李 營

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430）

0 引言

近年來，強(qiáng)降雨過后造成水淹汽車現(xiàn)象日益增多，為廣大車主和保險(xiǎn)行業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而在眾多水淹汽車中，有相當(dāng)比例的汽車在完全浸水前已預(yù)測到水淹危險(xiǎn)，卻無法對汽車實(shí)施及時(shí)、有效的救助。目前，國內(nèi)外關(guān)于水淹汽車救助的相關(guān)研究和報(bào)道都十分少見，市場上更沒有成型的防水淹救助系統(tǒng)可以有效防止水淹車的發(fā)生。目前，國內(nèi)外關(guān)于防水淹汽車救助的相關(guān)研究和報(bào)道都十分少見，市場上更沒有成型的防水淹救助系統(tǒng)可以有效防止水淹車的發(fā)生。因此，能否開發(fā)出有效的汽車防水淹自救系統(tǒng)并推向市場，可對抵御自然災(zāi)害做出積極貢獻(xiàn)[1,2]。

1 汽車防水淹救助的研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于汽車防水淹救助的研究較少，雖然美國、澳大利亞等國家每年都會有水淹車災(zāi)害發(fā)生，但相對應(yīng)的研究多集中在水淹后的應(yīng)對措施、維修等方面，但對于防水淹救助處理等方面的研究并不多見。國內(nèi)關(guān)于汽車防水淹救助方面的研究同樣少見，王文軍等在《汽車涉水行駛及其施救方法》 一文探討了汽車已進(jìn)水后的處理與自救程序；劉勇在《駕駛園》雜志介紹了一種汽車排氣管防水裝置，通過加入彎管提高排氣管道出口高度，一定程度上提高了汽車安全涉水深度，但不能有效避免水淹車問題[3]。

現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)車主在汽車逐漸浸入水中的過程中無奈的選擇了放棄救助，也有部分人采取了相應(yīng)自救措施，主要包括以下幾種： ①迅速駛離積水位置，此措施僅對具備駛離條件的車輛可行；②雨前把車開到高位，此措施僅對有地理?xiàng)l件且汽車尚未深度浸水時(shí)可用；③將車添加防水設(shè)計(jì)，僅能一定程度起到防水作用，在汽車深度浸水時(shí)失效；④將車原地提高，部分車主雨前通過千斤頂把車四個輪子逐一抬起并墊入加高塊，起到很好的防水淹效果，但如果沒有專用的舉升裝置，其操作較為復(fù)雜，增加高度有限，且在緊急搶況下很難迅速實(shí)施。

2 汽車舉升結(jié)構(gòu)的主要類型

國外20 世紀(jì)初期因汽車維修業(yè)的發(fā)展逐漸產(chǎn)生了汽車舉升機(jī)，隨著科技發(fā)展，舉升機(jī)類型也逐漸拓展，目前常用的舉升機(jī)包括機(jī)械式、液壓式和氣壓式三種類型[4]，三種舉升結(jié)構(gòu)的性能比較如表1 所示。其中機(jī)械傳動舉升機(jī)多用于工廠及工業(yè)設(shè)備的舉升裝置，氣壓傳動舉升機(jī)一般常見于自動化生產(chǎn)線中負(fù)載較小且需要快捷動作的場合，液壓傳動舉升機(jī)由于其性能優(yōu)勢成為目前主流的汽車舉升機(jī)產(chǎn)品類型[5]。

