公路智能限高器设计机械专业.pdf

大学 2015 届毕业论文（设计）题目名称：公路智能限高器设计 所 在 学 院：机械工程学院 专业（班级）：学 生 姓 名：指 导 教 师：评阅人：院 长 ：UNIVERSITY 公路智能限高器设计 总计：毕业论文：48 页 表 格：4 表 插 图：10 幅 指导教师：评 阅 人：完成时间：2015.5.27 摘要 目前，国内大多城市公路限高器通常釆用固定式限高龙门架来进行对特殊重型车辆进行限制管理,但是固定式限高龙门架灵活性差、不美观且存在严重的安全隐患,因此开展公路智能限高器的研究是有必要的。公路智能限高器将通过智能化的升降控制管控道路车辆通行，减小道路车辆的事故发生率，为车辆出行提供方便。本文根据现有的道路条件和基础设施情况,提出了公路智能限高器的结构方案。随后根据结构方案进行了智能限高器机械结构的详细设计。同时进行控制系统的设计,包括两个主要部分:车辆检测传感器和控制总成。明确了车辆检测传感器的性能要求和型号,并对控制总成的硬件设计和软件设计进行了详细的描述。本文设计了一种在现有公路限高器的基础上，易于安装、可靠性好的限高器机构，并设计了相应的智能控制系统。关键词：限高器,结构设计,智能控制系统 ABSTRACT Currently,most cities in the road height limit normally preclude the use of a fixed height limit gantry to limit the special heavy vehicle management,but a fixed height limit gantry poor flexibility,unsightly and there are serious security risks,and therefore to carry out road intelligent high limit the research is necessary.Intelligent highway through the lift height limit will control the intelligent control of road vehicle traffic,reducing the accident rate of road vehicles for the convenience of vehicle travel.Based on the existing road conditions and infrastructure,the proposed structure of the programs intelligent limit high road.The structure of the program and then carried out a detailed design of intelligent mechanical structure height limit.At the same time control system design,it consists of two main parts:the vehicle detection sensors and control assembly.Clear the vehicle detection sensor performance requirements and models,and control assembly hardware design and software design are described in detail.This paper presents a height limit on the basis of the existing road,easy installation,high reliability,good limiter mechanism,and the design of the corresponding intelligent control system.Key Words：Height limit,a structural design,intelligent control systems 目录 1.绪论.1 1.1 限高器在国内外的发展现状.1 1.2 研究的目的、内容及意义.2 2.