一種針對長陡坡感應式液壓升降減速帶組合

唐 力，王宇航，桂鈺杰，李傳清，陽思潤，孟云偉

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

0 引言

當今交通安全越來越受到人們重視，車輛超速行駛一直是導致交通事故發(fā)生的主要原因之一。減速帶作為目前主要的強制減速裝置，廣泛應用于學校內(nèi)部道路、長陡坡路段、停車場出入口等。但是由于駕駛員的麻痹大意等因素，在行車環(huán)境較為復雜的路段，傳統(tǒng)減速帶仍存在減速不夠徹底的問題，而且通過減速帶時產(chǎn)生的噪音問題也嚴重影響著周圍居民的生活質(zhì)量。

為了進一步保障交通安全和提高行車舒適性，當今急需智能化的新型減速帶。艾成祥等[1]以獎勵性與懲罰性并存的理念，設計了一種獎罰式智能可升降減速帶；李建龍等[2]提出了一種通過感應車流量，從而自動升降的新型減速帶；魏金麗等[3]提出了一種基于自適應理論的可升降減速帶，可將軟態(tài)減速帶的機械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能源存儲利用；陳映赫等[4]利用空氣彈簧作為主要組成部件，設計了一種具有智能懲罰功能的道路減速帶；魯露露等[5]提出了一種伸縮式減速帶，主要用于城市人流量較大的限速路段。

現(xiàn)有研究成果中，對于僅僅控制減速帶一個高度的升降系統(tǒng)研究較多，但仍無法解決傳統(tǒng)減速帶對高速車輛減速不徹底的問題。為達到更好的減速效果，本文提出了一種針對長陡坡的智能減速帶組合，通過設置兩個高度，保證低速通過車輛的舒適性，高速通過車輛減速效果明顯，體現(xiàn)人性化的特點。

1 減速帶工作原理及智能化設計思路

1.1 減速帶原理分析

減速帶主要通過影響駕駛員的心理，傳遞不適感來達到減速的目的，車輛以較高速度通過道路減速帶時，車身會傳遞劇烈振動從而迫使駕駛員減速。此外，駕駛員依據(jù)常識而產(chǎn)生振動可能會造成車輛機件損壞的顧慮，也會主動采取減速措施。由此根據(jù)減速帶的減速原理可知，當車輛高速通過時，減速帶所傳遞的不舒服感是有效減速的關鍵[6]。

任玉曉[7]在《基于ADAMS/CAR的汽車通過減速帶時的平順性及行駛安全性研究》中得出：隨減速帶高度的增加，車身加速度隨之增加導致車輛通過減速帶的平順性下降，因此減速帶的高度和汽車的平順性是成反比的，即隨著高度的增加，其平順性降低，能取得比較好的控速效果。所以當汽車速度較高時，適當?shù)脑黾訙p速帶的高度，能夠取得比較好的控制車速的效果。

1.2 智能化減速帶設計思路

針對傳統(tǒng)減速帶的缺點，本文提出的針對長陡坡路段的智能升降減速帶按照獎“慢”罰“快”的原則，保證低速通過車輛的平順性和舒適性，同時使高速行駛的車輛產(chǎn)生更大的顛簸，迫使其主動減速。該減速帶由測速模塊、液壓升降模塊以及控制中心組成。

測速模塊先對速度進行采集，通過比較控制中心與設置的臨界值，計算出電磁控制閥控制信號，實現(xiàn)對不同油路的切換，從而驅(qū)動液壓缸上下運動。同時減速帶旁LED顯示燈工作，如超速則顯示紅色，反之顯示綠色，進一步提醒駕駛員降低車速。到達控制中心輸出時間后，電磁換向閥斷電，液壓缸停止運動，減速帶隨之停止并保持在設置的位置。汽車通過減速帶后，擠壓帶體傳感器，檢驗到車輛完全通過減速帶后，單片機再次將信號傳輸給電磁換向閥，驅(qū)動液壓缸帶動減速帶落下，從而完成一個工作流程。

圖1 整體工作流程Fig.1 Overall workflow

2 智能減速帶控制系統(tǒng)設計

2.1 測速模塊

目前，雷達測速裝置已廣泛應用于機動車超速自動檢測系統(tǒng)中，且其相關技術較為成熟，精度較高，固定測速誤差為±1 km/h，因此選用雷達測速儀可以滿足該系統(tǒng)對測速的需求。數(shù)據(jù)傳遞通過串口通信實時傳入單片機。

2.2 液壓升降模塊

液壓升降系統(tǒng)主要包括液壓馬達、液壓缸、電磁換向閥、油管和單向閥。

圖2 液壓升降系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic lifting system

液壓馬達采用葉片馬達，具有輪廓尺寸較小、噪聲低、壽命長的優(yōu)點。

電磁換向閥采用三位四通電磁換向閥，從而實現(xiàn)控制減速帶在起始位置，中間位置，終止位置的切換[9]。液壓缸將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，液壓缸通過油管與地面下方的液壓缸相連，通過墊片與地面上方設置的減速帶連接，驅(qū)動其上升下降。

2.3 核心控制模塊

單片機芯片為本系統(tǒng)的核心，作為中樞將測速裝置信息經(jīng)過處理傳遞給液壓升降裝置，負責整個系統(tǒng)的時序控制。其工作流程如下：

先對采集車速進行處理，與設置的臨界值進行比較，輸出驅(qū)動電磁控制閥的控制信號，液壓系統(tǒng)開始工作。電磁換向閥在不同信號下實現(xiàn)對油路的切換，通過墊片驅(qū)動減速帶上下移動；在此期間，在減速帶旁的LED顯示燈工作，超速顯示紅色，反之顯示綠色，進一步提醒駕駛員注意減速帶，進行減速。

