抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)機(jī)械裝置

謝繼文 李國林 高馮賢 孫文君 李選兵

摘 要：本文介紹了一種抵抗臺(tái)風(fēng)的窗戶保護(hù)機(jī)械裝置，本裝置安裝在窗戶外面，實(shí)現(xiàn)向外抵御臺(tái)風(fēng)的功能，但整個(gè)裝置仍然在窗臺(tái)上而非懸掛式。本裝置由電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主體擋風(fēng)結(jié)構(gòu)采取分塊拼裝設(shè)計(jì)（類似百葉窗），整個(gè)裝置全機(jī)械化運(yùn)轉(zhuǎn)。在臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)展開擋風(fēng)板，形成覆蓋窗戶的屏障，以達(dá)到保護(hù)窗戶的作用。無臺(tái)風(fēng)時(shí)，該裝置通過伸縮桿將擋風(fēng)板回縮折疊，不會(huì)影響室內(nèi)正常的采光。本文詳細(xì)介紹了本裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組成、工作狀態(tài)和工作原理?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)抵抗臺(tái)風(fēng)的基礎(chǔ)功能，又考慮采光通風(fēng)、安裝方便、使用操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)收縮折疊式省空間等附加因素，從而保證本裝置的易普及性。

關(guān)鍵詞：抗臺(tái)風(fēng);窗戶保護(hù);機(jī)械化

中圖分類號(hào)：F24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0065-03

Abstract： This paper introduced a window protection mechanism that resists typhoons， this device was installed outside the window to realize the function of resisting typhoon outwards， but the entire device was still on the window sill instead of hanging. The device was driven by a motor，the main windshield structure adopted a block assembly design （similar to blinds）， and the entire device ran fully mechanized. When the typhoon came， the windshield was deployed to form a barrier covering the window to protect the window. When there was no typhoon， the device retracted and folded the windshield through a telescopic rod， which would not affect the normal daylighting of the room. This paper introduced the structure design， composition， working state and working principle of this device in detail. The overall structural design can not only realized the basic functions of resisting typhoons， but also considered additional factors such as lighting and ventilation， easy installation， simple operation and operation， and automatic contraction and folding to save space， so as to ensure the universality of the device.

Keywords： typhoon resistance;window protection;mechanization

隨著我國沿海地區(qū)超高層建筑的增多，近年來，臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)建筑門窗幕墻的影響和破壞非常顯著，像2016年廈門百年不遇的“莫蘭蒂”、2017年珠海的“飛鴿”和2018年在深圳登陸并襲擊廣東的“山竹”等均超過14級(jí)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，都給當(dāng)?shù)氐慕ㄖT窗幕墻造成了嚴(yán)重的破壞。臺(tái)風(fēng)作為我國沿海地區(qū)最常見的自然災(zāi)害之一，每年給我國造成的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)生命的危害難以估量。在這些危害中，大面積玻璃破損、開啟扇整體脫落和門窗垮塌較為常見。而目前國內(nèi)外針對(duì)此問題，普遍采用增強(qiáng)材料強(qiáng)度來減少臺(tái)風(fēng)下的損壞，但由于相應(yīng)的玻璃材料昂貴，老建筑更換麻煩，普及度不高。許多西方國家仍采用最傳統(tǒng)的方法（在窗戶上釘木板）來抵擋臺(tái)風(fēng)。顯而易見，這種方法僅適用少數(shù)低矮老房屋，麻煩，不安全，自帶損壞性強(qiáng)。為此，筆者從最傳統(tǒng)的釘木板保護(hù)方法中獲得靈感，設(shè)計(jì)了一種抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置。目的是在臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，一鍵就能給窗戶套上保護(hù)的外衣，保護(hù)建筑和人身安全。本文將對(duì)抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置的組成、基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及本機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新處和設(shè)計(jì)特點(diǎn)等進(jìn)行分析。

1 抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置的組成和工作原理

抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)由固定支架1、驅(qū)動(dòng)蝸桿2、柔性伸縮機(jī)構(gòu)3、連軸凸輪4、擋風(fēng)板5、滑球6、滑軌7、定位軸套8、滑軸9、轉(zhuǎn)向渦輪10等零件組成。本裝置主要由三部分構(gòu)成，分別是擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)A、轉(zhuǎn)體滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)B、柔性伸縮機(jī)構(gòu)C[1]。