智能限高器总体设计方案的选择.2 2.1 车辆通过性对限高系统的要求.5 2.2 设计方案基本准备.7 2.3 结构设计初步方案.9 3.公路限高器的结构设计.10 3.1 主动机构的设计说明.12 3.2 滑轮组机构的设计说明.错误!未定义书签。3.3 执行机构的设计说明.15 3.4 本章小结.16 4.智能限高器各零部件的三维建模.22 4.1 限高器.17 4.2 滑轮.18 4.3 电机.19 4.4 卷筒.20 4.5 升降杆.21 5.桁架机构强度和刚度的计算校核.22 5.1.确定材质.23 5.2.确定夹具.23 5.3 确定外部载荷.23 5.4 应力、应变的分析结果.23 6.智能升降系统的设计.25 6.1 智能升降系统的基本功能.错误!未定义书签。6.2 智能升降系统的总体设计.错误!未定义书签。6.3 车辆检测传感器的选配.错误!未定义书签。6.4 控制总成的设计.错误!未定义书签。7.结论.34 参考文献.35 附录 A：外文翻译.错误!未定义书签。附录 B：外文原文.41 致谢.48 1 1.绪论 1.1 公路智能限高器在国内外的发展现状 1.1.1 限高器在国外的发展状况 限高器的研究中，机械机构由于其易于实现，国内外相关研究较多。目前国内外的机械机构生产厂家和研究机构的研究主要集中在升降机构的结构设计及相关参数优化设计、升降机构的可靠性、升降控制和升降机构的节能环保等方面。如吉林大学刘建领设计的移动式救援升降梯，Singh S和Kumars运用Taguchits正交阵列方法对一种液压升降机构的参数进行了设计，使升降机构的性能得到了提高；如李光升进行的施工升降机安全评价模糊专家系统研究，获得了施工升降机安全评价项目权重系数的评定方法；如武汉理工大学吴松的升降式地铁雨棚的设计及安全性研究；如Minav Tatiana A等人提出了一种电液升降装置的控制方法，提高了升降系统的性能 1.1.2 限高器的在国内发展状况 国内目前对限高器的主要研究中,属龙门架的研究较多，如江苏省交通规划设计院有限公司的张进、张又白等设计了一种限高龙门架，其方法是在横梁下端1520mm的下方间隔设置了一些防撞的短梁，并在横梁下端3040mm的下方设置了挂物，当超高车辆通过时，悬挂物可以发出响声以提醒超高车辆驶离该路段。但对限高器的自动升降的研究目前还较少，仅有苏州一家，为卷闸门厂家，目前尚无相关设计资料公开，但从用户的反馈情况来看，其产品存在可靠性差、安全性能较低等缺点。目前升降式机构在生产生活中十分常见，如起重机、电梯、卷闸门、窗帘等设施和设备。升降机构可实现的方法很多，按照驱动装置的种类可分为电力驱动、内燃机驱动和人力驱动。按照升降的原理可分为直接驱动式和间接驱动式。直接驱动的方法有很多，可采用液压机构推动液压缸直接驱动机构升降；也可采用丝杆螺母组合的方式来进行升降；也可通过步进电机来实现升降。间接式升降不通过原动机通过中间机构来实现升降，如通过滑轮组机构、连杆机构和齿轮齿条等来实现设备的升降。国内限高器大多采用龙门架式，但龙门架都是固定式的，费用高、灵活性差，而且不具备在特殊情况下特殊管理的性能，一旦安装限高龙门架，只能通过在高度范围之内的车辆，但是这在一定程度中严重影响了用于安全应急特种车辆的通行和应急反应效率，例如：消防车、救护车、救援车辆、公交车辆等,特种车辆在执行任务时不得不绕开限高架，绕行抵达现场，严重影响了应急反映能力，造成了严重的经济损失和人员伤亡，如图所示，消防车被限高器拦截。同时公共交通车辆也会受到影响，如图所示，这些事情在采用以龙门架为主的限高器城市内，屡屡发生、层出不穷，严重影响了城市居民日常出行生活和公共安全应急管理部门的运行。2 图 1.1 消防车被限高架拦住 图 1.2 车辆与限高架碰撞 1.2 研究的目的、内容及意义 我国目前生产限高器的厂家很多，但几乎所有的设备都不具有升降控制功能，基本上都是按一定高度进行设计生产的。公路智能限高器的智能升降系统成为了提供城市道路日常管理水平的重要工具，同时也提升了城市道路的整体交通环境和美观舒服度。因此如何设计一款应用于中国大多城市的公路限高器，并实现智能化的升降控制，成为重要的研究课题。而目前国内的智能化升降控制不免都要涉及到由可编程控制器（PLC）或微型计算机组成的智能升降控制系统，微型计算机控制正以很快的速度发展着。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的控制系统主要还是由可编程控制器控制。