到達智能控制裝置的規(guī)定時間后，電磁換向閥斷電，液壓缸停止運動，減速帶隨之停止，保持在設置的位置。待汽車通過減速帶時，通過對帶體壓力傳感器的擠壓，檢驗到車輛完全通過減速帶后，單片機再次將信號傳輸給電磁換向閥，驅(qū)動液壓缸帶動減速帶落下。

圖3 速度控制流程Fig.3 Speed control flow

3 智能減速帶結(jié)構(gòu)及參數(shù)設置

3.1 減速帶主體結(jié)構(gòu)

常用的傳統(tǒng)減速帶主要有道釘減速帶、熱速振動減速標線、水泥臺減速帶和駝峰式減速帶等[10]，如圖4、5所示，僅由地上部分組成。

圖4 駝峰式減速帶Fig.4 Hump deceleration belt

圖5 道釘減速帶Fig.5 Spike deceleration belt

減速帶主體設計為可嵌入式盒式結(jié)構(gòu)，分為地面層和地下層，地面層為可活動減速帶帶體部分，地下層為液壓閥承重部分。

地面層：當今減速帶材質(zhì)主要分為橡膠型與鑄鋼型，為確保帶體材料耐磨性強、壽命長，避免頻繁地更換，選用耐磨性強，承載重力較大的鑄鋼型減速帶，其使用壽命是橡膠減速墊的5～10倍，符合該帶體材料的設計要求。

地下層：地下升降系統(tǒng)中，考慮到要能夠承受汽車總體的重量，同時還要實現(xiàn)不同高度的變化，因此，采用液壓升降系統(tǒng)，液壓傳遞運動均勻平穩(wěn)，能夠快速實現(xiàn)減速帶狀態(tài)切換。同時液壓驅(qū)動平穩(wěn)安全、成本低、布局安裝靈活、放置于路側(cè)維護較為容易。

圖6 減速帶為于高態(tài)時的橫斷面示意圖Fig.6 Schematic diagram of cross section of deceleration belt in high state

圖7 減速帶位于低態(tài)時的橫斷面示意圖Fig.7 Schematic diagram of cross section of deceleration belt in low state

圖8 減速帶位于初始位的橫斷面示意圖Fig.8 Schematic cross section of deceleration belt at initial position

3.2 液壓裝置設計

該智能減速帶選取“RCH-202”型空心液壓千斤頂作為支撐裝置，其單缸承重能力可達20噸，中心孔徑為26.9 mm，最大行程為51 mm。滿足我國路面設計方法中選用承載能力為10噸作為標準軸載的要求，由此設置三個液壓缸完全可以滿足對于車輛承重部分的要求。

圖9 “RCH-202”型空心液壓千斤頂Fig.9 “RCH-202” hollow hydraulic jack

3.3 高度

為達到較好的控速效果并且保證車輛通過的安全性，本文查閱現(xiàn)有資料，通過控制加權加速度均方差在一定范圍，以取得較好的控制效果，同時考慮到車輛的輪荷沖擊系數(shù)與動載荷系數(shù)等因素[9]，保證車輛通過減速帶時的行駛穩(wěn)定性以及車輛重要部件的穩(wěn)定性。由此得出結(jié)論，在道路限速較低時（小于40 km/h），采用橫斷面為梯形，寬度為300～350 mm，寬度40～60 mm規(guī)格的減速帶，可以起到比較好的控制效果[7]。

本次設計主要針對長陡坡路段，一般限速為30 km/h，同時基于以上研究，設置兩個速度區(qū)間對應兩個減速帶的高度，分別為30～60 km/h對應40 mm高的減速帶，60 km/h以上的對應50 mm高的減速帶，以期望獲得較好的控速效果。

3.4 測速點的定位

為避免車流量過大時，后車經(jīng)過會對前車產(chǎn)生影響，造成主控單元產(chǎn)生誤判的情況，還要避免在車輛經(jīng)過測速區(qū)后突然減速，因此測速裝置應盡量靠近減速帶。同時考慮到液壓升降裝置需有充足的時間反應。

在本設計中，采用液壓缸“RCH-202”內(nèi)徑為26.9 mm，最大升起高度為50 mm，液壓馬達轉(zhuǎn)速為200 r/min，排量為100 mL/r，則輸油流量為20 000 mL/min。

油缸作用面積為：

S =（26.9/2）2·π = 568.03 mm2

液壓缸進油速度為：

帶入相關參數(shù)可得V=11 736.47 mm/min。

減速帶升起時間為：

帶入數(shù)據(jù)得T=0.25 s，由此可確定測速點與減速帶合適距離為10～15 m，在此種情況下，車輛以任意車速行駛，減速帶均可完成升降工作。

4 結(jié)語

作為目前最主要的強制減速設施，減速帶在提升道路交通安全方面發(fā)揮著重要作用。本文針對傳統(tǒng)減速帶的缺點，設計了一種面向長陡坡路段的智能減速帶及其控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析，實時監(jiān)測車輛行駛速度情況，實現(xiàn)了對車輛減速行為的精準控制。

在智慧交通技術發(fā)展日新月異的今天，道路交通安全設施及其控制系統(tǒng)應朝個性化設置方向開展，力爭實現(xiàn)“一車一參數(shù)”。限于能力及時間，本文僅從理論上探討了智能減速帶的設置方法，尚未對相關減速帶高度開展實測及仿真研究。今后應在強化實驗分析的基礎上進行實際效果驗證及路段示范，進一步完善系統(tǒng)設計。