自動防護外窗的結構設計＊

謝時峰 ， 徐 兵 ， 武新濤 ， 劉 暢 ， 王 碩

（巢湖學院機械工程學院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

建筑外窗防護是建筑工程的普遍性問題。一般情況下，建筑外窗需要具有良好的透光性，所以多選用玻璃。由于玻璃為易碎材料，受到外力作用時易發生碎裂[1-2]，比如：人為的撞擊、惡劣天氣導致的異物撞擊。前者，在室內無人居住的情況下，一些不法分子會通過人為的撞擊使建筑外窗發生碎裂，進而實施盜竊；后者，在多沙塵、多臺風地區，狂風的來襲會帶起某些異物使其懸浮在空中，當撞擊到建筑外窗時，會導致建筑外窗的碎裂，從而造成經濟損失，若室內有行動不便的老人或小孩時，還可能觸及生命安全。因此，建筑外窗的防護不當，不僅會造成人們的財產損失，甚至會對生命安全構成威脅。

在建筑工程中，為有效防止安全問題的發生，大部分施工者往往會通過架設一些簡單的防護裝置進行外窗防護[3]，例如：紗窗。此種方式需要將紗窗固定在建筑外窗的外側，固定完成后不能進行隨意地更改，嚴重影響建筑外窗的美觀。另外，紗窗的四周，即邊角處會有尖銳的凸起部分，易造成安全隱患。

針對這些問題，本文設計了一種自動防護建筑外窗的結構。該結構可根據使用者的意愿進行防護與否的工作，快捷方便且操作簡單，不僅解決了美觀性問題，其安全性也大大提升。

1 自動防護外窗的結構設計簡介

自動防護外窗的結構中，包括整體支座、防護結構、伸縮動力結構、控制系統，如圖1所示。

圖1 整體結構示意圖

整體支座包括外框。防護裝置包括防護葉、萬向節、合頁、葉間軸、葉邊框。防護葉通過葉間軸和合頁的交替連接，奇數處的用合頁，偶數處的用葉間軸。伸縮動力裝置包括電動機、皮帶、帶輪、帶輪固定軸、聯軸器、軸承。控制系統包括強制開關、電路板、限位開關、壓力傳感器、紅外傳感器[4]。伸縮動力裝置整體位于整個裝置兩側，壓力傳感器位于外框四個邊角處，但不限于外框的四個邊角，數量以偶數分配最佳。紅外傳感器安裝在外框沿厚度方向的內側面并布滿整個平面。

2 自動防護外窗的結構工作原理

當受到撞擊時，壓力傳感器受到外力作用，產生電信號，電路板接收到信號后將發送啟動信號給電動機，電動機正轉從而帶動伸縮動力結構運轉，皮帶通過萬向節帶動防護結構運轉，防護葉下降，若工作過程中紅外傳感器檢測到人體紅外信號，就會產生電信號使伸縮動力結構停止工作。在正常工作的情況下，當最下端防護葉的葉間軸觸碰到下端限位開關時，限位開關發送信號驅動伸縮動力結構停止運作，此時，自動防護外窗結構處于防護狀態。當天氣恢復正常或者需要主動關閉裝置時，可通過強制開關發送電信號給電動機，電動機反轉，從而帶動伸縮動力結構運轉，皮帶通過萬向節帶動防護結構運轉，防護葉向上運動，當最下端防護葉的葉間軸觸碰到上端的限位開關時，限位開關發送信號驅動伸縮動力結構停止運作，自動防護外窗的結構關閉，處于非工作狀態。

3 自動防護外窗的部分結構設計

3.1 防護結構的設計

防護結構中的防護葉[5]之間使用合頁和葉間軸交替連接，奇數處使用合頁，偶數處使用葉間軸。并且防護葉在奇數處連接部分，上下防護葉分別有一個10°的斜角，確保在裝置關閉過程中，防護葉能夠順利收起而不被卡住，每個葉間軸長度比防護葉長2cm，作用是固定在葉邊框的滑道之中，葉邊框通過螺栓固定在整體支座上，最下端葉間軸的長度比防護葉長4cm，通過螺栓與萬向節連接。具體如圖2所示。

圖2 防護葉間的連接方式示意圖

3.2 伸縮動力結構與防護結構的連接設計

在伸縮動力結構中，軸承通過過盈配合固定在外框上。最上端的帶輪固定軸通過鍵與帶輪連接在一起，與軸承通過軸孔配合連接在一起，另一端通過聯軸器與電動機上的軸連接，電動機通過螺栓固定在外框上，皮帶與帶輪組合，最下端的帶輪固定軸通過鍵與帶輪連接在一起，與軸承通過軸孔配合連接在一起。另外，皮帶與萬向節的另一端通過螺栓連接，使伸縮動力結構與防護結構連接，從而使防護結構達到可上下循環運動的目的。具體如圖3所示。

圖3 動力結構和防護結構連接方式示意圖

3.3 控制系統的設計

控制系統中的電路板通過螺釘安裝在外框上，強制開關與電路板連接，通過螺釘固定在室內墻面上。限位開關通過螺釘固定在葉邊框的上下兩端。壓力傳感器分別安裝在外框左上角和右下角，紅外傳感器安裝在外框沿厚度方向的內側面并布滿整個平面，紅外傳感器的主要作用就是檢測人體信號。在結構運行過程中，如果有用戶將手伸出窗外，或因其他操作將身體的某一部分置于該結構的工作范圍內，若不停止結構的運行，可能會造成夾傷等其他形式的不必要傷害。

4 結論

自動防護外窗的機構，是由整體支座、防護結構、伸縮動力結構、控制系統組合而成，其形狀輪廓可根據具體的建筑外窗進行設計，其外觀也可自行DIY設計。在提高建筑外窗安全性的同時，還解決了美觀性的問題。且結構簡單，操作方便，為人們生活安全提供保障。