3 但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。然而单片机却便宜许多,随着电子信息与通信技术的发展，单片机控制技术也在不段更新。如各种测控系统、过程控制、机电一体化。在机械、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。而机械控制结构则是属于机械类中不可替代的一个重要的系统结构，它也必须依靠单片机这种高科技产品的辅助，提高其功能。预计未来单片机的使用将越来越普及。本文设计了一种在现有公路道路基本条件的基础上，易于安装、可靠性好的智能限高器，并设计了相应的智能升降控制系统。本文的主要研究内容为：1、阐述论文的研究背景和意义，并分析限高器和智能升降控制系统的国内外研究现状，确定论文的研究发展路线；2、根据国内现有的道路条件和基础设施，分析智能限高器的工作过程和功能要求，确定限高器机械机构结构要求和研究方法。在功能分析的基础上设计一款公路智能限高器的结构方案，使其满足功能要求和美观要求.3、在制定最佳结构方案后，对公路限高器的机械结构进行了详细的设计，包括主动机构、滑轮组机构、执行机构、装配模型等等；4、根据相关简化标准，建立了限高器机械机构的三维模型；5、进行智能升降控制系统的设计，包括两个主要部分：车辆检测传感器和控制总成。明确了车辆检测传感器的性能要求和型号，并对控制总成的硬件设计和软件设计进行了详细的描述。6、总结和思考，给出了后续研究的相关方向和方法。通过本课题的研究，可以解决国内公路限高器目前存在的一些问题，掌握公路限高器机械机构的设计方法，也可以了解限高器的控制方法和控制规律，从而达到人性化的目的，为国内公路限高器的设计和生产提供一定的基础，同时也可以为其他智能控制升降系统的开发研究积累一定的经验，具有一定的参考意义。4 2.智能限高器结构总体方案的设计 2.1 车辆通过性对限高系统的要求 在城市一般道路与一般交通的条件下，并在不受平面交叉口影响时，一条机动车车道的可能通行能力按下式计算：iptN/3600 (2-1)式中：Np ：一条机动车车道的路段的可能通行能力；Ti：连续车流平均车头间隔时间。从式2-1中可以看出，道路的可能通行能力与连续车流平均车头时间 ti成反比，而ti随着车辆通过该路段的平均速度增大而减小，因此道路的可能通行能力随着车辆通过该路段的平均速度增大而提高。为了保障高架桥入口的可能通行能力，在设计新的限高系统时，不应使车辆通过该路段的平均速度降低，否则将会影响道路的可能通行能力，严重时可能会造成交通拥堵。2.1.1 车辆对限高器机械结构的参数要求 按照规定，高度(含载物)2m以下的小型车辆，可通过限高架驶入有限高要求的道路。白天时车流量较大时，平均车速的降低将会使该路段成为瓶颈，造成车辆的拥堵，特别是上下班高峰期如造成车辆通过速度的降低将会导致大面积拥堵或交通事故的发生。当限高架过低时，会对驾驶员的视野造成一定的影响，同时会给驾驶人员带来一定的心理负担。当驾驶人员对限高架高度与车辆高度进行判断时，会造成车辆通过该路段时平均速度降低，使道路通行能力变差。由于白天车流量较大且交警执法力度大，大货车、渣土车等大中型车辆无法进入高架桥，所以在白天时应将限高架的高度应不能对驾驶员的视野造成影响。基于此目的出发，将限高架的高度与目前道路常用的龙门架式限高器高度相同，约为5.5m左右，因此白天将限高器限高高度设置为5.5m进行控制，该高度不会给小型车辆驾驶人员带来心理负担，不会降低车辆通过该路段的通行能力。在夜间时，由于车流量较小，车辆通过该路段的平均速度的稍微降低将不会影响夜间的交通状况，不会造成拥堵的发生，为了保证小型车辆的顺利通过，在进行设计时保证一定设计余量，将夜间限高架限高高度设置为2.5m。2.2 设计方案的基本准备 2.2.1 系统组成及功能 本文设计公路智能限高器主要由智能控制系统和机械结构系统组成，机械结构系统主要由机械传动系统、视频监控系统、诱导发布系统等组成。智能控制系统主要对道路限高器进行智能升降控制，实现视频监控、车辆检测、智能限高等多项功能，便于交通 5 车辆通行，对车流量进行管控。机械结构系统主要是由机械结构和警示灯、传感器、检测器等外围设备构成，具有良好的可靠性。