閆存富,王一鳴,喬雪濤,符幫尚

(中原工學院 機電學院， 鄭州 451191)

1 引言

隨著我國人們生活水平的不斷提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車已成為人們出行的必備工具，城市中急劇增加的汽車保有量使傳統(tǒng)地面停車方式不能滿足人們的停車需求，停車難問題已成為城市管理者面臨的重要問題之一。機械式立體停車裝置具有容量大、單車均占地面積小等優(yōu)點，成為解決停車難問題的一種重要途徑，但機械式立體停車裝置整體占地面積大，一次性投資大，使用和維護成本較高，不適合在城市已建成的老城區(qū)修建。因此設(shè)計一種適用于早期建成的老城區(qū)停車的小型停車裝置成為人們近幾年研究的熱點問題。焦博新等設(shè)計了一種新型立體跨路停車裝置，提高了空間利用率,但因為橫跨在道路上方，限制了在道路上通行車輛的高度。閆存富等設(shè)計了一種無避讓上擺下移式小型立體停車裝置。孟廣耀等提出一種九宮格式新型立體車庫的設(shè)計方案,完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用 ANSYS 軟件對設(shè)計的立體車庫進行分析。張?zhí)煊畹柔槍Τ鞘欣吓f小區(qū)的實際情況，設(shè)計了一種3層10車位小型柱式立體停車裝置。胡建忠等以當前社會上存在的雙層式停車車庫為基礎(chǔ)，按照嵌套式原理設(shè)計了一種嵌套式小區(qū)立體停車裝置，采用Solidworks進行三維建模設(shè)計,利用Simulation受力分析組件對停車裝置主要零件進行靜態(tài)載荷分析。

本文中設(shè)計一種小型無避讓立體停車裝置，實現(xiàn)在一個地面停車位上停放兩輛汽車，且兩輛車的存取過程互不影響；主要對停車裝置總體方案、主要運動部件、液壓傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并對存取車原理進行運動仿真。

2 立體停車裝置設(shè)計

2.1 停車裝置總體設(shè)計

小型無避讓立體停車裝置采用框架式結(jié)構(gòu)，包括上、下2個停車位，可停放兩輛車，上車位采用移動、旋轉(zhuǎn)、升降方式停車，下車位直接將車停在地面上。主要由停車裝置本體、上車位載車板、升降機構(gòu)、立柱、水平行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(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。在車輛存取過程中，對各機構(gòu)運動平穩(wěn)性要求較高，綜合考慮各種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點后，確定各機構(gòu)均采用液壓驅(qū)動方式，停車裝置模型如圖1所示。

1.升降裝置; 2.立柱; 3.立柱套筒; 4.上載車板; 5.旋轉(zhuǎn)機構(gòu);6.水平行走箱; 7.下車位; 8.移動導軌

通過對小轎車進行統(tǒng)計分析，確定所停車輛的參數(shù)為 4 800 mm×1 800 mm×1 600 mm，載車板尺寸為4 800 mm×2 000 mm，車質(zhì)量為1 800 kg，能滿足90%家庭轎車的停車需求。因此地面層停車位高度取1 800 mm,停車裝置整體高度取3 500 mm，司機直接將車開到地面車位上，地面車位占地面積取5 000 mm×2 000 mm，因上車位需要旋轉(zhuǎn)90°，上車位載車板在水平旋轉(zhuǎn)過程中如圖2所示。

圖2 停車過程示意圖Fig.2 Parking process envelope space

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

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

為避免載車板旋轉(zhuǎn)時相鄰車位之間產(chǎn)生干涉，2個相鄰的車位之間應(yīng)至少保持3 300 mm距離。為了保證運行的安全性，兩相鄰車位之間應(yīng)至少間隔4 000 mm。上車位車輛存放過程如下：司機首先將車停在停車位旁邊掃存車碼，控制系統(tǒng)發(fā)出存車指令，控制水平行走液壓缸動作驅(qū)動行走機構(gòu)沿設(shè)在地面上的導軌移動，帶動立柱和上車位載車板水平移動到指定位置后；控制系統(tǒng)發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，旋轉(zhuǎn)液壓缸發(fā)出動作驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)一定角度，使載車板旋轉(zhuǎn)至指定位置，控制系統(tǒng)再發(fā)出下降指令使上車位載車板沿立柱下滑到地面，司機直接將車開到載車板上后下車鎖門離開，載車板沿立柱向上移動到指定位置，后旋轉(zhuǎn)移動到指定的位置，行走液壓缸帶動立柱和上車位載車板水平移動到原定位置，完成上車位的停車過程，控制系統(tǒng)開始計時收費。取車時，司機先掃碼繳費后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動行走、旋轉(zhuǎn)和升降機構(gòu)產(chǎn)生動作，將車輛降落到地面，司機直接上車、打火、掃碼付費、開車駛離即可。上車位車輛的整個存取過程不受下車位車輛的影響，實現(xiàn)了兩車位上的車輛無避讓存取。當需要將車停到下車位上時，司機可直接將車開到停車位上，掃碼計費離開即可；取車時直接將車開出，掃碼付費即可。

