閆存富,王一鳴,喬雪濤,符幫尚

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 鄭州 451191)

1 引言

隨著我國(guó)人們生活水平的不斷提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)已成為人們出行的必備工具，城市中急劇增加的汽車(chē)保有量使傳統(tǒng)地面停車(chē)方式不能滿足人們的停車(chē)需求，停車(chē)難問(wèn)題已成為城市管理者面臨的重要問(wèn)題之一。機(jī)械式立體停車(chē)裝置具有容量大、單車(chē)均占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，成為解決停車(chē)難問(wèn)題的一種重要途徑，但機(jī)械式立體停車(chē)裝置整體占地面積大，一次性投資大，使用和維護(hù)成本較高，不適合在城市已建成的老城區(qū)修建。因此設(shè)計(jì)一種適用于早期建成的老城區(qū)停車(chē)的小型停車(chē)裝置成為人們近幾年研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。焦博新等設(shè)計(jì)了一種新型立體跨路停車(chē)裝置，提高了空間利用率,但因?yàn)闄M跨在道路上方，限制了在道路上通行車(chē)輛的高度。閆存富等設(shè)計(jì)了一種無(wú)避讓上擺下移式小型立體停車(chē)裝置。孟廣耀等提出一種九宮格式新型立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)方案,完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用 ANSYS 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的立體車(chē)庫(kù)進(jìn)行分析。張?zhí)煊畹柔槍?duì)城市老舊小區(qū)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種3層10車(chē)位小型柱式立體停車(chē)裝置。胡建忠等以當(dāng)前社會(huì)上存在的雙層式停車(chē)車(chē)庫(kù)為基礎(chǔ)，按照嵌套式原理設(shè)計(jì)了一種嵌套式小區(qū)立體停車(chē)裝置，采用Solidworks進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì),利用Simulation受力分析組件對(duì)停車(chē)裝置主要零件進(jìn)行靜態(tài)載荷分析。

本文中設(shè)計(jì)一種小型無(wú)避讓立體停車(chē)裝置，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)地面停車(chē)位上停放兩輛汽車(chē)，且兩輛車(chē)的存取過(guò)程互不影響；主要對(duì)停車(chē)裝置總體方案、主要運(yùn)動(dòng)部件、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)存取車(chē)原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

2 立體停車(chē)裝置設(shè)計(jì)

2.1 停車(chē)裝置總體設(shè)計(jì)

小型無(wú)避讓立體停車(chē)裝置采用框架式結(jié)構(gòu)，包括上、下2個(gè)停車(chē)位，可停放兩輛車(chē)，上車(chē)位采用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、升降方式停車(chē)，下車(chē)位直接將車(chē)停在地面上。主要由停車(chē)裝置本體、上車(chē)位載車(chē)板、升降機(jī)構(gòu)、立柱、水平行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制等部分組成，可以安裝在道路兩側(cè)及空間較小的地方。在車(chē)輛存取過(guò)程中，對(duì)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求較高，綜合考慮各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)后，確定各機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，停車(chē)裝置模型如圖1所示。

1.升降裝置; 2.立柱; 3.立柱套筒; 4.上載車(chē)板; 5.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);6.水平行走箱; 7.下車(chē)位; 8.移動(dòng)導(dǎo)軌

通過(guò)對(duì)小轎車(chē)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定所停車(chē)輛的參數(shù)為 4 800 mm×1 800 mm×1 600 mm，載車(chē)板尺寸為4 800 mm×2 000 mm，車(chē)質(zhì)量為1 800 kg，能滿足90%家庭轎車(chē)的停車(chē)需求。因此地面層停車(chē)位高度取1 800 mm,停車(chē)裝置整體高度取3 500 mm，司機(jī)直接將車(chē)開(kāi)到地面車(chē)位上，地面車(chē)位占地面積取5 000 mm×2 000 mm，因上車(chē)位需要旋轉(zhuǎn)90°，上車(chē)位載車(chē)板在水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中如圖2所示。

圖2 停車(chē)過(guò)程示意圖Fig.2 Parking process envelope space

設(shè)立柱位于載車(chē)板縱向中間位置，立柱中心到載車(chē)板外邊緣為2 000 mm,則載車(chē)板旋轉(zhuǎn)最大半徑計(jì)算為：

則上車(chē)位水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中水平面內(nèi)包絡(luò)空間為：=3 300+4 800=7 100 mm,=3 300 mm。

