1、 无能源消耗的智能型高速公路收费站门禁装置的研制无能源消耗的智能型高速公路收费站门禁装置的研制华中农业大学 陶海龙 刘敏 刘辰明 陈高成 李思指导教师： 李小昱 教授 王为 研究员 摘要：设计了一种无能源消耗的智能型高速公路收费站门禁装置，该装置不需配备动力系统，无能源消耗和污染物排放，利用机动车通过门禁时对 触发机构产生的压力来启动无动力系统，以自动关闭阻挡杆对 机动车的通行进行阻挡，由操作人员或者微机控制系统通过平衡器来开启阻挡杆放行机动车，当机 动车通过后无动力系 统再次自动关闭门禁装置的阻挡杆，能有效地实现道路门禁管理的功能。无能源消耗的智能型高速公路收 费站门禁装置不仅对道路和门卫管
2、理起到保障作用，而且 对美化交通环境、 实现节 能减排、建设节约型社会有着积极的作用和广阔的应用前景。关键词：无能源消耗；智能型；门禁装置1 研究的背景与意义随 着 我 国 社 会 经 济 和 建 设 的 高 速 发 展 ， 规 划 和 建 设 了 大 量 的 高 速 公 路 。 在 高 速 公 路 上 均 设立 收 费 站 并 配 套 机 动 车 门 禁 装 置 来 进 行 管 理 并 收 取 机 动 车 的 通 行 费 用 。 同 时 许 多 企 事 业 、 学 校和 居 民 小 区 为 了 加 强 管 理 ， 也 在 大 门 通 道 设 立 了 机 动 车 门 禁 装 置 ， 用 于 维
3、 护 自 身 的 环 境 安 全和 交 通 秩 序 。 目 前 ， 机 动 车 门 禁 装 置 已 成 为 国 内 外 主 要 的 交 通 管 理 装 备 之 一 ， 现 在 采 用 的 机动 车 门 禁 装 置 主 要 为 电 动 式 、 液 压 式 、 机 械 式 等 ， 这 些 机 动 车 门 禁 装 置 均 需 配 备 动 力 系 统 ，而 且 结 构 复 杂 、 耗 能 高 、 故 障 多 、 维 护 繁 琐 ， 最 为 突 出 的 问 题 是 购 置 和 使 用 成 本 较 高 。 如 高速 公 路 收 费 站 采 用 的 机 动 车 门 禁 装 置 每 台 高 达 数 十 万 元
4、 ， 有 些 采 用 进 口 的 机 车 车 门 禁 装 置 高达 数 百 万 元 一 台 。 每 天 每 个 收 费 站 通 行 车 辆 数 千 台 甚 至 数 万 台 ， 耗 费 的 能 源 更 是 不 计 其 数 。企 事 业 、 学 校 和 居 民 小 区 的 大 门 基 本 采 用 电 动 式 机 动 车 门 禁 装 置 ， 购 置 和 使 用 的 成 本 较 高 。现 有 的 机 动 车 门 禁 装 置 均 需 配 备 动 力 系 统 ， 不 符 合 我 国 节 能 减 排 、 绿 色 环 保 的 建 设 和 使 用 要求 ， 据 市 场 调 查 、 资 料 检 索 和 专 利 查
5、 新 ， 目 前 尚 未 有 无 动 力 自 动 升 降 的 机 动 车 门 禁 装 置 。针 对 以 上 情 况 ， 课 题 组 研 制 了 一 种 能 有 效 管 理 机 动 车 通 行 ， 不 需 配 备 动 力 且 无 能 源 消 耗 ，外 观 大 方 简 洁 、 结 构 安 全 可 靠 、 制 造 与 维 护 成 本 较 低 的 无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高 速 公 路 收 费 站门 禁 装 置 （ 专 利 号 ： ZL201020156579.8） ， 这 对 维 护 道 路 交 通 安 全 和 绿 色 环 保 具 有 重 要 的 科 学意 义 和 广 阔 的 应 用 前
6、 景 ， 作 品 模 型 图 如 图 1。（a）停车收费，对机动车进行阻挡 （b）对机动车进行放行图 1 无能源消耗的智能型高速公路收费站门禁装置模型图2 主要技术参数1） 整 体 尺 寸 ： 4000mm3000mm800mm2） 阻 挡 杆 尺 寸 ： 60mm30mm3000mm（与 现 有 的 阻 挡 杆 尺 寸 一 致 ）3） 动 力 系 统 ： 汽 车 重 力4） 触 发 机 构 的 启 动 载 荷 力 250kg（ 适 用 于 所 有 高 速 公 路 上 中 小 型 机 动 车 单 车 道 的 管 理 ）3 总体结构及工作原理3.1 总体结构无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高
