謝啊奮,王建生,陳奕仕
基于PLC的模塊化九宮格立體車庫設(shè)計
謝啊奮,王建生*,陳奕仕
(五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部,廣東 江門 529020)
為了解決城市停車難的嚴(yán)重問題,提出了一種基于PLC的模塊化九宮格立體車庫。該裝置包括總體機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動及傳動系統(tǒng),三菱PLC控制系統(tǒng),人機(jī)交互界面及安全及防護(hù)裝置等??傮w機(jī)械結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),主要由一個模塊化的停車位為單位,然后通過單個模塊化停車位拼裝組成可拆卸的車庫。這種立體車庫以PLC控制為基礎(chǔ),設(shè)計存取車方案,通過模塊化的存車或取車子軟件程序和硬件設(shè)備組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車,可以有效解決城市停車難現(xiàn)象。
停車難;PLC;模塊化;九宮格;立體車庫
根據(jù)國家統(tǒng)計局“2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報”數(shù)據(jù)顯示,2018年末我國民用汽車保有量達(dá)到24028萬輛,比2017年末增長10.5%[1]。未來幾年的汽車保有量預(yù)計將繼續(xù)以約10%的速度增長。我國城市中停車位數(shù)量遠(yuǎn)低于汽車總數(shù)量,導(dǎo)致出現(xiàn)十分嚴(yán)峻的停車難問題[2]。為解決停車難問題,國內(nèi)外都有對立體車庫常用類型[3]的研究,如類似摩天輪的循環(huán)立體車庫、平面移動類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、升降橫移類和巷道式堆垛類等[5-6],然而這些立體車庫大多存在土地利用率不高或者運行效率低等缺點[7]。
本文以鋼結(jié)構(gòu)和PLC控制為基礎(chǔ)[8-10],通過模塊化的思想,設(shè)計了一種5層9位的模塊化九宮格立體車庫。該種新型立體車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車,大大提高占地面積使用率,可以有效解決城市停車壓力。
我國常用車的外型尺寸及質(zhì)量如表1所示,分為6個類型[11]。
表1 我國常用汽車外型參數(shù)及質(zhì)量
設(shè)計每個車位大小可以在標(biāo)準(zhǔn)車型尺寸的基礎(chǔ)上預(yù)留安全距離200~400 mm,以避免一些不必要的碰撞。根據(jù)我國市面上的常見車型,本文以中型車輛T型車作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),則該車庫適用于外型尺寸為T型或者小于T型車輛。車庫的首層停車人是需要進(jìn)入走動的,所以首層的凈空高度也需預(yù)留高度。該車庫要求現(xiàn)場取車時間不超過120 s,根據(jù)這個要求來設(shè)計升降、橫縱移、液壓舉升的額定速度。在取車的人發(fā)出取車信號時,升降電梯還沒有到達(dá)指定取車層數(shù),運載小車就已經(jīng)把需要取的車放到指定位置,升降電梯到達(dá)指定層數(shù)時,運載小車直接把目標(biāo)車輛送入升降電梯,所以取車的時間主要由升降的時間來控制。根據(jù)車庫高度11.3 m計算,可以得知曳引的額定速度不得低于0.188 m/s,考慮到未知因素和一定的取車效率,暫定曳引的額定速度為1 m/s。為保證在升降電梯到達(dá)指定層數(shù)時,需要取車的車輛能夠挪到指定位置,則設(shè)計橫向移動和縱向移動的額定速度為0.5 m/s。液壓缸舉升的速度不能過快,否則會有比較大的沖擊,研究暫定舉升的額定速度為0.1 m/s。綜合考慮各種要求,設(shè)計的立體車庫相關(guān)目標(biāo)參數(shù)如表2所示。
表2 立體車庫相關(guān)目標(biāo)參數(shù)
九宮格立體車庫的基本組成如圖1所示。
圖1 九宮格立體車庫基本組成
九宮格立體車庫的整體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示,車位布置類似九宮格。最底一層不設(shè)置車位,只有電梯升降位,方便用戶存取車輛。每層預(yù)留1個車位方便挪車,挪車位位于車庫的中心位置。同時每層電梯位占用一個車位,實現(xiàn)存取車輛的升降功能,其余7個車位為停車位。橫梁與立柱通過固定鋼板拼裝和螺栓連接在一起,行車軌道鋪設(shè)在橫梁之上,這構(gòu)成了單個模塊化的停車位。以單個模塊化停車位為基礎(chǔ)通過螺栓連接組成可拆卸的九宮格立體車庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