為避免載車(chē)板旋轉(zhuǎn)時(shí)相鄰車(chē)位之間產(chǎn)生干涉，2個(gè)相鄰的車(chē)位之間應(yīng)至少保持3 300 mm距離。為了保證運(yùn)行的安全性，兩相鄰車(chē)位之間應(yīng)至少間隔4 000 mm。上車(chē)位車(chē)輛存放過(guò)程如下：司機(jī)首先將車(chē)停在停車(chē)位旁邊掃存車(chē)碼，控制系統(tǒng)發(fā)出存車(chē)指令，控制水平行走液壓缸動(dòng)作驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)沿設(shè)在地面上的導(dǎo)軌移動(dòng)，帶動(dòng)立柱和上車(chē)位載車(chē)板水平移動(dòng)到指定位置后；控制系統(tǒng)發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，旋轉(zhuǎn)液壓缸發(fā)出動(dòng)作驅(qū)動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)一定角度，使載車(chē)板旋轉(zhuǎn)至指定位置，控制系統(tǒng)再發(fā)出下降指令使上車(chē)位載車(chē)板沿立柱下滑到地面，司機(jī)直接將車(chē)開(kāi)到載車(chē)板上后下車(chē)鎖門(mén)離開(kāi)，載車(chē)板沿立柱向上移動(dòng)到指定位置，后旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到指定的位置，行走液壓缸帶動(dòng)立柱和上車(chē)位載車(chē)板水平移動(dòng)到原定位置，完成上車(chē)位的停車(chē)過(guò)程，控制系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)收費(fèi)。取車(chē)時(shí)，司機(jī)先掃碼繳費(fèi)后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)行走、旋轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作，將車(chē)輛降落到地面，司機(jī)直接上車(chē)、打火、掃碼付費(fèi)、開(kāi)車(chē)駛離即可。上車(chē)位車(chē)輛的整個(gè)存取過(guò)程不受下車(chē)位車(chē)輛的影響，實(shí)現(xiàn)了兩車(chē)位上的車(chē)輛無(wú)避讓存取。當(dāng)需要將車(chē)停到下車(chē)位上時(shí)，司機(jī)可直接將車(chē)開(kāi)到停車(chē)位上，掃碼計(jì)費(fèi)離開(kāi)即可；取車(chē)時(shí)直接將車(chē)開(kāi)出，掃碼付費(fèi)即可。

2.2 上車(chē)位水平行走和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平行走機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)上車(chē)位載車(chē)板在地面上移動(dòng)功能，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)上車(chē)位載車(chē)板的旋轉(zhuǎn)功能，水平行走和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu); 2.行走輪; 3.行走活塞桿齒條; 4.行走液壓缸; 5.液壓缸固定板; 6.旋轉(zhuǎn)活塞桿齒條; 7.齒輪傳動(dòng)副; 8.旋轉(zhuǎn)液壓缸; 9.液壓缸固定銷(xiāo)

行走箱用來(lái)支撐立柱及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)底部的行走輪沿固定在地面上的導(dǎo)軌移動(dòng)，在兩根行走輪軸之間設(shè)置液壓缸固定板，行走箱的總體設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)、寬、高分別為1 700 mm、500 mm、390 mm，本設(shè)計(jì)中行走時(shí)間設(shè)為10 s。立柱通過(guò)回轉(zhuǎn)支承規(guī)定在行走箱上，與旋轉(zhuǎn)外齒圈連接。行走液壓缸通過(guò)液壓缸底座固定在行走箱下部，活塞桿齒條通過(guò)齒輪傳動(dòng)推動(dòng)行走箱移動(dòng)，為減小齒條長(zhǎng)度，齒輪傳動(dòng)采用增速形式，傳動(dòng)比設(shè)為2。旋轉(zhuǎn)液壓缸固定在行走箱下面的液壓缸支座上，活塞桿齒條通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)外齒圈旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)，齒輪傳動(dòng)比為1∶2，為保證旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，旋轉(zhuǎn)速度取1.5 r/min。為保證行走和旋轉(zhuǎn)后能停在準(zhǔn)確位置，在立柱旋轉(zhuǎn)前后的位置設(shè)置角度限位裝置，由PLC控制行走液壓缸和旋轉(zhuǎn)液壓缸的起動(dòng)和停止。考慮載車(chē)板設(shè)置在立柱的單側(cè)，為減小行走時(shí)立柱的傾覆力矩，在立柱的后側(cè)載車(chē)板對(duì)應(yīng)位置設(shè)置配重以減少傾覆力矩。

2.3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)上車(chē)位載車(chē)板的下降和上升運(yùn)動(dòng)，升降時(shí)間為10 s。升降裝置主要由升降液壓馬達(dá)、鋼絲繩、立柱組件和控制部分組成；液壓馬達(dá)安裝在立柱上端面，通過(guò)鋼絲繩與裝在立柱上的立柱套筒連接，立柱套筒與載車(chē)板固定連接，液壓馬達(dá)通過(guò)滑輪鋼絲繩驅(qū)動(dòng)立柱套筒沿立柱上、下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載車(chē)板和車(chē)輛的上升和下降運(yùn)動(dòng)。