2.2.2 结构功能 根据上述论述，智能限高器机械结构应具备以下功能：(1)按照控制需求，机械结构应能根据输入后端信号、遥控信号或手摇进行自由升降，并能在三种控制中相互变换；(2)为了实现可变限高控制，升降杆应能根据信号在2.5m5m之间任何高度停止并保持；(3)在停电时，机械结构应具有手摇装置，以满足现场限高高度变化的要求；(4)为满足使用性要求，手摇柄高度位置距离地面合适，不应过高或过低，同时手摇柄所需力矩应较小，所需操纵力应小于3kg；(5)机械机构安装限位装置，防止出现意外导致升降杆过高或过低，影响道路通过性；2.2.3 具体安装位置 根据现有的公路龙门架为设计基础，以及智能限高器的功能要求，设计公路智能限高器的具体安装位置如下图所示。限高杆放置在龙门架的之间，便于实施限高功能；视频监控设备(即高清相机)安装在龙门架的上方，使拍摄的死区最小；LED显示屏和组合禁令标牌安装在龙门架正面；相关辅助标志及警示灯具安装在龙门架的右侧立柱上：控制箱(遥控、手控接口)安装在龙门架的左侧立柱上；其他传动机构安装在龙门架的背面(如滑轮机构或其他机构等传动机构)图 2.1 智能限高器安装示意图 6 2.3 结构设计初步方案 2.3.1 方案一一“卷闸门式”限高机构 下图所示为“卷闸门式”升降限高机构的工作原理，其结构原理类似与卷闸门，主要由电动机、中心轴、多关节活动的门片(或钢丝绳)、离合器、手摇器等设备组成。“卷闸门式”升降式限高机构的工作过程为：当有电时，电动机通过链轮驱动中心轴转动，完成卷帘帘片(或钢丝绳)的升降，上升时卷帘帘片(或钢丝绳)绕在中心轴上，降落时卷帘帘片(或钢丝绳)顺着导轨内侧滑下，经过控制设备来完成其上升、下降、停止等动作。当停电时，当停电时或电动机无法正常工作时，通过手摇柄控制限高杆的升降。为了满足限高杆在任意位置停止的功能要求，因此电动机带有自动刹车装置。在手摇控制时，首先应采用离合器将电动机与卷筒脱开，然后才能通过转动手摇柄控制限高杆的升降。图 2.2”卷闸门”式限高结构原理图 2.3.1.1“卷闸门式”升降式限高机构的优点 从运动协调性、平稳性考虑，“卷闸门式”升降式限高机构具有以下优点(1)由于其采用中，卷轴和卷帘帘片的形式，其钢制限高的左右两边运动协调性良好。7(2)由于“卷闸门式”升降式限高机构采用链传动或带传动的形式，其传动比不变，因此其平稳性较好。2.3.1.2“卷闸门式”升降式限高机构的缺点 从可重量成本、实现性、维修性方面考虑，“卷闸门式”升降式限高机构具有以下缺点：(1)由于卷轴和电动机之间的距离较远，在使用链传动或带传动时需安装导向轮,而由于龙门架本身空间有限，在安装过多设备时会相当困难；(2)由于“卷闸门式”升降式限高机构的自身结构，卷轴易损坏，其损坏后维修及 不方便。2.3.2 方案二一滑轮组限高机构 结构类似于电动升降晾衣架，滑轮组限高机构主要由电动机、卷筒、滑轮组、离合器、手摇器、钢丝绳等设备组成，下图所示为滑轮组限高机构原理图。滑轮组限高机构工作过程为：当有电时，电动机拖动卷筒转动通过滑轮组控制限高杆的上下运动，杆件的上升运动由电动机逆时针转动(沿电动机输出轴端看)执行，杆件的下降运动由电动机的顺时针运动执行；当停电时或电动机无法正常工作时，通过手摇柄控制限高杆的升降。为了满足限高杆在任意位置停止的功能要求，因此电动机带有自动刹车装置。在手摇控制时，首先应采用离合器将电动机与卷筒脱开，然后才能通过转动手摇柄控制限高杆的升降。手摇柄顺时针(沿手摇柄输出轴端看)转动时，限高杆上升，相反则下降。8 图 2.3 滑轮组限高结构原理图 2.3.2.1滑轮组限高机构的优点 滑轮组式限高机构的优点从结构形式、可实现性、安装维修、成本的角度考虑，具有以下优点(1)滑轮组限高机构利用电动升降晾衣架的结构原理实现升降机构的功能，其结构简单，实现方便，且该形式的升降机构安装方便，便于维修和维护：(2)滑轮组升降限高机构能将滑轮组、钢丝绳等设各隐藏在龙门架的背后或上方,其不影响龙门架的美观性，而且具有结构紧凑、节省空间的优点；(3)其成本较低，除部分设备外，其余产品都能使用成品件，节省了重新进行设计生产的人力和制造成本。2.3.2.2滑轮组限高机构的缺点 从机构运动协调性、机构的可靠性方面、平稳性方面考虑，滑轮组升降限高机构具 有以下缺点：(1)由于滑轮组升降机构的自身结构原因，其左右升降虽然采用同一电机，但两边钢丝绳可能由于松紧情况会造成两边的高度和速度的不协调。(2)钢丝绳与滑轮组及卷筒之间的摩擦会造成钢丝绳磨损，同时阴雨天气会造成钢丝绳的腐蚀，必要时需对钢丝绳进行润滑和防锈。