張偉文 郭聯(lián)金 李會(huì)玲 周晶
(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 東莞 523808)
垂直循環(huán)類停車設(shè)備是指載有車輛的載車臺(tái)(含載車板)在垂直面內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的停車設(shè)備。該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)由主框架、載車臺(tái)和相關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)組成,電氣部包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)、安全和檢測(cè)系統(tǒng)[1,2]。
垂直循環(huán)停車系統(tǒng)框架如圖1 所示。該類車庫層數(shù)一般為4-11 層。一個(gè)n 層的垂直車庫僅占用2 個(gè)停車位,能提供的車位數(shù)為(n-1)*2。車庫主框架為鋼結(jié)構(gòu),搭建施工較為快捷,快速搭建一個(gè)車庫的施工時(shí)間只需要數(shù)天時(shí)間。垂直循環(huán)車庫的存取運(yùn)作較為簡(jiǎn)便,占地面積少,空間利用率高,施工快,優(yōu)點(diǎn)突出,目前立體垂直循環(huán)車庫已在很多城市得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1 垂直循環(huán)停車系統(tǒng)框架
立體車庫作為特種裝備,保證設(shè)備安全是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)(見圖2),影響車主使用車庫的最大因素是對(duì)車庫設(shè)備安全性和設(shè)備可操作性[6]。在這些影響因素中,對(duì)安全性的顧慮是最多的,可見安全性是影響立體循環(huán)車庫推廣的主要因素?!洞怪毖h(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JBT 10215-2020 制定了該類車庫設(shè)計(jì)實(shí)施的基本要求,標(biāo)準(zhǔn)中包括整機(jī)性能,制造,結(jié)構(gòu),試驗(yàn)及調(diào)試等細(xì)節(jié)參數(shù)及要求。由于各類原因,立體車庫在使用過程中,曾出現(xiàn)了多起立體車庫使用事故[7-9]。事故中不僅導(dǎo)致車輛損毀,甚至有人員的傷亡的情況出現(xiàn)。事故的原因有人為的原因,也有設(shè)計(jì)上的原因。為了避免事故的發(fā)生,應(yīng)盡量提高車庫系統(tǒng)的安全冗余和穩(wěn)定。安全和穩(wěn)定依然是立體循環(huán)車庫系統(tǒng)日后改進(jìn)的重點(diǎn)。
圖2 車主顧慮因素
垂直循環(huán)車庫通過含載車板的載車臺(tái)裝載車輛,車輛隨車臺(tái)在垂直循環(huán)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)。垂直循環(huán)車庫常用的循環(huán)提升機(jī)械結(jié)構(gòu)為獨(dú)立框架式+撥叉式槽輪傳動(dòng)或鏈輪傳動(dòng)。鏈板安裝在主框架的軌道上,鏈輪安裝在主框架。鏈輪和鏈板的連接如圖3 所示。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈板間的滾子,帶動(dòng)鏈板在軌道循環(huán)運(yùn)動(dòng)。提升鏈板是個(gè)三角形的鋼板,底邊作為鏈板連接,另一端的安裝孔聯(lián)接載車臺(tái)。載車臺(tái)則通過中心橫軸安裝在前后兩端的提升鏈板的安裝孔中。
圖3 提升鏈輪傳動(dòng)
車庫整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖4。電動(dòng)機(jī)先通過減速機(jī)減速,然后再經(jīng)過鏈條傳動(dòng)進(jìn)一步減速后帶動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈板在框架軌道中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
圖4 垂直車庫的傳動(dòng)示意圖
循環(huán)車庫傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各類振動(dòng)。主要原因包括裝配精度,鏈傳動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)速度的不均勻性,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)的沖擊及載車臺(tái)的吊籃結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的擺動(dòng)等。
車庫傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中含有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鏈傳動(dòng)及一個(gè)工作在軌道中的非標(biāo)鏈傳動(dòng)。兩個(gè)鏈傳動(dòng)由于多邊形效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)的速度不均勻。不過鏈傳動(dòng)的速度不均勻性很小,對(duì)車庫運(yùn)行的影響不大。
電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩,對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)有很大的沖擊。如圖5 所示異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)械特性圖,電機(jī)的啟動(dòng)是從較大的轉(zhuǎn)矩開始運(yùn)行的,電機(jī)啟動(dòng)后會(huì)先繼續(xù)加大轉(zhuǎn)矩,然后再降低轉(zhuǎn)矩運(yùn)行在工作轉(zhuǎn)矩處。由于電機(jī)的啟動(dòng)特征,車庫調(diào)動(dòng)車輛時(shí),可以人為聽到啟動(dòng)沖擊的聲音,也能感受到整個(gè)傳動(dòng)平臺(tái)受到?jīng)_擊。