1.1 擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)組成

圖1中，A板塊為擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)，它主要由連軸凸輪4、擋風(fēng)板5、滑球6、定位軸套8、滑軸9、轉(zhuǎn)向渦輪10等零件組成。滑軸9下面和擋風(fēng)塊最上端各自固定一個(gè)滑球6，使之能夠在窗臺(tái)底墻和頂墻滑軌中左右運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，用來減少在滑軌上運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力?；S9上套有轉(zhuǎn)向渦輪10，定位軸套8安裝在轉(zhuǎn)向渦輪10上方，用來把整個(gè)滑軸部分固定在柔性伸縮機(jī)構(gòu)上?；S9最上端由螺紋和螺套和連軸凸輪4緊密連接在一起，連軸凸輪通過螺套和擋風(fēng)板的兩個(gè)螺紋軸連接在一起。

1.2 轉(zhuǎn)體滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成

圖2中，B板塊為轉(zhuǎn)體滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)由底座、固定支架1、驅(qū)動(dòng)蝸桿2、前后滑道18、復(fù)位彈簧19、蝸桿支撐架20和撥塊21等零件組成。固定支架1是安裝在一個(gè)前、后、底三個(gè)面封閉的底座上，固定支架與底座通過螺柱連接，并且兩邊窗臺(tái)夾角處用小型三腳架鎖死，底座通過螺柱連接固定在窗臺(tái)上。滑軌固定在固定支架1上，驅(qū)動(dòng)蝸桿2是通過兩個(gè)蝸桿支撐架安裝兩根前后滑道上（見圖2），兩個(gè)復(fù)位彈簧固定在兩個(gè)前后滑道后壁上，與兩個(gè)蝸桿支撐架后壁相連[2-3]。撥塊固定在蝸桿支撐架滑軸上。該機(jī)構(gòu)通過撥塊的撥動(dòng)實(shí)現(xiàn)渦輪蝸桿分離，通過復(fù)位彈簧實(shí)現(xiàn)渦輪蝸桿之間嚙合傳動(dòng)。

1.3 柔性伸縮機(jī)構(gòu)組成

柔性伸縮機(jī)構(gòu)由基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂、液壓馬達(dá)、鏈條11、滑輪12和13、繞卷筒14、驅(qū)動(dòng)鏈輪15、鋼絲繩16、滑輪17和18等零件構(gòu)成。它的每個(gè)工作臂上安裝有一個(gè)擋風(fēng)板機(jī)構(gòu)，其原理如圖3所示，當(dāng)液壓馬達(dá)通過彈性聯(lián)軸節(jié)使驅(qū)動(dòng)鏈輪14按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏈條11使鏈輪12向前運(yùn)動(dòng)，將第二節(jié)臂伸出。同時(shí)，安裝在二節(jié)臂前端的滑輪17也隨之向前運(yùn)動(dòng)，而繞過滑輪17的鋼絲繩16的一端與基本臂之間是固定不動(dòng)的，其另一端固定在第三節(jié)臂的后端，因而第三節(jié)臂要隨著滑輪17的轉(zhuǎn)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，所以在鋼絲繩拉力作用下，第三節(jié)臂相對(duì)于第二節(jié)臂外伸，也就是第二節(jié)臂在鏈條作用下，第三節(jié)臂在鋼絲繩作用下實(shí)現(xiàn)同步外伸，如此便帶動(dòng)擋風(fēng)機(jī)構(gòu)到達(dá)指定工作位置。反之，當(dāng)液壓馬達(dá)通過彈性聯(lián)軸節(jié)使驅(qū)動(dòng)鏈輪14按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鏈條將第三臂拉回來，同時(shí)在鋼絲繩的作用下使滑輪17往回縮，第二節(jié)臂回縮。所以，第三節(jié)臂是在鏈條的作用下，第二節(jié)臂是在鋼絲繩的作用下實(shí)現(xiàn)同步回縮，同時(shí)帶動(dòng)折疊后的擋風(fēng)板回縮?？紤]到臺(tái)風(fēng)橫向風(fēng)不僅產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊力，還在擋風(fēng)面和支撐受力點(diǎn)產(chǎn)生較大的力矩，因此筆者設(shè)計(jì)了連軸凸輪4，將擋風(fēng)板和滑軸之間通過雙軸連接受力，既能分散沖擊力，也平衡了力矩。

