(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614000； 2.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024；3.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 四川 南充 637131)

引言

隨著城市汽車數(shù)量日益增多，而停車設(shè)施嚴(yán)重不足，停車位存在著極大缺口，中心商業(yè)區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、酒店及旅游景點(diǎn)等公共區(qū)域，停車難的現(xiàn)象尤為突出，已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的重要因素之一[1]。設(shè)計(jì)研制一種高效安全的立體停車裝置可有效緩解停車難的問題[2]?；谀壳皯冶蹎瘟⒅鶡o避讓立體停車裝置由于單邊受力而存在傾斜、晃動、穩(wěn)定性差、部件易于受損等安全隱患，本著“簡單、安全、實(shí)用、低成本”的原則設(shè)計(jì)了一種新型無避讓液壓立體停車裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)車輛安全可靠、快速、方便的存取。

1 新型無避讓立體停車裝置工作原理

新型無避讓立體停車裝置設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由液壓驅(qū)動系統(tǒng)、移動導(dǎo)軌、框架支撐主體、液壓伸縮拉桿、回轉(zhuǎn)升降立柱、載車板及PLC控制系統(tǒng)等組成。

新型無避讓立體停車裝置工作原理： 按下操作面板上存車按鈕后， PLC控制行走液壓馬達(dá)驅(qū)動行走輪沿著地面導(dǎo)軌滾動，帶動立柱、載車板沿地面導(dǎo)軌向車位外端移動，同時(shí)液壓拉桿沿著上層框架軌道槽向外滑動，當(dāng)行走輪碰到地面導(dǎo)軌上外端限位開關(guān)后，行走液壓馬達(dá)停止運(yùn)行， 立柱、載車板停止移動；PLC發(fā)信號控制雙向擺線液壓馬達(dá)運(yùn)行，通過蝸輪蝸桿驅(qū)動立柱、載車板實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，同時(shí)液壓拉桿沿著上層框架的半圓弧軌道一起滑動，當(dāng)載車板轉(zhuǎn)過90°后，液壓拉桿碰到上支撐框架上外轉(zhuǎn)限位開關(guān)，雙向擺線液壓馬達(dá)停止運(yùn)行，立柱、載車板停止轉(zhuǎn)動；PLC發(fā)信號控制升降多級液壓缸與液壓伸縮拉桿驅(qū)動載車板下降至地面，將汽車停到(或者開離)載車板，PLC接收到汽車定位開關(guān)信號后控制系統(tǒng)按照與以上相反的動作，使載車板回到原位，停放在中間支撐框架上，且液壓伸縮拉桿與多級液壓缸同時(shí)承受載荷，實(shí)現(xiàn)載車板的可靠停放，完成一次車輛的存取。

圖1 新型無避讓液壓立體停車裝置模型

2 新型無避讓立體停車裝置主要機(jī)械結(jié)構(gòu)

新型無避讓立體停車裝置的主體結(jié)構(gòu)采用框架支撐結(jié)構(gòu)，與地面多點(diǎn)固結(jié)，機(jī)構(gòu)受力狀態(tài)好，保證了上層車位停車安全、穩(wěn)定可靠。上層框架結(jié)構(gòu)上加裝篷布，可防雨、防塵、防曬，避免汽車直接暴曬與太陽，有效控制在炎熱天氣下，車廂內(nèi)的溫度持續(xù)上升，同時(shí)有效避免了高處跌落物對汽車的損傷。存取車過程的實(shí)現(xiàn)通過PLC控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)按照既定的順序動作來完成。

2.1 移動機(jī)構(gòu)

新型無避讓立體停車裝置的移動機(jī)構(gòu)包含地面導(dǎo)軌、行走液壓馬達(dá)、立柱、同步帶傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌行走輪、上層框架導(dǎo)軌槽、液壓拉桿及限位開關(guān)等，行走液壓馬達(dá)在PLC控制下運(yùn)行，通過同步帶傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)使行走輪沿著地面導(dǎo)軌滾動，移動基座帶動立柱沿著地面導(dǎo)軌移動，同時(shí)液壓拉桿沿著上層框架的導(dǎo)軌槽滑動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載車板的橫移，移動過程中，液壓拉桿、升降多級液壓缸及中間支撐框架同時(shí)支撐載車板，受力均衡，保證了載車板平穩(wěn)移動。水平移動有效行程為3.4 m，移動驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖2所示。

2.2 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

新型無避讓停車裝置的轉(zhuǎn)動由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動完成，回轉(zhuǎn)過程中要克服負(fù)載產(chǎn)生的慣性力矩、摩擦力矩及風(fēng)的阻力及其他阻力，且回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要頻繁啟動、制動，突然啟動或制動過程中會產(chǎn)生很大沖擊，從而造成裝備整體不穩(wěn)定[3]。為解決回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的沖擊特性，保證裝備穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，新型無避讓立體裝置采用雙向擺線式液壓馬達(dá)通過蝸輪蝸桿驅(qū)動立柱帶動載車板實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。

