第一节 产品技术发展现状
电动栏杆机,一般为了降低成本,往往采用蜗轮杆驱动甚至皮带驱动。这些产品采用比较陈旧的技术、性能自然不能令人满意,噪音大、起落慢、栏杆抖动不平稳以及使用寿命较短,不适应较大型的停车场。
目前，一些企业生产的用于ETC的栏杆机技术如下：
1、DVF数码变频率驱动
采用创新的数字变频技术，通过改变频率，驱动电机实现栏杆低速启动、高速运行、减速刹车、柔和停靠。速度的连续控制使得高速栏杆机得以实现快速而平滑的动作。
2、ESP终点稳定程序
采用了全新的ESP终点稳定程序，该技术使栏杆机大幅度提高了长期使用的稳定性。不管栏杆接近终点时的速度如何变化，总是聪明地给予其一个可变的推力，使其低速而稳定地停靠。使得栏杆停止过程非常优雅，不再出现难看的弹跳。
第二节 产品工艺特点或流程
一、产品工艺特点
产品工艺特点表现在：外力不能改变栏杆机栏杆臂的停止位置卸荷装置，以防止外力损坏；具有软启动功能及过流、过热保护，有效保护道闸的核心部位电机的正常运转；设有一套平衡机构，确保运行轻快、平稳、输入功率小；增设紧急手动装置，以防止意外事件的发生；增设一套防砸车控制系统，确保车辆安全；色彩鲜明的国际标准化外形设计，较强的警示作用。
电动栏杆机从结构上可分为机箱、机芯、控制器、栏杆臂四个部分。
机箱：机箱整体采用上下两件式设计，上边是防雨机盖，下部是主机箱机盖。由主机箱内部两枚长螺栓紧定，防止机盖被从外部随意打开机箱。由2mm 厚冷轧钢板制成，表面经磷化喷塑处理可置于室内外环境，全天候工作箱体标准颜色RAL2000(桔黄色)。
机芯：由机架主轴连杆式传动机构，扭矩电机齿轮减速器和力平衡弹簧组成。其中电机和减速器采用一体化，免维护设计无须常注油除尘等维护过程。
控制系统：微电脑控制模块化设计，简化了用户控制接口程序化驱动算法，令电机运行平稳、可靠多种工作模式，适应不同工作场所的用户需求控制单元，安装在机箱内一块铝板上，必要时可以从机箱门翻转出来方便调试和检修。
栏杆臂：可安装多种栏杆臂，生产商提供八角型铝质栏杆臂和圆管型碳素栏杆臂两种，标准产品供选用 通常也可以由用户自己选择定制合适的栏杆臂。栏杆臂的生产流程：工具和材料的准备—在铝材的一端平齐装入木板后钉入小铁钉—在铝材的一端装入铝盒—清洁铝材的表面—贴反光纸。
二、电动栏杆机系统设计
电动栏杆的工作原理：栏杆控制系统通过驱动电机转动，再靠减速系统或机构把电机转动变为栏杆在垂直与水平之间的循环摆动。电动栏杆应具备自锁、反馈、防护等功能，并有与多项附属设备的接口。
电动栏杆机系统组成表
电动栏杆机从机电一体化考虑分解为如上图所示系统。抓住各系统的关键技术优化设计方案，并考虑各系统的整体性、相关性、环境适应性，才能实现产品高性能、高效率、高可靠、低成本、柔性化、智能化的设计目标。
国外先进技术水平电动栏杆的主要技术指标如下：输人电源AC220V，50Hz；电机额定功率60w；有效扭矩20N；栏杆长度范围3—6m；起落时间(可调)1—3s；寿命次数500万次；运行噪声≤30dB。
目前，国内外同类产品的主要技术指标相差很远，国内自行设计的电动栏杆产品电机功率一般在120—300W，寿命次数100—300万次，噪声和可靠性更差。有些国内厂家仅就局部实现了仿制，而未找到系统设计的关键技术进行理论 分析 计算，所以整体指标不稳定，更找不到改进方向和依据。
