張乾豐，何一民，袁文波，李清清，楊時鈺，王良

基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置的設(shè)計

張乾豐，何一民*，袁文波，李清清，楊時鈺，王良

（湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

針對玻璃窗戶易被臺風(fēng)卷起物破壞的情況，設(shè)計了基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置。裝置分為機械執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分，執(zhí)行機構(gòu)采用翼展式的設(shè)計，其主體部分由同步帶傳動機構(gòu)和齒輪－連桿組合機構(gòu)組成；控制系統(tǒng)除控制裝置運動外還具有通過SIM900A模塊向用戶反饋信息的功能。運用三維軟件對裝置的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并對主要零部件進行了有限元分析校核，同時完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計，最后通過加工組裝的試驗樣機開展了模擬試驗，驗證了裝置機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可行性。

抗臺風(fēng)；窗戶保護；SIM900A；信息反饋

2018年臺風(fēng)“溫格比”造成數(shù)十萬間房屋倒塌、一千多萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失369.1億元[1]。每年臺風(fēng)造成低矮房屋的損失占總損失的一半以上，而低矮房屋的損毀通常是從表面圍護體系的窗戶開始的[2]。吳鳳波等[3]提出了低矮房屋圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)致易損性分析方法，揭示了迎風(fēng)墻構(gòu)件在強風(fēng)中往往面臨著較高破壞風(fēng)險。為了實現(xiàn)透光功能，窗戶都是由玻璃構(gòu)成的，當(dāng)臺風(fēng)達到一定級數(shù)時，玻璃窗經(jīng)常會因為房屋內(nèi)外壓差而被吹裂，或者被臺風(fēng)卷起的雜物擊穿，造成屋內(nèi)財產(chǎn)的損失。

為了應(yīng)對臺風(fēng)的侵襲，在國內(nèi)外，人們采取的措施普遍是貼膠條或是在窗戶外面釘木板。這些傳統(tǒng)的臨時加固的方式結(jié)構(gòu)強度低或是安裝拆除工作繁瑣。除此之外，國內(nèi)有相關(guān)設(shè)計者設(shè)計了機械的加固方式。例如，王家發(fā)等[4]設(shè)計了一種可以折疊的窗戶加固機械裝置，臺風(fēng)來臨前展開裝置，通過鞋履固定在窗戶相對的兩墻面上，以此來支撐著玻璃；謝繼文等[5]以鋁合金結(jié)構(gòu)和STM32單片機控制為基礎(chǔ)設(shè)計了一種裝置，實現(xiàn)在臺風(fēng)來臨時及時自動地保護窗戶，避免臺風(fēng)卷起的雜物擊碎玻璃。

1 裝置的整體方案設(shè)計

基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置由機械執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。根據(jù)窗戶抵抗臺風(fēng)的要求，裝置通過三角架安裝固定在外側(cè)窗沿的頂端，如圖1所示。

1.墻體；2.裝置；3.窗戶。

裝置配有風(fēng)力傳感器和雨量傳感器，用來檢測外界環(huán)境變量。未工作時翼板折疊收于窗沿頂端，可起到雨棚作用并節(jié)省空間；臺風(fēng)來臨時，當(dāng)傳感器檢測到外界環(huán)境變量達到設(shè)定數(shù)值時會向控制器發(fā)送動作信號，控制器控制電機開始工作，電機產(chǎn)生的動力依次通過同步帶、轉(zhuǎn)軸傳遞到齒輪－連桿組合機構(gòu)。組合機構(gòu)使第一塊翼板順時針旋轉(zhuǎn)90°，同時第二塊翼板逆時針旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)翼板觸碰到裝置下行的行程開關(guān)時，電機停止工作。此時裝置的翼板覆蓋在窗戶上面，實現(xiàn)對窗戶保護。翼板工作完成后，控制器會控制SIM900A模塊向用戶反饋裝置已關(guān)閉的信息，如此可避免用戶不在家或沒有及時關(guān)閉窗戶時窗戶玻璃被臺風(fēng)卷起的異物砸碎，實現(xiàn)窗戶的智能抗臺風(fēng)保護。當(dāng)臺風(fēng)過境后，用戶可通過手動按鍵使裝置還原。