2.2 上車位水平行走和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

水平行走機構(gòu)用來實現(xiàn)上車位載車板在地面上移動功能，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要實現(xiàn)上車位載車板的旋轉(zhuǎn)功能，水平行走和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖3所示。

1.行走傳動機構(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.齒輪傳動副; 8.旋轉(zhuǎn)液壓缸; 9.液壓缸固定銷

行走箱用來支撐立柱及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過底部的行走輪沿固定在地面上的導軌移動，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)計尺寸為長、寬、高分別為1 700 mm、500 mm、390 mm，本設(shè)計中行走時間設(shè)為10 s。立柱通過回轉(zhuǎn)支承規(guī)定在行走箱上，與旋轉(zhuǎn)外齒圈連接。行走液壓缸通過液壓缸底座固定在行走箱下部，活塞桿齒條通過齒輪傳動推動行走箱移動，為減小齒條長度，齒輪傳動采用增速形式，傳動比設(shè)為2。旋轉(zhuǎn)液壓缸固定在行走箱下面的液壓缸支座上，活塞桿齒條通過齒輪傳動帶動旋轉(zhuǎn)外齒圈旋轉(zhuǎn)，帶動立柱旋轉(zhuǎn)，齒輪傳動比為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)液壓缸的起動和停止?？紤]載車板設(shè)置在立柱的單側(cè)，為減小行走時立柱的傾覆力矩，在立柱的后側(cè)載車板對應(yīng)位置設(shè)置配重以減少傾覆力矩。

2.3 升降機構(gòu)設(shè)計

升降機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)上車位載車板的下降和上升運動，升降時間為10 s。升降裝置主要由升降液壓馬達、鋼絲繩、立柱組件和控制部分組成；液壓馬達安裝在立柱上端面，通過鋼絲繩與裝在立柱上的立柱套筒連接，立柱套筒與載車板固定連接，液壓馬達通過滑輪鋼絲繩驅(qū)動立柱套筒沿立柱上、下滑動，實現(xiàn)載車板和車輛的上升和下降運動。

為防止升降過程中由于突然斷電導致的載車板突然墜落現(xiàn)象的發(fā)生，在升降裝置中設(shè)置斷電制動裝置。當發(fā)生斷電時，制動抱閘抱緊升降液壓馬達軸，液壓馬達不能轉(zhuǎn)動，使升降裝置停在原位置不動。同時在立柱上部設(shè)置限位裝置，保證載車板停在規(guī)定的高度位置，采用PLC對升降裝置的運動進行控制。

2.4 安全防護裝置

設(shè)計的小型立體停車裝置安全防護裝置如下：

1) 在升降機構(gòu)中設(shè)置斷電制動裝置，當車輛停到預(yù)定位置或存取過程中突然斷電時，在斷電瞬間抱閘能夠及時抱緊液壓馬達輸出軸，使其停止轉(zhuǎn)動，從而避免載車板發(fā)生滑落現(xiàn)象。

2) 設(shè)置手動存取車機構(gòu)，當臨時停電時，采用手動方式實現(xiàn)車輛的存取。

3) 設(shè)置急停裝置，當發(fā)生緊急情況時，及時停止停車裝置的所有動作。

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

2.5 運動仿真驗證

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

圖4 上車位運動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

該液壓系統(tǒng)的最終目的是控制停車裝置的行走、旋轉(zhuǎn)和升降機構(gòu)的運動，實現(xiàn)上車位車輛存取作業(yè)。液壓系統(tǒng)的硬件主要由液壓站( 包含液壓泵、伺服電機及附件等) 、液壓缸、液壓馬達及液壓控制閥組件等部分組成，本文中設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

