高层建筑智能防火门窗精密构件研究
【摘要】作为高层、超高层建筑重要的防火设施，智能防火门窗的作用日益受到人们的重视，本文着重研究智能防火门窗精密构件的结构、材料，制造成型工艺、装备、模具等，以供业内人员参考。
【关键词】建筑智能防火门窗；精密构件
城市的高层、超高层建筑是城市、经济发展的必然产物和大势所趋，火灾已成为此类“摩天大楼”致命的“杀手”。高层建筑火灾扑救成了一个世界性的现实难题，现代化高楼为城市消防的“软肋”。近年来，全球城市建设使建筑物向高空发展，城市的高层、超高层建筑数量日益增多，使得城市高层建筑的消防安全形势越来越严峻，而且大部分高层建筑都位于繁华的人员密集的城市中心，发生火灾必将造成全局性、连续性、连锁性的社会影响，甚至严重的经济损失和政治影响。
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高层建筑智能防火门窗精密构件结构
防火门窗由钢窗框、钢窗扇、防火玻璃等部分组成，能起隔离和阻止火势蔓延。防火门窗主要分为两大类：一是不可开启的防火窗；另一个是可开启的防火窗。可开启防火窗的窗扇可进行开启，在防火窗启闭装置的作用下可关闭。
本方案研究设计的高层智能可开启防火窗精密构件包括四连杆铰链、闭门器以及传动装置等构件，如图1，其原理、结构及特点如下：
1.1四连杆铰链、闭门器以及传动装置各尽所能，又互相配合的创新设计：四连杆铰链主要用于连接窗框和窗扇、支撑窗扇、引导窗扇的开启和闭合；闭门器主要在于提供使窗扇闭合的作用力；传动装置的作用在于当满足某一条件时，将闭门器提供的关闭力传递给窗扇，使窗扇关闭。
1.2传动装置：传动装置由滑轨、弹射组件、阻挡弹簧片、紧固螺钉、滑块组件、铆钉以及传动杆组成。
弹射组件由底座、连接螺杆、弹簧座、弹簧、受热发爆管以及弹射体组成：连接螺杆先后穿过弹簧座、弹簧、弹射体、弹簧座的装配孔后与底座螺纹连接，受热发爆管则装配在弹射体与弹簧座之间，阻挡被压缩的弹簧对弹射体的弹射。弹射组件装配在滑轨的一端。
阻挡弹簧片的一端装配在底座的底部，并通过紧固螺钉被固定在底槽的一端，阻挡弹簧片的中段部分则向上弯曲。滑块组件的底部装配有滚珠，滚珠上面装配有调节螺钉，用于调节滚珠与阻挡弹簧片之间的压力。
在窗扇的开启过程中，滑块组件由滑轨的另一端向装配有弹射组件的一端滑动，当滑块组件滑动到紧靠在弹射组件底座的一边时，滑块组件底部的滚珠紧压在阻挡弹簧片向上弯曲中段部分，阻力较大，此时闭门器通过传动杆所提供的作用力不足于使滑块组件在滑轨内滑动，当无外力作用时，窗扇保持在此开启位置。当火灾发生时，受热发爆管因受热发生破裂，弹射体被压缩的弹簧弹射，撞击滑块组件，滑块组件摆脱阻挡弹簧片的阻力，此时闭门器通过传动杆所提供的作用力足于使滑块组件在滑轨内滑动，从而可带动窗扇关闭，防止火灾烟尘进入室内，隔绝火灾空气源，并防止火灾迅速扩大。
四连杆铰链托悬臂与支撑块之间的铆接、托悬臂与滑块之间的铆接、托悬臂之间的铆接，通过对配合尺寸以及对铆接工艺的改进，使其在轴线方向的接合紧密、无间隙，而在径向方向互相之间可灵活转动。因而四连杆铰链既能承受窗扇的重量而不下垂，又能在发生火灾时能顺利地关闭。
1.4支撑块采用加长型镶铸滑块形式
（即在塑料滑块内部镶铸不锈钢片），但又不像滑块那样与拖悬臂相应铆接后镶插入滑轨（可在滑轨内滑动），而是镶插入滑轨后连同滑轨一起与拖悬臂相应铆接，由于支撑块对与之铰接的托悬臂的支撑面积大于直接在滑轨的相应位置冲压铆接孔所形成的顶部支撑面，这种装配方式不仅增加了托悬臂的支撑受力面（特别是采用加长支撑块，其支撑受力面更大），使托悬臂在外力作用下不易倾斜，避免了托悬臂在开、关窗扇的过程中会与滑轨的上折边接触、摩擦，使产品启闭顺畅、耐用。
1.5滑块采用工程塑料镶铸不锈钢片的结构形式，因而即使镶插在滑轨内部滑块的塑料部分因火或其他原因损毁，由于其不锈钢片仍保留在滑轨内部，滑块也不会脱离滑轨而造成窗扇坠落伤人。且既能发挥工程塑料耐磨性好的特点，又通过不锈钢镶件提高滑块的强度，使滑块不易变形或断裂，而且耐磨。
2.高层建筑智能防火门窗精密构件设计
2.1材料设计
对于防火窗的制作主要使用的材料，需要有足够高的高温强度、耐腐蚀性和较好的压力加工性能。本方案设计的智能防火门窗金属精密构件均选用优质304不锈钢。该类材料属于奥氏体不锈钢，具有优异的高温强度和抗高温氧化及电化学腐蚀性能，其压力加工性能较好，但是对模具及压力加工机床要求较高。
2.2结构设计
为了在满足使用性能的前提下充分发挥材料的力学性能潜力，节约材料，减轻重量以及满足外观造型需要，本方案建立了准确的力学设计模型，并通过有限元分析等工具进行仿真，确定精密构件的形位尺寸。