2 機械執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置的機械執(zhí)行機構(gòu)采用了翼展式的設(shè)計，如圖2所示。

1.同步帶輪；2.同步帶；3.電機座；4.電機；5.外殼；6.菱形帶座軸承；7.法蘭聯(lián)軸器；8.轉(zhuǎn)軸；9.翼板1；10.連桿；11.直齒圓柱齒輪；12.卡簧；13.鏈板；14.翼板2。

2.1 傳動機構(gòu)設(shè)計

同步帶傳動機構(gòu)和齒輪－連桿組合機構(gòu)是本裝置的兩個主要機構(gòu)。

2.1.1 同步帶傳動機構(gòu)

同步帶可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動，同時具有傳動平穩(wěn)、噪聲低、無需潤滑的優(yōu)點，且具有緩沖、減振的作用[6]。

2.1.2 齒輪－連桿組合機構(gòu)

為同時滿足在工作時可以覆蓋窗戶表面形成堅固的表面圍護體系、在非工作狀態(tài)時能收縮折疊不影響室內(nèi)采光的要求，本裝置采用了齒輪－連桿組合機構(gòu)。其中的連桿機構(gòu)采用的是平行四桿機構(gòu)，如圖3所示。齒輪－連桿組合機構(gòu)的自由度為：

式中：為構(gòu)件，＝4；P為低副，P＝5；P為高副，P＝1。

計算得：＝1

原動件是通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動的翼板1，即齒輪－連桿組合機構(gòu)具有確定的運動規(guī)律。有研究表明，當(dāng)四桿機構(gòu)的傳動角min為40°～50°時，機構(gòu)傳力性能好[7]。為避免裝置在運行過程中平行四桿機構(gòu)出現(xiàn)位置不確定問題[8]，將四桿機構(gòu)工作時的動作起始位置和動作終止位置設(shè)計為如圖4所示，其中將機架與連架桿在動作起始位置時的夾角的補角設(shè)計為12°。

圖3 齒輪－連桿組合機構(gòu)

圖4 四桿機構(gòu)的起始終止位置

2.2 零件設(shè)計

2.2.1 翼板

翼板在裝置中是保護窗戶不受臺風(fēng)破壞的重要部件，按照裝置要抵御12級風(fēng)力的要求，需對翼板進行有限元分析，以此來驗證翼板的強度。為減輕裝置的整體質(zhì)量，翼板的組成零件均使用鋁合金。

根據(jù)伯努利公式，有：

對翼板進行有限元分析。由于翼板是組合件，在對其進行前處理時需對翼板的各個構(gòu)件間添加面對面接觸的設(shè)置，使其成為一個剛性整體。翼板的固定約束位置與載荷施加位置如圖5所示，仿真后的應(yīng)力云圖結(jié)果如圖6所示。

圖5 翼板施加約束與載荷后的效果圖

圖6 應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖結(jié)果可知，在0.36 kN/m2的風(fēng)壓下，翼板所受到的最大應(yīng)力為11.705 MPa，這個結(jié)果小于抗拉強度[σ]＝150 MPa[9]，滿足設(shè)計要求。

2.2.2 轉(zhuǎn)軸

為分析翼板對轉(zhuǎn)軸的作用力，對處于相互折疊狀態(tài)的兩塊翼板進行整體受力分析，并求解兩塊翼板對轉(zhuǎn)軸的總力矩，如圖7（a）所示。點為翼板與轉(zhuǎn)軸的連接處，翼板1與翼板2的質(zhì)量1＝3＝0.65 kg，其質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸的水平距離＝92.5 mm，即為翼板寬度的一半；翼板1的一端與翼板2的一端上各有兩個齒輪（圖中虛線表示），其質(zhì)量2＝4＝0.25 kg，其質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸的水平距離＝185 mm，即翼板的寬度。