表1 舉升機(jī)構(gòu)的性能比較表Tab.1 Properties comparison of auto lifting mechanism

一般的汽車舉升機(jī)主要針對于汽車維修中使用，需安裝，體積大，重量大，難以在防水淹救助系統(tǒng)中推廣。隨著近年來汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對汽車舉升技術(shù)的研究逐漸從舉升機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新拓展到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、舉升控制技術(shù)研究、舉升運(yùn)動學(xué)分析、舉升穩(wěn)定性研究等方面，同步控制技術(shù)也在舉升控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)早期多用于建筑領(lǐng)域，我國50年代才開始應(yīng)用于橋梁的施工，如西南交通大學(xué)于惠楠對整體同步頂升梁板更換橋梁支座提出了解決方案等[6，7]，但同步舉升技術(shù)尚未在汽車舉升領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 基于同步舉升控制技術(shù)的汽車防水淹系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文借助汽車原地升高思路提出一種舉升 （頂升）式汽車防水淹自救系統(tǒng)，可通過舉升結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保支撐的穩(wěn)定性和便攜性；通過選擇位移、傾角及壓力三個傳感器對車身提升過程的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用智能控制的方法，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)校正，使其滿足穩(wěn)定性要求。自救系統(tǒng)包含水淹預(yù)警監(jiān)測子系統(tǒng)、舉升控制子系統(tǒng)、舉升動力子系統(tǒng)、舉升執(zhí)行機(jī)構(gòu)、防水裝置等部分，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

（1）舉升與支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到便攜式和承重，按照普通小型汽車設(shè)計(jì)舉升的最大重量為2500kg，舉升的高度為800mm；考慮可利用汽車自身電源等原因，設(shè)計(jì)總電控功率控制最小可達(dá)150W 以內(nèi)。鑒于汽車水淹現(xiàn)場可能是地形不夠規(guī)則的路面和停車場，需選取可進(jìn)行舉升角度控制的多點(diǎn)同步舉升方法，通過配合自適應(yīng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)舉升后的車體的水平問題，因此選取分體式四柱舉升作為汽車防水淹的舉升機(jī)構(gòu)，并從便攜性和穩(wěn)定性進(jìn)行舉升結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 汽車防水淹救助系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of waterproof relief system of automobile

（2）舉升控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，選擇閉環(huán)的控制方式實(shí)現(xiàn)四柱同步舉升，時(shí)刻保持車體水平度在一定范圍以內(nèi)。基于模糊控制響應(yīng)速度快、減弱超調(diào)、防止振蕩等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用基于模糊自適應(yīng)控制技術(shù)，選取三個參數(shù)建立三維模糊控制器，并選取恰當(dāng)?shù)目刂撇介L以實(shí)現(xiàn)車身的平穩(wěn)舉升。在調(diào)平系統(tǒng)中，選用最高不動的 “追逐式” 調(diào)平方法。選擇的控制參數(shù)如下：①位移：根據(jù)控制液壓缸的位移實(shí)現(xiàn)同步舉升動作。因位移控制技術(shù)及傳感器發(fā)展較為成熟，同步控制較易實(shí)現(xiàn)，并具有系統(tǒng)簡單，可靠性高等特點(diǎn)，可作為系統(tǒng)的主要控制參數(shù)；②傾角：為了車身穩(wěn)定要求，需要在舉升過程對車體傾角進(jìn)行控制。通過傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)傾角調(diào)節(jié)控制，保證車體的重心在合理范圍，也可以有效避免因地面不平或變形造成的車身傾斜隱患；③壓力：四點(diǎn)同步舉升控制往往會造成其中一個支腿“懸空”，從而產(chǎn)生了“虛腿”問題[8]，系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測四個支撐點(diǎn)壓力，并通過位移控制器微調(diào)“虛腿”高度。

（3）動力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為拓寬防水淹系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，其動力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩套方案。方案一：利用220V 交流電源供電。本方法動力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，供電能力能得到保障，但是僅能在具有供電條件的停車場和私家車庫適用；方案二：采用汽車自供電。汽車電瓶通常供電電壓為12V（24V，36V）直流電源，可提供150W 左右的功率，此方式解決了系統(tǒng)供電的場地限制，但僅可實(shí)現(xiàn)低功耗的舉升控制。

（4）預(yù)警與防水子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。預(yù)警系統(tǒng)是為了給車主提供舉升控制的提示、警示和使能控制，包含以下功能： 危險(xiǎn)水位（水淹車）的測量與預(yù)警；水流強(qiáng)度檢測與預(yù)警（舉升危險(xiǎn)性）；舉升條件的自動檢測與舉升使能控制；舉升場地的障礙警示及舉升的緊急止動控制等。因系統(tǒng)可能會在水下工作，工作環(huán)境要求系統(tǒng)防水性，設(shè)計(jì)中把舉升機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)加入了防水設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)想與應(yīng)用展望

