面向液壓夾升降及換向的多服務(wù)立體停車設(shè)備

張利平，梁倚琳，劉琥鋮，孟令昊

（1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.生產(chǎn)系統(tǒng)工程研究所，武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081）

1 引言

隨著人們經(jīng)濟水平的不斷提高，城市汽車的保有量急劇增加，致使城市交通擁擠和停車困難。根據(jù)國家發(fā)改委公布的數(shù)據(jù)，目前我國大城市小汽車與停車位的平均比例約為1：0.8，中小城市約為1：0.5，與發(fā)達國家1：1.3相比，我國停車位比例嚴重偏低，全國車位缺口超過5000萬個[1]。然而，傳統(tǒng)停車場區(qū)依賴拓展土地面積來增加泊位數(shù)量，已不能從根本上解決停車難的局面，也不符合當(dāng)前綠色經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略。為解決此問題，具有占地面積小、空間利用率高等[2-3]諸多優(yōu)勢的立體停車設(shè)備，成為了當(dāng)前各熱點城市解決停車難的有效途徑。

目前，立體停車模式主要有以下幾種形式：升降橫移類、多層循環(huán)類、簡易升降類、垂直升降類、平面移動類、巷道堆垛類等[4]?，F(xiàn)有立體停車設(shè)備多采用單口進出存取車輛、多位車主同時使用時需依次存取，造價高昂。各類立體車庫中升降橫移類立體車庫以其可多單元組合，方便靈活，能滿足各種不同需求的優(yōu)勢應(yīng)用范圍最廣[5-6]，占立體停車設(shè)備市場份70%。據(jù)實地測量存/取車輛耗時，依次存/取第20 輛車時，該類型立體車庫約需50min。另外，一些學(xué)者采用遺傳算法[7]、排隊論[8]對泊車路徑進行規(guī)劃，但仍存在存取車輛耗時長。其次，在寸土寸金的大中型城市，拓建立體停車場空間也遇瓶頸期，但單層地下停車場的建設(shè)高度一般為（3.9～4.2）m，存放車輛只占用1.7m左右的高度，仍存在可擴容空間。針對上述問題，設(shè)計出一種面向液壓夾升降與轉(zhuǎn)向的多服務(wù)臺式升降橫移類立體停車設(shè)備，該立體停車設(shè)備占用空間小、可實現(xiàn)多車同步、快捷無堵進出庫，主要適用于地下單層停車場擴建為多層立體車庫場景，也適用于巷道、小區(qū)狹窄停車道等狹窄難停車空間。

2 多服務(wù)臺式立體停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有立體停車設(shè)備多采用液壓傳動進行升降，液壓升降系統(tǒng)以其功率重量比大，易實現(xiàn)無級調(diào)速及安全可靠等優(yōu)勢在立體停車設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[9]。與現(xiàn)有立體停車設(shè)備液壓升降系統(tǒng)不同的是，多服務(wù)臺式立體停車設(shè)備采用液壓夾夾緊車板升降與換向，液壓設(shè)備中可用于傳動、支撐、緊鎖等多個方面。設(shè)備的主要部件包括自動控制系統(tǒng)、水平移動裝置、垂直升降裝置、限位鎖緊裝置和中央處理器，如圖1所示。其工作原理為：當(dāng)有車需要入庫（一層車庫可以直接進入，不考慮電機動作；此處只考慮需要入二層車庫）的時候，啟動電機2，先水平移動機構(gòu)將機架整體移出，移出到設(shè)定位置后，觸碰限位開關(guān)動作，自動控制電機6，此時垂直升降裝置將托車板放下來，下降到指定高度后，觸碰限位開關(guān)動作，自動控制電機6停止工作，車輛入庫；車輛入庫完成后，壓力傳感器檢測到較為均勻的壓力信號，控制電機6啟動，垂直升降裝置將托車板舉起來，上升到指定高度后，觸碰限位開關(guān)動作，自動控制電機6停止工作、電機2開始工作，水平移動機構(gòu)將機架整體移入。

圖1 多服務(wù)臺式立體停車設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Multi-Service Bench Stereo Parking Equipment Structure