各重力為：

1＝3＝1×（4）

2＝4＝2×（5）

取9.8 m/s2，計算得：1＝3＝6.37 N；2＝4＝2.45 N。

對翼板1單獨進行受力分析，如圖7（b）所示。忽略的間距，翼板2與處齒輪對翼板1的點產(chǎn)生了力矩1和力4，大小方向與4相等。

圖7 機構(gòu)整體受力圖

即有：

1＝3×(－) （6）

＝1×＋(2＋4)×＋1（7）

計算得：1＝0.589 N·m；＝2.085 N·m。

此時對理想狀態(tài)下的轉(zhuǎn)軸進行受力分析，如圖8所示，轉(zhuǎn)軸被、處的軸承支撐著，轉(zhuǎn)軸受到來自翼板的力1、2和扭矩，扭矩即是電機驅(qū)動裝置所需的最小扭矩。

其中：

＝（8）

計算得：1＝2＝8.82 N。

計算得：＝1.4465 N·m。

按照彎扭合成強度校核[10]為：

式中：σ為軸的計算應(yīng)力，MPa；為軸的抗彎截面系數(shù)，mm3；0為軸的直徑，mm。

計算得：σ＝9.419 MPa≤[-1]，強度合格，相關(guān)變量值如表1所示[10]。

表1 轉(zhuǎn)軸的相關(guān)參數(shù)

另外，由于轉(zhuǎn)軸上需開鍵槽，鍵槽對軸的強度將產(chǎn)生影響，所以需對零件結(jié)構(gòu)的受力變形進行仿真分析，結(jié)果如圖9所示，可知，帶鍵槽的轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力為11.327 MPa≤[-1]，強度合格。

圖9 帶鍵槽的轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

2.2.3 鏈板

鏈板是連接翼板1和翼板2的重要零件，機構(gòu)在起始位置時鏈板的受力如圖10所示。

θ＝12°；G1'為翼板2和翼板2上齒輪的總重，G1'＝8.82 N；F3為鏈板受到連桿的力，F(xiàn)3＝8.26 N。

為了減輕鏈板的質(zhì)量，將IC邊設(shè)計成弧形，并對鏈板的受力變形進行有限元分析。鏈板采用的材料是鋁合金，許用應(yīng)力為370 MPa，其應(yīng)力云圖如圖11所示。從云圖仿真結(jié)果來看，鏈板的最大應(yīng)力不足1 MPa，其受力情況在許用范圍內(nèi)，滿足使用要求。

圖11 鏈板應(yīng)力云圖

2.2.4 齒輪

按照齒輪－連桿組合機構(gòu)的設(shè)計，需對齒輪傳動機構(gòu)部分進行強度校核。

因齒輪傳遞的扭矩不大且其結(jié)構(gòu)也不大，故齒輪材料選擇45號鋼，為增強齒輪的力學(xué)性能，采用調(diào)質(zhì)處理，使齒輪表面硬度超過217 HBW。齒輪精度為6級，屈服極限σ＝360 MPa。

另外，因翼板1和翼板2沒有要求變速轉(zhuǎn)動，所以齒輪的傳動比選為1:1。為盡可能地減小翼板之間的間隙，根據(jù)翼板的厚度設(shè)定齒輪的中心距a＝36 mm，齒輪模數(shù)選為＝2，則有齒輪的分度圓直徑1＝2＝a＝36 mm。齒輪的參數(shù)如表2所示。

表2 齒輪參數(shù)

齒輪傳動的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕等多種，在現(xiàn)有的計算理論下可對齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算和齒面接觸疲勞強度計算。由于裝置的工作時間短，可不考慮齒面點蝕的情況，所以只對齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算。

通過查閱機械設(shè)計手冊[10]得直尺圓柱齒輪的彎曲疲勞強度條件為：

齒輪的許用應(yīng)力為：

所以該齒輪的齒根彎曲疲勞強度符合要求。

對齒輪進行有限元分析，在去除齒輪中如倒圓角等對齒輪有限元分析影響較小的結(jié)構(gòu)后，對右邊齒輪的輪轂部分添加點－面的1D連接并對節(jié)點施加固定約束限制齒輪的全部六個自由度，對左邊齒輪的輪轂部分施加“銷住約束”釋放旋轉(zhuǎn)自由度。對兩個齒輪的嚙合處施加面對面接觸并設(shè)置靜摩擦系數(shù)為0.3，如圖12所示。最終得出的齒輪有限元分析結(jié)果如圖13所示，可知，用計算機仿真的齒輪最大應(yīng)力為78.9 MPa，小于齒輪的屈服極限，強度合格。

