【文章內(nèi)容簡介】 .... 35 附錄 A：外文翻譯 ...................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄 B：外文原文 ...................................................................................................... 41 致謝 ............................................................................................................................. 48 公路智能限高器設計 1 1. 緒論 公路智能限高器在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 限高器在國外的發(fā)展狀況 限高器的研究中，機械機構由于其易于實現(xiàn)，國內(nèi)外相關研究較多。目前國內(nèi)外的機械機構生產(chǎn)廠家 和研究機構的研究主要集中在升降機構的結構設計及相關參數(shù)優(yōu)化設計、升降機構的可靠性、升降控制和升降機構的節(jié)能環(huán)保等方面。如吉林大學劉建領設計的移動式救援升降梯， Singh S和 Kumars運用 Taguchits正交陣列方法對一種液壓升降機構的參數(shù)進行了設計，使升降機構的性能得到了提高；如李光升進行的施工升降機安全評價模糊專家系統(tǒng)研究，獲得了施工升降機安全評價項目權重系數(shù)的評定方法；如武漢理工大學吳松的升降式地鐵雨棚的設計及安全性研究；如 Minav Tatiana A等人提出了一種電液升降裝置的控制方法，提高了升降系統(tǒng)的性能 限高器的在國內(nèi)發(fā)展狀況 國內(nèi)目前對限高器的主要研究中 ,屬龍門架的研究較多，如江蘇省交通規(guī)劃設計院有限公司的張進、張又白等設計了一種限高龍門架，其方法是在橫梁下端 15～ 20mm的下方間隔設置了一些防撞的短梁，并在橫梁下端 30～ 40mm的下方設置了掛物，當超高車輛通過時，懸掛物可以發(fā)出響聲以提醒超高車輛駛離該路段。但對限高器的自動升降的研究目前還較少，僅有蘇州一家，為卷閘門廠家，目前尚無相關設計資料公開，但從用戶的反饋情況來看，其產(chǎn)品存在可靠性差、安全性能較低等缺點。 目前升降式機構在生產(chǎn)生活中十分常見，如起重機、電梯、卷閘門、窗簾等設施和設備。升降機構可實現(xiàn)的方法很多，按照驅(qū)動裝置的種類可分為電力驅(qū)動、內(nèi)燃機驅(qū)動和人力驅(qū)動。按照升降的原理可分為直接驅(qū)動式和間接驅(qū)動式。直接驅(qū)動的 方法有很多，可采用液壓機構推動液壓缸直接驅(qū)動機構升降；也可采用絲桿螺母組合的方式來進行升降；也可通過步進電機來實現(xiàn)升降。間接式升降不通過原動機通過中間機構來實現(xiàn)升降，如通過滑輪組機構、連桿機構和齒輪齒條等來實現(xiàn)設備的升降。 國內(nèi)限高器大多采用龍門架式，但龍門架都是固定式的，費用高、靈活性差，而且不具備在特殊情況下特殊管理的性能，一旦安裝限高龍門架，只能通過在高度范圍之內(nèi)的車輛，但是這在一定程度中嚴重影響了用于安全應急特種車輛的通行和應急反應效率，例如：消防車、救護車、救援車輛、公交車輛等 ,特種車輛在執(zhí)行任務 時不得不繞開限高架，繞行抵達現(xiàn)場，嚴重影響了應急反映能力，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如圖所示，消防車被限高器攔截。同時公共交通車輛也會受到影響，如圖所示，這些事情在采用以龍門架為主的限高器城市內(nèi)，屢屢發(fā)生、層出不窮，嚴重影響了城市居民日常出行生活和公共安全應急管理部門的運行。 公路智能限高器設計 2 圖 消防車被限高架攔住 圖 車輛與限高架碰撞 研究的目的、內(nèi)容及意義 我國目前生產(chǎn)限高器的廠家很多，但幾乎所有的設備都不具有升降控制功能，基本上都是按一定高度進行設計生產(chǎn)的。公路智能限高器的智能升 降系統(tǒng)成為了提供城市道路日常管理水平的重要工具，同時也提升了城市道路的整體交通環(huán)境和美觀舒服度。因此如何設計一款應用于中國大多城市的公路限高器，并實現(xiàn)智能化的升降控制，成為重要的研究課題。 而目前國內(nèi)的智能化升降控制不免都要涉及到由可編程控制器（ PLC）或微型計算機組成的智能升降控制系統(tǒng)，微型計算機控制正以很快的速度發(fā)展著。可編程控制器，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機，它有良好的抗干擾性能，適 應很多工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，所以現(xiàn)在的控制系統(tǒng)主要還是由可編程控制器控制。 公路智能限高器設計 3 但是由于 PLC的針對性較強，每一臺 PLC都是根據(jù)一個設備而設計的，所以價格較昂貴。然而單片機卻便宜許多 ,隨著電子信息與通信技術的發(fā)展，單片機控制技術也在不段更新。如各種測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化。在機械、建筑、冶金等各種工業(yè)領域都要用到單片機控制。而機械控制結構則是屬于機械類中不可替代的一個重要的系統(tǒng)結構，它也必須依靠單片機這種高科技產(chǎn)品的輔助，提高其功能。預計未來單片機的使用將越來越普及。 