一種卷閘門抗臺風裝置的設計

摘"要：本文設計了一套在臺風等大風環境中方便自動或手動加固卷閘門的裝置，此裝置獨立于卷閘門安裝在門的內墻上。在門兩側的墻上各固定3個開口向上的凹槽，門頂安裝1個卷軸，卷軸上的2個滑輪吊著3根支撐桿。當卷軸轉動時，支撐桿就可以下落到3對凹槽內，支撐住門內側，從而防止卷閘門凹陷變形。卷軸通過聯軸器由1個永磁同步電機帶動，電機啟停分為風力自動控制和手動控制兩種方式。這種設計可以有效地增強卷閘門的抗風能力，保證卷閘門等軟門體在大風中的正常使用。

關鍵詞：卷閘門；抗臺風；水平支撐；自動控制

Design"of"a"Wind"Resistant"Device"for"Rolling"Gate

Du"Xiangjun"Lin"Pu"Zhang"Keming

Hainan"College"of"Economics"and"Business"HainanHaikou"571127

Abstract：A"device"has"been"designed"to"automatically"or"manually"reinforce"rolling"gate"in"strong"wind"environments"such"as"typhoons.This"device"is"installed"independently"of"the"rolling"gate"on"the"inner"wall"of"the"door.Three"upward"facing"grooves"are"fixed"on"the"walls"on"both"sides"of"the"door，and"a"scroll"is"installed"on"the"top"of"the"door.Two"pulleys"on"the"scroll"hang"three"support"rods.When"the"scroll"rotates，the"support"rod"can"fall"into"three"pairs"of"grooves，supporting"the"inside"of"the"door"and"preventing"the"rolling"gate"from"sinking"and"deforming.The"scroll"is"driven"by"a"permanent"magnet"synchronous"motor"through"a"coupling，and"the"motor"can"be"started"or"stopped"in"two"ways：automatic"wind"control"and"manual"control.This"design"can"effectively"enhance"the"wind"resistance"of"the"rolling"gate"and"ensure"the"normal"use"of"soft"door"bodies"such"as"rolling"gate"in"strong"winds.

Keywords：rolling"gate；anti"typhoon；horizontal"support；automatic"control

1"研究背景及意義

卷閘門又被稱為“卷簾門”，是以多關節活動的門片串聯在一起，在固定的滑道內，以門上方卷軸為中心轉動上下的門。

由于一般的卷閘門缺少防風保護措施，就導致卷閘門經常在臺風天被風力擠壓而偏離滑軌甚至掉落。對于臺風經常光顧的沿海地區來說，卷閘門在臺風中往往被吹散架、從卷軸脫落，甚至不見蹤跡。

卷閘門同墻的作用一樣起到水平分隔作用，它由閘板、座板、導軌、支座、卷軸、箱體、控制箱、卷門機、限位器、門楣、手動速放開關裝置、按鈕開關和保險裝置等13個部分組成，一般安裝在不便采用墻分隔的部位。卷閘門適用于商業門面、車庫、商場、醫院、廠礦企業等公共場所或住宅。尤其是門洞較大，不便安裝地面門體的地方，可以起到方便、快捷開啟作用。

一般的卷閘門通常包含卷閘門本體和滑軌，卷閘門本體主要由鋁合金材質的卷閘門板組成。由于鋁合金的質地較軟，且卷閘門板內部設計為中空的結構，因此在遇到強風天氣時，卷閘門板很容易被風力擠壓而變形。現存的卷閘門抗臺風裝置，大都是在兩側的滑軌和門底做文章，主要意圖是讓門板不脫離滑軌，或者把門底固定在地槽或防風桿上。這兩種固定門板的方式對于風力不大時沒有問題，但對于較高級別的臺風就難以承受。特別是卷閘門面積比較大時，只有四邊固定，中間沒有支撐，很容易被吹壞。