2.1 液壓夾夾緊、升降及換向的原理

（1）液壓夾夾緊車板的升降原理：液壓夾5由液壓缸1、上夾板2和下夾板3構(gòu)成；下夾板3與升降板固定相連、升降板與鏈輪鏈條4固定相連構(gòu)成升降裝置，如圖2所示。通過液壓缸1驅(qū)動上夾板2下行運動即可與下夾板3一起將承車板5夾緊，所述液壓夾的上夾板2底部設(shè)有多個固定銷，承車板5上設(shè)有與固定銷相配合的多個通孔，液壓夾夾緊承車板5時，上夾板2底部的固定銷剛好插入承車板5上的通孔內(nèi)，將承車板5相對固定好。夾緊固定后，通過升降裝置帶動液壓夾及承車板5上下運動，實現(xiàn)液壓夾夾緊車板進行升降的功能。

圖2 液壓夾夾緊升降的工作結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Working Structure of Hydraulic Clamping and Lifting

（2）液壓夾的換向原理：二層均停放有車輛時，液壓夾6、液壓夾7均處于夾緊狀態(tài)，如圖3所示。當(dāng)需要取出左側(cè)車輛時，則位于地面導(dǎo)軌1中間的移動立柱3上右邊的液壓夾7松開，液壓夾裝置與右側(cè)的承車板5解鎖，移動立柱3左側(cè)的液壓夾6保持與左側(cè)的承車板5夾緊并鎖定。檢測到已鎖定好后，支撐左側(cè)承車板5的液壓支撐桿2下降一小截，而后移動立柱3向左側(cè)移動，到達地面導(dǎo)軌4左端盡頭時，通過移動立柱3上的升降裝置與液壓夾裝置的固定相連帶動承車板5緩慢下降，車輛縱向駛離左側(cè)的承車板5，二層左側(cè)車輛的取車過程，如圖4所示。若需取出右側(cè)車輛時，則將左側(cè)液壓夾6松開，右側(cè)液壓夾7夾緊承車板，后續(xù)取車過程與上述相同，按照上述步驟相反即為存車過程，以下不再贅述。通過液壓夾可雙向夾緊的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)共用單個移動立柱升降雙邊車輛的功能。

圖3 多服務(wù)臺式立體停車設(shè)備的左視圖Fig.3 Left View of Multi-Service Desktop Stereo Parking Equipment

圖4 二層左側(cè)車輛的取車過程Fig.4 Removal of Vehicles on the Left Side of the Second Floor

2.2 主要部件的功能

該多服務(wù)臺式立體停車裝置主要部件包括自動控制系統(tǒng)、水平移動裝置、垂直升降裝置、限位鎖緊裝置和中央處理器。

（1）自動控制系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳傳感器、限位開關(guān)、GPS位置傳感器、信號發(fā)射器。壓力傳感器用于監(jiān)測托車板上的壓力變化、位移傳感器用于監(jiān)測停車是否到位、限位開關(guān)用于控制平臺的升降限位以及機架的前后平移限位、GPS位置傳感器用于接收已預(yù)約車庫車輛的位置信息、信號發(fā)射器用于當(dāng)車輛行駛到車庫附近后采集信號控制電機動作。

（2）水平移動裝置包括電機、聯(lián)軸器、減速機、齒輪和齒條，用于實現(xiàn)立體車庫整體水平方向上的移動。

（3）垂直升降裝置包括電機、聯(lián)軸器、減速機、鏈輪、鏈條，用于實現(xiàn)立體車庫托車板豎直方向上的移動。

（4）限位鎖緊裝置包括四個相同的液壓缸構(gòu)成的液壓夾，液壓鎖緊鎖緊回路，用于實現(xiàn)對托車板的夾緊固定。

（5）中央處理器采用AVR單片機，融合傳感器送來的各種信號，采用人工智能算法分析，并由此啟動相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動相應(yīng)的電機工作，完成設(shè)定的工作流程。

2.3 主要部件的結(jié)構(gòu)選型

為了滿足立體停車設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定可靠，各部件必須滿足力學(xué)結(jié)構(gòu)性能。通過實地調(diào)研、力學(xué)分析等手段，分析與設(shè)定了主要部件的結(jié)構(gòu)選型。

（1）機架結(jié)構(gòu)的選材：經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分私家車單臺車自重在2t以下，故此處選用2t作為單臺設(shè)備的設(shè)計載荷，托車板豎直方向上的運動速度設(shè)定為空載0.2m/s，帶載荷0.05m/s，取設(shè)計安全系數(shù)為2，設(shè)計總機械效率為0.6，機架整體結(jié)構(gòu)選用普通鋼材Q235。