7、 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 由 触 发 机 构 13、 联 动 机 构 11、 以 及 控 制 系统 12 等 组 成 。 通 行 指 示 灯 1 设 置 在 阻 挡 杆 2 前 方 的 右 侧 ， 阻 挡 杆 支 架 3 固 定 在 道 路 的 左 侧 ，阻 挡 杆 2 通 过 阻 挡 杆 驱 动 轴 安 装 在 阻 挡 杆 支 架 3 的 上 方 ， 升 降 阻 尼 器 4 和 阻 挡 杆 开 启 电 磁 开 关7 设 置 在 阻 挡 杆 驱 动 轴 上 ， 控 制 器 通 过 控 制 电 缆 与 阻 挡 杆 开 启 电 磁 开 关 连 接 。 触 发 机 构 13 平 行设
8、 置 在 阻 挡 杆 前 方 的 路 面 下 ， 触 发 机 构 与 联 动 机 构 的 另 一 端 连 接 ， 通 行 指 示 灯 通 过 信 号 电 缆接 入 联 动 机 构 内 。 具 体 结 构 如 图 2 所 示 。1.通行指示灯，2.阻挡杆，3.阻挡杆支架，4.升降阻尼器，5.从动摇臂，6.阻挡杆驱动轴，7.阻挡杆开启电磁开关，8.控制电缆，9 连杆，.10 主动摇臂，11.联动机构，12.控制器，13.触发机构图 2 无动力高速公路收费站门禁系统的总体结构图3.2 工作原理无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 工 作 时 ， 阻 挡 杆
9、呈 水 平 状 态 设 置 在 道 路 路口 对 机 动 车 进 行 阻 挡 ， 同 时 通 行 指 示 灯 的 红 灯 开 启 ， 当 完 成 缴 费 手 续 或 经 过 管 理 人 员 允 许 时 ，由 微 机 系 统 或 管 理 人 员 操 作 控 制 器 打 开 阻 挡 杆 电 磁 开 关 ， 通 行 指 示 灯 的 红 灯 关 闭 而 绿 灯 开 启 ，平 衡 器 将 阻 挡 杆 垂 直 升 起 来 放 行 机 动 车 通 过 ， 通 过 的 机 动 车 经 过 触 发 机 构 时 ， 机 动 车 的 荷 重力 施 加 于 触 发 机 构 使 之 向 下 位 移 ， 并 通 过 联
10、动 机 构 驱 动 四 杆 机 构 运 动 ， 四 杆 机 构 的 运 动 驱 动 阻挡 杆 驱 动 轴 带 动 阻 挡 杆 复 位 至 水 平 状 态 ， 重 新 对 机 动 车 进 行 阻 挡 。 升 降 阻 尼 器 保 障 阻 挡 杆 能平 稳 的 开 启 或 关 闭 。4 结构方案的确定4.1 触发机构触 发 机 构 由 触 发 压 板 、 触 发 压 板 复 位 阻 尼 弹 簧 、 辅 助 机 构 、 触 发 压 板 升 降 滑 道 组 成 。 当 机动车前轮通过触发压板时，机 动 车 前 轮 给 触 发 压 板 一 个 垂 直 向 下 的 载 荷 力 ， 使 触 发 压 板 向 下
11、运 动 ， 触 发 压 板 向 下 运 动 时 带 动 辅 助 机 构 向 下 移 动 ， 得 到 一 个 竖 直 位 移 。 其 机 构 示 意 图 如 图 3所 示 。1 触发压板 2 触发压板复位阻尼弹簧 3 辅助机构 4 触发压板升降滑道图 3 触发机构结构示意图4.2 位移转换机构位移转换机构由加力连杆 4、滑块 5、驱动力臂 6、滑块 9、联动力臂 8 组成。机动车经过触发压板 1 时使其向下产生位移，通过加力连杆 4 使驱动力臂 6 产生角位移，驱动力臂通过滑块 9 带动联动力臂 8 向下产生角位移，带动传动轴 7 转动，驱动联动装置转换为扭力来带动阻挡杆实现水平或垂直的运动。其
12、运动示意图如图 4 所示。1 触发压板，2 触发压板升降滑道，3 支点，4 加力连，5 滑块，6 驱动力臂，7 支点，8 联动力臂，9 滑块图 4 摇杆机构运动简图注：图中实线为触发前，各机构的位置；虚线为触发后各机构的位置4.3 联动机构联动机构安装在位移转换机构和阻挡杆之间，主要作用就是传递位移转换机构驱动力臂的位移到阻挡杆，实现阻挡杆的无能耗升降。联动机构主要有输入联结器，平衡器，传动轴，滑动轴承，输出联结器等组成。联动机构的平衡器的工作原理是利用平衡配重的重力对传动轴产生的转动力矩大于阻挡杆上升时产生的阻力矩，使阻挡杆上升到竖直位置，允许机动车通过。在机动车通过以后，机动车前轮触发触发
