通过力学模拟计算方法分析我国主要门锁标准的完善性

曹益君 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

在影视作品或实际生活中往往碰到：紧急或危险时刻，紧锁的房门轻易就被一两个人合力撞开或被人用脚踹开。破门而入盗窃甚至人身造成伤害事件时有发生。然而，我国对一般门锁产品监督抽查检验的合格率却一直较高。根据国家质检总局公告，以门锁产品为主要对象，2009年锁具产品质量国家监督抽查合格率为88%，2011年为88.75%。是什么原因使合格的门锁仍然经不起暴力冲击？笔者认为这与我国门锁标准中防冲击破坏相关项目的缺失有关。 我国门锁标准有“方/斜舌侧向静载荷”项目，即在锁舌侧面，沿垂直于锁舌伸出方向，慢慢施加力载荷。模拟门锁闭时门外的推/拉力对锁舌的影响，没有考虑实际碰撞冲击对门锁的影响。然而实际情况中，即使是同样的力值,碰撞与静载荷产生的效果截然不同。这就需要对门锁在碰撞冲击过程所受的影响进行综合评定，继而分析我国现行标准的合理性和完善性。本文以我国一般家庭或单位使用率最高的插芯门锁为对象，通过力学理论和计算，研究碰撞冲击的重要性和对产品安全性的巨大影响。

1 门碰撞冲击过程的理论分析

1.1 建立门撞击模拟方程

首先分析两个质量分别为m1和m2、半径为r1和r2、弹性模量为E1和E2、泊松比为μ1和μ2的刚性球的对心碰撞情况。两球接触后，整个碰撞过程分为压缩阶段和还原阶段。求得两球间的最大压力,只需讨论压缩阶段即可。根据弹性力学原理,两球接触压力为

接触前两球速度分别为v1和v2,接触后两球相对速度等于两球球心距缩短速度，则两球相对速度

上式两边对时间t求导，得

根据牛顿第二定律建立运动方程

将式（5）代入式（4），得

将式（2）代入式（6）， 得

式（7）等式两边乘以 dα ,得

碰撞压缩过程中,开始时压缩缩短距离α为0,相对速度为 vr0。之后相对速度都为求式（8）两边的积分，

达到最大压缩距离,即两球弹性形变最大，根据力学原理，此时两球间的压力也最大。将式（10）代入式（2）得到整个碰撞压缩过程的最大压力

对于球与板的碰撞情况，即令上式中的r2趋向无穷大，得

式中：r — 为球的半径。

1.2 确定碰撞模型和计算

实际情况中，很难用一个简单的模型来完全代表人体。建立模型时，只有尽可能选取接近人体特性的参数。在人与门撞击过程中，接触面一般不大，因而可以近似看作为球与板的碰撞，而一般材料中,橡胶与人体的力学特性较为接近。为方便计算，现以一个半径为r、质量为m1的橡胶球来代表碰撞过程中的人。橡胶球直径取人体体宽，则半径r为人体体宽的一半，即肩膀外侧到垂直中线的距离。标准人体肩宽为身高的1/4，即r为人身高l的1/8。m1为人的体重。据2005年中新社报道监测显示我国成年男性平均身高l约为1.7 m，体重约为68 kg，则

查询手册中橡胶的弹性模量E1和泊松比μ1得E1=7.84×106Pa，μ1= 0.47。横纹木的弹性模量E2为0.5～ 0.98 GPa，取E2= 8.0×108Pa，一般横纹木泊松比为μ2= 0.49。 普通实木门质量m2约为40 ～ 50 kg ,取中间值m2= 45 kg。

假设人撞击门时，从门前2 m处由静止开始加速。一般男子短跑50 m大约需要8 s，假设50 m内人的加速度不变，则可以算出在人与门接触时，人的速度v1=2.5 m/s。

1.3 碰撞过程的受力计算

接触过程中门的速度始终为0，则vr0= v1= 2.5 m/s，将该值和式（13）代入式（11）可得碰撞过程中门所受的最大压力

人与门中心碰撞时，门的受力情况如图1所示。

图1 门的受力情况

图中Fmax作用在门的中点上， f为碰撞时门锁锁舌所受的最大力，根据杠杆原理，得

2 数据比较与分析

经查，目前现行的国内外插芯门锁标准对锁舌侧向静载荷（压力）及抗冲击要求如表1所示。

通过1.2中的计算得到模拟情况下一般人对门的撞击会使锁舌受到高达6 400 N的最大瞬间压力。对照上表可以看出，公安部的防盗锁标准GA/T-73-94和美国机械锁标准ANSI/BHMA A156.13-2012都对主锁舌要求承受6 000 N的静载荷(压力)，同时还有抗冲击要求。能够确保即使是单舌锁，也能够抵御一般情况下一人的撞击，安全性相对较高。欧标机械门锁标准EN12209：2003虽然没有抗冲击要求，但根据分级，其对最高等级门锁，要求锁舌承受侧向压力高达10 000 N，大大超出了一般情况下门锁锁舌可能受到的最大冲击力，因而符合其高等级要求的门锁也具有很高的安全性。而我国国家标准GB21556-2008和行业标准QB/T 2474-2000对普通插芯门锁静载荷仅要求单舌1 500 N，双舌时2 500 N的承受能力，且不设抗冲击要求，显然大大低于上面的计算结果。对照其他标准，该项目的要求是偏低的。现实情况中，据统计市场上大约80%以上的插芯门锁仅为符合国家标准和行业标准的产品。因而就抗冲击能力而言，其安全性有待商榷。

表1 锁舌侧向静载荷及抗冲击要求

3 结语

门锁作为一种特殊的产品，其安全性能虽然不会直接对人身造成影响，但如果要求太低终究会给生命财产安全留下隐患。我国虽然已有安全性要求较高的防盗门锁标准，但由于其非强制性和产品售价较高等原因，其产品普及程度远远不及符合强制性的国家标准的产品。多数家庭和单位仍使用仅符合国家标准的普通插芯门锁作为房屋防盗系统的主体，这也是我国插芯门锁产品虽然合格率高但仍容易被暴力破坏的矛盾所在。一方面，通用的国家门锁标准对入户防盗而言要求不够；另一方面，对房屋内房门、浴室、通道等场所门锁而言要求太高,造成产品成本过高和不必要的浪费。笔者建议对现行国家标准进行完善,适当增加抗冲击要求或提高静载荷要求，并且制订浴室、通道等低安全要求场所门锁的标准。提高产品质量的同时,也能够从国家角度解决锁具行业的矛盾以及影响每个人的安全隐患。

[1]吴家龙. 弹性力学，新1版[M].上海：同济大学出版社，2011.

[2]凌邦国, 朱兆青, 周玲. 碰撞过程的研究[J]. 物理实验. 2004(6)：10-12.

[3]程守洙, 江之永.普通物理学，5版[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]闻邦椿.机械设计手册，5版[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5]全国五金制品标准化委员会日用五金分技术委员会.GB 21556-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]全国日用五金标准化中心.QB/T 2474-2000 [S].北京：中国标准出版社，2000.

[7]全国安全防范报警系统标准化技术委员会.GA/T- 73-94[S].北京：中国标准出版社，1994.

[8]European Committee for Standardization .EN 12209：2003[S].Brussels，2003.

[9]Builders Hardware Manufacturers Associatiion, Inc. ANSI/BHMA A156.13-2012[S]. NewYork，2012.