【文章內(nèi)容簡介】 應將限高架的高度應不能對駕駛員的視野造成影響?；诖四康某霭l(fā)，將限高架的高度與目前道路常用的龍門架式限高器高度相同，，該高度不會給小型車輛駕駛?cè)藛T帶來心理負擔，不會降低車輛通過該路段的通行能力。在夜間時，由于車流量較小，車輛通過該路段的平均速度的稍微降低將不會影響夜間的交通狀況，不會造成擁堵的發(fā)生，為了保證小型車輛的順利通過，在進行設計時保證一定設計余量。 設計方案的基本準備 本文設計公路智能限高器主要由智能控制系統(tǒng)和機械結(jié)構系統(tǒng)組成，機械結(jié)構系統(tǒng)主要由機械傳動系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、誘導發(fā)布系統(tǒng)等組成。智能控制系統(tǒng)主要對道路限高器進行智能升降控制，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、車輛檢測、智能限高等多項功能，便于交通車輛通行，對車流量進行管控。機械結(jié)構系統(tǒng)主要是由機械結(jié)構和警示燈、傳感器、檢測器等外圍設備構成，具有良好的可靠性。 結(jié)構功能根據(jù)上述論述，智能限高器機械結(jié)構應具備以下功能：(1)按照控制需求，機械結(jié)構應能根據(jù)輸入后端信號、遙控信號或手搖進行自由升降，并能在三種控制中相互變換；(2)為了實現(xiàn)可變限高控制，～5m之間任何高度停止并保持；(3)在停電時，機械結(jié)構應具有手搖裝置，以滿足現(xiàn)場限高高度變化的要求；(4)為滿足使用性要求，手搖柄高度位置距離地面合適，不應過高或過低，同時手搖柄所需力矩應較小，所需操縱力應小于3kg；(5)機械機構安裝限位裝置，防止出現(xiàn)意外導致升降桿過高或過低，影響道路通過性； 具體安裝位置根據(jù)現(xiàn)有的公路龍門架為設計基礎，以及智能限高器的功能要求，設計公路智能限高器的具體安裝位置如下圖所示。限高桿放置在龍門架的之間，便于實施限高功能；視頻監(jiān)控設備(即高清相機)安裝在龍門架的上方，使拍攝的死區(qū)最?。籐ED顯示屏和組合禁令標牌安裝在龍門架正面；相關輔助標志及警示燈具安裝在龍門架的右側(cè)立柱上：控制箱(遙控、手控接口)安裝在龍門架的左側(cè)立柱上；其他傳動機構安裝在龍門架的背面(如滑輪機構或其他機構等傳動機構)圖 智能限高器安裝示意圖 結(jié)構設計初步方案 方案一一“卷閘門式”限高機構下圖所示為“卷閘門式”升降限高機構的工作原理，其結(jié)構原理類似與卷閘門，主要由電動機、中心軸、多關節(jié)活動的門片(或鋼絲繩)、離合器、手搖器等設備組成。“卷閘門式”升降式限高機構的工作過程為：當有電時，電動機通過鏈輪驅(qū)動中心軸轉(zhuǎn)動，完成卷簾簾片(或鋼絲繩)的升降，上升時卷簾簾片(或鋼絲繩)繞在中心軸上，降落時卷簾簾片(或鋼絲繩)順著導軌內(nèi)側(cè)滑下，經(jīng)過控制設備來完成其上升、下降、停止等動作。當停電時，當停電時或電動機無法正常工作時，通過手搖柄控制限高桿的升降。為了滿足限高桿在任意位置停止的功能要求，因此電動機帶有自動剎車裝置。在手搖控制時，首先應采用離合器將電動機與卷筒脫開，然后才能通過轉(zhuǎn)動手搖柄控制限高桿的升降?！本黹l門”式限高結(jié)構原理圖 “卷閘門式”升降式限高機構的優(yōu)點從運動協(xié)調(diào)性、平穩(wěn)性考慮，“卷閘門式”升降式限高機構具有以下優(yōu)點(1)由于其采用中，卷軸和卷簾簾片的形式，其鋼制限高的左右兩邊運動協(xié)調(diào)性良好。(2)由于“卷閘門式”升降式限高機構采用鏈傳動或帶傳動的形式，其傳動比不變，因此其平穩(wěn)性較好?！熬黹l門式”升降式限高機構的缺點從可重量成本、實現(xiàn)性、維修性方面考慮，“卷閘門式”升降式限高機構具有以下缺點：(1)由于卷軸和電動機之間的距離較遠，在使用鏈傳動或帶傳動時需安裝導向輪,而由于龍門架本身空間有限，在安裝過多設備時會相當困難；(2)由于“卷閘門式”升降式限高機構的自身結(jié)構，卷軸易損壞，其損壞后維修及不方便。 