2.3.3 结构方案选型 由于限高器的使用率非常高且数量较多，因此对限高器的安全性及成本控制的要求较高。对于方案一，其设备较多，任何一个环节失效都有可能影响其使用，且成本较高，因此方案一在实现上有一定的困难。对于方案二，其成本及安全性均优于第一方案，从限高器的实现、成本和整体外观行的角度考虑，选择方案二。根据公路智能限高器的功能要求及滑轮组限高机构的各项特性，本文选择滑轮组限高机构为公路智能限高器的机械结构设计方案。9 3.公路智能限高器结构设计 公路智能限高器的具体尺寸是由龙门架的结构尺寸决定的，根据现有车辆道路基本参数，龙门架立柱采用直径300mm的方钢，横梁采用直径300mm的圆钢，横梁之间的支撑采用直径为200rnm，厚度为4mm的圆钢。在龙门架正上方有标志牌和诱导屏，需在结构设计时避开。根据中国公路道路宽度3米，设计两立柱之间的距离为7m，因此钢制限高杆的尺寸应满足该要求。为了满足升降要求，限高器机械结构采用滑轮组升降限高机构，其主要由主动机构（限高杆，电机）、滑轮组机构、执行机构（钢丝绳，滑轮，卷筒等）组成，本章分别对公路智能限高器的主动机构、滑轮组机构和执行机构进行了设计，从而完成了公路智能限高器的机械结构设计。3.1 主动机构的设计 3.1.1 限高杆重量的确定 按上所述，钢制限高杆的重量不应过大或过小，重量过大将会需要较大功率和扭矩的电动机，重量过小将无法克服滑轮组的摩擦力而下降，因此有必要确定限高杆的最小重量。设限高杆最小重量为G，假设定滑轮与转轴的摩擦系数为1，假设钢制主控杆与滑槽的摩擦系数为2，则存在如下关系：WNmG21 (3-1)上式中：N 一 滑轮所受的压力 M 一 受力滑轮的数量；W 一 钢制限高杆因变形、风载荷作用与滑槽之间的力。图 3.1 滑轮典型的受力图 1 0 限高系统由两根钢丝绳分别系在钢制限高杆的左右两端,不考虑钢丝绳变形等因素的影响,每根钢丝绳的受力为 G/2,每根钢丝绳中有两个滑轮受力情况相同,其受力情况如下图所示,按照受力图计算可得:2/2GN (3-2)为了减小摩擦，钢制限高杆端安装滚轮，但由于风载荷或变形的存在和钢制限高杆的变形，其摩擦力不能忽略。由于风速较低，可忽略空气动力的影响，此处只考虑空气静力作用，风压的标准值按下列公式进行计算：0WWzshk (3-3)kW 一 基本风压(单位kN/2m)；h 一 高度 H 处的风振系数，h综合考虑了结构在风载荷作用下的动力影响，如风速随时间空间的变异性，结构的阻尼特性等因素；S 一 风载体型系数；Z 一 风压高度变化系数。基本风压 W0按下列公式计算：1600/0WVW (3-4)式中：VW 一 为风速(单位而m/s)。根据某市天气情况，取其最大值为27m/s。查建筑结构荷载设计手册(第二版)，S 取1，Z 取0.8，h取1.69 由式33和式3-4算得：2/604.0mkNWK (3-5)根据升降机构的实际情况，升降机构受力最大的情况为风正面吹向升降机构时。计算时取钢制升降杆截面长宽均为10mm，此时升降机构的迎风面积为：22*2*7*0.010.239AL am (3-6)则此时的风载荷为：NWAPK144604.0*239.0*(3-7)因变形等因素产生的压力无法衡量，在此处取为杆件质量的2倍，查找资料，假设 S为0.05，Z 为0.15，把上式带入到综合以上式可得 NG668.38 (3-8)因此钢制限高杆的质量应大于38.7kg才能满足要求。根据初步尺寸进行计算，钢制限高杆的重量大于40kg，满足下降时的使用要求。1 1 3.1.2 电动机选型及布置 电动机的选型直接关系着整个系统，尤为重要。根据设计要求，限高杆从高度25m至高度45m所需的时问不能超过10s，也不能过快小于5s，因此其升降速度不应小于0.3m/s，且不能大于0.6m/s，由于其升降速度较慢，而电动机的转速 n=60f/p，由于我国使用的市电频率为50Hz，因此电动机的转速与电机的“级数”有关，不可能过分的增加电动机的“级数P”，因此在电动机输出端应有减速机。为了满足限高杆在任意位置停止，电动机应具有自锁或刹车功能，步进电机满足此要求。假设钢制限高杆的重量为40kg，按照升降时间10s进行设计计算，滑轮组机构的总效率按0.9进行计算，则电动机所需的功率P为：WnvWNmGP3.199/)(21 (3-9)按照安全系数1.2进行设计，则电动机所需功率为239.2W.