圖12 齒輪施加約束與載荷等后的效果圖

采用以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)理論公式計算的齒根彎曲疲勞強度和采用計算機輔助分析的以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的有限元法[11]，這兩種方法得出的疲勞強度結(jié)果不同，且差距較大。分析認(rèn)為理論計算存在一定的局限性，載荷的施加部位、接觸方式的設(shè)置會對仿真分析結(jié)果造成一定的誤差。相較于理論計算，有限元仿真更加滿足實際的工況[12]。

圖13 齒輪應(yīng)力云圖

2.2.5 同步帶與同步帶輪

通過查閱機械設(shè)計手冊[10]等相關(guān)書籍，設(shè)定小同步帶輪的轉(zhuǎn)速2＝5 r/min，選用5M圓弧齒同步帶輪，同步帶傳動的傳動比12＝1.7，＝2.085 N·m。

則有：

P＝K×（21）

式中：為傳遞的功率，kW；P為設(shè)計功率，kW；K為載荷修正系數(shù)，取值為1.0。

計算得：P＝＝1.09 kW

由于外殼空間限制，同步帶傳動輸出端的同步帶輪的半徑不能超過23 mm，取大同步帶輪齒數(shù)2＝25，則小同步帶輪齒數(shù)1＝2/12≈15，節(jié)距P＝5 mm。

大同步帶輪的節(jié)徑為：

計算得：2＝40 mm

其半徑小于23 mm，符合要求。

另，小同步帶輪節(jié)徑1＝23.9 mm。

初設(shè)中心距為78 mm，同步帶的理論節(jié)線的長度為：

計算得：＝256.33 mm。

查閱機械設(shè)計手冊[10]得：＝255 mm

則同步帶齒數(shù)z＝/P＝51。

綜上，同步帶的型號選擇帶寬為15 mm的HTD255-5M。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置控制系統(tǒng)的組成、控制流程如圖14、圖15所示。

圖14 控制系統(tǒng)的組成

圖15 控制系統(tǒng)的控制流程

當(dāng)臺風(fēng)來臨時，風(fēng)力傳感器和雨量傳感器產(chǎn)生動作信號傳遞給STM32單片機。處理接收到的信號后，單片機控制減速步進電機，使得智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置關(guān)閉。當(dāng)裝置關(guān)閉后，STM32單片機通過SIM900A模塊向用戶反饋信息，裝置的自動控制流程結(jié)束。當(dāng)臺風(fēng)離境后或是在日常生活中，用戶可以通過手動按鍵的方式使裝置折疊收縮或是展開工作。

3.1 微處理器

控制器內(nèi)的微處理器采用STM32F03單片機。單片機具有靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強的特點，可構(gòu)成各種智能式控制設(shè)備[13]。STM32采用Cortex-M3內(nèi)核，其主頻高達72 W，具有功耗低、運算速度快、外設(shè)豐富等優(yōu)點。用戶可通過配置庫函數(shù)的方式來配置寄存器，進而配置芯片，驅(qū)動STM32的串口。

3.2 SIM卡通信模塊

SIM卡是含有微處理器的智能卡，由8位CPU、RAM、ROM、EEPROM及串行通信單元五個部分組成，它采用新式單片機及存儲器管理結(jié)構(gòu)，處理功能大大增強。其智能特性的邏輯結(jié)構(gòu)是樹型結(jié)構(gòu)，全部特性參數(shù)信息都是用數(shù)據(jù)字段方式表達。