針對上述現有技術存在的問題，設計一種抗臺風裝置是本設計的目的。

2"設計方案

卷閘門防臺風加固的方法有多種，總的來說不外乎兩大類。其一是增加卷閘門本身各個結構的強度。比如可以增加卷簾的厚度，從而增加其抗變形能力；可以加強卷軸支架的結構，提高卷軸支架的穩定性，減小其在大風中的搖晃幅度；采用高彈力的彈簧增加卷閘門在關閉狀態下的緊密程度；增大卷閘門的軌道寬度及固定強度，減小卷簾脫出的可能性，避免門簾在風中的移動和晃動；加大門框的厚度，也可以增加卷閘門的穩定性，使得軟門體在風中的附著更加穩固。其二是增加另外的防風結構。比如，可以在卷閘門底部或頂部另外加裝若干個防風鉤，從而牢牢拉住軟門體，防止其在風中被吹掉。以上措施都屬于對卷閘門局部結構的加強，在臺風風力較小情況下可以勉強應付，但在強臺風和超強臺風情形下其抗臺風效果就不盡如人意。比如，2014年7月從海南文昌登陸的“威馬遜”以及2024年9月也是從海南文昌登陸的臺風“摩羯”，都是風力17級以上的超強臺風。即使在全力預防的情況下，都給當地的建筑造成了巨大破壞，所以必須從整體上加固卷閘門才可能加強門體在超強臺風中的抗變形能力。卷閘門如果有類似舊時木制窗格子的支撐機構，就不會因為軟而容易被風吹壞，舊時的窗戶紙可以一年才換一次，所以我們的努力方向是給卷閘門的中間另加若干個可上下或左右移動的支撐桿。支撐桿一要便于均勻分布，二要便于固定，才能加固卷閘門體，對抗因臺風帶來的變形。公告號為CN211647920U的中國專利文獻公開了一種包括左、右兩側的鋼立柱和位于其中間的橫梁組成的方框，以及可以垂直穿入橫梁套圈和地面插孔的抗風立柱組成的加固結構來防止卷閘門變形的抗臺風裝置，優點是結構簡單，成本低廉，但操作全靠人力，加固和拆除都需要手動進行，費時費力，并且在突然性強風或無人員看管情況下容易出現卷閘門及其支撐裝置不能及時放下。因此，豎直支撐桿相對來說既不容易移動，固定位置的選擇施工和加固操作也不方便，所以優先考慮水平支撐桿。

3"工作原理

卷閘門抗臺風裝置獨立于卷閘門安裝在門的內墻上。在門兩側的墻上各固定3個開口向上的凹槽，門頂安裝一個卷軸，卷軸上的2個滑輪吊著3根支撐桿，卷軸轉動支撐桿就可以下落到3對凹槽內，支撐住門內側，從而防止卷閘門凹陷變形。沒有臺風時，卷軸可以把3根支撐桿卷到門頂。卷軸通過聯軸器由1個永磁同步電機帶動，電機啟停分為風力自動控制和手動控制兩種方式。

卷閘門抗臺風裝置的外形見圖1，主要零部件包括定滑輪（2個）、軸承及軸承座（各2個）、電動機（1臺）、卷軸（1根）、支撐桿（圓鋼管3根）、固定槽（6個）、吊繩（2根）、聯軸器（1個）、控制裝置（1套）及其他附件（1套）。

4"理論設計計算

本方案的參數設計計算主要有支撐桿的截面尺寸計算、卷軸扭矩計算、固定槽尺寸計算、固定用的膨脹螺栓抗拉力計算以及支撐桿下落到位時間計算。在此主要介紹支撐桿的截面尺寸計算和卷軸的扭矩計算。

4.1"支撐桿截面尺寸計算及選擇

以機電車間的4個卷閘門為例設計抗臺風裝置，每個卷閘門長4.5m，高3m，面積為13.5m2。17級臺風按參考文獻［4］，每平方米風壓取2000Pa（N/m2），整個門13.5m2上的壓力為27000N，假定此壓力均勻作用在3根支撐桿上，每根支撐桿的受力為9000N，并均勻分布在4.5m長的桿上，則壓力集度q=2000N·m，此桿（看作簡支梁）中心處的最大彎矩為：

Mmax=ql2/8=2000×4.52/8=5000N·m

圓鋼管的最大許用應力σmax=Mmax/Wz，Wz為圓鋼管的抗彎截面系數，σmax≤［σ］，許用應力［σ］取Q235最低的200MPa，因此Wz≥Mmax/［σ］=5000N·m÷200MPa=25×10-6m3=2.5cm3。從手冊上查到外徑48mm壁厚3mm的鋼管截面系數為4.5cm3，可以滿足要求。其他材料無縫鋼管的屈服強度和抗拉強度均大于200MPa。

