李玉嬋

廣州廣日智能停車(chē)設(shè)備有限公司 廣州 511447

0 引言

隨著停車(chē)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動(dòng)化車(chē)庫(kù)在全國(guó)市場(chǎng)上得到較快的發(fā)展和普及，平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備通過(guò)全自動(dòng)化運(yùn)行，避免了司機(jī)找車(chē)位以及停車(chē)的時(shí)間損耗，可以在有限的空間里停放更多車(chē)輛，提高了空間利用率及停車(chē)效率，受到了市場(chǎng)的青睞。

在平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備中，通過(guò)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可打破原有單層大平面停車(chē)的限制，實(shí)現(xiàn)多層空間的停車(chē)交換。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的升降機(jī)提升方式主要有鋼絲繩曳引提升式、鏈條提升式、同步帶提升式3 種類(lèi)型。常見(jiàn)的鋼絲繩曳引提升式升降機(jī)主要通過(guò)永磁同步曳引機(jī)、鋼絲繩與滑輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)提升；常見(jiàn)的鏈條提升式升降機(jī)主要通過(guò)三合一電動(dòng)機(jī)、雙排鏈條、同步裝置，采用四點(diǎn)提升的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)提升；常見(jiàn)的同步帶提升式的升降機(jī)主要通過(guò)帶有鋼芯的同步帶、三合一主電動(dòng)機(jī)、同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提升。上述常用的升降機(jī)在升降運(yùn)行的過(guò)程中，還必須具備防墜落功能，以實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的安全升降，防止人員和車(chē)輛的墜落、損傷。因此，在升降機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了對(duì)提升方式的選定，額定載重、升降速度、外形尺寸等參數(shù)的設(shè)定，還需要研究升降機(jī)的防墜落裝置設(shè)計(jì)。本文通過(guò)分析升降機(jī)的結(jié)構(gòu)、功能特性，系統(tǒng)分析了該類(lèi)型升降機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 升降機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 升降機(jī)的特點(diǎn)

該類(lèi)型升降機(jī)在提升方式的設(shè)計(jì)方面采用鋼絲繩曳引提升方式，具備升降速度快、噪聲低、節(jié)約能耗、安裝方便等特點(diǎn)。永磁同步曳引機(jī)對(duì)轎廂進(jìn)行曳引，轎廂可由4 段牽引繩平均分擔(dān)其質(zhì)量，使曳引比大于等于4:1（見(jiàn)圖1），從而有效降低曳引機(jī)的使用功率，在實(shí)現(xiàn)升降機(jī)升降運(yùn)動(dòng)和多層空間轉(zhuǎn)換的同時(shí)，使升降運(yùn)動(dòng)更加快速、平穩(wěn)，同時(shí)節(jié)約了能耗。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，升降機(jī)轎廂采用主轎廂、副轎廂可拆卸的組裝方式，采用高強(qiáng)螺栓副連接，在滿(mǎn)足受力要求的同時(shí)，方便了運(yùn)輸、安裝。在防墜落功能實(shí)現(xiàn)的方面，采用了4 點(diǎn)防墜落插銷(xiāo)設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)4 個(gè)插銷(xiāo)在防墜落支座內(nèi)伸出/收回，實(shí)現(xiàn)了升降機(jī)的防墜落，具備能耗低、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 鋼絲繩繞繩圖