圖2 移動驅(qū)動機(jī)構(gòu)

新型無避讓立體停車裝置的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由雙向擺線液壓馬達(dá)、蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)支撐盤、立柱、液壓拉桿、上層框架、限位開關(guān)等組成，其回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖3所示。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過PLC控制雙向擺線液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐盤轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)支撐盤帶動立柱回轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)使載車板實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)過程中液壓拉桿沿著上層框架的圓弧軌道滑動，保證了回轉(zhuǎn)過程中載車板兩邊同時(shí)受力，避免了目前單立柱無避讓停車裝置在回轉(zhuǎn)過程中單邊受力承載存在的傾斜、晃動等安全隱患。且通過支撐框架上設(shè)置限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)了載車板90°正反向的精確回轉(zhuǎn)。

圖3 回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

2.3 升降機(jī)構(gòu)

立體停車裝備中，升降機(jī)構(gòu)直接影響裝備的可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性及整體結(jié)構(gòu)受力情況，對其安全性要求最高[3]。

新型無避讓立體停車裝置采用液壓拉桿與升降多級液壓缸共同驅(qū)動載車板實(shí)現(xiàn)升降，有效地避免了目前懸臂單立柱無避讓停車裝置升降過程中，抗彎抗撓部件為活動部件，且單邊受力承載而引起的傾斜、晃動、穩(wěn)定性差等安全隱患， 停取車過程更加平穩(wěn)、安全可靠。新型無避讓立體停車裝置的升降機(jī)構(gòu)主要包含液壓拉桿、上層框架、升降驅(qū)動液壓缸、立柱等，通過PLC控制液壓拉桿與升降多級液壓缸按照預(yù)定的速度同時(shí)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動，驅(qū)動載車板實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升降，升降的有效行程為2.1 m。

3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

停車裝備在載車運(yùn)行過程中,負(fù)載慣性大，啟停及換向過程中，速度、加速度會急劇變化，負(fù)載力對設(shè)備整體和傳動控制系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大沖擊，系統(tǒng)故障率提高[3-4]。液壓傳動與傳統(tǒng)立體停車設(shè)備采用的電機(jī)鏈條拖拽傳動機(jī)構(gòu)相比，具有傳動平穩(wěn)、沖擊振動較小、驅(qū)動功率大、易于實(shí)現(xiàn)直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動、易于實(shí)現(xiàn)自動控制[5]，故該新型無避讓停車裝置采用液壓系統(tǒng)作為動力源，且通過PLC控制電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)動作切換，降低切換速度，有效減小設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沖擊振動，提高了設(shè)備的工作穩(wěn)定性與可靠性。采用電液比例換向閥抗污染能力強(qiáng)，大大減小了污染造成的工作故障，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與可靠性[5]。

該停車裝置的液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要包含行走驅(qū)動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、升降系統(tǒng)3部分[6-7]，可實(shí)現(xiàn)載車板橫移、回轉(zhuǎn)、升降、可靠定位、調(diào)速及制動等功能。設(shè)備在運(yùn)行過程中，整機(jī)運(yùn)動要求平穩(wěn)，不能產(chǎn)生較大搖晃、振動，以防出現(xiàn)較大液壓沖擊；換向過程要平穩(wěn)，不能產(chǎn)生較大的振動、噪聲；啟動、制動過程中沖擊要小[7]；停取車時(shí)間短，效率高。

依據(jù)設(shè)備運(yùn)行的上述要求，新型無避讓停車裝置液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1，存車或取車一次的時(shí)間不超過1.5 min。

表1 停車裝置液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3.1 行走系統(tǒng)

為保證載車板移動過程中平穩(wěn)運(yùn)行，且減小速度受負(fù)載變化而產(chǎn)生的波動，采用液壓馬達(dá)與同步帶傳動驅(qū)動載車板移動，且采用蓄能器、溢流閥與單向閥設(shè)計(jì)方案，減小啟停沖擊[8]，同時(shí)通過PLC控制電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)動作的切換，減小切換速度，有效改善裝置在開始移動與停止移動時(shí)產(chǎn)生的慣性沖擊振動。行走系統(tǒng)液壓原理圖如圖4所示。

1.壓力源 2.調(diào)速閥 3.電液比例換向閥 4～7.單向閥 8、9.溢流閥 10.雙向液壓馬達(dá) 11、12.蓄能器 13.同步帶傳動

3.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

為保證停車裝置在啟動回轉(zhuǎn)與制動過程中穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，減小在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的沖擊振動，采用雙向擺線式液壓馬達(dá)驅(qū)動停車裝備實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，且采用PLC控制電液比例換向閥，降低切換速度，減小沖擊，同時(shí)采用雙向液壓鎖，實(shí)現(xiàn)可靠定位、制動，防止存取車過程中發(fā)生回?cái)[引發(fā)安全事故[7-8]，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖如圖5所示。