為防止升降過(guò)程中由于突然斷電導(dǎo)致的載車(chē)板突然墜落現(xiàn)象的發(fā)生，在升降裝置中設(shè)置斷電制動(dòng)裝置。當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，制動(dòng)抱閘抱緊升降液壓馬達(dá)軸，液壓馬達(dá)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使升降裝置停在原位置不動(dòng)。同時(shí)在立柱上部設(shè)置限位裝置，保證載車(chē)板停在規(guī)定的高度位置，采用PLC對(duì)升降裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

2.4 安全防護(hù)裝置

設(shè)計(jì)的小型立體停車(chē)裝置安全防護(hù)裝置如下：

1) 在升降機(jī)構(gòu)中設(shè)置斷電制動(dòng)裝置，當(dāng)車(chē)輛停到預(yù)定位置或存取過(guò)程中突然斷電時(shí)，在斷電瞬間抱閘能夠及時(shí)抱緊液壓馬達(dá)輸出軸，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免載車(chē)板發(fā)生滑落現(xiàn)象。

2) 設(shè)置手動(dòng)存取車(chē)機(jī)構(gòu)，當(dāng)臨時(shí)停電時(shí)，采用手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的存取。

3) 設(shè)置急停裝置，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，及時(shí)停止停車(chē)裝置的所有動(dòng)作。

4) 設(shè)置閃光燈，在存取車(chē)輛時(shí)，閃光燈開(kāi)始閃爍，用以提醒相關(guān)人員注意安全。

2.5 運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證

取行走時(shí)間10 s，旋轉(zhuǎn)速度1.5 r/min，升降時(shí)間10 s進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。圖4為所設(shè)計(jì)的停車(chē)裝置運(yùn)動(dòng)仿真典型位置示意圖。其中圖4(a)為初始狀態(tài)；圖4(b)為行走箱帶動(dòng)立柱和載車(chē)板行走到導(dǎo)軌最右端靠近道路側(cè)的位置；圖4(c)為回轉(zhuǎn)支承帶動(dòng)立柱和載車(chē)板旋轉(zhuǎn)至道路上方與道路平行的位置；圖4(d)為載車(chē)板下降到道路上的位置。仿真運(yùn)行結(jié)果表明：在上、下兩車(chē)位存取車(chē)輛時(shí)互不影響，實(shí)現(xiàn)了兩車(chē)位車(chē)輛的無(wú)避讓式存取，設(shè)計(jì)的停車(chē)裝置能滿足預(yù)期停車(chē)功能。

圖4 上車(chē)位運(yùn)動(dòng)仿真典型位置示意圖Fig.4 The diagram of upper parking space motion simulation

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該液壓系統(tǒng)的最終目的是控制停車(chē)裝置的行走、旋轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上車(chē)位車(chē)輛存取作業(yè)。液壓系統(tǒng)的硬件主要由液壓站( 包含液壓泵、伺服電機(jī)及附件等) 、液壓缸、液壓馬達(dá)及液壓控制閥組件等部分組成，本文中設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

液位液溫計(jì)3用來(lái)檢測(cè)油箱中油位和油溫，為防止空氣進(jìn)入油箱，設(shè)置有空氣過(guò)濾器23，溢流閥7用來(lái)限制系統(tǒng)的最高壓力，手動(dòng)換向閥8為發(fā)生突然停電和檢修設(shè)置，吸油過(guò)濾器9兩端加壓力繼電器10用來(lái)檢測(cè)過(guò)濾器的通過(guò)情況是否堵塞。

車(chē)輛存取過(guò)程中液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程為:車(chē)輛到達(dá)立體車(chē)庫(kù)待停位置，系統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)液壓泵2，當(dāng)YA通電時(shí)，電磁換向閥11切換至左位，行走液壓缸20無(wú)桿腔進(jìn)油，液壓缸20活塞桿齒條伸出，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)行走箱沿導(dǎo)軌移動(dòng)，帶動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板移動(dòng)，直到活塞桿觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)XK，上車(chē)位載車(chē)板到達(dá)設(shè)定位置停止。YA通電，電磁換向閥12切換至左位，旋轉(zhuǎn)液壓缸21無(wú)桿腔進(jìn)油，液壓缸21活塞桿齒條伸出，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)，直到活塞桿觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)XK，上車(chē)位載車(chē)板旋轉(zhuǎn)到達(dá)設(shè)定位置。液壓馬達(dá)22啟動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板沿立柱下降，下降到達(dá)指定位置后液壓馬達(dá)停止，司機(jī)將車(chē)輛開(kāi)上載車(chē)板，完成停車(chē)、下車(chē)、鎖車(chē)后，離開(kāi)載車(chē)板。液壓電磁閥組10動(dòng)作使升降液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板上升到指定位置后停止。YA通電，電磁換向閥12切換至右位，旋轉(zhuǎn)液壓缸21有桿腔進(jìn)油，液壓缸21活塞桿齒條收縮，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)復(fù)位，帶動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)，直到活塞桿觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)XK，上車(chē)位載車(chē)板旋轉(zhuǎn)到達(dá)設(shè)定位置。電磁閥驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)液壓缸產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，帶動(dòng)載車(chē)板旋轉(zhuǎn)復(fù)位。YA通電，電磁換向閥11切換至右位，行走液壓缸20有桿腔進(jìn)油，活塞桿齒條收縮，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)行走箱沿導(dǎo)軌移動(dòng)，帶動(dòng)上車(chē)位載車(chē)板移動(dòng)，直到活塞桿觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)XK，上車(chē)位載車(chē)板到達(dá)設(shè)定位置停止。完成存車(chē)過(guò)程，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)費(fèi)。

