通過力學(xué)模擬計(jì)算方法分析我國主要門鎖標(biāo)準(zhǔn)的完善性

曹益君 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

在影視作品或?qū)嶋H生活中往往碰到：緊急或危險(xiǎn)時(shí)刻，緊鎖的房門輕易就被一兩個(gè)人合力撞開或被人用腳踹開。破門而入盜竊甚至人身造成傷害事件時(shí)有發(fā)生。然而，我國對一般門鎖產(chǎn)品監(jiān)督抽查檢驗(yàn)的合格率卻一直較高。根據(jù)國家質(zhì)檢總局公告，以門鎖產(chǎn)品為主要對象，2009年鎖具產(chǎn)品質(zhì)量國家監(jiān)督抽查合格率為88%，2011年為88.75%。是什么原因使合格的門鎖仍然經(jīng)不起暴力沖擊？筆者認(rèn)為這與我國門鎖標(biāo)準(zhǔn)中防沖擊破壞相關(guān)項(xiàng)目的缺失有關(guān)。 我國門鎖標(biāo)準(zhǔn)有“方/斜舌側(cè)向靜載荷”項(xiàng)目，即在鎖舌側(cè)面，沿垂直于鎖舌伸出方向，慢慢施加力載荷。模擬門鎖閉時(shí)門外的推/拉力對鎖舌的影響，沒有考慮實(shí)際碰撞沖擊對門鎖的影響。然而實(shí)際情況中，即使是同樣的力值,碰撞與靜載荷產(chǎn)生的效果截然不同。這就需要對門鎖在碰撞沖擊過程所受的影響進(jìn)行綜合評定，繼而分析我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的合理性和完善性。本文以我國一般家庭或單位使用率最高的插芯門鎖為對象，通過力學(xué)理論和計(jì)算，研究碰撞沖擊的重要性和對產(chǎn)品安全性的巨大影響。

1 門碰撞沖擊過程的理論分析

1.1 建立門撞擊模擬方程

首先分析兩個(gè)質(zhì)量分別為m1和m2、半徑為r1和r2、彈性模量為E1和E2、泊松比為μ1和μ2的剛性球的對心碰撞情況。兩球接觸后，整個(gè)碰撞過程分為壓縮階段和還原階段。求得兩球間的最大壓力,只需討論壓縮階段即可。根據(jù)彈性力學(xué)原理,兩球接觸壓力為

接觸前兩球速度分別為v1和v2,接觸后兩球相對速度等于兩球球心距縮短速度，則兩球相對速度

上式兩邊對時(shí)間t求導(dǎo)，得

根據(jù)牛頓第二定律建立運(yùn)動(dòng)方程

將式（5）代入式（4），得

將式（2）代入式（6）， 得

式（7）等式兩邊乘以 dα ,得

碰撞壓縮過程中,開始時(shí)壓縮縮短距離α為0,相對速度為 vr0。之后相對速度都為求式（8）兩邊的積分，

達(dá)到最大壓縮距離,即兩球彈性形變最大，根據(jù)力學(xué)原理，此時(shí)兩球間的壓力也最大。將式（10）代入式（2）得到整個(gè)碰撞壓縮過程的最大壓力

對于球與板的碰撞情況，即令上式中的r2趨向無窮大，得

式中：r — 為球的半徑。

1.2 確定碰撞模型和計(jì)算

實(shí)際情況中，很難用一個(gè)簡單的模型來完全代表人體。建立模型時(shí)，只有盡可能選取接近人體特性的參數(shù)。在人與門撞擊過程中，接觸面一般不大，因而可以近似看作為球與板的碰撞，而一般材料中,橡膠與人體的力學(xué)特性較為接近。為方便計(jì)算，現(xiàn)以一個(gè)半徑為r、質(zhì)量為m1的橡膠球來代表碰撞過程中的人。橡膠球直徑取人體體寬，則半徑r為人體體寬的一半，即肩膀外側(cè)到垂直中線的距離。標(biāo)準(zhǔn)人體肩寬為身高的1/4，即r為人身高l的1/8。m1為人的體重。據(jù)2005年中新社報(bào)道監(jiān)測顯示我國成年男性平均身高l約為1.7 m，體重約為68 kg，則

