垂直循環(huán)立體車庫傳動(dòng)分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

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）

1 概述

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

2 垂直循環(huán)車庫的傳動(dòng)系統(tǒng)

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

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)分析

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

4 討論

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。

5 結(jié)果

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。