1.2 升降機(jī)的參數(shù)設(shè)定

升降機(jī)的主要參數(shù)包括升降速度、最大升降行程、額定載重、外形尺寸、基坑深度、機(jī)房高度等?？紤]到升降運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化車(chē)庫(kù)存取車(chē)時(shí)間的影響，平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械車(chē)庫(kù)的升降機(jī)升降速度一般為0～1.5 m/s，加減速度一般為0.5 m/s2，最大升降行程通?？蛇_(dá)50 m。當(dāng)升降機(jī)兼顧出入口與升降運(yùn)動(dòng)雙層功能，即升降機(jī)布置在橫移巷道的一側(cè)時(shí)，司機(jī)需將汽車(chē)開(kāi)至升降機(jī)上方可離開(kāi)，此時(shí)需考慮司機(jī)開(kāi)車(chē)進(jìn)出升降機(jī)以及打開(kāi)車(chē)門(mén)下車(chē)所需的空間，升降機(jī)外形尺寸不宜小于5 500 mm×3 500 mm（長(zhǎng)×寬）；升降機(jī)基坑包含升降機(jī)下沉空間，緩沖空間，深度為1 500～2 500 mm；升降機(jī)機(jī)房需考慮維護(hù)人員的進(jìn)出空間，最低高度宜為1 800 mm。當(dāng)平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械車(chē)庫(kù)通過(guò)載車(chē)板作為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)存取車(chē)時(shí)，升降機(jī)的額定載重包含載車(chē)板質(zhì)量及汽車(chē)質(zhì)量[1]；其中，載車(chē)板質(zhì)量約為500 kg，特大型車(chē)的質(zhì)量為2 350 kg，故該類(lèi)型升降機(jī)的額定載重約為2 850 kg。

1.3 升降機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，通常情況下，升降機(jī)主要由轎廂、提升裝置、對(duì)重裝置、升降及對(duì)重導(dǎo)軌、安裝附件、控制系統(tǒng)、安全檢測(cè)裝置等部件組成。轎廂包含主轎廂、副轎廂、防墜落裝置，其中防墜落裝置作為關(guān)鍵零部件，主要用來(lái)防止車(chē)輛進(jìn)出轎廂時(shí)，轎廂的安全固定，防止人員或汽車(chē)隨轎廂墜落。提升裝置、對(duì)重裝置、升降及對(duì)重導(dǎo)軌主要用實(shí)現(xiàn)轎廂的升降與平衡，使轎廂在升降井道內(nèi)平穩(wěn)地作升降運(yùn)動(dòng)。電控系統(tǒng)包含配電柜、控制柜、調(diào)速系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行單元監(jiān)控系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、顯示部分以及語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。安全檢測(cè)裝置配置進(jìn)出口車(chē)輛尺寸檢測(cè)、車(chē)輛到位檢測(cè)、有無(wú)移動(dòng)物檢測(cè)、出入口門(mén)道閘安全檢測(cè)裝置、升降機(jī)到位檢測(cè)、車(chē)輛停放位置檢測(cè)、有無(wú)車(chē)輛檢測(cè)、設(shè)備運(yùn)行閉路電視監(jiān)測(cè)[2]。

圖2 升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.4 升降機(jī)的動(dòng)作原理

平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的升降機(jī)主要起到垂直升降及防墜落作用，其動(dòng)作原理為通過(guò)機(jī)房上的提升裝置，利用提升介質(zhì)(通常是鏈條、鋼絲繩或同步帶)將轎廂從底層提升至頂層的過(guò)程。同時(shí)，當(dāng)轎廂升降至目標(biāo)層時(shí)，利用成套搬運(yùn)設(shè)備及存取設(shè)備，將車(chē)輛由車(chē)庫(kù)入口處自動(dòng)搬運(yùn)并停放至庫(kù)內(nèi)車(chē)位上，取車(chē)時(shí)根據(jù)控制系統(tǒng)指令將車(chē)位上的車(chē)輛自動(dòng)運(yùn)送至車(chē)庫(kù)出口處。升降機(jī)動(dòng)作原理如圖3所示。

圖3 升降機(jī)動(dòng)作原理圖

2 轎廂的設(shè)計(jì)

2.1 轎廂的結(jié)構(gòu)組成

如圖4所示，轎廂作為升降機(jī)升降的主要構(gòu)件，主要作用是承載其上面的載車(chē)板和汽車(chē)，防止載車(chē)板和汽車(chē)的掉落。該轎廂的結(jié)構(gòu)組成包含主轎廂、副轎廂、防墜落裝置、滑輪組件、導(dǎo)靴組件等?？紤]到轎廂在該升降機(jī)中既作為升降運(yùn)動(dòng)承載體使用，也作為司機(jī)開(kāi)車(chē)進(jìn)出的出入口交換區(qū)，轎廂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括主轎廂及副轎廂。主轎廂上設(shè)置智能搬運(yùn)器行走面，且與相鄰?fù)＼?chē)層間隙不大于30 mm，高低差不大于10 mm，滿(mǎn)足智能搬運(yùn)器行走平面度要求。升降機(jī)平層到位后，智能搬運(yùn)器行走在主轎廂行走導(dǎo)軌面進(jìn)行存取車(chē)動(dòng)作。升降機(jī)作為出入口交換區(qū)，從安全的角度考慮，須配置安全防墜裝置，防止轎廂墜落。從升降速度、升降的穩(wěn)定性、低噪性以及經(jīng)濟(jì)性各方面考慮，該升降機(jī)采用鋼絲繩曳引提升的方式，轎廂上設(shè)置滑輪組件、導(dǎo)靴組件，以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的曳引提升，完成轎廂的升降運(yùn)行。