电动栏杆产品关键设计：内部弹簧平衡系系统的优化、曲柄摇杆机构的速度和加速度特性、电机及减速系统选型、系统自锁方案、高可靠高智能防护功能。
1、内部弹簧平衡系统的优化
弹簧平衡系统是在内部输出轴上设计弹簧储能机构——摆臂和弹簧装置，靠内部平衡机构动态平衡栏杆升降时的阻力矩，使任意位置系统总力矩近似为零，充分利用动能和势能的转换，最大限度地减小驱动功率、满足系统抗外加干扰载荷、延长机体寿命。
因为栏杆阻力矩与转动时的垂直转角成正弦比例变化，所以，弹簧平衡系统也应跟踪产生近似正弦比例的力矩。由于拉簧随栏杆转角变化，其拉力和力臂的大小方向都在变化，故力矩的动态变化无简单规律可循。因而设计中出现了多个连续变量的理论计算，必须采用有效的优化设计思路。
如下图所示，起始位置时摆臂OA与弹簧原长PA的夹角为a；转动时，由于摆臂与栏杆同固定在输出轴上始终成7夹角，所以摆臂从伽转到OB时，栏杆由OC转到DC’位置，摆臂转角和栏杆转角均为0， 0的取值范围是0—900。摆臂OA=OB=R、弹簧原长PA=L、弹簧伸长后长船=L。，弹簧K、栏杆OC=L0为定值。
栏杆内部机构示意图
弹簧平衡系统简化示意图
平衡力矩曲线与阻力矩曲线的比较如图所示：
衡力矩曲线与阻力矩曲线比较图
利用优化后的L、α可以确定弹簧相对于摆臂的始固定位置，弹簧平衡机构的几何尺寸就精确得出。再通过L、K、δLmax一就可确定弹簧的设计参数。
实际应用中适当预紧弹簧使其有一定初拉力，服机构和传动系统摩擦阻力很有必要，从理论上簧的力矩曲线形状没有影响，为整体动态平力矩提供了一定余度。根据栏杆材质长度调整弹并联根数以适应平衡效果。
本平衡优化的最大偏差值作为电机选型时的负阻力矩条件为：
2、曲柄摇杆机构的速度和加速度特性
对电动栏杆的负载特性进行细致 分析 ，如果靠内部弹簧把栏杆阻力矩平衡后，末级传动的输出轴上负载阻力矩将很小。但栏杆的转动惯量不可忽视。因为栏杆转动半径为1．5—3m，其惯量对系统启动平稳性和停止时的冲击影响很大。所以一些在末级传动中使用齿轮传动的栏杆机，内部都要在接近停位时预先断电，靠惯性运行到终点位置，且设计了吸收冲击能量的橡胶弹簧。这就使栏杆运行到停位时抖动、冲击不可避免，从而影响系统可靠性和使用寿命。不如采用曲柄摇杆机构。而采用曲柄摇杆为末级传动的设计中，能利用连杆系统本身的速度特性使在停位速度接近为零，使系统惯性冲击作用到内部机座中，而外部栏杆在末位冲击颤动明显改善。
在启动时系统惯量必须考虑摇杆加速度变化，使电机克服负载加速转动所消耗的功率成为主要因素。通过对连杆机构的速度 分析 和加速度 分析 ，确定启动时负载轴上的最大角速度和最大角加速度。如图所示：
连杆机构图
设曲柄栏杆机构的主动件L1的角位移φ1，角速度φ2。和角加速度φ3。。
摆杆L3的速度
分析
公式：
根据以上公式可求出输出轴角速度和角加速度，为电机选型提供理论参考。
3、电机及减速系统选型
电机功率计算不仅要满足克服负载阻力矩，还要有足够的功率使负载作加速运动。选型时电机功率计算公式为：
如果电机选用的不是减速力矩电机，那么，减速器应选择传动效率高、噪声低、温升小、体积紧凑型。建议选用圆弧齿圆柱蜗杆减速器，其特点为：①由于蜗轮和蜗杆凸凹齿合，降低了齿面应力，增强了齿面强度；②接触线与圆周速度夹角大部分在40～900度之间。容易形成液体润滑，齿面摩擦系数小，所以效率高、温升低；③该齿形合理减薄了蜗杆齿厚，增强了蜗轮齿根厚，因此蜗轮抗弯强度大。