电动机所需的扭矩N为：2/*)(21DWNmGN (3-10)式中D为卷简直径为100mm，则所需最大扭矩为29.9N.M。根据上述要求，选择电动机的动率为250W，扭矩为4050 N.m，减速器速比为50左右，电动机自带制动装置。电动机安装在龙门架立柱上，其离地面高度为1.2m 3.2 滑轮组机构的设计说明 滑轮组机构的设计主要从改变运动方向和支撑两个方面来考虑的。3.2.1 钢丝绳的选型 按照（GBT2481l一2009起重机和起重机械钢丝绳选择）进行钢丝绳直径的计算并选型。公式如下：mmsCd994.0200*071.0min (3-11)其中，当安全系数=3.15时，C=0.071；S为载荷大小。由于太细的钢丝绳不易加工制作，故选择直径为 4mm 的钢丝绳。3.2.2 滑轮和卷简直径选型 按照 GB/T248 1 12009起重机和起重机械钢丝绳选择 进行滑轮和卷筒直径的计算并选型。公式如下：mmdthD574*25.1*2.11*min11 (3-12)mmdthD5.624*25.1*5.12*min22 (3-13)式中：1 2 D1一卷简直径；D2一滑轮直径；h1一根据国标规定，取值为112；h2一根据国标规定，取值为125：t一安全系数。根据上述公式的计算结果，分别选择直径为 60mm 的卷筒和直径为 70mm 的滑轮。3.2.3 滑轮的布置 由于钢丝绳的长度较长，受到重力和摩擦力的作用影响，因此需要合理科学的布置滑轮。其中，一部分滑轮需要起到转向的作用，另一部分滑轮需要起到支撑的作用。为了使钢丝绳在运动时不会因重力等因素下垂，按照机械设计要求，在转向滑轮间隔4m时设置支撑滑轮。转向滑轮安装在限高器立柱上，支撑滑轮安装在限高器横梁上.具体布置如图所示：图3.2 滑轮布置图 3.3 执行机构的设计说明 3.3.1 钢制限高杆设计 钢制主控杆通过钢丝绳连接在其两端，并在其轴端设置有导向轮以减少其与滑槽的摩擦。若初步选取钢制限高杆的直径为100mm、壁厚为5mm的圆钢。按照设计，钢制主控杆受力与简支梁相同，主要受钢丝绳的拉力作用和其本身的重力作用，钢丝绳距龙门架距离较近，其距离可忽略不计，因此两钢丝绳之间的距离为8m。1 3 图 3.3 限高杆受力分析图 根据受力分析(如上图所示)，钢制限高杆变形最大处位于其中间位置，假设钢丝绳在受力情况下不产生变形，则限高杆的最大弯矩及最大变形量分别为：8/2maxqlM (314)24max384/5EIqlf (315)均布力 q 大小为其密度 p 及其厚度大小有关；其大小为：22222/09.02/1.0*14.3*8.9*10*8.7Spq (316)将上式带入到其中，可以得到其最大变形为：222max10*54.1384/5EIqlf (317)根据计算，其变形量较小，满足使用要求，故选择钢制主控杆的材料为直径为100mm，厚度为5mm的无缝钢管。若将钢管换成桁架结构显然也符合力学性能。3.3.2 材料选择 1 4 龙门架钢结构采用Q235结构钢，屈服强度为235MPa；限高杆杆采用3A21一0铝合金型材，抗拉强度130MPa，屈服强度95MPa；钢丝绳采用经验公式进行了选择其直径，有较大的安全余量；因此在进行有限元模型分析时，将钢丝绳弹簧单元，只受钢丝绳方向的拉力，对长杆进行约束。3.4 本章小结 本章主要进行了公路智能限高器的机械结构设计，由于其上升和下降时使用的原动力不同，因此分别对限高杆重量和电动机进行了选型；随后进行了滑轮组的设计计算，确定了钢丝绳、卷筒和滑轮的直径，并对滑轮的位置进行了布置；最后进行了钢制限高杆的设计计算，确定了其具体尺寸,并对材料进行选择。1 5 4.智能限高架的各零部件的三维建模 智能限高器的结构主要有限高龙门架，电机，滑轮，卷筒，升降杆，垫圈，轴承等 4.1 限高龙门架 龙门架钢结构采用 Q235 结构钢，屈服强度为 235MPa，其三维建模如图 4.1 图 4.1 限高龙门架 图 4.2 限高龙门架零件图 1 6 4.2 滑轮 采购铜制结构滑轮，其三维建模如图所示 图 4.3 滑轮结构 图 4.4 滑轮零件图 1 7 4.3 卷筒 卷筒卷钢丝绳子，其三维建模如图 图 4.5 卷筒 图 4.6 卷筒零件图 1 8 4.4 电机 电机采用Festo EMMS-ST-57-S-SB-G2步进电机，其三维建模如图所示 图 4.7 电机 图 4.8 电机零件图 1 9 4.5 升降杆 升降杆结构采用合金钢结构，其三维建模如图 图 4.9 限高杆 图 4.10 限高杆部分零件图 2 0 4.6 滑槽 铝合金型材焊接，槽深50，宽度60 图 4.11 滑槽 4.7 限高架结构装配图 限高龙门架钢结构采用Q235结构钢，屈服强度为235MPa；升降杆采用3A21一0铝合金型材，抗拉强度130MPa，屈服强度95MPa；钢丝绳采用经验公式进行了选择其直径，有较大的安全余量 图 4.12 限高器装配图 2 1 图 4.13 限高器零件图 2 2 5.