普通碳素钢。相同的试验条件下,选择合适的材质,可以相应地提高铰链的承重性能,满足试验要求。同时,对于整体式连接件的铰链,其支撑垫材料的选择,有PA、POM、POM+PTFE等,其摩擦系数依次减小,有效降低磨损,有利于铰链的使用寿命;而且可以通过添加玻璃纤维的方式,增加材料的压缩强度,同样也降低变形量,有利于提高承重性能和使用寿命。

  3.加工精度

  隐藏式铰链为连杆结构,在铰链运行过程当中,以下几个部分处于相对运动中:

  a.连接件的连杆和连杆;

  b.连杆与铰链座。

  以上各运动部件,均通过轴进行相互连接,其轴和孔的间隙配合,是各部件运行是否顺畅和铰链承受重量后铰链产生垂直和水平方向变形多少的关键。这一间隙较小时,铰链承受载荷所产生的变形量小,铰链运行过程中自身的晃动量小,不易产生局部磨损,能够较长时间的保持性能的一致。如果加工精度低,各零部件之间的间隙大而且不均匀,承受荷载后将产生较大的变形,表现为门扇倾斜、下垂。一组两片铰链并不围绕同一轴线运转,或者运转轴不在竖直方向上,给铰链产生了额外的作用力;同时局部磨损的产生大大增加,降低了产品的承重性能和运行寿命。

  根据以上分析,选取不锈钢材质、整体式连杆的隐藏式铰链产品,依据同一试验标准和方法,再次进行试验。所试验的3个样品,试验结果全部合格。

  综上所述,从产品结构型式设计、材质选择和提高加工精度方面着手,是能够让隐藏式铰链满足规定的技术要求的。

  以上是关于隐藏式铰链的结构形式、材料选用的一点浅见,希望可以给到生产厂家参考,以利于不断开发更高性能、更优质量的产品,满足市场需求,从而引导行业内良性竞争,带动行业良性发展。

  参考文献

  [1] 刘瑞堂、刘锦云编著.金属材料机械性能.哈尔滨:哈尔滨工业出版社 2015

  [2] 熊滨生著.现代连杆机构设计.北京:化学工业出版社 2006

  [3] 刘旭琼主编.建筑门窗五金件.合页(铰链) JG/T 125 北京:2016

来源:《中国建筑金属结构》杂志


 延伸阅读 :

欧标槽(C槽)的现状与铰链槽(K槽)的未来


  欧标槽口即C槽,又称15-20mm槽,广泛应用于时下流行兴起的家装门窗市场,尤其在铝合金门窗上应用广泛。

  我们目前接触的门窗产品大多由欧洲引进,国内门窗一直按照欧洲门窗标准来设计槽口和配置五金件,考虑到欧洲引进的门窗结构一直受到国人的青睐与追捧,所以门窗行业的舶来品这么多年来衍生品很多,同样也随着使用范围和市场兴起水涨船高。

  但是,从国外引进的先进工艺及标准,是否适合并能够一直引领中国这个在气候、雨水、风压等自然环境方面迥然不同的门窗市场呢?

  事实证明,从国外引进的技术只会在一定时期、一定范围内适应中国市场。

  同时国外门窗上百年不做任何大的研发升级,和中国日新月异、快速发展、人口众多且需求各不相同的发展现状及地域不同范围的需求不同,所形成的需求真空也越来越明显,国内门窗市场期待更多适用于本土气候与使用习惯的差异化的创新型产品。

  其实中国本土的门窗企业家们已经慢慢发现了这一问题,只是早期门窗行业缓慢发展,而近期又过于迅速,行业内专业的从业者和设计师还没有时间和精力去顾及日益突出的本土的需求差异。

  这里关于欧洲标准槽口的来源可以和大家分享一下:欧洲门窗厂家根据国内自然环境(干湿天气、气温高低、日照等)经过多年的探索与磨合,逐渐形成欧式的门窗标准,同时为了实现门窗锁闭及使用功能慢慢形成了一种标准叫15-20mm槽即C槽。

  国人借用国外的这套标准体系,也就习惯的称为欧标槽。

  于是欧标槽进入中国被大部分门窗公司所采用,不过面对中国国土面积广阔,南北气候等自然环境差异较大,显然一种标准或一种体系是无法适应、通用的,所以新的设计和改动创新很有必要。

  其实目前很多门窗企业也开始意识到以上类似问题,都在做不同程度的努力和尝试,引进国外新的槽口系统(例如:旭格系统、阿鲁克系统、霍克系统、YKK系统),国内企业也在努力尝试,但事实结果总是差强人意。

  归结原因可以归纳为几点:

  1.创新大多停留在为了创新去创新层面,违背真正创新方向的初衷及目的----为用户创造价值,解决并引领门窗消费需求。

  2.投入更多的人力、物力只为求产品单一的差异化,市场回报率不高;

  3.对欧洲标准欧槽产品缩小或者放大的进行复制,并未结合本土的实际需求。

  4.国内难以找到具有较强系统开发能力的门窗五金配件企业,将很程度大束缚本土门窗系统化的真正起步。随着行业迅速发展及系统门窗在家装、工程市场的大量普及,国内门窗行业需要新的发展、新的血液,尤其具有技术和创新能力的企业!

  结合中国长江以南纬度较小,与欧洲北部在气候、雨水、日晒等自然环境有着很大的差异,形成了自然环境及使用习惯不同的南方家装门窗的特点。

图为南方和北方降雨量对比

  其中以普通外开窗、悬挂外开窗为主,同时考虑到夏季蚊虫较多,窗纱一体的门窗设计也逐渐流行。

  为了保证受力强度,家装门窗型材和玻璃重量增大,必须使用一定强度的摩擦铰链,但是在安装重型铰链的实际过程中铣筋繁琐、加工之后不美观及抗腐蚀能力减弱,导致应用性不强。

  于是在南方市场针对铰链直接安装开发的铰链槽(K槽)氤氲而生,在原来门窗槽口基础上改宽槽口,通用安装铰链,使用高强度锁座起到锁闭防盗效果。

  国内家装门窗市场一直很活跃,不断随着市场及实用需求在做产品变化,铰链槽(K槽)显然是其中一项针对本土门窗区域市场所作的门窗槽口创新。

  但是,对于型材通用外开窗问题不是太大,考虑到家装门窗厂家型材备货是占压资金的现实问题。额外备货一种或几种不同槽口的型材库存将会对整个加工及库存形成很大的压力,带来巨大的浪费。

  其实,国人的创新意识从未停止过。

  国内家装门窗配套厂家也看到了这一点,投入人力、物力、财力把普通外开窗铰链槽(K槽)在外开型材适用的基础上,扩大到目前所有主流窗型。

  一改欧标槽口而大范围使用铰链槽(K槽,又称24K黄金槽),形成产品全系列化主要体现在外平开窗、悬挂外开窗、内平开窗、内开内倒窗等复合窗型,以及平开门体系,解决了门窗配套五金的问题,整个铰链槽口门窗系统逐渐得到完善,形成了体系。

  国内南方门窗市场广泛应用外开窗、铰链槽(K槽)的外开门窗方向基本上已经成为趋势,并在被逐步普及。

  铝合金门窗铰链槽(K槽)的前景和未来具有很强的市场开发价值,也就需要更多的专业人才参与到这项工作中去,共同打造中国本土门窗标准,铰链槽(K槽)门窗槽口体系,必将成为中国本土门窗市场主流槽口,引领中国门窗行业进入黄金时代!


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