方案二一滑輪組限高機構結(jié)構類似于電動升降晾衣架，滑輪組限高機構主要由電動機、卷筒、滑輪組、離合器、手搖器、鋼絲繩等設備組成，下圖所示為滑輪組限高機構原理圖。滑輪組限高機構工作過程為：當有電時，電動機拖動卷筒轉(zhuǎn)動通過滑輪組控制限高桿的上下運動，桿件的上升運動由電動機逆時針轉(zhuǎn)動(沿電動機輸出軸端看)執(zhí)行，桿件的下降運動由電動機的順時針運動執(zhí)行；當停電時或電動機無法正常工作時，通過手搖柄控制限高桿的升降。為了滿足限高桿在任意位置停止的功能要求，因此電動機帶有自動剎車裝置。在手搖控制時，首先應采用離合器將電動機與卷筒脫開，然后才能通過轉(zhuǎn)動手搖柄控制限高桿的升降。手搖柄順時針(沿手搖柄輸出軸端看)轉(zhuǎn)動時，限高桿上升，相反則下降。 滑輪組式限高機構的優(yōu)點從結(jié)構形式、可實現(xiàn)性、安裝維修、成本的角度考慮，具有以下優(yōu)點(1)滑輪組限高機構利用電動升降晾衣架的結(jié)構原理實現(xiàn)升降機構的功能，其結(jié)構簡單，實現(xiàn)方便，且該形式的升降機構安裝方便，便于維修和維護：(2)滑輪組升降限高機構能將滑輪組、鋼絲繩等設各隱藏在龍門架的背后或上方,其不影響龍門架的美觀性，而且具有結(jié)構緊湊、節(jié)省空間的優(yōu)點；(3)其成本較低，除部分設備外，其余產(chǎn)品都能使用成品件，節(jié)省了重新進行設計生產(chǎn)的人力和制造成本。從機構運動協(xié)調(diào)性、機構的可靠性方面、平穩(wěn)性方面考慮，滑輪組升降限高機構具有以下缺點：(1)由于滑輪組升降機構的自身結(jié)構原因，其左右升降雖然采用同一電機，但兩邊鋼絲繩可能由于松緊情況會造成兩邊的高度和速度的不協(xié)調(diào)。(2)鋼絲繩與滑輪組及卷筒之間的摩擦會造成鋼絲繩磨損，同時陰雨天氣會造成鋼絲繩的腐蝕，必要時需對鋼絲繩進行潤滑和防銹。 結(jié)構方案選型由于限高器的使用率非常高且數(shù)量較多，因此對限高器的安全性及成本控制的要求較高。對于方案一，其設備較多，任何一個環(huán)節(jié)失效都有可能影響其使用，且成本較高，因此方案一在實現(xiàn)上有一定的困難。對于方案二，其成本及安全性均優(yōu)于第一方案，從限高器的實現(xiàn)、成本和整體外觀行的角度考慮，選擇方案二。根據(jù)公路智能限高器的功能要求及滑輪組限高機構的各項特性，本文選擇滑輪組限高機構為公路智能限高器的機械結(jié)構設計方案。 3. 公路智能限高器結(jié)構設計公路智能限高器的具體尺寸是由龍門架的結(jié)構尺寸決定的，根據(jù)現(xiàn)有車輛道路基本參數(shù)，龍門架立柱采用直徑300mm的方鋼，橫梁采用直徑300mm的圓鋼，橫梁之間的支撐采用直徑為200rnm，厚度為4mm的圓鋼。在龍門架正上方有標志牌和誘導屏，需在結(jié)構設計時避開。根據(jù)中國公路道路寬度3米，設計兩立柱之間的距離為7m，因此鋼制限高桿的尺寸應滿足該要求。為了滿足升降要求，限高器機械結(jié)構采用滑輪組升降限高機構，其主要由主動機構（限高桿，電機）、滑輪組機構、執(zhí)行機構（鋼絲繩，滑輪，卷筒等）組成，本章分別對公路智能限高器的主動機構、滑輪組機構和執(zhí)行機構進行了設計，從而完成了公路智能限高器的機械結(jié)構設計。 限高桿重量的確定按上所述，鋼制限高桿的重量不應過大或過小，重量過大將會需要較大功率和扭矩的電動機，重量過小將無法克服滑輪組的摩擦力而下降，因此有必要確定限高桿的最小重量。設限高桿最小重量為G，假設定滑輪與轉(zhuǎn)軸的摩擦系數(shù)為1，假設鋼制主控桿與滑槽的摩擦系數(shù)為2，則存在如下關系： (31)上式中： 一 滑輪所受的壓力 一 受力滑輪的數(shù)量；W 一 鋼制限高桿因變形、風載荷作用與滑槽之間的力。圖 滑輪典型的受力圖限高系統(tǒng)由兩根鋼絲繩分別系在鋼制限高桿的左右兩端,不考慮鋼絲繩變形等因素的影響,每根鋼絲繩的受力為G/2,每根鋼絲繩中有兩個滑輪受力情況相同,其受力情況如下圖所示,按照受力圖計算可得: (32)為了減小摩擦，鋼制限高桿端安裝滾輪，但由于風載荷或變形的存在和鋼制限高桿的變形，其摩擦力不能忽略。