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

車輛存取過程中液壓系統(tǒng)的工作過程為:車輛到達立體車庫待停位置，系統(tǒng)啟動電機4驅(qū)動液壓泵2，當YA通電時，電磁換向閥11切換至左位，行走液壓缸20無桿腔進油，液壓缸20活塞桿齒條伸出，通過齒輪傳動驅(qū)動行走箱沿導軌移動，帶動上車位載車板移動，直到活塞桿觸發(fā)限位開關(guān)XK，上車位載車板到達設(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無桿腔進油，液壓缸21活塞桿齒條伸出，通過齒輪傳動驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)，帶動上車位載車板轉(zhuǎn)動，直到活塞桿觸發(fā)限位開關(guān)XK，上車位載車板旋轉(zhuǎn)到達設(shè)定位置。液壓馬達22啟動，通過鋼絲繩帶動上車位載車板沿立柱下降，下降到達指定位置后液壓馬達停止，司機將車輛開上載車板，完成停車、下車、鎖車后，離開載車板。液壓電磁閥組10動作使升降液壓馬達反向旋轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩拉動上車位載車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有桿腔進油，液壓缸21活塞桿齒條收縮，通過齒輪傳動驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)復位，帶動上車位載車板轉(zhuǎn)動，直到活塞桿觸發(fā)限位開關(guān)XK，上車位載車板旋轉(zhuǎn)到達設(shè)定位置。電磁閥驅(qū)動旋轉(zhuǎn)液壓缸產(chǎn)生復位動作，帶動載車板旋轉(zhuǎn)復位。YA通電，電磁換向閥11切換至右位，行走液壓缸20有桿腔進油，活塞桿齒條收縮，通過齒輪傳動驅(qū)動行走箱沿導軌移動，帶動上車位載車板移動，直到活塞桿觸發(fā)限位開關(guān)XK，上車位載車板到達設(shè)定位置停止。完成存車過程，系統(tǒng)開始計費。

取車過程與存車過程類似，系統(tǒng)將載有車輛的載車板通過行走、旋轉(zhuǎn)、升降機構(gòu)將車輛放到地面上，司機付費后直接將車開走，載車板自動完成復位動作即可。

1.油箱; 2.液壓泵; 3.液位液溫計; 4.電機; 5.單向閥; 6.壓力表; 7.溢流閥; 8.手動換向閥; 9.吸油過濾器; 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; 23.空氣過濾器

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的主要控制對象是行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)的運動，以及一些輔助裝置如指示燈和安全報警等。在兩個液壓缸的起點和終點位置分別設(shè)置限位傳感器裝置。傳感器直接將各機構(gòu)的位置信號反饋到控制裝置，控制裝置接收到信號后對各執(zhí)行元件發(fā)出相關(guān)命令，實現(xiàn)對車輛存取的自動控制。工作人員只需例行日常巡視檢查，發(fā)生故障后及時維修即可。

當前常用的控制系統(tǒng)有繼電器控制、單片機控制及PLC控制等，其中PLC具有抗干擾能力強，可靠性高、編程語言易學易懂、便于開發(fā)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)領(lǐng)域。

本設(shè)計中選用PLC為控制核心，將車輛存取過程中的各種反饋信號通過PLC進行運算處理，控制電機、液壓缸、液壓馬達及電磁閥等的運行，實現(xiàn)車輛的自動存取功能，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

本停車裝置需要14個輸入點，7個輸出點，選用三菱FX2-32M型PLC，繼電器型輸出、輸入點數(shù)各16個，該PLC采用繼電器輸出方式。由PLC處理采集到的數(shù)據(jù)，再控制各個電磁換向閥實現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的動作，完成車輛的存取工作，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

PLC程序采用梯形圖編寫，通過對停車裝置的工作任務(wù)進行分析，要求其前面的動作完成達到后續(xù)動作的運行條件時，才能開始下一步的動作，因此控制系統(tǒng)采用步進式的順序控制方式?？刂屏鞒倘鐖D7所示。

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

5 結(jié)論

1) 針對當前停車難問題，采用機電、液壓傳動及自動控制技術(shù)，提出一種一位兩車無避讓立體停車裝置。

2) 能實現(xiàn)在一個地面車位的位置上停放兩輛車，提高土地利用率。

3) 設(shè)計的停車裝置采用液壓驅(qū)動，增加了車輛存取過程的平穩(wěn)性，采用PLC控制實現(xiàn)了車輛存取的自動化控制，提高了車輛存取效率。

4) 仿真運動結(jié)果表明，設(shè)計的立體停車裝置上、下兩車位車輛的存取過程相互獨立，實現(xiàn)了無避讓停車，降低了司機停車時的駕車難度，減少了車輛發(fā)生剮、蹭等事故。

5) 該停車裝置可根據(jù)地面實際情況單臺安裝，也可多臺組裝，具有較好的市場應(yīng)用前景。