（1）提高支撐結(jié)構(gòu)的便攜性與穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮四柱的安裝位置、固定方式、支架結(jié)構(gòu)等，提高機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)也要考慮減小系統(tǒng)質(zhì)量及控制成本等。今后研究中既要針對不同的應(yīng)用場合，從經(jīng)濟(jì)性和適用性出發(fā)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，又可以借助有限元分析和實(shí)驗(yàn)測試法，不斷優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，解決輕便與穩(wěn)定之間的矛盾[9]。

（2）提高舉升控制的穩(wěn)定性。一是避免“虛腿”問題，因四點(diǎn)支撐易產(chǎn)生 “虛腿”，可在今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用四柱獨(dú)立式舉升機(jī)，借助壓力傳感器，通過軟件設(shè)計(jì)解決虛腿問題；二是避免車身傾斜，可借助傾角傳感器，建立模糊控制器對傾角作矯正控制，時(shí)刻保持車體底面對水平面平衡度的要求；三是考慮水流對控制的影響，汽車水淹環(huán)境惡劣，水流強(qiáng)度如果太大，容易造成舉升的汽車傾覆，因此須對水流量進(jìn)行監(jiān)測，通過流體力學(xué)分析，構(gòu)建車身傾角矯正控制，在水量較大時(shí)盡量減小舉升高度來換取系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)調(diào)整車身傾角，增加頂升系統(tǒng)與車身的作用力，提高車體穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)的動力供應(yīng)問題。考慮到防水淹自救實(shí)施地點(diǎn)的普適性，系統(tǒng)最好可以利用汽車電瓶供電，但電瓶通常供電為低壓直流供電，輸出功率有限，實(shí)現(xiàn)四缸同步驅(qū)動有一定困難。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮雙動力輸入控制方案： 在利用交流220V 供電時(shí)動力較充足，選擇四柱同步驅(qū)動控制；利用汽車自身電源時(shí)，動力較弱，要對動力系統(tǒng)進(jìn)行低能耗優(yōu)化，或切換到單柱循環(huán)輪流舉升控制。

（4）設(shè)計(jì)應(yīng)用展望。本文提出了基于同步舉升技術(shù)的汽車防水淹自救系統(tǒng)解決方案，并對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式、防護(hù)措施等給出了設(shè)計(jì)思路和方法，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自身的重量、便攜性、應(yīng)用范圍等還需在進(jìn)一步的試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。如能通過持續(xù)改進(jìn)，建立輕便可靠、價(jià)格合理的汽車防水淹自救產(chǎn)品，并逐步拓展更多的實(shí)用功能，必將能夠得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

[1] 李媛. 關(guān)于廣州市“水淹車庫”的分析[J].中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2011，4.

[2] 陸善輝.由廣州水浸車庫事件談地下停車庫的日常管理[J].中國物業(yè)管理，2010，9.

[3] Jabatan Pengairan. Guideline on Flood Prevention for Basement Car Parks[EB/OL]:http://jps.penang.gov.my/weblinkattach/guideline%20on%20flood%20prevention%20for%20basement%20car%20parks.pdf

[4] 郭武，黃澤星，吳上生. 汽車舉升機(jī)的發(fā)展趨勢分析[J]. 2011，21.

[5] 趙佳.舉升機(jī)/進(jìn)化史汽保行業(yè)面面觀之汽車舉升機(jī)篇[J].檢測技術(shù)及設(shè)備，2010，9.

[6] 黃川貴.人行天橋同步頂升系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[7] 于惠楠.整體同步頂升梁板更換橋梁支座的應(yīng)用研究[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，1.

[8] 姚曉璐.基于多體動力學(xué)的自卸半掛汽車舉升穩(wěn)定性研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008，4.

[9] 張興旺.基于ADAMS 的舉升裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].專用汽豐，2006，9.