1．壓力源 2.調(diào)速閥 3.電液比例換向閥 4.雙向液壓鎖 5.雙向擺線馬達(dá)

3.3 升降系統(tǒng)

載車板的升降通過液壓拉桿與升降液壓缸共同驅(qū)動完成，運(yùn)行過程中通過PLC控制電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)工況的切換，可降低切換速度，有效改善系統(tǒng)的沖擊振動。

為保證載車板上升到位后，可靠地停放，且控制載車板運(yùn)行速度不受負(fù)載大小與方向的影響，能夠平穩(wěn)運(yùn)行， 本系統(tǒng)采用平衡閥控制載車板，且在平衡閥控制壓力端口加一高頻響的小蓄能器和小阻尼孔，可有效控制壓力波動，減小系統(tǒng)的振動[9-10]。為確保載車板能夠準(zhǔn)確停止定位，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了雙向液壓鎖，確保下層車位及人員安全。為保證載車板在升降過程中能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)有效行程且不發(fā)生傾斜，系統(tǒng)采用相同結(jié)構(gòu)的液壓拉桿與升降液壓缸，相同的控制油路結(jié)構(gòu)及相同的液壓控制元件，同時(shí)在液壓拉桿與升降液壓缸的極限行程端均安裝有上升、下降限位開關(guān)，通過PLC接受限位開關(guān)信號控制電液比例換向閥的工作位置及開口度保證液壓拉桿與升降液壓缸實(shí)現(xiàn)位移同步，升降系統(tǒng)液壓原理圖如圖6所示。

4 控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)無避讓立體車庫運(yùn)行的原理，存取車過程中3個(gè)執(zhí)行元件的各動作屬于典型的順序控制問題，為確保存取車各動作準(zhǔn)確、安全可靠、自動運(yùn)行，本研究采用S7-200型PLC構(gòu)成運(yùn)動控制系統(tǒng)，其硬件接線圖如圖7所示。

為方便操作，在設(shè)備右側(cè)設(shè)計(jì)安裝了操作控制箱，用戶按下存車或取車按鈕，PLC按照既定的動作順序控制執(zhí)行元件動作，自動完成車庫移動、回轉(zhuǎn)及升降，實(shí)現(xiàn)存取車[11-12],其控制功能流程如圖8所示。當(dāng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障或誤操作時(shí)，裝置會發(fā)出聲光報(bào)警，提示用戶按下急停按鈕，提高了裝置運(yùn)行的安全性。

1.液壓泵 2.先導(dǎo)式溢流閥 3、4.電液比例換向閥 5、11.平衡閥 6、12.蓄能器 7、13.小阻尼孔 8、14.雙向液壓鎖 9.多級驅(qū)動液壓缸 10.二位二通電磁換向閥 15.多級液壓拉桿

圖7 PLC的I/O地址分配及外部接線圖

圖8 控制功能流程圖

5 結(jié)論

為解決目前懸臂單立柱無避讓立體停車裝置存在的安全隱患，設(shè)計(jì)了一種新型液壓無避讓立體停車裝備，該裝備在設(shè)計(jì)上采取了以下措施，通過機(jī)、電、液聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)無避讓存取車，有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性與自動化程度。

(1) 該裝置采用液壓拉桿與框架支撐無避讓結(jié)構(gòu)，受力均衡，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效解決了目前單立柱無避讓結(jié)構(gòu)存在的受力不均，易產(chǎn)生傾斜、搖晃及配件損壞等安全隱患，大大降低了系統(tǒng)故障率與維修率；

(2) 該裝置采用液壓驅(qū)動，安全性、可靠性、運(yùn)行平穩(wěn)性更高，有效避免了目前立體停車庫采用電機(jī)鏈條驅(qū)動機(jī)構(gòu)存在鏈條斷裂及運(yùn)行穩(wěn)定性差等安全隱患；

(3) 升降液壓系統(tǒng)回路中，采用平衡閥與雙向液壓鎖，保證載車板可靠停留定位，且在平衡閥控制壓力端口加一高頻響的小蓄能器和小阻尼孔，可有效抑制壓力波動，減小系統(tǒng)的振動，保證載車板升降過程中平穩(wěn)運(yùn)行；

(4) 采用PLC控制電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)工況的切換，可減小切換速度，有效改善系統(tǒng)的沖擊振動,保證停取車過程準(zhǔn)確可靠平穩(wěn)的自動運(yùn)行。