圖5 電機(jī)啟動(dòng)機(jī)械特性
載車臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程中,最底層的車廂和最頂層的載車臺(tái)振動(dòng)是最大的。車庫不運(yùn)作時(shí),載車臺(tái)吊裝在中心橫軸,靠底部重力實(shí)現(xiàn)左右平衡。車庫運(yùn)作時(shí),底部和頂部車廂受到提升鏈板的橫向力(如圖6 所示),橫軸和載車臺(tái)是鉸鏈連接,在橫向力的作用下,載車臺(tái)會(huì)左右晃動(dòng)。為了了解載車臺(tái)的受力情況,本文在載車臺(tái)上安裝加速度傳感器,記錄了載車臺(tái)底部水平啟動(dòng)至垂直平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的加速度變化。傳感器安裝在載車臺(tái)的下方中間處,如圖6 所示位置1。
圖6 加速度檢測(cè)位置
整個(gè)檢測(cè)分兩個(gè)階段,第一階段為由底部上升下一位置(0-40 秒),第二階段由剛才位置下降至底部(40-80 秒)。圖7 是記錄下來的水平橫向(X 向)的加速度變化圖,圖8 是記錄沿重力垂直方向(Z 向)的加速度變化。從圖7 中可見,啟動(dòng)時(shí),底部載車臺(tái)X 向受到最大3g 的加速度。底部位置受力后,車廂產(chǎn)生擺動(dòng),受力的振動(dòng)頻率約為1Hz,啟動(dòng)上升階段振動(dòng)時(shí)間約15 秒,下降停止階段振動(dòng)時(shí)間約為8 秒。垂直往下運(yùn)動(dòng)時(shí),橫向運(yùn)動(dòng)加速度則較小。圖8 為垂直方向的加速度圖,其啟動(dòng)受力加速達(dá)到3g-6g,變化較為隨機(jī)??梢妱倖?dòng)及停止階段會(huì)受到較大的沖擊,底部位置由于吊籃沒有緩沖措施,載車臺(tái)受到會(huì)震蕩搖擺,且時(shí)間較長(zhǎng)。
圖7 載車臺(tái)橫向加速度
圖8 載車臺(tái)垂直向加速度
傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)影響車庫的安全及使用壽命,例如載車臺(tái)的擺動(dòng)會(huì)傳動(dòng)到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng),長(zhǎng)久的沖擊也會(huì)引起疲勞,降低機(jī)械部件的使用壽命。此外,振動(dòng)對(duì)車輛也會(huì)有影響,車庫底部載車臺(tái)上的車輛在啟動(dòng)時(shí)會(huì)收到教大的橫向沖擊,并且會(huì)有輕微搖晃,由于車輛的設(shè)計(jì)主要是作前后運(yùn)動(dòng)的,橫向沖擊會(huì)對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)有一定的影響,應(yīng)盡量減少較少橫向的沖擊。垂直循環(huán)車庫應(yīng)盡量減少?zèng)_擊,通過機(jī)械或電氣上的調(diào)整,可以進(jìn)一步提高車庫的系統(tǒng)壽命和安全性。常見的方法有機(jī)械結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和電氣控制上的改進(jìn)。
機(jī)械結(jié)構(gòu)方面:可以增大系統(tǒng)的剛性,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;采用較為柔性的機(jī)械連接,例如用蛇形聯(lián)軸器聯(lián),降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊。另外,載車臺(tái)應(yīng)避免擺動(dòng)振動(dòng),可以底部和頂部安裝吸能裝置,減少啟動(dòng)時(shí)的橫向沖擊導(dǎo)致的擺動(dòng)。
電氣控制方面:可以采用電氣調(diào)速措施,降低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,避免大的沖擊。
此外,機(jī)械系統(tǒng)中,涉及安全的關(guān)鍵零部件應(yīng)增加冗余安全設(shè)計(jì)。車庫的前面幾個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié),都具有一定的安全冗余,單個(gè)零件的失效,安全隱患不大。但傳動(dòng)系統(tǒng)最后階段,三角板和中心橫軸的聯(lián)接十分重要。這里涉及主要的受力部件包括三角板,鏈條板及車廂回轉(zhuǎn)軸。鏈條板一般設(shè)計(jì)為雙層,鏈條板和三角板的鏈接也是雙點(diǎn)聯(lián)接,均具有一定的安全冗余,不過載車臺(tái)中心橫軸和三角板的連接是單路連接。如若三角板連接處發(fā)生斷裂,載車臺(tái)則可能會(huì)掉落,引起安全事故。為了提高安全性,可以增加車廂本體和轉(zhuǎn)載鏈條的保險(xiǎn)連接,避免單路聯(lián)接,增加安全冗余。
垂直循環(huán)停車系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)是停車系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。本文研究了垂直循環(huán)停車系統(tǒng)的常見傳動(dòng)設(shè)計(jì),先從各個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)分析其工作特性,然后根據(jù)載車臺(tái)的加速度變化分析載車臺(tái)的振動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的啟動(dòng)沖擊及載車臺(tái)的吊籃結(jié)構(gòu)是造成系統(tǒng)振動(dòng)的主要原因。加速度檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,底層車廂橫向移動(dòng)時(shí)上下及左右方向均有較大振動(dòng),且橫向有反復(fù)震蕩。針對(duì)此,本文提出了機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣控制兩個(gè)方面的改進(jìn)措施。此外,立體垂直循環(huán)車庫的三角板及車廂聯(lián)接處可增加機(jī)械聯(lián)接,增加了安全冗余度,提高了車庫的可靠性。