由于風速較低，可忽略空氣動力的影響，此處只考慮空氣靜力作用，風壓的標準值按下列公式進行計算： (33) 一 基本風壓(單位/)； 一 高度H處的風振系數(shù)，綜合考慮了結(jié)構在風載荷作用下的動力影響，如風速隨時間空間的變異性，結(jié)構的阻尼特性等因素； 一 風載體型系數(shù)； 一 風壓高度變化系數(shù)?；撅L壓W0按下列公式計算： (34)式中：VW 一 為風速(單位而m/s)。根據(jù)某市天氣情況，取其最大值為27m/s。 查《建筑結(jié)構荷載設計手冊(第二版)》， 取1， ， 由式3—3和式34算得： (35) 根據(jù)升降機構的實際情況，升降機構受力最大的情況為風正面吹向升降機構時。計算時取鋼制升降桿截面長寬均為10mm，此時升降機構的迎風面積為： (36)則此時的風載荷為： (37) 因變形等因素產(chǎn)生的壓力無法衡量，在此處取為桿件質(zhì)量的2倍，查找資料，假設， ，把上式帶入到綜合以上式可得 (38) 。根據(jù)初步尺寸進行計算，鋼制限高桿的重量大于40kg，滿足下降時的使用要求。 電動機選型及布置電動機的選型直接關系著整個系統(tǒng)，尤為重要。根據(jù)設計要求，限高桿從高度2．5m至高度4．5m所需的時問不能超過10s，也不能過快小于5s，，由于其升降速度較慢，而電動機的轉(zhuǎn)速 n=60f/p，由于我國使用的市電頻率為50Hz，因此電動機的轉(zhuǎn)速與電機的“級數(shù)”有關，不可能過分的增加電動機的“級數(shù)P”，因此在電動機輸出端應有減速機。為了滿足限高桿在任意位置停止，電動機應具有自鎖或剎車功能，步進電機滿足此要求。假設鋼制限高桿的重量為40kg，按照升降時間10s進行設計計算，則電動機所需的功率P為： (39)，： (310)式中D為卷簡直徑為100mm。根據(jù)上述要求，選擇電動機的動率為250W，扭矩為40～50 ，減速器速比為50左右，電動機自帶制動裝置。電動機安裝在龍門架立柱上，滑輪組機構的設計主要從改變運動方向和支撐兩個方面來考慮的。 鋼絲繩的選型按照（GB／T2481l一2009起重機和起重機械鋼絲繩選擇）進行鋼絲繩直徑的計算并選型。公式如下： (311) 其中，當安全系數(shù)=，C=；S為載荷大小。 由于太細的鋼絲繩不易加工制作，故選擇直徑為4mm的鋼絲繩。 滑輪和卷簡直徑選型 按照《GB/T248 1 1—2009起重機和起重機械鋼絲繩選擇》進行滑輪和卷筒直徑的計算并選型。公式如下： (312) (313)式中：D1一卷簡直徑；D2一滑輪直徑；h1一根據(jù)國標規(guī)定，取值為11．2；h2一根據(jù)國標規(guī)定，取值為12．5：t一安全系數(shù)。根據(jù)上述公式的計算結(jié)果，分別選擇直徑為60mm的卷筒和直徑為70mm的滑輪。由于鋼絲繩的長度較長，受到重力和摩擦力的作用影響，因此需要合理科學的布置滑輪。其中，一部分滑輪需要起到轉(zhuǎn)向的作用，另一部分滑輪需要起到支撐的作用。為了使鋼絲繩在運動時不會因重力等因素下垂，按照機械設計要求，在轉(zhuǎn)向滑輪間隔4m時設置支撐滑輪。轉(zhuǎn)向滑輪安裝在限高器立柱上，： 滑輪布置圖 執(zhí)行機構的設計說明 鋼制限高桿設計鋼制主控桿通過鋼絲繩連接在其兩端，并在其軸端設置有導向輪以減少其與滑槽的摩擦。若初步選取鋼制限高桿的直徑為100mm、壁厚為5mm的圓鋼。按照設計，鋼制主控桿受力與簡支梁相同，主要受鋼絲繩的拉力作用和其本身的重力作用，鋼絲繩距龍門架距離較近，其距離可忽略不計，因此兩鋼絲繩之間的距離為8m。 根據(jù)受力分析(如上圖所示)，鋼制限高桿變形最大處位于其中間位置，假設鋼絲繩在受力情況下不產(chǎn)生變形，則限高桿的最大彎矩及最大變形量分別為： (3—14) (3—15)均布力q大小為其密度p及其厚度大小有關；其大小為： (3—16)將上式帶入到其中，可以得到其最大變形為： (3—17) 根據(jù)計算，其變形量較小，滿足使用要求，故選擇鋼制主控桿的材料為直徑為100mm，厚度為5mm的無縫鋼管。若將鋼管換成桁架結(jié)構顯然也符合力學性能。 材料選擇龍門架鋼結(jié)構采用Q235結(jié)構鋼，屈服強度為235MPa；限高桿桿采用3A21一0鋁合金型材，抗拉強度130M