該車庫升降方案采用曳引機(jī)升降,其主要結(jié)構(gòu)有鋼絲繩、曳引機(jī)、滑輪組。車輛位于轎廂內(nèi),轎廂通過鋼絲繩連接到曳引機(jī),曳引機(jī)一端出來的鋼絲繩通過滑輪組改向連接對重,以減少電機(jī)的功率。其原理如圖3所示。
圖2 九宮格立體車庫整體結(jié)構(gòu)圖
圖3 電梯升降示意圖
2.3.1 垂直升降電梯系統(tǒng)的對重選擇計算
對重的作用是為了減少升降使用電機(jī)的功率,減少車庫的使用成本,同時它也是大多數(shù)曳引升降系統(tǒng)不可缺少的一部分。對重的總重量與電梯轎廂的重量和電梯的載荷的關(guān)系為:
P=0+QK
式中:P為對重的總重量,kg;0為轎廂的凈重,初步設(shè)計重量為1800 kg;為電梯的額定載重量、載車板和車輛的總重量,為2300 kg;K為平衡系數(shù),一般取0.5。
計算得:P=2950 kg
故取電梯配重為3000 kg。
2.3.2 升降電機(jī)的選擇計算
在空載時,曳引機(jī)需要提升的總重量為空=3000-1800=1200 kg;在重載時,曳引機(jī)需要提升的總重量為重=2300+1800-3000=1100 kg。由表2知道電梯升降額定速度??蛰d時提升承受最大載荷,故按空載設(shè)計計算曳引機(jī):
式中:min為提升電機(jī)工作的最小理論功率,kW;0為減速器的效率,通常為0.95;0為工作時載荷,N;0為電梯升降額定速度,m·s-1;空為空載時的總重量,kg。
由電梯設(shè)計手冊可知,鋼絲繩牽引輪的直徑通常是鋼絲繩直徑的40倍。這次電梯使用直徑為10 mm的鋼絲繩,牽引輪直徑0=400 mm。若使設(shè)備提升速度0=15 m/min,可知:
式中:0為電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速,r/min;0為曳引輪輸出轉(zhuǎn)矩,N·m。
根據(jù)減速電機(jī)所需要的最小理論功率、輸出轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩,選用SEW-R系列帶制動器的減速電機(jī)型號R137DRE180M4,其主要參數(shù)如表3所示。
所選減速電機(jī)的功率15 kW>12.378 kW、輸出轉(zhuǎn)矩3210 N·m>240N·m,因此車庫電梯升降系統(tǒng)的曳引電選用型號R137DRE180M4符合要求。根據(jù)所選電機(jī)基本參數(shù),則實際電梯移動速度為0.942 m/s。
表3 曳引機(jī)型號R137DRE180M4主要參數(shù)
車庫的橫縱向移動主要由帶有四個驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪的運載小車完成。每層車庫停放1輛運載小車,而且運載小車在非工作狀態(tài)置于挪車位。車輛通過載車板停放于運載小車之上,運載小車通過轎廂和車位上的凹槽軌道實現(xiàn)平移。當(dāng)小車需要變向移動時,位于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動,使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°,實現(xiàn)橫縱變向的功能。如圖4、圖5所示。
圖4 橫縱向移動原理示意圖
圖5 驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪圖
2.4.1 驅(qū)動電機(jī)的選型與計算
本次設(shè)計運載小車質(zhì)量約為500 kg,載車板和汽車重量約為2300 kg,初設(shè)計行走滾輪的直徑1=100 mm,則橫縱移動的總負(fù)重4=500 kg+2300 kg=2800 kg,重力加速度=9.8 N/kg,軌道選用鋼材料,則滾動摩擦系數(shù)=0.05,電機(jī)傳動總效率1=0.95,由前面參數(shù)可得知,運載小車橫縱移動的速度1=30 m/min,根據(jù)以上數(shù)據(jù)來設(shè)計計算驅(qū)動電機(jī)。
式中:4為運載小車移動時所需的牽引力,N;1為四個驅(qū)動輪的運載小車其每個輪子所需的牽引力,N;1為每個輪子驅(qū)動電機(jī)所需的功率,kW;1為每個轉(zhuǎn)向輪輸出的轉(zhuǎn)矩;N·m。