桁架的强度与刚度的计算与校核 5.1.确定材质：如图5-1，选材质为合金钢，由图中可知材料的屈服强度为：620MPa 图 5.1 定义材质 5.2.确定夹具：如图，对桁架两端与限高器连接部分进行约束 图 5.2 定义夹具 2 3 5.3 确定外部载荷，升降杆主要受自身重力的载荷，并且作用在限高器横梁上40kg的重量，因此定义外部载荷F=40*10=400N的压力 图 5.3 定义外部载荷 5.4 应力、应变的分析结果 图 5.4 桁架受载局部图 计算结果显示：1.桁架受最大应力为 871MPa；2.正向最大位移为：0.005mm，发生在桁架的两端；负向最大位移为：-0.047mm，发生在桁架的正中间；3.最小安全系数为2.1。2 4 从上述的情况分析结果可知，在受到外部压力时，桁架结构的应力应变都较小，基本不影响其安全性，因此桁架结构的公路智能限高器系统整体上是安全可行的。2 5 6.智能升降系统的设计 6.1 智能升降系统的基本功能 智能限高器的控制模式以实时自动控制为主，人工控制为辅，其中人工控制包括：遥控控制、电动按钮控制和手摇机械控制。(1)自动控制模式：即到达系统预设升降时间，直接接收后台下达的升降指令并执行，包括升降时间、升降速度等，当抵达至杆件限制高度时，自动停止，无需人工干涉。(2)遥控控制模式：即现场执勤人员，可根据实际交通需要或者特殊情况时，采用遥控器，发送指令给控制总成，控制杆件升降。(3)开关电动控制模式：即在网络中断或者其他特殊情况下，启用控制盒中的电动控制按钮对杆件实行升降操作。(4)手摇机械控制模式：即采用传统的手摇式对限高杆件进行升降控制，在维修或者供电中断(无法启动备用电源)。6.2 智能升降系统的总体设计 基于公路智能限高器智能控制系统的设计要求，确定控制系统主要是由两大部分构成，车辆实时检测传感器和控制总成。其中，车辆检测传感器主要是用于检测前方是否有车辆驶入匝道和驶入的运动状态基本信息，如速度、车型，便于控制总成及时调整相应的控制策略。控制总成模块是由一系列的具有串口通信的电路板、路由器、电源等电子元件构成。控制系统总体控制逻辑如图所示：2 6 图 6.1 智能升降控制系统总体控制逻辑图 6.3 车辆检测传感器的选配 6.3.1 传统车辆检测传感器优缺分析 车辆检测技术在国内已经是一成熟的技术，但是传统用于路面的车辆检测器在不同程度上存在着缺陷，或多或少都影响检测的效果和精度。目前，在国内使用较为普遍的有微波检测传感器、视频检测传感器、红外检测传感器、线圈检测传感器。下表是四类常用检测传感器优缺对比分析。2 7 表 6-1 常用检测传感器优缺对比分析表 从上表中，可清晰的得之目前市场上常用的传感器普遍存在不同缺点，或是检测精度低、亦或是实施难度大，较难应用到本系统中。在此选择一种新型的适用于路面车辆检测的传感器一地磁检测传感器。6.3.2 地磁检测传感器 地磁检测传感器是一个基于磁力感应的低功耗无线电通讯装置，安装于车道中间。在典型的交通管理应用中，传感器被放置在车道中间，检测车辆的存在和通过。每个传感器内嵌入了先进的磁电阻感应装置，以128赫兹的采样率测量地球磁场的X、Y和Z轴向量，当车辆进入范围时，所测量磁场中的X、Y或Z轴将发生明显变化。当没有车辆时，传感器不断测量背景磁场作为参考标准。每个传感器自动根据当地的环境自我校准，对于地球磁场的长期变化而言，可使这个参考值随时间而改变。图 6-2 地磁检测传感器原理图 技术 优点 缺点 微波检测传感器 1.全天候工作 2.可检测静态车辆 3.准确率高 1.在车流拥堵，分布不均的路段，精度不高 2.价格昂贵 视频检测传感器 1.可谓事故管理提供图像 2.可提供大量交通信息 3.单台机器可检测多条车道 1.大型车辆阻挡小型车辆 2.阴影，积水反射 3.价格昂贵 红外线检测传感器 1.可以准确的实现车辆分离功能 1.穿透灰层，云雾，雨雪的能力很弱，无法进入检测 线圈检测传感器 1.