（2）鏈條的選型：查國標GB1243-2006可得，鏈條選型24A雙排鏈條，24A單排鏈條動載極限強度為2.05t。

（3）垂直升降裝置中電機的選型：鏈輪提升整個平臺需提供的扭矩為4000N/m，取安全系數(shù)為2，電機應(yīng)提供8000N/m 扭矩，電機需要提供的功率為3kW。故垂直電機選型為轉(zhuǎn)速960r/min，功率為3kW的交流電機；減速機速比為58。

（4）水平移動裝置中電機的選型：整個平臺前后移動，需要的扭矩為2000N/m，取安全系數(shù)為2，電機應(yīng)提供4000N/m 扭矩，電機需要提供的功率為1.5kW。故水平移動電機選型為轉(zhuǎn)速960r/min，功率為1.5kW的交流電機；減速機速比為36。

（5）限位緊鎖裝置的選型：限位鎖緊裝置（液壓夾）液壓缸選型，活塞直徑為16mm 液壓缸，液壓油通油壓力為31.5MPa，單邊布置兩個。

（6）自動控制裝置的選型：限位開關(guān)用歐姆龍HL-5030，位移傳感器選用歐姆龍E3Z-D61，壓力傳感器選用松下DP-102。

3 力學(xué)性能分析

借助有限元分析軟件ANSYS workbench 對多服務(wù)臺立體停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)在極限情況下進行力學(xué)性能分析，其分析結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。對該結(jié)構(gòu)的工況進行分析可知，極限工況為托板將車體提升時，該工況下不受立柱支撐，且承載最大，此時兩邊立柱同時對托車板起提升作用。

3.1 整體建模及網(wǎng)格劃分

材料參數(shù)設(shè)定：模板材料45 號鋼，彈性模量E=200GPa，許用應(yīng)力［σ］=315MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，選擇模型的網(wǎng)格尺寸為25mm，使用掃略方式進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型Fig.5 Grid Model

3.2 載荷施加

多服務(wù)臺立體停車設(shè)備結(jié)構(gòu)的整體壓力分布比較復(fù)雜，但其僅受車輛自重的載荷作用。在此處，為了便于分析，按車輛的自重2t施加集中壓力載荷進行分析，如圖6所示。

圖6 載荷設(shè)置Fig.6 Load Settings

3.3 有限元分析結(jié)果

圖7（a）應(yīng)力分布云圖可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓夾夾緊位置，其值為303.51MPa＜315MPa，在材料允許的屈服強度范圍內(nèi)，滿足強度要求。圖7（b）應(yīng)變分布云圖可知，最大應(yīng)變出現(xiàn)在托車板邊緣位置，其值形變量為13mm＜25mm，在材料允許的形變范圍內(nèi)，滿足剛度要求，故結(jié)構(gòu)的安全性得到了保證。

圖7 基于有限元分析的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical Properties Based on Finite Element Analysis

4 四類立體停車設(shè)備組合結(jié)構(gòu)仿真模型

根據(jù)不同場景，多服務(wù)臺立體停車設(shè)備具有四種組合結(jié)構(gòu)，適用于多種停車環(huán)境，可實現(xiàn)多方位進出庫的便捷停車服務(wù)。四種組合結(jié)構(gòu)包括：兩泊位橫向擺放結(jié)構(gòu)、四泊位縱橫擺放結(jié)構(gòu)、兩泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)、四泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)，并采用犀牛軟件對四類組合結(jié)構(gòu)進行仿真建模。

4.1 兩泊位橫向擺放結(jié)構(gòu)

兩泊位橫向擺放結(jié)構(gòu)適用于單邊靠墻，寬度（5～10）m路面，如圖8所示。當(dāng)有車輛需要停在一層泊位時，可直接側(cè)方入庫；當(dāng)有車輛需要停在二層泊位時，機架與托車板間的鎖緊裝置松開，機架帶動二層托車板橫移出來，而后將二層托車板下移至地面，二層托車板順應(yīng)道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，托車板在電機控制下原路返回。在現(xiàn)有停車占地面積不變的情況下，停車數(shù)量增大兩倍。

圖8 兩泊位橫向擺放結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Horizontal Layout Structure Model of Two Berths

4.2 四泊位縱橫擺放結(jié)構(gòu)

四泊位縱橫擺放結(jié)構(gòu)由兩組兩泊位橫向擺放結(jié)構(gòu)背靠背拼接而成，如圖9所示。該結(jié)構(gòu)適用于有雙向車道的停車環(huán)境。當(dāng)有車輛需要停在一層泊位時，可直接徑直入庫或倒車入庫；當(dāng)有車輛需要停在二層車泊位時，機架帶動二層托車板橫移出來，而后將二層托車板下移至地面，二層托車板順應(yīng)道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，托車板在電機控制下原路返回。在停車數(shù)量相同的情況下，占地面積縮小為原來60%。