圖4 轎廂結(jié)構(gòu)圖

2.2 主轎廂的設(shè)計(jì)

主轎廂的主體結(jié)構(gòu)主要采用H 形鋼連接組成，考慮到升降井道的大小以及運(yùn)輸、安裝的便利性，轎廂主體分成中間大H 組件、左右邊梁組件3 大部分[3]，并通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接，保證整體的強(qiáng)度要求，圖5 為高強(qiáng)度螺栓連接示意圖。高強(qiáng)度螺栓連接面須做噴丸處理以滿(mǎn)足高強(qiáng)度螺栓連接的要求。通常情況下，高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)μ=0.145～0.155，并做保護(hù)處理。智能搬運(yùn)器行走導(dǎo)軌面采用5 mm 厚度的鋼板平鋪，保證強(qiáng)度要求的同時(shí)保證搬運(yùn)器行走的平面度要求，確保智能搬運(yùn)器在轎廂上行走的順暢性及穩(wěn)定性。大H 組件、左右邊梁組件之間鋪設(shè)防墜鋼板網(wǎng)，方便維修人員的檢修以及防止智能搬運(yùn)器因控制故障產(chǎn)生的位置偏差從而導(dǎo)致搬運(yùn)器墜落的事故發(fā)生。

圖5 高強(qiáng)度螺栓連接示意圖

2.3 副轎廂的設(shè)計(jì)

副轎廂主要作為載車(chē)板承載結(jié)構(gòu)和人行通道使用，首先需要考慮載車(chē)板及所承載的汽車(chē)的受力要求。載車(chē)板的種類(lèi)一般有整板式、拼板式、梳齒式等，其中整板式載車(chē)板的質(zhì)量一般約為3 00～5 00 kg，而大型轎車(chē)質(zhì)量一般設(shè)定為2 350 kg，故副轎廂所承載的最大質(zhì)量為2 850 kg。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，通常把汽車(chē)質(zhì)量按車(chē)頭與車(chē)尾配比6：4 來(lái)進(jìn)行質(zhì)量分配，故在進(jìn)行副轎廂設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮質(zhì)量分配帶來(lái)的影響?？赏ㄟ^(guò)在副轎廂上根據(jù)載車(chē)板尺寸及放置要求，設(shè)置8 個(gè)載車(chē)板支座，分?jǐn)傒d車(chē)板及汽車(chē)的質(zhì)量，滿(mǎn)足受力要求。同時(shí)，考慮到司機(jī)上下車(chē)時(shí)的行走需求，在副轎廂上設(shè)置寬度不小于500 mm 的行走通道，行走通道需無(wú)明顯的凸起物，踏板宜采用焊接或沉頭螺栓進(jìn)行連接，防止凸起對(duì)腳的刮碰，滿(mǎn)足司機(jī)上下車(chē)行走的要求，圖6 為副轎廂結(jié)構(gòu)圖。

圖6 副轎廂結(jié)構(gòu)圖

2.4 防墜落裝置的設(shè)計(jì)