當(dāng)橫移速度1=30 m/min時,有:
式中:1為電機(jī)經(jīng)過減速器后的輸出轉(zhuǎn)速,r/min。
根據(jù)驅(qū)動電機(jī)運行時所需功率,經(jīng)過減速器后的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速,選用我國自主品牌電機(jī)松崗減速電機(jī)6IK200RGN-CF和減速器型號6GN-15K,其主要參數(shù)如表4所示。
表4 電機(jī)6IK200RGN-CF主要參數(shù)
所選減速電機(jī)的功率0.2 kW>0.18 kW、輸出轉(zhuǎn)矩24 N·m>3.43 N·m,因此車庫橫縱移動驅(qū)動電機(jī)選用電機(jī)型號6IK200RGN-CF符合要求。根據(jù)所選電機(jī)基本參數(shù),則實際移動速度為0.471 m/s。
2.4.2 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選型與計算
轉(zhuǎn)向電機(jī)主要用于在運載小車需要橫縱方向變換時,使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°,電機(jī)只需每次轉(zhuǎn)動1/4圈,因此應(yīng)選擇步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)所選步進(jìn)電機(jī)的步距角,計算出轉(zhuǎn)動90°所需的脈沖數(shù)量,即可控制步進(jìn)電機(jī)按要求每次轉(zhuǎn)動90°。由于使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°所需的扭矩很難直接計算出來,按經(jīng)驗猜測所需的扭矩為10 N·m。轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動90°是需要非常準(zhǔn)確的,哪怕電機(jī)轉(zhuǎn)動位置偏差一點都會導(dǎo)致運載小車偏離軌道或與軌道側(cè)面產(chǎn)生較大的摩擦力,減小運載小車的使用壽命,因此該電機(jī)必須要有制動裝置,防止由于慣性電機(jī)輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動,所以選用帶剎車抱閘步進(jìn)電機(jī)型號為86FY151,其主要參數(shù)如表5所示。
表5 電機(jī)86FY151主要參數(shù)
車輛的入庫和出庫主要靠運載小車的液壓系統(tǒng)控制,入庫時運載小車上的液壓缸回程縮回,裝有車輛的載車板停放在車位的庫架上。出庫時運載小車上的液壓缸進(jìn)程伸出,載車板離開庫架,運載小車再移走車輛,如圖6所示。
圖6 車輛出入庫原理
對液壓缸進(jìn)行選型與計算。
缸體和柱塞通常由厚壁鋼管制成,缸體內(nèi)壁主要承受液體的壓力,柱塞主要承受車輛和載車板的總重量。本次設(shè)計車輛出入庫液壓系統(tǒng)其提升高度為0.15 m,額定速度為0.1 m/s,
載車板和汽車重量≈2300 kg,載重由四個相同的液壓缸承受,則每個液壓缸承載重量1=575 kg,柱塞質(zhì)量相比承載太小,可忽略不計。則有:
F=1=5635
式中:F為油缸的靜載荷,N;
確定柱塞直徑時,設(shè)系統(tǒng)的最大靜壓力Pmax=4.5 MPa,則:
Pmax=12Pmax
式中:Pmax為計算的最大額動態(tài)壓力,MPa;1為壓力損失系數(shù),取1.1;2為抬升加速度過程中附加動載荷系數(shù),一般系數(shù)取1.1。
計算得:Pmax=5.445 MPa
按最大靜壓力選擇柱塞直徑:
實際取柱塞直徑為40 mm,則實際的靜壓力為4.47 MPa,實際的最大動壓力為5.41 MPa,如圖7所示。
圖7 單級油缸的行程L和柱塞外徑dmax的示意圖
缸筒壁厚按薄壁筒的計算方法進(jìn)行選擇:
式中:為壁厚,mm;2.3為摩擦損耗系數(shù)與壓力峰值系數(shù)的積;1.7為彈性極限應(yīng)力額安全系數(shù);0為滿載時工作壓力,MPa;σ為筒壁材料的彈性極限,MN/m2;3為缸筒的外徑,mm;0為附加壁厚,一般為1 mm。
現(xiàn)選擇無縫鋼管,3=60 mm、σ=350 MN/m2,計算得:≥2.5 mm。
2.6.1 立柱的設(shè)計和校核
