抗台风窗户保护机械装置

谢继文 李国林 高冯贤 孙文君 李选兵

摘 要：本文介绍了一种抵抗台风的窗户保护机械装置，本装置安装在窗户外面，实现向外抵御台风的功能，但整个装置仍然在窗台上而非悬挂式。本装置由电机带动驱动，主体挡风结构采取分块拼装设计（类似百叶窗），整个装置全机械化运转。在台风来临时展开挡风板，形成覆盖窗户的屏障，以达到保护窗户的作用。无台风时，该装置通过伸缩杆将挡风板回缩折叠，不会影响室内正常的采光。本文详细介绍了本装置的结构设计、组成、工作状态和工作原理。总体结构设计既可以实现抵抗台风的基础功能，又考虑采光通风、安装方便、使用操作简单、自动收缩折叠式省空间等附加因素，从而保证本装置的易普及性。

关键词：抗台风;窗户保护;机械化

中图分类号：F24文献标识码：A文章编号：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

隨着我国沿海地区超高层建筑的增多，近年来，台风对沿海地区建筑门窗幕墙的影响和破坏非常显著，像2016年厦门百年不遇的“莫兰蒂”、2017年珠海的“飞鸽”和2018年在深圳登陆并袭击广东的“山竹”等均超过14级的强台风，都给当地的建筑门窗幕墙造成了严重的破坏。台风作为我国沿海地区最常见的自然灾害之一，每年给我国造成的经济损失和对生命的危害难以估量。在这些危害中，大面积玻璃破损、开启扇整体脱落和门窗垮塌较为常见。而目前国内外针对此问题，普遍采用增强材料强度来减少台风下的损坏，但由于相应的玻璃材料昂贵，老建筑更换麻烦，普及度不高。许多西方国家仍采用最传统的方法（在窗户上钉木板）来抵挡台风。显而易见，这种方法仅适用少数低矮老房屋，麻烦，不安全，自带损坏性强。为此，笔者从最传统的钉木板保护方法中获得灵感，设计了一种抗台风窗户保护装置。目的是在台风来临时，一键就能给窗户套上保护的外衣，保护建筑和人身安全。本文将对抗台风窗户保护装置的组成、基本结构、工作原理以及本机构的创新处和设计特点等进行分析。

1 抗台风窗户保护装置的组成和工作原理

抗台风窗户保护装置结构如图1所示。整体机构结构由固定支架1、驱动蜗杆2、柔性伸缩机构3、连轴凸轮4、挡风板5、滑球6、滑轨7、定位轴套8、滑轴9、转向涡轮10等零件组成。本装置主要由三部分构成，分别是挡风主体机构A、转体滑轨导向机构B、柔性伸缩机构C[1]。

1.1 挡风主体机构组成

图1中，A板块为挡风主体机构，它主要由连轴凸轮4、挡风板5、滑球6、定位轴套8、滑轴9、转向涡轮10等零件组成。滑轴9下面和挡风块最上端各自固定一个滑球6，使之能够在窗台底墙和顶墙滑轨中左右运动和转动，用来减少在滑轨上运动的摩擦阻力。滑轴9上套有转向涡轮10，定位轴套8安装在转向涡轮10上方，用来把整个滑轴部分固定在柔性伸缩机构上。滑轴9最上端由螺纹和螺套和连轴凸轮4紧密连接在一起，连轴凸轮通过螺套和挡风板的两个螺纹轴连接在一起。

1.2 转体滑轨导向机构组成

图2中，B板块为转体滑轨导向机构，整个机构由底座、固定支架1、驱动蜗杆2、前后滑道18、复位弹簧19、蜗杆支撑架20和拨块21等零件组成。固定支架1是安装在一个前、后、底三个面封闭的底座上，固定支架与底座通过螺柱连接，并且两边窗台夹角处用小型三脚架锁死，底座通过螺柱连接固定在窗台上。滑轨固定在固定支架1上，驱动蜗杆2是通过两个蜗杆支撑架安装两根前后滑道上（见图2），两个复位弹簧固定在两个前后滑道后壁上，与两个蜗杆支撑架后壁相连[2-3]。拨块固定在蜗杆支撑架滑轴上。该机构通过拨块的拨动实现涡轮蜗杆分离，通过复位弹簧实现涡轮蜗杆之间啮合传动。