4、系统自锁方案
在电动栏杆的使用中，栏杆水平封闭位置时必须有自锁功能防止人为抬升栏杆。
国外先进的Magnetic栏杆产品采用的是单相可堵转力矩电机，电机可在任意位置堵转工作不会损坏电机，而且内有导热良好的导热脂，既可以把热很快传到外壳散热，又能保证电机线圈不生锈。靠此核心技术实现了其堵转下持续工作锁紧栏杆。原理是：电动机驱动栏杆转到水平位置后，电机继续延时加电l-2s，使连杆在水平锁紧位置充分到位，而电机在此时输出额定转矩持续堵转，之后控制电机输入电流减小为额定电流的1／2，继续维持摆杆向下的转动力矩，电机还是堵转工作只是功率减小，其力矩足以锁定栏杆不被轻易抬起，其发热量会通过电机壳散热达到平衡，不会烧坏电机和影响寿命。
栏杆处于水平锁定位置时，如果设备断电电机锁紧力矩失去，栏杆被内部预先调紧的平衡弹簧拉起。国内一般水平的栏杆采用曲柄在连杆机构死点位置自锁栏杆抬起，由于受机构精度和稳定性影响，有时不可靠；而采用蜗轮蜗杆减速器的反向自锁功能是很有效的方案。但缺点是停电后要靠人工回转复位。如采用电机的制动装置锁紧，其体积大且可靠性、稳定性要求高，一般较少采用。
所以，可堵转力矩电机的技术应用决定了栏杆自锁技术水平，而这种电机设计尤为特殊且技术难度大。
5、高可靠高智能的防护功能
为防止车辆水平冲撞栏杆时，破坏冲力传递到设备内的主要部件，损坏栏杆机主体，栏杆本身应有抗撞缓冲装置，目前常用缓冲装置如图所示。
缓冲装置分为转动关节形式及应力剪切栏杆壁形式
为防止栏杆误动作后砸车或下落过程中伤人，在栏杆臂上安装超声波测距传感器，实现转动中紧停或反转来保护车辆或行人。也可采用高密聚氨脂材料做栏杆，既减轻了栏杆阻力和惯量，也缓冲了砸击力量。
6、结论
电动栏杆虽然是小型机电一体化产品，但要求运行平稳、可靠、寿命长，并对野外环境适应性强，所以必须重视产品关键技术设计的理论计算，为产品改进优化提供必要的参考依据。
第三节 国内外技术未来发展趋势 分析
新产品技术路线：
栏杆机的的技术路线就是向智能型的发展。具体表现在：智能型电动栏杆机可与公路收费系统、城市停车场收费系统连接，实现自动控制栏杆起落也可人工手动或遥控控制栏杆起落；控制部分预留脉冲输出接点；电机为电动栏杆机专用扭矩电机；杆臂可选；杆臂腹部设计防砸车减震胶囊。
电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection,简称ETC)是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。它通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通讯,在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下,自动完成收费处理全过程。处理系统在车道入口处放置一个线圈判断车辆是否进入车道，如果是正常车辆则抬杆放行，通过车道后栏杆自动落下。如有误入车辆，则需要操作员手动清除误入车辆。系统自动计时、计费，服务快捷高效，信息显示屏同时可显示应收费用，并以文明语言问候致意，使用户心情舒畅，提高使用效益。系统配套的栏杆机具有防砸车功能；系统的车辆检测装置采用先进抗干扰功能，适应各种恶劣环境。
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