1、 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
2、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 no
3、rmally 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 highwa
4、y 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 roa
5、d. 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 requireme
6、nts 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 Wor
7、ds： 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
8、. 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。
9、 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 公路智能限高器设计 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
10、，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 15 20mm的下方间隔设置了一些防撞的短梁，并在横梁下端 30 40mm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
11、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
12、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。 公路智能限高器设
13、计 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
14、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。 公路智能限高器设计 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
15、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
16、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。公路智能限高器设计 4 2. 智能限高器
17、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： ip tN /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
18、，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
19、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、
20、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，便于交通公路智能限高器设计 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 2.5m 5m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
21、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
