眼镜盒紧闭机构损坏成因研究

眼镜盒紧闭机构损坏成因研究

海宁紫微高级中学  王薇 陈方莲  指导教师 夏霖

[内容摘要] 眼镜盒的紧闭方式之一是借助钢片的弹力夹紧两个盒盖,这种紧闭装置的寿命很重要的一个因素是钢片的金属疲劳的状况和紧闭机构的设计是否合理。本文通过探究,分析了目前一种产品的不足之处并提出改进设想。

[关键词]  机构,金属疲劳,改进

眼镜盒是常见的保存眼镜的产品,种类多种多样,其中一种是由一个底和一个盖2部分形成壳体,通常是金属材质,并通过非纽扣或拉链的方式紧闭,如图1所示:

图1 眼镜盒的一种

在一次购买眼镜的经历中,出现了不愉快的事情。新买的上述眼镜盒使用没多久,在一次突然的“啪”声中,眼镜盒不能牢牢的紧闭了。其实,此眼镜盒的使用频率并不高,每天使用次数约为2次至10次之间,每次开启和闭合各一次,使用时间约1个月,如此算下来,从使用到损坏开启和闭合的次数大致在60次至300次之间。为什么会如此短命?在肯定是质量问题的同时,也好奇此种眼镜盒的紧闭机构的组成和原理。

1.眼镜盒开闭结构研究

将眼镜盒打开,拆下内衬可以发现它是通过类似合页的装置将眼镜盒的2片盒盖连接在一起,如图2所示。在里面还有4小片金属片,仔细观察它们实际上是2片相同的“U”型金属片断裂后形成的,如图3所示。

图2 眼镜盒连接机构

 

 
图3 “U”型金属片

这个“U”型金属片是安放在哪里的?通过对图2连接部分的观察,发现其中有2对凸起的槽,如图4所示。这2个“U”型金属片应该是安放在这2对凸起的槽内。

 

 

 

图4 “U”型金属片

由此,可以分析出眼镜盒开闭的工作机理,如图5所示。

 

 

图5 眼镜盒开闭原理图(横截面)

眼镜盒紧闭状态下,“U”型金属片开口处于被向外扩展状态,在金属片弹力作用下,提供较大的弹力将眼镜盒外壳紧闭;眼镜盒从紧闭到开启的过程中,“U”型金属片开口先是被向外扩展,然后在自身弹力作用下向内回复。从以上过程分析可知,每开启或闭合一次,“U”型金属片就会发生一次开口扩展和回复的过程,这个过程说明“U”型金属片在使用中被反复弯折。

  1. “U”型金属片折断原因

从眼镜盒开闭结构的原理分析中,每次打开和闭合的过程,就会对“U”型金属片进行一次弯折。这种弯折因使用而具有重复性,“U”型金属片在这种重复性的弯折作用下导致断裂。这与金属“疲劳”的现象一致。金属疲劳是法国学者彭赛于1839年提出的,从150多年的统计来看,金属部件中有80%以上的损坏是由“疲劳”引起的。由于金属“疲劳”导致了很多重大事故,如火车出轨、飞机解体等等。所谓金属疲劳是指是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。[[1]]对比金属疲劳的断面和“U”型金属片的断面可以断定,正是由于这种原因导致了“U”型金属片的断裂。根据对比可以初步断定“U”型金属片属于疲劳裂缝成长[[2]]。提升材料抗疲劳的方式有很多,比如给材料中加入“维生素”(在材料中加入万分之几或千万分之几的稀土元素),“金属免疫疗法”(通过事先引入的办法增强构件抗疲劳性能),以及减少构件薄弱环节如增加表面光洁度等[[3]],这些方法能有效提升金属抗疲劳的性能,但必然会引起成本的上升,所以本文讨论的眼镜盒的质量问题更可能是因为出于成本考虑而没有进行抗疲劳处理。

从图3可以看到,发生断裂的是“U”型金属片的底端,说明此处受的应力在整个构件中是最大的,从外观上观察,“U”型金属片表面较粗糙未进行表面光洁度处理或处理不到位,其上有锈蚀的痕迹。发生断裂很可能是因为在“U”型金属片低端内部存在缺陷,并在锈蚀的作用下较早发生断裂。

3.眼镜盒紧闭机构的改进设想

其实,通过图5可以看到,金属疲劳是一个原因,这是构件材料的问题。结构设计不合理也是一个主要原因。从图5中可以看出在眼镜盒处于开启状态时,“U”型金属片处于较自然的状态(即接近物理上回复状态),而当眼镜盒处于关闭状态时,“U”型金属片处于开口被扩展的状态。在日常使用中可以发现,眼镜盒基本上经常处于紧闭状态,这说明“U”型金属片经常处于处于开口被扩展的状态,这就造成“U”型金属片底部经常处于应力较大的状态,从而加速了疲劳的过程。

针对以上分析,可以对这种眼镜盒的紧闭机构进行改进,改变目前眼镜盒开闭两个状态下“U”型金属片的受力。即眼镜盒在闭合状态下,使“U”型金属片处于较自然状态,而在眼镜盒开启状态下也能处于较自然的状态。从眼镜盒从紧闭状态到开启状态的过程中,随着上下两部分展开,“U”型金属片被向外弯折,底部产生应力,但持续时间较短。大部分时间下,“U”型金属片都能处于自然状态设想如图6所示。不过,这种设计也存在一定缺陷,因为闭合状态下“U”型金属片处于自然状态,无法提供足够的弹力,故眼镜盒的闭合效果可能没有原来的好。可以在眼镜盒外檐增加软磁条,靠磁力弥补。

 

 

 

 

 

图6 眼镜盒开闭机构改进原理图(横截面)

这种改进是否可行还有待实践的检验。通过以上研究活动说明,生活中处处充满问题,只要你细心观察、不断探索一定会有收获。(完成时间2013年11月25日)

[参考文献]

[[1]] 百度百科.金属疲劳.[EB/OL] .http://baike.baidu.com/link?url=bvWSJ17cpkhzAoiL1pt5Xig8XLJZXUlSqvqqtr_EX-Yyr0TfV4QJEeDL6TInWjEi,2013-11-14.

[[2]]搜搜百科.金属疲劳.[EB/OL] .http://baike.soso.com/h9527771.htm?sp=l9527772,2010-06-28.

[[3]] 搜搜问问.金属疲劳的定义是什么.[EB/OL] .http://wenwen.soso.com/z/q174395886.htm,2010-1-3.

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