线圈电子放大器已标准化 2.技术成熟，易于掌握 3.计数非常准确 1.安装过程对使用寿命影响大 2.修理或者安装中需要中断交通 3.易受车辆损坏 2 8 地磁检测传感器的特点：(1)3轴磁强计车辆检测：128 Hz采样率、计数和存在检测模式、自行车和摩托车检测模式；(2)精度高；(3)可靠性高；(4)嵌入式路面安装，无需电线或引入布线；(5)安装快捷方便：用空心钻，只需不到10分钟的时问即可安装在小孔内(10cm)直径;(5.7cm)深，覆盖快干环氧树脂，车道封闭时间短，无需锯槽切割 (6)超长电池寿命平均10年；(7)坚固的机械设计；(8)自动校准；(9)与主机通过可靠的双向无线电通信，可寻址、可配置，固件可无线升级；(10)可随时部署在其它系统无法使用的场所，如高低车道差、高地下水位、损坏的路面。图 6.3 地磁传感器安装图 6.3.3 车辆检测传感器的选择 地磁检测传感器相比较传统的车辆检测传感器具有以下特点：(1)安装简单方便：无线传输，无电源线，无数据线，用水钻(通用工具)在路面上钻一圆洞埋入即可；(2)产品小巧，对路面破坏力小；(3)自适应：自适应地球环境磁场；(4)检测精度高：大于等于95：2 9 (5)环境适应性强：能够全天候(风、雨、雪、雾)、全天时(昼夜)正常持续工作。此外，地磁检测传感器获得解析数据能够满足智能升降控制系统的要求，解析后的数据一般包含的信息有：车辆个数，车辆速度，车辆长度，车辆间距等，这些数据能够满足智能升降控制系统自的数据要求。因此，公路智能限高器的升降控制系统选择地磁检测传感器，用于车辆实时检测。目前国内使用的地磁检测传感器主要是无锡物联网研究所研发的，此外还有一款地磁检测传感器是美国SENSYS公司研发的sensor传感器。两种地磁检测传感器产品对比见下在实际应用中，可根据实际经费来进行选择。表 6-2 两种地磁检测传感器产品对比表 参数 SENSYS 无锡 工作温度-尺寸 较小 较大 抗压性 好 较好 稳定性 好 较好 可靠性 强 较强 检测技术-使用年限 10 年 5 年 传输速率 250kps 95%90%天线 内置微带天线 外接八木天线 频带 2.4G-2.485G 433MHZ 功能 较多 单一 安装难度 简单 较简单 主机接口 RJ45 RS232 通信距离 50m 200m 安装灵活度 较高 较低 覆盖范围 小 大 3 0 6.4 控制总成设计 6.4.1 控制总成功能 控制总成是整个升降控制系统的核心部分，它需要实现与基础道路交通设备进行通讯、也需要实时与车辆检测传感器实时交互、实时需要接受后台的控制指令。根据智能控制系统的设计要求，确定控制总成的功能如下：(1)与车辆检测传感器通讯，接收车辆实时信息：(2)与外界基础道路交通设备通讯，主要是入口匝道信号控制、可变情报板、视频监控。(3)与后台(主要是控制中心)进行通讯，接受升降控制指令并实施：(4)与限高机构进行通讯，实施升降指令。控制总成是集网络、供电、内部存储、处理分析的小型的控制机，包括路由、限高控制模组、电源，具体结构如图所示。其中，限高控制模组是控制总成核心组成部分，与不同外设进行信息交互、指令接收发送的任务主要是由限高控制模组实现的；路由主要是配置TCPIP协议，实现外围设施的无线通信：电源系统是保证控制总成正常运作的电力支持。图 6.4 控制总成结构示意图 6.4.2 硬件设计 在硬件设计方面，遵循可扩展原则，进行模块化结构设计，主要是限高控制模组和电源系统。限高控制模组是有一系列的电路板构成，具有接收传感器信号、发送、发送信号控制指令和诱导信息指令，兼备通讯模块、防雷模块、漏电保护模块、故障检测模 3 1 块、GPS模块，详细如图所示：图 6.5 控制总成硬件结构图 控制中心指令通过路由的 TCP 协议传到限高控制模块,限高控制模块接收传感器信号,经由限高模块进行信号处理将信号通过485命令到驱动板驱动电机,从而控制升降杆的升降指令作用.车辆通过地磁检测传感器,引起地磁的变化,经由车辆检测板和485总线传到限高控制模块,限高控制模块接收传感器信号,进行信号处理,发送信号控制指令将输出信号传到下一级驱动电机,也达到控制升降杆的升降指令作用.限高控制模块还可接受遥控器,按键数码管等相关信号,进行相关信号的处理,都能达到驱动电机,控制升降的作用.同时,限高控制模块和控制中心指令是双向连接,因而电机的驱动信息经由限高模块的加工会返回到控制中心