13、机构带动联动力臂转动，阻挡杆恢复阻挡状态，同时平衡配重回到初始位置，储存重力势能，以便让阻挡杆再次升起。平衡器工作示意图如图 5 所示。1 滑槽 2 联动力臂 3 联结螺栓 4 输入联结器 5 平衡配重图 5 平衡器工作示意图注：平衡块距输入连接器的中心距为 200mm，滑槽长度为 70mm，滑槽上止点距输入联结器中心距离为 220mm。图中虚线为对机动车放行时平衡器的状体，实线为对机动车进行阻挡时平衡器状体。4.4 四杆机构四杆机构主要实现将联动机构传递的力矩进一步经过连杆传递给阻挡杆，从而实现阻挡杆的开启与关闭。连杆传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑，成本低，能在恶劣的环境中工作。已知传动过
14、程中从动摇臂转过的角度是主动摇臂的 2 倍。四杆机构运动示意图如图 6 所示。1.主动摇臂 2.连杆 3.从动摇臂图 6 机构运动图注：图中实线为阻挡杆在竖直位置时四杆机构各个连杆的位置，虚线为阻挡杆在水平位置时四杆机构各个连杆的位置。5 特色与创新无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 创 新 点 有 ：1） 不 需 要 配 备 动 力 ， 利 用 机 动 车 通 过 门 禁 时 对 触 发 机 构 产 生 压 力 ， 该 压 力 驱 动 联 动 机 构关 闭 阻 挡 杆 ， 对 机 动 车 进 行 阻 挡 。2） 联 动 机 构 的 平 衡 器 能
15、调 节 对 阻 挡 杆 的 扭 矩 ， 在 计 算 机 或 人 工 的 控 制 下 开 启 电 磁 阀 ， 打开 阻 挡 杆 ， 对 机 动 车 放 行 。3） 该 智 能 型 高 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 无 能 源 消 耗 ， 无 噪 声 和 废 气 排 放 ， 对 实 现 节 能 减 排有 着 积 极 的 作 用 。4） 结 构 合 理 、 操 作 简 便 、 不 消 耗 能 源 ， 降 低 了 购 置 和 使 用 成 本 。5） 该 装 置 不 仅 可 以 应 用 于 高 速 公 路 的 道 路 管 理 ， 还 可 用 于 社 区 门 口 道 路 的 管 理 。6 研究结
16、果该 装 置 已 做 出 模 型 ， 在 试 运 行 过 程 中 ， 各 机 构 运 行 良 好 、 工 作 稳 定 ， 性 能 指 标 均 达 到 所 设计 要 求 ， 且 外 观 大 方 ， 有 很 好 的 实 用 性 和 观 赏 性 ， 并 获 得 了 国 家 专 利 （ 专 利 号 ：201020156579.8） 。 无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 的 推 广 和 应 用 ， 对 维 护 道 路交 通 安 全 和 绿 色 环 保 具 有 重 要 的 科 学 意 义 和 广 阔 的 应 用 前 景 。无 能 源 消 耗 的 智 能 型 高
17、 速 公 路 收 费 站 门 禁 装 置 的 研 制 得 到 了 湖 北 电 视 台 、 武 汉 电 视 台 、 武 汉 教 育 电 视 台 、 楚 天 金 报 、 长 江 商 报 、 武 汉 晨 报 、 南 湖 新 闻 、 中 国 大 学 生 在 线 、 凤 凰 网 、 南 湖 新 闻 网 等 多 家 媒 体 关 注 并 报 道 。参考文献1 沈 俊 . 交 通 运 输 业 节 能 减 排 国 际 管 理 手 段 及 启 示 J.武 汉 理 工 大 学 学 报 ,2010,32 (04):138-140.2 习 江 鹏 ,郗 恩 崇 . 交 通 运 输 节 能 减 排 的 本 质 及 经 济
18、 分 析 J.铁 道 运 输 与 经 济 ,2009,31 (02):13-15.3 刘 英 ,曾 莉 . 完 善 我 国 交 通 节 能 政 策 与 措 施 的 思 考 J.武 汉 理 工 大 学 学 报 , 2010, 32 (04):67-69.4 王 丽 娟 . 四 杆 机 构 中 关 于 极 位 夹 角 定 义 的 讨 论 J.辽 宁 大 学 学 报 , 2005, 32 (1):79-81.5 Mundo D,Liu J Y,Yan H S.Optimal Synthesis of Cam-Linkage Mechanisms for Precise Path Generation.Journal of Mechanical Design,2006,128(6):1253-1260.