升降機(jī)存在司機(jī)開(kāi)車(chē)進(jìn)出的情況，需充分考慮司機(jī)的安全問(wèn)題，配置防墜落裝置，防止轎廂墜落造成的人身安全隱患[4]。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的機(jī)械式停車(chē)設(shè)備升降防墜落裝置主要有勾臂式防墜落、搭臂式防墜落、液壓推桿式防墜落、安全鉗以及插銷(xiāo)式防墜落等裝置。勾臂式防墜落裝置在動(dòng)作前，轎廂需先升降至停車(chē)層上方50～100 mm，再緩慢下降至勾臂與樓層平齊，存在二次平層的過(guò)程，電氣控制相對(duì)復(fù)雜（見(jiàn)圖7）。搭臂式防墜落裝置在搭臂旋轉(zhuǎn)搭在樓層面上時(shí)，需克服平層落差，對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩要求較高（見(jiàn)圖8）。液壓推桿式防墜落裝置成本相對(duì)較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖9）；而安全鉗防墜落裝置一般用在電梯上，成本較高（見(jiàn)圖10）。該平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備升降機(jī)選用插銷(xiāo)式防墜落裝置，并對(duì)插銷(xiāo)式防墜落裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)分析（見(jiàn)圖11）。

圖7 勾臂式防墜落裝置

圖8 搭臂式防墜落裝置

圖9 液壓推桿式防墜落裝置

圖10 安全鉗

圖11 插銷(xiāo)式防墜落裝置

2.4.1 防墜落電動(dòng)機(jī)的選型

插銷(xiāo)式防墜落裝置的電動(dòng)機(jī)布置為1 個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)4 個(gè)插銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)和2 個(gè)電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)2 個(gè)插銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)2 種形式，即1 拖4 及1 拖2 形式。當(dāng)插銷(xiāo)打開(kāi)伸入防墜落支座中時(shí)，受智能搬運(yùn)器、汽車(chē)進(jìn)出轎廂所產(chǎn)生的質(zhì)量變化對(duì)轎廂的影響，防墜落插銷(xiāo)存在與卡緊防墜落支座的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)需克服摩擦力將防墜落插銷(xiāo)從防墜落支座中抽出，從而解除防墜落狀態(tài)，轎廂才能繼續(xù)運(yùn)行。根據(jù)受力分析，防墜落插銷(xiāo)的受力情況如圖12 插銷(xiāo)受力圖所示，電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式為

圖12 插銷(xiāo)受力圖

電動(dòng)機(jī)扭矩M為

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為

電動(dòng)機(jī)功率Pd為

定位軸所受推力FT為

單根定位軸所受力Fr為

式中：dT為防墜落裝置法蘭盤(pán)的直徑，Q為轎廂總質(zhì)量，P為升降機(jī)的額定載重，Gb為智能搬運(yùn)器的質(zhì)量，θ為插銷(xiāo)插入的錐度。

可知可通過(guò)減小轎廂的總質(zhì)量或采用1 拖2 的形式來(lái)降低電動(dòng)機(jī)功率。

2.4.2 插銷(xiāo)裝置的設(shè)計(jì)

插銷(xiāo)式防墜落裝置通常固定于主轎廂結(jié)構(gòu)上，插銷(xiāo)式防墜落裝置包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、連接軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、連桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向座、防墜落插銷(xiāo)等；其中傳動(dòng)軸穿過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，兩端由2 組軸承支承，軸承固定連接到主轎廂的框架上。傳動(dòng)軸兩端分別通過(guò)聯(lián)軸器與連接軸連接，連接軸另一端與轉(zhuǎn)盤(pán)同軸固定連接，連桿機(jī)構(gòu)一端與轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端與定位軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，定位軸穿過(guò)導(dǎo)向座，導(dǎo)向座固定于主轎廂上，鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)上設(shè)置有與導(dǎo)向軸相適應(yīng)的定位支座，旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)導(dǎo)向部件伸進(jìn)或縮出定位支座，以此實(shí)現(xiàn)轎廂的防墜落功能，圖13 為防墜落裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖13 防墜落裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4.3 插銷(xiāo)的強(qiáng)度分析

在插銷(xiāo)式防墜落裝置中，插銷(xiāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算尤為關(guān)鍵，故需對(duì)插銷(xiāo)進(jìn)行強(qiáng)度分析。當(dāng)插銷(xiāo)與防墜落支座存在同心誤差，或因轎廂、搬運(yùn)器進(jìn)出產(chǎn)生質(zhì)量變化而導(dǎo)致插銷(xiāo)與防墜落支座不同程度的貼合時(shí)，插銷(xiāo)抽出防墜落支座需克服壓力產(chǎn)生的摩擦力。因此，插銷(xiāo)伸進(jìn)防墜落支座的位置通常設(shè)計(jì)為一定錐度，以利于防墜落插銷(xiāo)的順利插拔。