該車庫外形結(jié)構(gòu)框架材料為Q235鋼,其組成為立柱、橫梁、載車板和行車軌道等。采用建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的工字形鋼,車庫全部重量由8根立柱承受,立柱的截面形狀為工字形,如圖8所示,1=200 mm,1=40 mm,1=1600 mm,1/2=20 mm,立柱總長為11300 mm。將一塊正方形鐵板焊接在立柱的底部,其邊長為400 mm、厚度為20 mm,并通過地腳螺栓將其固定在地面上。立柱底部四個側(cè)面的肋板用來增加立柱的剛度。
圖8 立柱截面圖
車庫全部重量由8根相同的立柱承受,故需校核這8根立柱,每根立柱可當(dāng)作一端固定一端自由的壓桿,進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性計算。則有:
式中:F為壓桿臨界壓力,kg;為彈性模量,Q235材料=206 GPa;1為工字形的截面慣性矩,m4;1為長度系數(shù),一端固定一端自由壓桿長度系數(shù)取2;1為立柱的長度。
計算得:F=151.63 kN
車庫的自重5≈30 t;車輛與載車板的重量6=2300 kg,滿載時車庫停車數(shù)量為28輛;運載小車的質(zhì)量7=500 kg,車庫共計有4輛。共有8根支撐立柱,則:
式中:為每根立柱承受的壓力,kN。
8<F故該立柱符合強(qiáng)度要求。
2.6.2 橫梁的設(shè)計和校核
橫梁也采用工字形Q235,每排車位有4根長橫梁和6根短橫梁,但只有長橫梁會受到載荷引起彎曲變形,邊緣長橫梁主要承受載車板和車輛重量的1/2,中間的長橫梁主要承受小車和載車板的全部重量,因此要對中間長橫梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核,長橫梁截面形狀如圖9所示,2=150 mm,2=120 mm,2=150 mm,2/2=60 mm。
圖9 橫梁截面及尺寸
根據(jù)受力分析,其最大彎曲力矩出現(xiàn)在跨中點處,為:
式中:max為跨中點最大力矩,N·m;6為中間長橫梁所受壓力,其值為載車板和車輛的重力,即6=6;2為橫梁長度,2=5.5 m。
計算得:max=30992.5 N·m
則有:
Q235鋼的許用彎應(yīng)力為158 MPa>112.3 MPa,所以橫梁強(qiáng)度符合要求。
最大的撓度在跨中點處,有:
式中:max為最大撓度,m;2為槽鋼的截面慣性矩,m4。
計算得:max=0.0076 m
鋼結(jié)構(gòu)的橫梁結(jié)構(gòu)許用撓跨比[/2]>[max/2],所以橫梁的剛度符合設(shè)計要求。
如圖10(a)所示,當(dāng)需要進(jìn)行停車時,駕駛員可以先用手機(jī)APP預(yù)約停車,運載小車會把對應(yīng)層空車位的載車板轉(zhuǎn)移到首層電梯位上。駕駛者將車停到電梯位上的載車板,載車板設(shè)有四處凹形梳叉,可以與汽車輪子貼合,并且裝有光電傳感器。在檢測到有車輛信號后,提醒駕駛員將車停入指定位置,駕駛員停好車后關(guān)閉汽車發(fā)動機(jī)并拉好手剎。駕駛者下車后在確定安全無誤的情況下,按下啟動按鈕,車庫開始自動運行,通過升降電梯到指定層數(shù)后,運載小車將車輛停放到空位處。
如圖10(b)所示,在需要取車時,駕駛員可以先用手機(jī)APP預(yù)約取車,這時候運載小車開始工作,在升降電梯還沒到達(dá)指定層數(shù)時,位于每層車庫上的運載小車已經(jīng)把車輛挪位到可以直接放入升降電梯的位置上。在電梯到位后,運載小車將車輛挪入電梯內(nèi)。在運載小車駛出電梯后,電梯開始降至首層,駕駛者再把車輛開走。
如圖11所示,每層車庫的8號位作為電梯升降位,5號位作為挪車位,其余為停車位。停車位分為兩個批次,優(yōu)先批次是1、3、4、6、7、9號車位,當(dāng)該層優(yōu)先批次車位已停滿時,該層2號車位才能進(jìn)行停車。為方便程序的編程,設(shè)定了一定的取車方案和存車方案。在該種方案中取車1位需要考慮2、4、7車位是否停發(fā)車輛;取車3位需要考慮2、6、9位是否有車。具體如表5所示。例如,當(dāng)2或者2、7位有車時取車1位,取車方案為5→4→1取→4→5→8放→5。表示運載小車由5位先移動至4位再移至1位取車,然后移至5位接著移至8位放下車輛,最后運載小車移至5位。
圖10 存車流程與取車流程
圖11 每層車庫車位布置圖
本次控制系統(tǒng)核心元件采用三菱FX-2N可編程控制器,主要分為四個控制方向,如圖12所示。
表5 取車與取車方案
圖12 車庫控制系統(tǒng)功能分析
電梯升降程序是公共部分,任何一層的存取車都需要,這是必須的。每層車庫的停車位布置相同,停車和取車的方案確定且相同,不同層車庫的相同車位存取車程序相同,故只需設(shè)計某一層車庫的存取車程序即可。
