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新型平置电动防护门设计和仿真分析

  • 江漪
  • 彭飞
  • 卢屹东
  • 张瑞龙
中国建筑标准设计研究院有限公司， 北京 100048

中图分类号： TH 113； TH 114

最近更新：2019-11-14

DOI：10.3785/j.issn.1006-754X.2019.05.003

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摘要

目前人防工程水平口部的防护设备非常稀缺，针对平置电动防护门的防护特点和要求，提出了一种手电两用、内外均可开启的新型平置电动防护门设计方案，设计了手动、电动两种控制模式兼容的布置方案，以解决手动开启需较大开启力的难题。基于建立的防护门门扇有限元模型，对门扇截面和骨架布置进行优化计算，提出相应的载荷加载和约束设置的方法和建议，通过仿真分析验证了设计的合理性和可靠性。基于动力学仿真技术，建立了防护门电动执行机构的仿真模型和约束设置方法，确定了电动部件所需推力的理论峰值。制作了新型平置电动防护门的样机并进行试验，结果表明该防护门运行稳定，可满足６级防护抗力的人防要求。提出的平置电动防护门设计和仿真分析技术可为其他类似防护设备的研制提供参考。

防护门系统起着保护人员生命及物资安全的重要作用，因此防护门既要能抵抗冲击波正向压力和反向压力，又要能防止毒剂、生物战剂和放射性微粒等有害物质进入工程内部。然而，目前我国防护门多为垂向布置，水平口部的防护设备少之又少，多数口部的防护采用钢结构滑轨式水平封堵板进行封堵，多为手动开启，不具备电动控制功能，且单个封堵板自重较大不易通过人工移开，大多采用滑轨式移动至藏门室临时存放[

1,2,3,4]。钢结构滑轨式水平封堵板如图1所示。

随着大量新兴工程的兴建，水平口部的防护需求量剧增，如人防的投料口、通风口、逃生口等等，此类口部防护设备启闭频率较高，考虑到使用的便利性和兼顾人防的特点，人防设备需具备手动、电动两种控制模式，而传统人防设备多为垂直布置且多数不具备电动控制功能，已无法满足水平口部的防护要求，因此亟需研发一种新型手电两用的平置防护密闭设备。较传统平开立转式的防护门而言，平置电动防护门平时为电动控制，战时为手动控制。因此，不仅需要解决垂向开启时手动启闭力较大的难题，还要攻关手动控制和电动控制兼容的关键技术。此外，考虑到人防战时使用的特点，手动和电动控制时需具有门内和门外均可开启的功能。

为了解决上述难题，笔者提出了一种新型的手电两用、内外均可开启的新型平置电动防护门传动机构的结构设计方案，基于有限元分析方法和动力学仿真技术，提出了新型平置电动防护门的强度校核方法和关键部件的选型技术，并进一步验证了结构设计的合理性和可行性。

1 新型平置电动防护门结构设计

1.1　整体结构设计

本文以边长为1 m的正方形水平口部为设计基础，设计防护抗力达6级的平置电动防护门。首先应整体拟划布筋方式以确保满足抗力和密闭要求；其次应攻关在布筋后的结构上实现手电两用，为了平时使用开启便捷和确保临战转换，需要保证2种控制模式在防护门两侧均可使用。此外，还应尽可能减小垂向手动开启力以确保满足人防规范中的开启力要求（不大于260 N）。

本文采用模块化设计理念来设计新型平置电动防护门，它主要由门扇、门框、铰页组件、前端执行机构、手动切换机构、电动执行机构、气弹簧组件、隐蔽拉环、闭锁限位机构、预埋板组件等组成。门扇、门框和铰页与传统平开立转式防护门的类似，通过铰页确定防护门的运动路径。区别于传统人防设备的创新点为铰页通过螺栓连接安装在门框内侧，不与土建截面接触，在确保可拆卸的同时保证了安装精度，不受土建施工的影响。电动控制为日常运行的常规模式，电动源采用电动推杆（24 V电源）作为动力源。当临战转换时，由于无法正常供电，除了可以采用备用的24 V电源之外，还可以使用手动切换机构切换至手动操作模式，进而实现手动、电动两种控制模式的兼容。气弹簧组件较好地解决了平置类防护设备手动、电动开启时所需开启力较大的技术难题。新型平置电动防护门整体结构如图2所示。

