邢 剛，丁 凡，龔智強(qiáng)，吳廣澳，柯松凱

（巢湖學(xué)院a.機(jī)械工程學(xué)院；b.智能機(jī)械與機(jī)器人研究所，合肥 238000）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，車(chē)輛隨之劇增，立體車(chē)庫(kù)的出現(xiàn)，受到地方政府及車(chē)主的青睞，并已經(jīng)成為解決停車(chē)難問(wèn)題的重要途徑和發(fā)展方向.現(xiàn)有智能立體車(chē)庫(kù)類(lèi)型主要為升降橫移類(lèi)、垂直循環(huán)類(lèi)、水平循環(huán)類(lèi)、多層循環(huán)類(lèi)、平面移動(dòng)類(lèi)、巷道堆垛類(lèi)、垂直升降類(lèi)、簡(jiǎn)易升降類(lèi)等多種類(lèi)型［1］，其中升降橫移類(lèi)在現(xiàn)有立體車(chē)庫(kù)中占據(jù)主要地位，但其存取效率低下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)存取，且無(wú)法適應(yīng)任意地形.

本文設(shè)計(jì)了一種可以有效適應(yīng)任意地形、存取高效的空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù).結(jié)構(gòu)部分主要由升降裝置、運(yùn)輸裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、多功能梳齒載車(chē)板、控制系統(tǒng)等組成.其中升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置固定于彎道處，運(yùn)輸裝置于直線段往返工作并搭配可編程控制器.采用主從站的無(wú)線通信方式［2］，升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置等PLC作為主站，運(yùn)輸裝置的PLC作為從站，通過(guò)無(wú)線通信模塊通訊，可以使車(chē)庫(kù)實(shí)現(xiàn)存取獨(dú)立.外部構(gòu)架采用鋼梁長(zhǎng)廊式框架提高空間利用率和地形適應(yīng)度以降低制作成本.該車(chē)庫(kù)研制成功，可有效解決當(dāng)今社會(huì)停車(chē)難問(wèn)題，同時(shí)還可以大量節(jié)約城市用地，緩解城市道路交通擁擠狀況.

1 智能立體車(chē)庫(kù)的工作原理及其結(jié)構(gòu)

圖1為一種空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由主框架、升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)輸裝置、多功能梳齒載車(chē)板、控制器等六個(gè)部分組成［3］.主框架采用鋼結(jié)構(gòu)，起支撐作用，主要包括立柱、橫梁、載車(chē)板支撐架等，搭建于道路上方.升降裝置主要由載車(chē)板、提升機(jī)構(gòu)成，通過(guò)升降電機(jī)傳動(dòng)，絲桿絲母配合帶動(dòng)載車(chē)板上升；旋轉(zhuǎn)裝置由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)、運(yùn)輸車(chē)一、軌道一、載車(chē)板構(gòu)成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)改變車(chē)輛朝向，其運(yùn)輸車(chē)一、軌道一、載車(chē)板配合通過(guò)梳齒交接原理及多級(jí)復(fù)合傳動(dòng)技術(shù)將車(chē)輛由升降裝置轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸裝置；運(yùn)輸裝置由液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)、運(yùn)輸車(chē)二、軌道二、升降機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)輸車(chē)二與軌道二配合帶動(dòng)液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)及升降機(jī)構(gòu)橫移，升降機(jī)構(gòu)通過(guò)升降電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)實(shí)現(xiàn)上下分層動(dòng)作，液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)通過(guò)梳齒交接原理進(jìn)行夾取及存放車(chē)輛；控制系統(tǒng)根據(jù)所采用的控制器不同而實(shí)現(xiàn)不同程度的智能化；安全系統(tǒng)包括車(chē)長(zhǎng)檢測(cè)、阻車(chē)裝置、超限裝置、急停開(kāi)關(guān)、防墜裝置、警報(bào)裝置等［4］.