取車(chē)過(guò)程與存車(chē)過(guò)程類(lèi)似，系統(tǒng)將載有車(chē)輛的載車(chē)板通過(guò)行走、旋轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)將車(chē)輛放到地面上，司機(jī)付費(fèi)后直接將車(chē)開(kāi)走，載車(chē)板自動(dòng)完成復(fù)位動(dòng)作即可。

1.油箱; 2.液壓泵; 3.液位液溫計(jì); 4.電機(jī); 5.單向閥; 6.壓力表; 7.溢流閥; 8.手動(dòng)換向閥; 9.吸油過(guò)濾器; 10.壓力繼電器; 11、12、13.電磁換向閥; 14、15、16、17、18、19.單向節(jié)流閥; 20.行走液壓缸; 21.旋轉(zhuǎn)液壓缸; 22.升降液壓馬達(dá); 23.空氣過(guò)濾器

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，以及一些輔助裝置如指示燈和安全報(bào)警等。在兩個(gè)液壓缸的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置分別設(shè)置限位傳感器裝置。傳感器直接將各機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)反饋到控制裝置，控制裝置接收到信號(hào)后對(duì)各執(zhí)行元件發(fā)出相關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛存取的自動(dòng)控制。工作人員只需例行日常巡視檢查，發(fā)生故障后及時(shí)維修即可。

當(dāng)前常用的控制系統(tǒng)有繼電器控制、單片機(jī)控制及PLC控制等，其中PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高、編程語(yǔ)言易學(xué)易懂、便于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)中選用PLC為控制核心，將車(chē)輛存取過(guò)程中的各種反饋信號(hào)通過(guò)PLC進(jìn)行運(yùn)算處理，控制電機(jī)、液壓缸、液壓馬達(dá)及電磁閥等的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)存取功能，控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖Fig.6 The Control system diagram

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本停車(chē)裝置需要14個(gè)輸入點(diǎn)，7個(gè)輸出點(diǎn)，選用三菱FX2-32M型PLC，繼電器型輸出、輸入點(diǎn)數(shù)各16個(gè)，該P(yáng)LC采用繼電器輸出方式。由PLC處理采集到的數(shù)據(jù)，再控制各個(gè)電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作，完成車(chē)輛的存取工作，PLC的I/O地址分配如表1所示。

表1 PLC I/O地址分配Table 1 PLC I/O address assignment modulus

4.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC程序采用梯形圖編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)停車(chē)裝置的工作任務(wù)進(jìn)行分析，要求其前面的動(dòng)作完成達(dá)到后續(xù)動(dòng)作的運(yùn)行條件時(shí)，才能開(kāi)始下一步的動(dòng)作，因此控制系統(tǒng)采用步進(jìn)式的順序控制方式?？刂屏鞒倘鐖D7所示。

圖7 上車(chē)位停車(chē)控制系統(tǒng)流程框圖Fig.7 Flow chart of the upper space

5 結(jié)論

1) 針對(duì)當(dāng)前停車(chē)難問(wèn)題，采用機(jī)電、液壓傳動(dòng)及自動(dòng)控制技術(shù)，提出一種一位兩車(chē)無(wú)避讓立體停車(chē)裝置。

2) 能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)地面車(chē)位的位置上停放兩輛車(chē)，提高土地利用率。

3) 設(shè)計(jì)的停車(chē)裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，增加了車(chē)輛存取過(guò)程的平穩(wěn)性，采用PLC控制實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛存取的自動(dòng)化控制，提高了車(chē)輛存取效率。

4) 仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的立體停車(chē)裝置上、下兩車(chē)位車(chē)輛的存取過(guò)程相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了無(wú)避讓停車(chē)，降低了司機(jī)停車(chē)時(shí)的駕車(chē)難度，減少了車(chē)輛發(fā)生剮、蹭等事故。

5) 該停車(chē)裝置可根據(jù)地面實(shí)際情況單臺(tái)安裝，也可多臺(tái)組裝，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。