图1 钢结构滑轨式水平封堵板示意图

Fig. 1 Diagram of steel structure sliding rail type horizontal sealing plate

图2 新型平置电动防护门整体结构

Fig. 2 Overall structure of new horizontal electric blast door

为了充分说明新型平置电动防护门结构的创新点和工作原理，下文将详细介绍门扇、前端执行机构、手动切换机构、电动执行机构、气弹簧组件、预埋板组件的结构设计。

1.2　门扇结构设计

对于抗力要求为6级、边长为1 m的小尺寸水平口部的防护而言，防护门门扇的厚度特别小，门扇内部必须预留各种执行机构和助力机构的接口，外部预留与铰页、门框等连接的接口，其布筋方式为不规则模式，因此门扇的布筋方案和结构强度校核方法是研究关键。新型平置电动防护门门扇结构如图3所示。

图3 新型平置电动防护门门扇结构

Fig. 3 Door leaf structure of new horizontal electric blast door

1.3　前端执行机构结构设计

对于双闭锁模式而言，通过单一输入实现闭锁的同步控制是关键。此外，在传力环节应设置合适的传动比和正确的导向方向，确保输入端方向和所需推力值符合防护门设计要求。平置电动防护门的前端执行机构利用槽口结构和滑道机构将输入端的直线运动转换成双闭锁的同步运动，决定了双闭锁机构的同步性能和动力传递比。此外，为了确保运动的顺滑和导向性，在该防护门中使用加长型标准件直线轴承。考虑与手动执行机构的连接可拆卸性，输入端处采取螺纹连接，便于模块之间的安装和维护。新型平置电动防护门前端执行机构的结构如图4所示。

图4 新型平置电动防护门前端执行机构结构

Fig. 4 Front-end actuator structure of new horizontal electric blast door

1.4　手动切换机构结构设计

对于人防设备而言，其电动模式和手动模式的切换应尽可能简单且操作行程不易过大，便于普通人员操作。此外，切换机构不易过于复杂，否则不易于设备的批量生产和维护。本文设计的手动切换机构类似于汽车变速箱，采用双齿轮齿条机构作为传力基础，通过切换齿条齿轮的啮合状态实现手动和电动执行机构之间的切换。新型平置电动防护门手动切换机构的结构如图5所示，前端执行机构通过齿条齿轮机构分别与手动切换机构、电动执行机构连接，2个齿轮串接在一个轴上。另设一个触发轴，触发轴上设置齿轮上提机构，可以使电动执行机构的齿轮齿条啮合先失效，而前端执行机构的齿轮齿条一直啮合，从而确保电动模式失效、手动模式接入。其中，外部接口为外开工具的操作接口，利用外开工具可以从门扇外部手动打开防护门。手动切换机构切换时只需将触发摇杆转动70°，即通过单触发动作和小角度旋转就能实现切换，且便于利用人防指示箭头标志进行设备标识，较传统人防设备转轮式的操作方式优势明显。新型平置电动防护门手动切换机构整体布置如图6所示。

图5 新型平置电动防护门手动切换机构结构

Fig. 5 Manual switching mechanism structure of new horizontal electric blast door

图6 新型平置电动防护门手动切换机构整体布置示意图

Fig. 6 Schematic diagram of overall layout of manual switching mechanism of new horizontal electric blast door

1.5　电动执行机构结构设计

电动执行机构的结构设计和选型技术是整个设计过程的关键，也是涉及问题最多的环节，必须考虑以下几点：

1）可快速地进行临战转换；

2）可确定推力值和负载速度，以确保设备开启顺畅且开启时间满足使用要求；

3）可控制设备在开启和关闭位置自动停止，以及在启闭中间位置的定点急停；

4）手动模式下，电动执行机构失效时应保证脱离顺畅且不会影响口部进出空间。

电动控制模式为日常运行模式，采用电动推杆（24 V电源）作为动力源。由于战时无法正常供电，可以采用平时备用的24 V电源进行点动开启，确保临战转换的便捷性。由于电动推杆在手动状态下无法回退，只能保持原长，因此在切换成手动状态时对电动推杆进行收纳是个棘手的问题。滑道组件采用槽口配合和分离机构，以解决上述技术难题。电动执行机构是防护门的核心部件，电动推杆的行程选择和推力确定是难点，后文将详细阐述其选型技术。新型平置电动防护门电动执行机构结构如图7所示。