下面對第三層車庫存車軟硬件進(jìn)行設(shè)計。存車過程按照一定步驟進(jìn)行,且控制的對象是幾個電機(jī)和液壓缸,設(shè)計使用步進(jìn)順序命令中的選擇順序,選擇的條件是各位車位的存車呼叫信號,即可執(zhí)行將車輛停入指定車位的分支步進(jìn)順序命令,如圖13、表6和圖14所示。取車的設(shè)計原理類似存車設(shè)計思路。
該車輛一層設(shè)有九宮格立體車庫存取車系統(tǒng)人機(jī)交互界面系統(tǒng),用戶也可在手機(jī)上安裝APP客戶端。如圖15所示,用戶可以進(jìn)行存車或者取車,也可以提前預(yù)約存取車。例如,某用戶進(jìn)行存車,首先輸入車牌號,然后選擇層數(shù)和車位號,最后點擊確定即可。取車只需點擊取車,然后輸入車牌號,再點擊確認(rèn)即可。
圖13 第三層存車控制思路圖
圖14 第三層PLC的I/O電氣接線圖
表6 第三層存車控制系統(tǒng)I/O地址表
圖15 存取車界面
針對當(dāng)下城市停車難的問題,本文提出了一種主要以單個模塊化的停車位為基礎(chǔ),通過固定鋼板拼裝和螺栓連接組成可拆卸的模塊化九宮格立體車庫。該種立體車庫以PLC控制為基礎(chǔ),通過模塊化的存車或取車子程序組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車,大大提高了土地利用率。
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Design of Modular Nine Grid Stereo Garage Based on PLC
XIE Afen,WANG Jiansheng,CHEN Yishi
( Faculty of Intelligent Manufacturing, Wuyi University, Jiangmen 529020, China )
In order to solve the serious problem of urban parking, a modular nine-grid stereo garage based on PLC is proposed. The equipment includes the overall mechanical structure, drive and transmission system, Mitsubishi PLC control system, man-machine interface and safety and protection devices, etc.. This kind of stereo garage is based on steel structure, mainly composed of a modular parking space as a unit, and assembled by several single modular parking spaces to form a detachable garage. The vehicle access scheme of the stereo garage is designed on the basis of PLC control, and the control system of the nine-grid stereo garage is formed by the modular vehicle access software program and hardware equipment. The garage has a capacity of 28 vehicles at the same time in 9 parking spaces, which can effectively solve the problem of urban parking.
parking difficulty;PLC;modularization;nine-grid;stereo garage
U491.71
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.007
1006-0316 (2020) 12-0044-09
2020-06-01
謝啊奮(1996-),男,廣東湛江人,碩士研究生,主要研究方向為智能化檢測與自動化控制技術(shù)。*通訊作者:王建生(1963-),男,河南焦作人,博士、博士后,教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為CAD/CAM/CAE和智能裝備及機(jī)器人技術(shù)等,E-mail:jians_wang@126.com。