本文設計了一種在現(xiàn)有公路道路基本條 件的基礎上，易于安裝、可靠性好的智能限高器，并設計了相應的智能升降控制系統(tǒng)。 本文的主要研究內(nèi)容為： 闡述論文的研究背景和意義，并分析限高器和智能升降控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定論文的研究發(fā)展路線； 根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的道路條件和基礎設施，分析智能限高器的工作過程和功能要求，確定限高器機械機構結構要求和研究方法。在功能分析的基礎上設計一款公路智能限高器的結構方案，使其滿足功能要求和美觀要求 . 在制定最佳結構方案后，對公路限高器的機械結構進行了詳細的設計，包括主動機構、滑輪組機構、執(zhí)行機構、裝配模型等 等； 根據(jù)相關簡化標準，建立了限高器機械機構的三維模型； 進行智能升降控制系統(tǒng)的設計，包括兩個主要部分：車輛檢測傳感器和控制總成。明確了車輛檢測傳感器的性能要求和型號，并對控制總成的硬件設計和軟件設計進行了詳細的描述。 總結和思考，給出了后續(xù)研究的相關方向和方法。 通過本課題的研究，可以解決國內(nèi)公路限高器目前存在的一些問題，掌握公路限高器機械機構的設計方法，也可以了解限高器的控制方法和控制規(guī)律，從而達到人性化的目的，為國內(nèi)公路限高器的設計和生產(chǎn)提供一定的基礎，同時也可以為其他智能控制升降系統(tǒng)的開 發(fā)研究積累一定的經(jīng)驗，具有一定的參考意義。公路智能限高器設計 4 2. 智能限高器結構總體方案的設計 車輛通過性對限高系統(tǒng)的要求 在城市一般道路與一般交通的條件下，并在不受平面交叉口影響時，一條機動車車道的可能通行能力按下式計算： ip tN /3600? (21) 式中： Np ： 一條機動車車道的路段的可能通行能力； Ti ： 連續(xù)車流 平均車頭間隔時間。 從式 21中可以看出，道路的可能通行能力與連續(xù)車流平均車頭時間 ti成反比，而ti隨著車輛通過該路段的平均速度增大而減小，因此道路的可能通行能力隨著車輛通過該路段的平均速度增大而提高。為了保障高架橋入口的可能通行能力，在設計新的限高系統(tǒng)時，不應使車輛通過該路段的平均速度降低，否則將會影響道路的可能通行能力，嚴重時可能會造成交通擁堵。 車輛對限高器機械結構的參數(shù)要求 按照規(guī)定，高度 (含載物 )2m以下的小型車輛，可通過限高架駛入有限高要求的道路。白天時車流量較大時，平均車速的降低將 會使該路段成為瓶頸，造成車輛的擁堵，特別是上下班高峰期如造成車輛通過速度的降低將會導致大面積擁堵或交通事故的發(fā)生。當限高架過低時，會對駕駛員的視野造成一定的影響，同時會給駕駛人員帶來一定的心理負擔。當駕駛人員對限高架高度與車輛高度進行判斷時，會造成車輛通過該路段時平均速度降低，使道路通行能力變差。由于白天車流量較大且交警執(zhí)法力度大，大貨車、渣土車等大中型車輛無法進入高架橋，所以在白天時應將限高架的高度應不能對駕駛員的視野造成影響。基于此目的出發(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，約為 ，因此白天將限高器限高高度設置為 ，該高度不會給小型車輛駕駛人員帶來心理負擔，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，將夜間限高架限高高度設置為 。 設計方案的基本準備 系統(tǒng)組成及功能 本文設計公路智能限高器主要由智能控制系統(tǒng)和機械結構系統(tǒng)組成，機械結構系統(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，便于交通公路智能限高器設計 5 車輛通行，對車流量進行管控。機械結構系統(tǒng)主要是由機械結構和警示燈、傳感器、檢測器等外圍設備構成，具有良好的可靠性。 結構功能 根據(jù)上述論述，智能限高器機械結構應具備以下功能： (1)按照控制需求，機械結構應能根據(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，升降桿應能根據(jù)信號在 ～ 5m之間任何高度停止并保持； (3)在停電時，機械結構 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??； LED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立柱上：控制箱 (遙控、手控接口 )安裝在龍門架的左側立柱上；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 公路智能限高器設計 6 結構設計初步方案 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。 圖 ”卷閘門 ”式限高結構原理圖 “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。 公路智能限高器設計 7 (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。 “卷閘門式”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。 公路智能限高器設計 8 圖 滑輪組限高結構原理圖 滑輪組式限高機構的優(yōu)點從結構形式、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構原理實現(xiàn)升降機構的功能，其結構簡單，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，