圖1 一種空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)示意圖

該種車(chē)庫(kù)可修建于任意道路上方，車(chē)主將車(chē)輛開(kāi)至升降平臺(tái)處通過(guò)刷IC卡啟動(dòng)車(chē)庫(kù)進(jìn)行停車(chē)，車(chē)輛通過(guò)升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)輸裝置配合存放至多功能梳齒載車(chē)板上，車(chē)主取車(chē)時(shí)操作方式相同，車(chē)庫(kù)裝置工作方式與之相反.當(dāng)存車(chē)取車(chē)同時(shí)進(jìn)行并且兩運(yùn)輸裝置會(huì)晤時(shí)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)采取交叉式避讓搭配雙軌道式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)存取獨(dú)立以提高工作效率.

2 主要部件設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)的設(shè)計(jì)

存取機(jī)為車(chē)庫(kù)整體核心，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣決定了車(chē)庫(kù)存取的效率及質(zhì)量.文中設(shè)計(jì)了一款液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)主要由外框架、液壓泵、反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)、梳齒板、鋼絲繩等組成.

圖2 液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

車(chē)輛放置梳齒板上并通過(guò)懸臂梁結(jié)構(gòu)支撐，鋼絲繩和外框架配合起到加固作用；存取機(jī)通過(guò)液壓泵帶動(dòng)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)從而通過(guò)活動(dòng)鉸鏈帶動(dòng)梳齒板做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)夾取及存放車(chē)輛的功能.

由于梳齒板起到存放車(chē)輛作用，因此其尺寸設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文中梳齒板相當(dāng)于懸臂梁，其長(zhǎng)、寬、高可由公式（1）～（2）確定.參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［5］對(duì)于一般的懸臂梁而言，其均布載荷的集度為q=3 kN/m，根據(jù)現(xiàn)有模型及車(chē)輛尺寸推算，設(shè)本車(chē)庫(kù)懸臂梁的長(zhǎng)度為5.5 m，寬度為0.6 m，厚度為0.05 m.

由截面所獲得的支反力，得：

將式（1）進(jìn)行積分，得：

將數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算，則得：

即約為4.5 t，可以滿足負(fù)載的需求.

（注：F為剪力、M為截面彎矩、L為梁長(zhǎng)、q為均布載荷）

2.2 多功能梳齒載車(chē)板的設(shè)計(jì)

載車(chē)板的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣［3-4］決定了車(chē)庫(kù)的造價(jià)成本及車(chē)輛安全性，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定著存車(chē)型號(hào)及存車(chē)數(shù)量，基于現(xiàn)有載車(chē)板的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種多功能梳齒載車(chē)板.

2.2.1 載車(chē)板尺寸設(shè)計(jì)

載車(chē)板的尺寸設(shè)計(jì)方面需確保所停放汽車(chē)前后左右均有0.1 m的安全距離，表1可確定梳齒停車(chē)位的長(zhǎng)、寬分別為5350 mm和2200 mm.車(chē)輛軸距和輪距分別是2800 mm和1800 mm.鋼材的密度取7.85 g/cm3，重力加速度取9.8 m/m2，結(jié)構(gòu)自重通過(guò)密度ρ、重力加速度g兩個(gè)參數(shù)配合模型幾何尺寸，根據(jù)工程力學(xué)［6］可得停車(chē)設(shè)備自重按設(shè)備實(shí)際重1200 kg，載車(chē)板重300 kg，車(chē)輛載荷按2000 kg計(jì)算，由于轎車(chē)普遍采用前輪驅(qū)動(dòng)，且各轎車(chē)因車(chē)型前后軸的不同，分配的比例也不同，本車(chē)庫(kù)考慮實(shí)際情況取近似值，以前后輪13∶7的比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配，由于大部分人習(xí)慣開(kāi)車(chē)入庫(kù)而不是倒車(chē)入庫(kù)，因此將車(chē)庫(kù)前半部分視為后輪端，后半部分視為前輪端，恒載作用下載車(chē)板受力簡(jiǎn)圖如圖3所示.