4.2"卷軸扭矩計算及電機選擇

上述所選鋼管的理論質量為3.33kg/m，按3根支撐桿的平均桿長4.8m計算，每根桿約16kg，3根共48kg。取卷軸直徑20mm，滑輪槽直徑40mm，則卷軸的輸出轉矩應為T=480×0.02=9.6N·m，采用低速永磁同步電機ZA70KTYZ，扭矩為10N·m時，轉速為5r/min。

5"控制部分設計說明

裝置的運動由電動機拖動，電動機有正向運行和反向運行兩種工作模式，完成支撐桿的上升、下降運動，對其啟動有手動和自動兩種控制方式，圖2為裝置的電氣控制原理圖。

5.1"主電路

電路主要由1個空氣開關、2個2P單相交流接觸器、1臺永磁單相交流同步電動機、1個電容器構成。2個接觸器分別控制電機的正轉和反轉。根據電機學原理，電容器起到電流移相的作用，使電機繞組通入單相交流電流能產生旋轉磁場，否則電機轉不起來。

5.2"控制電路

控制電路主要由風速傳感器、電壓比較器、行程開關、復合按鈕開關等組成。

5.3"控制方式

5.3.1"手動控制

當按下按鈕開關SB2，接觸器KM1線圈得電吸合并自鎖，電機拖動支撐桿下降；當最下面的那條支撐桿觸碰到行程開關SQ1和SQ2，接觸器KM1線圈斷電，電機停止運行。此處設置2個行程開關，是為了保證最下面那條支撐桿落到2個固定槽上。

當按鈕開關SB3按下，接觸器KM2線圈得電吸合并自鎖，電機拖動支撐桿上升；當最上面的那條支撐桿觸碰到行程開關SQ3，接觸器KM2線圈斷電，電機停止運行。

支撐桿上升和下降過程中，當按下按鈕開關SB1，電機停止運行。若交流接觸器KM1和KM2同時接通，電機不能啟動旋轉，為防止電流過大可能造成的發熱損壞電機，所以電路中設置了互鎖電路。

5.3.2nbsp;自動控制

風速傳感器為三杯式轉動結構的測風速裝置，其廣泛用于氣象站、船舶、碼頭、養殖場等，靈敏度高。測量范圍：0～32.4m/s，精度：±0.3m/s，啟動風速：0.2～0.4m/s，輸出信號：0.4～2V。

當風速傳感器的輸出電壓大于電壓比較器的設定值，電壓比較器發出信號給繼電器KA，其常開觸點吸合，啟動接觸器KM1，電機運行，支撐桿向下運動并固定，保護卷閘門。

6"創新點及有益效果

本設計提供了一種卷閘門抗臺風裝置，通過風速傳感器測量風速。當風速超過預設值時，繼電器KA控制低速永磁電機啟動，對支撐橫桿下放，支撐橫桿接觸到第一行程開關和第二行程開關時，低速永磁電機關停。需要上升時，按壓上升開關按鈕SB3即可上升。采用上述技術方案，自動化程度高，能在不同風速條件下實現支撐橫桿的快速下放且能有效確保支撐橫桿下放時落入凹槽件內，實現對卷閘門的有效支撐，且能在風速低于風速傳感器設定值但仍有一定破壞性時，支撐桿件繼續進行支撐，可廣泛用于沿海臺風地區需要加固的各種軟門幅等。2024年9月，強度超17級持續時間超過6個小時的臺風“摩羯”經過海口，學校機電實訓車間的北面卷閘門在2根水平圓管的加固下經受了臺風洗禮沒有被吹壞，證明水平支撐均勻分布的鋼管加固對卷閘門抗臺風是有效的。

參考文獻：

［1］杜向軍，林圃，張開峰，等.一種用于卷閘門抗臺風裝置：CN202322961458.0［P］.20240719.

［2］肖劍.一種防風性能好的卷簾門：CN202123337567.2［P］.20220930.

［3］潘隆寶，龔武.卷閘門防風結構：CN201922293890.0［P］.20201009.

［4］閆國臣，李先立，李小荷.風力等級、風速與風壓的對應關系研究［J］.門窗，2014（08）：5657.

作者簡介：杜向軍（1970—"），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，講師，工程師，研究方向為高職機電教育及農業機械。