图7 新型平置电动防护门电动执行机构结构

Fig. 7 Electric actuator structure of new horizontal electric blast door

1.6　气弹簧组件结构设计

对于边长为1 m的水平口部而言，为达到6级防护要求，防护门门扇质量应为100 kg左右，但普通人无法克服如此大的垂向开启力来启闭防护门。本文提出在防护门两侧对称布置不锈钢气弹簧组件的方案，不仅解决了垂向开启力较大的难题，而且降低了电动操作时对电动执行机构的要求。气弹簧组件具有良好的稳定性和耐腐蚀性，外观简洁，结构紧凑，该设计在人防设备领域具有前瞻性。

1.7　预埋板组件结构设计

对于电动执行机构和气弹簧组件而言，其下端的固定支撑均是连接在固定预埋板上的，然而预埋件安装位置不可避免地会存在一定的偏差，因此要求预埋板组件除了起常规的固定作用外，还应具有一定的自纠偏能力。本文设计的预埋板组件采用锚筋预埋板和锁紧板之间夹着铰耳支撑板的设计方法，利用四角定位螺纹的预紧力产生板间加持力来实现铰耳支撑板的固定，铰耳支撑板上开设的孔位可实现平面内的平移补偿，土建误差在平面内的补偿量为15 mm。新型平置电动防护门预埋板组件结构如图8所示。

图8 新型平置电动防护门预埋板组件爆炸视图

Fig. 8 Embedded board exploded view of new horizontal electric blast door

上述误差补偿方案的前提是气弹簧组件可均分门扇自重，并采用四点同时预紧产生摩擦阻力，增强机构抵抗瞬时动态载荷冲击的能力。该结构方案和土建误差调节思路在人防设备设计中均属首创。

2 基于有限元方法的防护门门扇抗力分析

由于前端执行机构、手动切换机构、电动执行机构等内置在门扇内，其布筋结构形式为极不规律的非线性几何形状，因此无法选取合适的计算模型进行理论分析，且无法考虑结构的机械协同作用，计算结果较保守。此外，机构冗余太大，无法预知薄弱部位和应力集中区域。针对上述问题，采用有限元分析方法进行平置电动防护门门扇抗力分析[

5,6,7]。

本文研发的新型平置电动防护门的防护抗力为6级，其冲击波反射超压为0.150 MPa，动力系数取1.5，等效静荷载为0.225 0 MPa，反弹系数为0.5，防护门加载载荷如表1所示。

表1 新型平置电动防护门加载载荷
Table 1 Loading load on new horizontal electric blast door
受力方式抗力级别超压/MPa动力系数等效静载荷/MPa
正面受力 核6级 0.150 1.5 0.225 0
反面受力 核6级 × 0.5 0.075 1.5 0.112 5

新型平置电动防护门门扇最大壁厚为5 mm,虽然筋板是截面规则的薄壁结构，但是其长度太短，无法用梁单元模拟。考虑到加载方式的简单化及模型的装配量可以接受，采用实体网格进行模拟。对于此类薄壁结构，应确保在厚度方向上划分的二阶网格不少于2个，以获得准确的应力分析结果。门扇采用Q345钢材制作，门扇面板厚度小于16 mm，屈服强度为345 N/mm2,弹性模量E=2.08 GPa,泊松比为0.3。在爆炸荷载作用下，钢材强度综合调整系数为 1.35，最终钢材强度设计值为 418.5 N/mm2。有限元模拟时，门扇前面板正向施加0.225 MPa载荷，建模时需利用切割线切割压边配合平面，便于后面施加约束，压边量为70 mm, 约束压边支撑面向下的垂向位移，铰页孔内壁处设置为铰接约束[

8,9,10]，平置电动防护门门扇的载荷加载及约束设置如图9所示。

图9 平置电动防护门门扇的载荷加载及约束设置

Fig. 9 Load loading and constraint setting of door leaf of new horizontal electric blast door

由图10所示的新型平置电动防护门门扇的应力云图可知，在均布压力的弯矩作用下，门扇中间C型梁的受力相对较大，危险部位为门扇靠近手动切换执行机构的内部筋板拐角处，门扇整体应力为200 MPa左右。利用Iso裁剪（等值线裁剪）工具绘制云图，如图11所示，可观察到应力集中处的应力小于345 MPa，由此可知在未考虑材料强化系数的情况下门扇处于弹性形变范围内，其强度设计满足要求[