以平开窗滑撑为例，在实际使用时，考虑到以下四个方面：承重力、滑撑的下垂变形、滑撑的开启角度、滑撑与型材之间的联接。
首先，进行几个设定：
A．滑撑固定在框上的滑槽、滑块及与连杆连接部分设定是一个标准的平面悬臂梁机构；
B.滑撑各连杆铆接相连的点，设定为只能绕固定点轴线转动的平面铰支座；
C.滑撑各部件的自重忽略不计。
即窗扇开启后稳定在某一个位置的受力情况模型如图2，其中：G—窗扇重量；φ—窗扇开启角度；θ—连杆开启角度。
通过建立数学模型分析计算，可以清楚地计算外平开窗用滑撑的受力和挠度变形，就可以知道在滑撑的设计中，应该兼顾哪些方面。由于现有的窗户设计基本上按中空玻璃的形式，所以在选择平开窗用滑撑时一定要尽量选择承重量较大的滑撑。
一般情况下，对于高层防火平开窗用滑撑，可从两个方面着手：一是增加滑撑安装空间的叠高，可以有效地增加第一托悬臂和第三托悬臂的厚度，来增加滑撑的强度和刚度；二是对滑撑本身的形式结构进行改良，减小受荷载的托悬臂的长度，加强辅助托悬臂的强度和刚度，从而减小挠度变形。
经过优化设计，与同类型滑撑铰链比较，本方案设计的平开窗滑撑铰链增强了托悬臂尤其是第一托悬臂在受力情况下抗弯曲的能力，减少托悬臂与长托悬臂之间在窗扇启闭过程中相互摩擦，使铰链能够承受更大的窗扇载荷，使用过程中不会因托悬臂之间互相摩擦而影响产品外观，产品的使用寿命更长。
3.高层建筑智能防火门窗精密构件制造关键技术
以不锈钢滑撑铰链为典型例子，本方案研究的高层建筑智能防火门窗精密构件制造工艺路线流程如图3所示。
门窗精密构件的主要工艺是冲压、拉槽、压筋等压力加工。本方案采用气动精密冲床，级进模连续冲压加工成型。因为不锈钢的特点，影响产品质量和生产效率的因素包括设备性能、材料工艺性、模具结构、模具材料、模具热处理工艺、模具加工工艺、模具使用及维护保养等等多个方面。其中级进模的使用寿命是生产中出现问题最多的因素，因此提高模具寿命是高层建筑智能防火门窗精密构件制造的关键技术。
4.高层建筑智能防火门窗精密构件冲压模具强化
不锈钢的成型模具材料主要采用高碳高铬钢成套制备，在不锈钢成形中由于高碳高铬钢与不锈钢高速接触中存在一定的相容性，造成表面积瘤粘着现象，影响不锈钢的外观质量，同时造成模具容易磨损失效，增加模具消耗和换模工时消耗。因此，优化模具设计，并通过对模具材料整体强化和表面强化是提高高层建筑智能防火门窗精密构件制造技术水平的重要措施，也是本方案的研究内容。
项目研究的技术路线如图3。
4.1优化选择模具材料
模具材料是关系到不锈钢级进模寿命的关键因素，好的材料，其耐磨性、韧性、硬度等性能指标较好，但价格昂贵。因此，设计模具时，应充分考虑零件的批量大小，选用合适的模具材料，才能达到最好的经济效益。防火门窗精密构件质量要求高，采用镶拼的级进模，选择Cr12MoV钢作为模具材料，具有较高的性价比。
Cr12MoV模具钢首先须保证其冶炼质量，化学成分达标。模具材料成分分析采用SparkCCD 6000火花直读光谱仪进行金属材料成分分析检验。
Cr12MoV模具钢性能的另一重要因素是其金相共晶碳化物组织结构。粗大的共晶碳化物组织将极大降低模具的使用寿命，其形态为“细、小、匀、圆”才能保证模具耐用，如图4，a为不良组织，b为良好组织。
共晶碳化物组织形态取决于材料冶炼时的凝固条件，一旦出现不良组织只能通过锻造改善，一般的热处理无能为力。因此，对使用的高碳高铬钢模具钢除了成份分析，另一个重要的是金相组织检验。
4.2优化模具热处理工艺
Cr12MoV模具钢热处理温度达1050℃左右，热处理加热时容易出现表面氧化、脱碳和合金元素烧损。本方案将研发优化真空热处理工艺，实现无氧化脱碳加热，保证表面合金元素含量及分布均匀，同时实现脱氢，进一步提高其耐磨和强韧性，整体延长使用寿命。
4.3模具表面复合化学热处理强化
高碳高铬模具钢与不锈钢产品同属高铬含量材料，除了因不锈钢的强韧性能而需要比一般的碳钢材料冲压更好的硬度强度之外，模具与不锈钢高速接触中存在一定的相容性，造成表面积瘤粘着现象，不但影响不锈钢的外观质量，同时造成模具更容易磨损失效。因此，本方案研发表面复合化学热处理强化技术和工艺设备，提高模具表面硬度，同时减小摩擦系数，以期显著提高其耐磨性。
图3不锈钢滑撑铰链工艺路线
a共晶碳化物组织8级 b共晶碳化物组织1级图4共晶碳化物组织表面复合化学热处理强化的基本方法是首先进行表面氮碳硫氧钒低温多元共渗，然后进行表面制备高锡铜锡合金涂层。
参考文献
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