1.4 抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置的工作原理

本裝置由柔性伸縮機(jī)構(gòu)C內(nèi)部電機(jī)帶動(dòng)滑軸9在滑軌7中伸縮滑動(dòng)，使擋風(fēng)板實(shí)現(xiàn)貼兩邊墻省空間放置并到達(dá)指定工作位置待命，再由外置電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)體滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)B中的驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，然后由驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)已經(jīng)到達(dá)工作位置的擋風(fēng)塊上滑軸的轉(zhuǎn)向渦輪，從而實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)C的90°轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)蝸桿，通過擋塊和復(fù)位彈簧的工作實(shí)現(xiàn)渦輪蝸桿的嚙合和分離。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向傳動(dòng)力時(shí)，渦輪蝸桿嚙合，外置電機(jī)工作;當(dāng)需要擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，外置電機(jī)不工作，渦輪蝸桿分離，柔性伸縮機(jī)構(gòu)C內(nèi)部電機(jī)工作，帶動(dòng)擋風(fēng)主體機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)。

2 抗臺(tái)風(fēng)窗戶保護(hù)裝置的兩個(gè)工作狀態(tài)

2.1 采光“隱身”狀態(tài)

作為窗戶的一種保護(hù)裝置，考慮到本裝置能夠更加普遍地被市場(chǎng)所接收，在設(shè)計(jì)此裝置時(shí)，人們必須考慮美觀性和采光性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，筆者考慮了可收縮性和輔助采光性。在正常生活中，它將會(huì)通過改變擋風(fēng)板的傾斜角來輔助采光（見圖4），也可以重疊收縮后“隱身”于窗臺(tái)兩側(cè)（見圖5），完全不影響窗戶本身的美觀性。經(jīng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，普通家用窗戶的窗臺(tái)外伸大概45 cm左右，本研究將擋風(fēng)板寬度的設(shè)計(jì)為30 cm，即考慮到收放在左右兩端墻壁時(shí)，所有擋風(fēng)塊都在X方向放置（見圖6），使得擋風(fēng)塊都能落在窗臺(tái)外沿以內(nèi)，防止高空懸掛危險(xiǎn)，也避免寬度太小，工作狀態(tài)若想全方位保護(hù)則需要更多擋風(fēng)塊，使得安裝麻煩。

2.2 抵抗臺(tái)風(fēng)工作狀態(tài)

當(dāng)接收到臺(tái)風(fēng)即將來臨的通知時(shí)，按下關(guān)閉開關(guān)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，每一個(gè)擋風(fēng)板由窗臺(tái)兩側(cè)的“隱身狀態(tài)”迅速在導(dǎo)軌上移動(dòng)到其特定的工作位置，然后由X方向上橫置轉(zhuǎn)過90°到Y(jié)方向上橫置（見圖6）。在臺(tái)風(fēng)和玻璃之間豎立起一道堅(jiān)實(shí)的屏障，如圖7所示。

經(jīng)過測(cè)量，普通家用窗戶中較大規(guī)格窗戶的尺寸大概為1.8m×1.5 m。每塊擋風(fēng)塊設(shè)計(jì)為30 cm，總共需要6個(gè)相同的擋風(fēng)塊才能完整地保護(hù)住窗戶，抵擋住臺(tái)風(fēng)，如圖7所示。左右各三個(gè)擋風(fēng)塊，分別在柔性伸縮機(jī)構(gòu)的工作下到達(dá)固定的工作位置，然后在驅(qū)動(dòng)蝸桿的工作下旋轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)，其中每相鄰的兩個(gè)擋風(fēng)塊之間都是互相緊密連接，達(dá)到抵擋臺(tái)風(fēng)保護(hù)窗戶的功能。

3 結(jié)論

相比于其他傳統(tǒng)保護(hù)裝置，本裝置采用了電機(jī)傳動(dòng)，不受安裝位置和地域限制，并且采用外裝防護(hù)避免破壞原窗，在設(shè)計(jì)中也充分考慮產(chǎn)品本身的美感和通風(fēng)功能?？紤]到近年來智能化的普及，本裝置未來的改進(jìn)方向是在總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，在控制方向方面進(jìn)行升級(jí)。一是通過加入一些智能因素，使之能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知檢測(cè)風(fēng)速來自我決定是否開啟保護(hù)模式，二是通過聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)當(dāng)人不在家時(shí)，也能遠(yuǎn)程控制來抵抗臺(tái)風(fēng)，保護(hù)居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

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