插銷(xiāo)最大彎矩為

插銷(xiāo)最小直徑校核

式中：F1為單個(gè)插銷(xiāo)所受到的力，Q為轎廂的總質(zhì)量，P為升降機(jī)的額定載重，D為轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑，[σ]為許用屈服強(qiáng)度。

另外，可通過(guò)有限元分析對(duì)防墜落插銷(xiāo)進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]。此處設(shè)定升降機(jī)額定載重為2 850 kg，升降機(jī)總質(zhì)量5 200 kg，智能搬運(yùn)器總質(zhì)量2 500 kg，防墜落插銷(xiāo)材質(zhì)為35CrMo。防墜落插銷(xiāo)打開(kāi)伸至防墜落支座內(nèi)，智能搬運(yùn)器進(jìn)入升降機(jī)內(nèi)時(shí)，防墜落插銷(xiāo)所受到的力最大，對(duì)此種工況進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分采用4 面體網(wǎng)格，網(wǎng)格粗細(xì)度采用中等，得出插銷(xiāo)的應(yīng)力變化云圖及位移變化云圖如圖14、圖15所示。

圖14 插銷(xiāo)應(yīng)力變化云圖

圖15 插銷(xiāo)位移變化云圖

防墜落插銷(xiāo)頭設(shè)計(jì)成具有一定的導(dǎo)向作用的錐度，有利于插銷(xiāo)的插拔。設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)優(yōu)化轎廂結(jié)構(gòu)，減輕轎廂質(zhì)量或改變插銷(xiāo)材質(zhì)、直徑大小等措施，使防墜落插銷(xiāo)滿(mǎn)足強(qiáng)度校核要求。

3 升降控制原理和功能

平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的升降控制一般采用PLC 控制(或總線(xiàn)控制)，其控制及操作系統(tǒng)包括控制柜系統(tǒng)、安全檢測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，信息顯示系統(tǒng)，停車(chē)收費(fèi)管理系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)的核心部件一般為可編程控制器，可編程控制器內(nèi)裝有升降控制程序，智能搬運(yùn)器控制程序，安全檢測(cè)程序（可自動(dòng)判別搬運(yùn)過(guò)程車(chē)輛位置，速度，動(dòng)作是否正常），人機(jī)接口程序（文字提示），故障處理程序（故障智能判斷，自動(dòng)重試），車(chē)輛及停車(chē)位參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)等。實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，升降機(jī)上所有控制元件（包含變頻，伺服控制器，遠(yuǎn)程I/O 模塊，位置檢測(cè)編碼器，光電傳感器等）均通過(guò)Profibus 總線(xiàn)與PLC 連接[6]。其控制原理如圖16所示。

圖16 控制原理圖

升降機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)編碼器/激光獲取轎廂在井道中所處的位置，輔助以目標(biāo)樓層定位傳感器的信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)器高速運(yùn)行和精準(zhǔn)定位。升降曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)采用矢量控制方式，控制精度高，升降機(jī)的控制精度在 ±5 mm 之內(nèi)。

控制系統(tǒng)具有全自動(dòng)、半自動(dòng)及人工操作模式，當(dāng)全自動(dòng)、半自動(dòng)控制系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)具備人工操作系統(tǒng)，便于設(shè)備維護(hù)、維修。

4 結(jié)語(yǔ)

平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式立體停車(chē)設(shè)備作為一種全自動(dòng)化、智能化的停車(chē)系統(tǒng)，能夠在相同的平面面積內(nèi)停放更多的車(chē)輛，每個(gè)停車(chē)層的凈空高可壓縮至1 750 mm，可節(jié)約20%的土建費(fèi)用[1]。在平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備中，可通過(guò)升降機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在垂直空間的交換與存放，是該類(lèi)型車(chē)庫(kù)核心組成部分。該類(lèi)型平面移動(dòng)類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備升降機(jī)，配置曳引提升系統(tǒng)、轎廂、防墜落裝置等核心部件，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的升降與防墜落功能。通過(guò)對(duì)該類(lèi)型升降機(jī)的設(shè)計(jì)分析，為其他產(chǎn)品的升降機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。