自动防护外窗的结构设计＊

谢时峰 ， 徐 兵 ， 武新涛 ， 刘 畅 ， 王 硕

（巢湖学院机械工程学院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

建筑外窗防护是建筑工程的普遍性问题。一般情况下，建筑外窗需要具有良好的透光性，所以多选用玻璃。由于玻璃为易碎材料，受到外力作用时易发生碎裂[1-2]，比如：人为的撞击、恶劣天气导致的异物撞击。前者，在室内无人居住的情况下，一些不法分子会通过人为的撞击使建筑外窗发生碎裂，进而实施盗窃；后者，在多沙尘、多台风地区，狂风的来袭会带起某些异物使其悬浮在空中，当撞击到建筑外窗时，会导致建筑外窗的碎裂，从而造成经济损失，若室内有行动不便的老人或小孩时，还可能触及生命安全。因此，建筑外窗的防护不当，不仅会造成人们的财产损失，甚至会对生命安全构成威胁。

在建筑工程中，为有效防止安全问题的发生，大部分施工者往往会通过架设一些简单的防护装置进行外窗防护[3]，例如：纱窗。此种方式需要将纱窗固定在建筑外窗的外侧，固定完成后不能进行随意地更改，严重影响建筑外窗的美观。另外，纱窗的四周，即边角处会有尖锐的凸起部分，易造成安全隐患。

针对这些问题，本文设计了一种自动防护建筑外窗的结构。该结构可根据使用者的意愿进行防护与否的工作，快捷方便且操作简单，不仅解决了美观性问题，其安全性也大大提升。

1 自动防护外窗的结构设计简介

自动防护外窗的结构中，包括整体支座、防护结构、伸缩动力结构、控制系统，如图1所示。

图1 整体结构示意图

整体支座包括外框。防护装置包括防护叶、万向节、合页、叶间轴、叶边框。防护叶通过叶间轴和合页的交替连接，奇数处的用合页，偶数处的用叶间轴。伸缩动力装置包括电动机、皮带、带轮、带轮固定轴、联轴器、轴承。控制系统包括强制开关、电路板、限位开关、压力传感器、红外传感器[4]。伸缩动力装置整体位于整个装置两侧，压力传感器位于外框四个边角处，但不限于外框的四个边角，数量以偶数分配最佳。红外传感器安装在外框沿厚度方向的内侧面并布满整个平面。

2 自动防护外窗的结构工作原理

当受到撞击时，压力传感器受到外力作用，产生电信号，电路板接收到信号后将发送启动信号给电动机，电动机正转从而带动伸缩动力结构运转，皮带通过万向节带动防护结构运转，防护叶下降，若工作过程中红外传感器检测到人体红外信号，就会产生电信号使伸缩动力结构停止工作。在正常工作的情况下，当最下端防护叶的叶间轴触碰到下端限位开关时，限位开关发送信号驱动伸缩动力结构停止运作，此时，自动防护外窗结构处于防护状态。当天气恢复正常或者需要主动关闭装置时，可通过强制开关发送电信号给电动机，电动机反转，从而带动伸缩动力结构运转，皮带通过万向节带动防护结构运转，防护叶向上运动，当最下端防护叶的叶间轴触碰到上端的限位开关时，限位开关发送信号驱动伸缩动力结构停止运作，自动防护外窗的结构关闭，处于非工作状态。

3 自动防护外窗的部分结构设计

3.1 防护结构的设计

防护结构中的防护叶[5]之间使用合页和叶间轴交替连接，奇数处使用合页，偶数处使用叶间轴。并且防护叶在奇数处连接部分，上下防护叶分别有一个10°的斜角，确保在装置关闭过程中，防护叶能够顺利收起而不被卡住，每个叶间轴长度比防护叶长2cm，作用是固定在叶边框的滑道之中，叶边框通过螺栓固定在整体支座上，最下端叶间轴的长度比防护叶长4cm，通过螺栓与万向节连接。具体如图2所示。

图2 防护叶间的连接方式示意图

3.2 伸缩动力结构与防护结构的连接设计

在伸缩动力结构中，轴承通过过盈配合固定在外框上。最上端的带轮固定轴通过键与带轮连接在一起，与轴承通过轴孔配合连接在一起，另一端通过联轴器与电动机上的轴连接，电动机通过螺栓固定在外框上，皮带与带轮组合，最下端的带轮固定轴通过键与带轮连接在一起，与轴承通过轴孔配合连接在一起。另外，皮带与万向节的另一端通过螺栓连接，使伸缩动力结构与防护结构连接，从而使防护结构达到可上下循环运动的目的。具体如图3所示。

图3 动力结构和防护结构连接方式示意图

3.3 控制系统的设计

控制系统中的电路板通过螺钉安装在外框上，强制开关与电路板连接，通过螺钉固定在室内墙面上。限位开关通过螺钉固定在叶边框的上下两端。压力传感器分别安装在外框左上角和右下角，红外传感器安装在外框沿厚度方向的内侧面并布满整个平面，红外传感器的主要作用就是检测人体信号。在结构运行过程中，如果有用户将手伸出窗外，或因其他操作将身体的某一部分置于该结构的工作范围内，若不停止结构的运行，可能会造成夹伤等其他形式的不必要伤害。

4 结论

自动防护外窗的机构，是由整体支座、防护结构、伸缩动力结构、控制系统组合而成，其形状轮廓可根据具体的建筑外窗进行设计，其外观也可自行DIY设计。在提高建筑外窗安全性的同时，还解决了美观性的问题。且结构简单，操作方便，为人们生活安全提供保障。