查詢手冊中橡膠的彈性模量E1和泊松比μ1得E1=7.84×106Pa，μ1= 0.47。橫紋木的彈性模量E2為0.5～ 0.98 GPa，取E2= 8.0×108Pa，一般橫紋木泊松比為μ2= 0.49。 普通實(shí)木門質(zhì)量m2約為40 ～ 50 kg ,取中間值m2= 45 kg。

假設(shè)人撞擊門時(shí)，從門前2 m處由靜止開始加速。一般男子短跑50 m大約需要8 s，假設(shè)50 m內(nèi)人的加速度不變，則可以算出在人與門接觸時(shí)，人的速度v1=2.5 m/s。

1.3 碰撞過程的受力計(jì)算

接觸過程中門的速度始終為0，則vr0= v1= 2.5 m/s，將該值和式（13）代入式（11）可得碰撞過程中門所受的最大壓力

人與門中心碰撞時(shí)，門的受力情況如圖1所示。

圖1 門的受力情況

圖中Fmax作用在門的中點(diǎn)上， f為碰撞時(shí)門鎖鎖舌所受的最大力，根據(jù)杠桿原理，得

2 數(shù)據(jù)比較與分析

經(jīng)查，目前現(xiàn)行的國內(nèi)外插芯門鎖標(biāo)準(zhǔn)對鎖舌側(cè)向靜載荷（壓力）及抗沖擊要求如表1所示。

通過1.2中的計(jì)算得到模擬情況下一般人對門的撞擊會(huì)使鎖舌受到高達(dá)6 400 N的最大瞬間壓力。對照上表可以看出，公安部的防盜鎖標(biāo)準(zhǔn)GA/T-73-94和美國機(jī)械鎖標(biāo)準(zhǔn)ANSI/BHMA A156.13-2012都對主鎖舌要求承受6 000 N的靜載荷(壓力)，同時(shí)還有抗沖擊要求。能夠確保即使是單舌鎖，也能夠抵御一般情況下一人的撞擊，安全性相對較高。歐標(biāo)機(jī)械門鎖標(biāo)準(zhǔn)EN12209：2003雖然沒有抗沖擊要求，但根據(jù)分級，其對最高等級門鎖，要求鎖舌承受側(cè)向壓力高達(dá)10 000 N，大大超出了一般情況下門鎖鎖舌可能受到的最大沖擊力，因而符合其高等級要求的門鎖也具有很高的安全性。而我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB21556-2008和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2474-2000對普通插芯門鎖靜載荷僅要求單舌1 500 N，雙舌時(shí)2 500 N的承受能力，且不設(shè)抗沖擊要求，顯然大大低于上面的計(jì)算結(jié)果。對照其他標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目的要求是偏低的?，F(xiàn)實(shí)情況中，據(jù)統(tǒng)計(jì)市場上大約80%以上的插芯門鎖僅為符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。因而就抗沖擊能力而言，其安全性有待商榷。

表1 鎖舌側(cè)向靜載荷及抗沖擊要求

3 結(jié)語

門鎖作為一種特殊的產(chǎn)品，其安全性能雖然不會(huì)直接對人身造成影響，但如果要求太低終究會(huì)給生命財(cái)產(chǎn)安全留下隱患。我國雖然已有安全性要求較高的防盜門鎖標(biāo)準(zhǔn)，但由于其非強(qiáng)制性和產(chǎn)品售價(jià)較高等原因，其產(chǎn)品普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及符合強(qiáng)制性的國家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。多數(shù)家庭和單位仍使用僅符合國家標(biāo)準(zhǔn)的普通插芯門鎖作為房屋防盜系統(tǒng)的主體，這也是我國插芯門鎖產(chǎn)品雖然合格率高但仍容易被暴力破壞的矛盾所在。一方面，通用的國家門鎖標(biāo)準(zhǔn)對入戶防盜而言要求不夠；另一方面，對房屋內(nèi)房門、浴室、通道等場所門鎖而言要求太高,造成產(chǎn)品成本過高和不必要的浪費(fèi)。筆者建議對現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善,適當(dāng)增加抗沖擊要求或提高靜載荷要求，并且制訂浴室、通道等低安全要求場所門鎖的標(biāo)準(zhǔn)。提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),也能夠從國家角度解決鎖具行業(yè)的矛盾以及影響每個(gè)人的安全隱患。

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