11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。

图10 新型平置电动防护门门扇应力云图

Fig. 10 Stress nephogram of door leaf of new horizontal electric blast door

图11 平置电动防护门门扇的应力Iso裁剪云图

Fig. 11 Iso stress nephogram of door leaf of new horizontal electric blast door

GB 50017—2003 《钢结构设计规范》规定结构位移应小于其最大长度的1/400，本文设计的新型平置电动防护门的长度为1.175 m。对防护门门扇装配体的位移进行分析，结果如图12所示，由图可知最大位移为2.36 mm,出现在前面板的手动切换机构外部操作孔位置，小于2.937 5 （1 175/400）mm，满足刚性设计要求。

图12 新型平置电动防护门门扇位移云图

Fig. 12 Displacement nephogram of door leaf of new horizontal electric blast door

综上，本文以设计的新型平置电动防护门门扇为例，提出了防护门门扇结构的有限元分析方法和强度校核技术，明确了分析时模型建立、网格划分、约束设置和结果判定指标等一系列关键参数的选取方法，进一步证明了结构设计的合理性和可靠性，同时为类似防护设备的研发提供理论依据。

3 基于动力学仿真的电动执行机构选型技术

电动执行机构是平置电动防护门的核心部件，为了确保电动推杆具备足够的动力且不至于参数值选取过高导致性能冗余、成本过高，需选择合适电动推杆的行程和推力。本文基于动力学仿真技术提出一种获取平置电动防护门在整个启闭过程中电动推杆受力的简便方法，旨在为其选型和今后的系列化研发奠定基础。

首先，通过三维软件1∶1模拟电动执行机构真实的配合关系和控制状态，利用Solidworks软件的碰撞检查功能（具有类似功能的其他三维建模软件亦可）确定电动推杆的行程以及最大开启角度。确定电动推杆行程是确定其推力的先决条件，在计算电动推杆所需的最大推力值时，首先用三维软件1∶1建立防护门动力学仿真模型（如图13），并将内部执行结构等模块进行简化，仿真时不考虑内部执行机构的质量，其质量的附加影响在后续的电动推杆动力系数中予以考虑。

图13 新型平置电动防护门动力学仿真模型

Fig. 13 Dynamics simulation model of new horizontal electric blast door

利用Motion模块对防护门添加真实的部件约束状态和接触关系，并开启引力属性以考虑门扇质量，铰页和门扇设置铰接配合和接触配合，摩擦系数取0.1（铰页处有轴承，保守取0.1），门框和预埋板设置为固定。根据电动推杆的型号，以速度马达控制作为驱动属性，根据电动推杆的加减速特性和平稳运行速度（20 mm/s）设定其仿真速度，本文设定值如图14所示。

图14 电动推杆仿真速度设置

Fig. 14 Simulation speed setting of electric putter

在门扇启闭过程中，电动推杆在门扇上的作用点不变，门扇和电动推杆在作用点处垂向分力随着其各自水平夹角的变化而变化。根据图15所示的电动推杆轴向受力曲线可知，在门扇开启和关闭的过程中，电动推杆相对门扇的夹角时刻变化，符合客观事实。电动推杆最大推力为1 800 N, 考虑到动力系数大于1.5，本文选用3 000 N的电动推杆。

图15 电动推杆轴向受力曲线

Fig. 15 Axial force curve of electric putter

综上，在进行电动推杆选型时，其行程选择是推力确定前置条件，行程往往需要单独定制。

本节以电动推杆为例，说明基于动力学仿真的选型方法相较于其他方法更加快速、准确，对类似运动方式的部件选型极具参考意义。

4 电动平置防护门的样机试制和验证

为了进一步验证结构设计的合理性和可靠性，制作了新型平置电动防护门的样机，如图16所示。经反复试验表明，该防护门运行稳定，手动、电动控制和切换灵活可靠，能满足6级防护门的临战转换需求。

图16 新型电动平置电动防护门样机

Fig. 16 The prototype of new electric horizontal electric blast door

5 结 论

本文研发了一种新型的手电两用平置电动防护门，解决了平置防护门手动、电动控制模式不兼容，垂向手动开启力较大等难题，并提出了相应的模块化结构设计方案以及相应的强度校核方法及选型技术，举例分析了部件的参数、模型、指标以及影响因素，阐述了其创新点和关键技术，对今后相似防护设备的研发具有前瞻性的指导意义。

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