SIM900A模塊是與SIM卡通信的橋梁，SIM900A模塊上電后，會先檢測SIM卡的有效性，模塊正常工作后會將各種監(jiān)控信息發(fā)送出去，用戶也可利用手機發(fā)送信息，通過SIM900A模塊傳遞到控制器，控制器讀取指令輸出的信息后實現(xiàn)對裝置的控制。

3.3 傳感器

智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置上配有風(fēng)力傳感器和雨量傳感器來檢測外界環(huán)境變量，兩個傳感器相互配合。當(dāng)傳感器測得的環(huán)境變量達到設(shè)定值時，裝置自動開始運行，翼板翻轉(zhuǎn)90°至與窗戶平行的位置；翼板運動的起點和終點位置都裝有行程開關(guān)，當(dāng)裝置運行到兩個極限位置時行程開關(guān)會使裝置停止運行。通過兩種傳感器和行程開關(guān)，實現(xiàn)裝置的自動控制。

4 試驗

基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置的實物模型如圖16所示。試驗是以臺風(fēng)天氣時風(fēng)中的雜物可能撞擊窗玻璃的情況為背景，通過用鼓風(fēng)機吹動風(fēng)力傳感器并向雨量傳感器滴水的方式營造臺風(fēng)天氣的情況，使風(fēng)力傳感器和雨量傳感器產(chǎn)生動作信號啟動裝置。裝置啟動后，兩塊相互折疊的翼板，如圖16（a）所示，在電機的驅(qū)動下通過齒輪－連桿組合機構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°后，基本完全展開覆于窗戶上，如圖16（b）所示，整個過程用時約2 s。裝置停止工作后約30 s內(nèi)，手機收到SIM900A模塊發(fā)來的預(yù)定信息“The window is closed”。至此，裝置所有自動控制的動作均已完成。當(dāng)“臺風(fēng)”過境后，裝置可以通過手動按鈕控制重新收縮折疊。裝置的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均達到了設(shè)計目標(biāo)。

圖16 裝置實物模型

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)在臺風(fēng)來臨時及時保護窗戶的目的，避免臺風(fēng)卷起雜物擊碎玻璃造成人身傷害和財產(chǎn)損失，本文開展了基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和其相關(guān)的控制系統(tǒng)設(shè)計，并設(shè)計、制作、調(diào)試了智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置的樣機，開展模擬試驗以驗證相關(guān)系統(tǒng)的可行性。基于SIM900A的智能抗臺風(fēng)窗戶保護裝置具有以下特點：

（1）采用翼展式的設(shè)計，可折疊，占用空間少，結(jié)構(gòu)簡單；

（2）裝置在不使用時可充當(dāng)雨棚，提高利用率；

（3）裝置可根據(jù)外部環(huán)境實現(xiàn)自動控制，基于SIM900A模塊的反饋系統(tǒng)在裝置啟動完成后能給用戶發(fā)送信息反饋裝置的狀態(tài)。

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Design of Intelligent Anti-Typhoon Window Protection Device Based on SIM900A

ZHANG Qianfeng，HE Yimin，YUAN Wenbo，LI Qingqing，YANG Shiyu，WANG Liang

( College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China )

Aiming at the situation that the glass window is easily damaged by typhoon, an intelligent anti-typhoon window protection device based on SIM900A is developed. The device is divided into two parts: mechanical actuator and control system. The actuator adopts wingspan design whose main part is composed of synchronous belt drive mechanism and gear-linkage combination mechanism. In addition to control device movement, the control system has the function of feedback information to the users through the SIM900A module. This paper designed the mechanical structure of the device using three-dimensional software, checked the main components, completed the design of the control system, and finally conducted simulation tests through the processing and assembled test prototype to verify the feasibility of the mechanical structure and control system.

anti-typhoon；window protection；SIM900A；feedback

TU382

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.011

1006-0316 (2022) 02-0073-08

2021-05-06

湖南文理學(xué)院2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)研究項目（ZD19001）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（s202010549012）

張乾豐（1999－），男，湖南湘潭人，主要研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化，E-mail：1602419171@qq.com。*通訊作者：何一民（1999－），男，重慶人，主要研究方向為機械電子工程，E-mail：3348255633@qq.com。