1.3 柔性伸缩机构组成

柔性伸缩机构由基本臂、二节臂、三节臂、液压马达、链条11、滑轮12和13、绕卷筒14、驱动链轮15、钢丝绳16、滑轮17和18等零件构成。它的每个工作臂上安装有一个挡风板机构，其原理如图3所示，当液压马达通过弹性联轴节使驱动链轮14按顺时针方向转动时，链条11使链轮12向前运动，将第二节臂伸出。同时，安装在二节臂前端的滑轮17也随之向前运动，而绕过滑轮17的钢丝绳16的一端与基本臂之间是固定不动的，其另一端固定在第三节臂的后端，因而第三节臂要随着滑轮17的转动向前运动，所以在钢丝绳拉力作用下，第三节臂相对于第二节臂外伸，也就是第二节臂在链条作用下，第三节臂在钢丝绳作用下实现同步外伸，如此便带动挡风机构到达指定工作位置。反之，当液压马达通过弹性联轴节使驱动链轮14按逆时针方向转动时，通过链条将第三臂拉回来，同时在钢丝绳的作用下使滑轮17往回缩，第二节臂回缩。所以，第三节臂是在链条的作用下，第二节臂是在钢丝绳的作用下实现同步回缩，同时带动折叠后的挡风板回缩。考虑到台风横向风不仅产生极强的冲击力，还在挡风面和支撑受力点产生较大的力矩，因此笔者设计了连轴凸轮4，将挡风板和滑轴之间通过双轴连接受力，既能分散冲击力，也平衡了力矩。

1.4 抗台风窗户保护装置的工作原理

本装置由柔性伸缩机构C内部电机带动滑轴9在滑轨7中伸缩滑动，使挡风板实现贴两边墙省空间放置并到达指定工作位置待命，再由外置电机带动转体滑轨导向机构B中的驱动蜗杆转动，然后由驱动蜗杆带动已经到达工作位置的挡风块上滑轴的转向涡轮，从而实现挡风主体机构C的90°转驱动蜗杆，通过挡块和复位弹簧的工作实现涡轮蜗杆的啮合和分离。当需要转向传动力时，涡轮蜗杆啮合，外置电机工作;当需要挡风主体机构左右运动时，外置电机不工作，涡轮蜗杆分离，柔性伸缩机构C内部电机工作，带动挡风主体机构左右运动。

2 抗台风窗户保护装置的两个工作状态

2.1 采光“隐身”状态

作为窗户的一种保护装置，考虑到本装置能够更加普遍地被市场所接收，在设计此装置时，人们必须考虑美观性和采光性。因此，在结构设计上，笔者考虑了可收缩性和辅助采光性。在正常生活中，它将会通过改变挡风板的倾斜角来辅助采光（见图4），也可以重叠收缩后“隐身”于窗台两侧（见图5），完全不影响窗户本身的美观性。经测量统计，普通家用窗户的窗台外伸大概45 cm左右，本研究将挡风板宽度的设计为30 cm，即考虑到收放在左右两端墙壁时，所有挡风块都在X方向放置（见图6），使得挡风块都能落在窗臺外沿以内，防止高空悬挂危险，也避免宽度太小，工作状态若想全方位保护则需要更多挡风块，使得安装麻烦。

2.2 抵抗台风工作状态

当接收到台风即将来临的通知时，按下关闭开关，在电机的带动下，每一个挡风板由窗台两侧的“隐身状态”迅速在导轨上移动到其特定的工作位置，然后由X方向上横置转过90°到Y方向上横置（见图6）。在台风和玻璃之间竖立起一道坚实的屏障，如图7所示。

经过测量，普通家用窗户中较大规格窗户的尺寸大概为1.8m×1.5 m。每块挡风块设计为30 cm，总共需要6个相同的挡风块才能完整地保护住窗户，抵挡住台风，如图7所示。左右各三个挡风块，分别在柔性伸缩机构的工作下到达固定的工作位置，然后在驱动蜗杆的工作下旋转到工作状态，其中每相邻的两个挡风块之间都是互相紧密连接，达到抵挡台风保护窗户的功能。

3 结论

相比于其他传统保护装置，本装置采用了电机传动，不受安装位置和地域限制，并且采用外装防护避免破坏原窗，在设计中也充分考虑产品本身的美感和通风功能。考虑到近年来智能化的普及，本装置未来的改进方向是在总体设计结构保持不变的情况下，在控制方向方面进行升级。一是通过加入一些智能因素，使之能实现自动感知检测风速来自我决定是否开启保护模式，二是通过联网控制实现当人不在家时，也能远程控制来抵抗台风，保护居民的人身和财产安全。

参考文献：

[1]刘绍华，梁光荣，金万哲.液压马达驱动的柔性伸缩机构[J].起重运输机械，1985（7）：26-38.

[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.