圖3 多功能梳齒載車(chē)板受力簡(jiǎn)圖

表1 汽車(chē)車(chē)型尺寸參數(shù)

2.2.2 載車(chē)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于現(xiàn)有載車(chē)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂，故對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，采用了梳齒狀構(gòu)型并在車(chē)輪停放處采用了凹槽型結(jié)構(gòu)，起到低成本限位固定作用，在載車(chē)板兩側(cè)設(shè)有小型擋板，可以有效防止車(chē)輛左右移動(dòng).

圖4 多功能梳齒載車(chē)板結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)庫(kù)系統(tǒng)采用ROBO Pro軟件編寫(xiě)，該軟件采用圖形化編程方法，可實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)化控制.因車(chē)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜，采用了分模塊化編程方式，車(chē)庫(kù)總控制程序由主程序及各模塊子程序構(gòu)成.其存取車(chē)控制流程如圖5、圖6所示.

圖5 存車(chē)流程圖

圖6 取車(chē)流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了在低成本條件下驗(yàn)證一種空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，同時(shí)驗(yàn)證工作效率，采用搭建車(chē)庫(kù)模型并使用ROBO TXT控制器模擬控制系統(tǒng).

試驗(yàn)中所用模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：外框架長(zhǎng)78 cm、寬55 cm、高45 cm，路面占地面積76.17 cm2，層數(shù)三層，上層設(shè)有車(chē)位10個(gè)，地面為人行通道，下層設(shè)有車(chē)位18個(gè)；提升機(jī)長(zhǎng)109 cm、寬10 cm、高87.37 cm；液壓式反轉(zhuǎn)存取機(jī)長(zhǎng)107 cm、寬65 cm、高110 cm；氣泵規(guī)格9 V.具體模型結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 一種空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù)的模型圖

基于上述模型參數(shù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比及模型力學(xué)性能測(cè)試可得［7］，每層空間利用率可提高62.5%，且該車(chē)庫(kù)整體及主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可進(jìn)行加工并投入市場(chǎng)使用.

通過(guò)ROBO TXT控制器進(jìn)行操作模擬車(chē)輛存取過(guò)程，存車(chē)試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，現(xiàn)有立體車(chē)庫(kù)存取換算參數(shù)如表3所示.取車(chē)試驗(yàn)參數(shù)與存車(chē)相同故不展現(xiàn).表3數(shù)據(jù)為現(xiàn)有升降橫移類(lèi)立體車(chē)庫(kù)基于模型參數(shù)分析換算而來(lái).

表2 存車(chē)試驗(yàn)參數(shù)

表3 現(xiàn)有立體車(chē)庫(kù)存取換算參數(shù)

基于表2、表3數(shù)據(jù)換算對(duì)比，本設(shè)計(jì)車(chē)庫(kù)與現(xiàn)有車(chē)庫(kù)相比，其存取效率可提高一倍左右.

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有智能立體車(chē)庫(kù)存取效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)存取，并且無(wú)法適應(yīng)任意地形等問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種空中長(zhǎng)廊式智能立體車(chē)庫(kù)，并詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)組成及其功能特點(diǎn).通過(guò)對(duì)主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和安全性進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果表明該車(chē)庫(kù)安全可靠.同時(shí)采用了模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：（1）通過(guò)對(duì)占地面積及車(chē)庫(kù)容納量等數(shù)據(jù)的分析，得出其每層空間利用率可提高62.5%；（2）通過(guò)模擬車(chē)庫(kù)運(yùn)作過(guò)程，得出車(chē)庫(kù)控制邏輯準(zhǔn)確，各裝置協(xié)調(diào)運(yùn)作性可靠，并基于其實(shí)驗(yàn)參數(shù)得出車(chē)庫(kù)存取效率較現(xiàn)有立體車(chē)庫(kù)可提高一倍左右.