圖9 四泊位縱橫擺放結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Structural Model of Four Berths Arranged Vertically and Borizontally

4.3 兩泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)

兩泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)適用于單邊靠墻，寬度（10～15）m 路面，如圖10所示。當(dāng)有車輛需要停在一層泊位時，可直接徑直入庫或倒車入庫；當(dāng)有車輛需要停在二層泊位時，機架先帶動二層托車板向外移動至指定位置，然后底座旋轉(zhuǎn)90°，再將二層托車板下移至地面，二層托車板順應(yīng)道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，電機帶動托車板按原路返回。在不增大現(xiàn)有停車占地面的情況下，停車數(shù)量增大為原來的兩倍。

圖10 兩泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)模型Fig.10 Structural Model of Two Berths Arranged Lengthwise

4.4 四泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)

四泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)由兩組兩泊位縱向擺放背靠背拼接而成，如圖11所示。該結(jié)構(gòu)適用于有雙向車道的停車環(huán)境。當(dāng)有車輛需要停在一層泊位時，直接徑直入庫或倒車入庫；當(dāng)有車輛需要停在二層泊位時，機架先帶動二層托車板向外移動至指定位置，然后底座旋轉(zhuǎn)90°，再將二層托車板下移至地面，待車停好后，電機帶動托車板按原路返回。在現(xiàn)有停車占地面積不變的情況下，停車數(shù)量增大兩倍。

圖11 四泊位縱向擺放結(jié)構(gòu)模型Fig.11 Structural Model of Four Berths Arranged Vertically

4.5 立體停車設(shè)備的特征分析

分析上述四類組合結(jié)構(gòu)，其適用于多種場景，譬如街道、巷道、住宅區(qū)，尤其適用于地下停車庫的擴容，且均將停車數(shù)量提升一倍。此外，設(shè)備權(quán)屬清晰，可實現(xiàn)一車一固定泊位。即該立體停車設(shè)備結(jié)構(gòu)實用性強、靈活便捷。

其次，該立體停車設(shè)備可真正實現(xiàn)多服務(wù)處理，即單臺立體停車設(shè)備可獨立完成停車入庫的升降動作，互不影響；單臺設(shè)備可以獨立的完成檢修以及零件的更換工作，不影響其他設(shè)備的使用；單臺設(shè)備故障，不影響其他設(shè)備的使用性能；單臺設(shè)備的維修保養(yǎng)不會影響相鄰及全部停泊位，不會牽一發(fā)而動全身。

第三，該立體停車設(shè)備使用率高，具有雙向夾緊功能的液壓夾鉗的使用，能夠在保證結(jié)構(gòu)強度安全的情況下，有效的降低設(shè)備的使用量，提高電機等設(shè)備的使用率。

第四，對比現(xiàn)有的立體車庫，具有能耗更低的優(yōu)勢。當(dāng)有車需要入庫時，電機只對單臺停車設(shè)備做功，避免了現(xiàn)在立體車庫，一臺車入庫，其他車輛必須被帶動的缺點。

5 結(jié)論

通過分析目前國內(nèi)立體車庫的發(fā)展現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，得出立體車庫推廣遇瓶頸期的主要原因有：單口進出存取車輛、多位車主同時使用時需依次存取，造價高昂、運行能耗較高等。針對上述的不足之處，設(shè)計出一種面向液壓夾升降及換向的多服務(wù)臺式立體停車設(shè)備。該設(shè)備把停車位設(shè)計成上下兩層錯位布局的結(jié)構(gòu)，可以說是一種創(chuàng)新的設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)配合液壓升降橫移機構(gòu)可以有效地提高立體車庫存取車輛的效率。通過有限元分析對結(jié)構(gòu)在各種工況的受力和變形進行分析，找出了結(jié)構(gòu)骨架的最大應(yīng)力作用單元和最大變形單元，并驗證了結(jié)構(gòu)滿足剛度和強度要求。最后，采用犀牛軟件對四類組合結(jié)構(gòu)進行仿真建模，仿真結(jié)果表明該立體停車設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、存取靈活、效率高、能耗低、設(shè)備使用率高。該設(shè)備可進一步擴展為三層甚至多層，但需核定其力學(xué)性能。