面向液壓夾升降及換向的多服務立體停車設備

張利平，梁倚琳，劉琥鋮，孟令昊

（1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.生產系統工程研究所，武漢科技大學，湖北 武漢 430081）

1 引言

隨著人們經濟水平的不斷提高，城市汽車的保有量急劇增加，致使城市交通擁擠和停車困難。根據國家發改委公布的數據，目前我國大城市小汽車與停車位的平均比例約為1：0.8，中小城市約為1：0.5，與發達國家1：1.3相比，我國停車位比例嚴重偏低，全國車位缺口超過5000萬個[1]。然而，傳統停車場區依賴拓展土地面積來增加泊位數量，已不能從根本上解決停車難的局面，也不符合當前綠色經濟發展戰略。為解決此問題，具有占地面積小、空間利用率高等[2-3]諸多優勢的立體停車設備，成為了當前各熱點城市解決停車難的有效途徑。

目前，立體停車模式主要有以下幾種形式：升降橫移類、多層循環類、簡易升降類、垂直升降類、平面移動類、巷道堆垛類等[4]?，F有立體停車設備多采用單口進出存取車輛、多位車主同時使用時需依次存取，造價高昂。各類立體車庫中升降橫移類立體車庫以其可多單元組合，方便靈活，能滿足各種不同需求的優勢應用范圍最廣[5-6]，占立體停車設備市場份70%。據實地測量存/取車輛耗時，依次存/取第20 輛車時，該類型立體車庫約需50min。另外，一些學者采用遺傳算法[7]、排隊論[8]對泊車路徑進行規劃，但仍存在存取車輛耗時長。其次，在寸土寸金的大中型城市，拓建立體停車場空間也遇瓶頸期，但單層地下停車場的建設高度一般為（3.9～4.2）m，存放車輛只占用1.7m左右的高度，仍存在可擴容空間。針對上述問題，設計出一種面向液壓夾升降與轉向的多服務臺式升降橫移類立體停車設備，該立體停車設備占用空間小、可實現多車同步、快捷無堵進出庫，主要適用于地下單層停車場擴建為多層立體車庫場景，也適用于巷道、小區狹窄停車道等狹窄難停車空間。

2 多服務臺式立體停車設備的結構

現有立體停車設備多采用液壓傳動進行升降，液壓升降系統以其功率重量比大，易實現無級調速及安全可靠等優勢在立體停車設備中得到廣泛應用[9]。與現有立體停車設備液壓升降系統不同的是，多服務臺式立體停車設備采用液壓夾夾緊車板升降與換向，液壓設備中可用于傳動、支撐、緊鎖等多個方面。設備的主要部件包括自動控制系統、水平移動裝置、垂直升降裝置、限位鎖緊裝置和中央處理器，如圖1所示。其工作原理為：當有車需要入庫（一層車庫可以直接進入，不考慮電機動作；此處只考慮需要入二層車庫）的時候，啟動電機2，先水平移動機構將機架整體移出，移出到設定位置后，觸碰限位開關動作，自動控制電機6，此時垂直升降裝置將托車板放下來，下降到指定高度后，觸碰限位開關動作，自動控制電機6停止工作，車輛入庫；車輛入庫完成后，壓力傳感器檢測到較為均勻的壓力信號，控制電機6啟動，垂直升降裝置將托車板舉起來，上升到指定高度后，觸碰限位開關動作，自動控制電機6停止工作、電機2開始工作，水平移動機構將機架整體移入。

圖1 多服務臺式立體停車設備總體結構圖Fig.1 Multi-Service Bench Stereo Parking Equipment Structure

2.1 液壓夾夾緊、升降及換向的原理

（1）液壓夾夾緊車板的升降原理：液壓夾5由液壓缸1、上夾板2和下夾板3構成；下夾板3與升降板固定相連、升降板與鏈輪鏈條4固定相連構成升降裝置，如圖2所示。通過液壓缸1驅動上夾板2下行運動即可與下夾板3一起將承車板5夾緊，所述液壓夾的上夾板2底部設有多個固定銷，承車板5上設有與固定銷相配合的多個通孔，液壓夾夾緊承車板5時，上夾板2底部的固定銷剛好插入承車板5上的通孔內，將承車板5相對固定好。夾緊固定后，通過升降裝置帶動液壓夾及承車板5上下運動，實現液壓夾夾緊車板進行升降的功能。

圖2 液壓夾夾緊升降的工作結構圖Fig.2 Working Structure of Hydraulic Clamping and Lifting

（2）液壓夾的換向原理：二層均停放有車輛時，液壓夾6、液壓夾7均處于夾緊狀態，如圖3所示。當需要取出左側車輛時，則位于地面導軌1中間的移動立柱3上右邊的液壓夾7松開，液壓夾裝置與右側的承車板5解鎖，移動立柱3左側的液壓夾6保持與左側的承車板5夾緊并鎖定。檢測到已鎖定好后，支撐左側承車板5的液壓支撐桿2下降一小截，而后移動立柱3向左側移動，到達地面導軌4左端盡頭時，通過移動立柱3上的升降裝置與液壓夾裝置的固定相連帶動承車板5緩慢下降，車輛縱向駛離左側的承車板5，二層左側車輛的取車過程，如圖4所示。若需取出右側車輛時，則將左側液壓夾6松開，右側液壓夾7夾緊承車板，后續取車過程與上述相同，按照上述步驟相反即為存車過程，以下不再贅述。通過液壓夾可雙向夾緊的結構實現共用單個移動立柱升降雙邊車輛的功能。

圖3 多服務臺式立體停車設備的左視圖Fig.3 Left View of Multi-Service Desktop Stereo Parking Equipment

圖4 二層左側車輛的取車過程Fig.4 Removal of Vehicles on the Left Side of the Second Floor

2.2 主要部件的功能

該多服務臺式立體停車裝置主要部件包括自動控制系統、水平移動裝置、垂直升降裝置、限位鎖緊裝置和中央處理器。

（1）自動控制系統包括壓力傳感器、位移傳傳感器、限位開關、GPS位置傳感器、信號發射器。壓力傳感器用于監測托車板上的壓力變化、位移傳感器用于監測停車是否到位、限位開關用于控制平臺的升降限位以及機架的前后平移限位、GPS位置傳感器用于接收已預約車庫車輛的位置信息、信號發射器用于當車輛行駛到車庫附近后采集信號控制電機動作。

（2）水平移動裝置包括電機、聯軸器、減速機、齒輪和齒條，用于實現立體車庫整體水平方向上的移動。

（3）垂直升降裝置包括電機、聯軸器、減速機、鏈輪、鏈條，用于實現立體車庫托車板豎直方向上的移動。

（4）限位鎖緊裝置包括四個相同的液壓缸構成的液壓夾，液壓鎖緊鎖緊回路，用于實現對托車板的夾緊固定。

（5）中央處理器采用AVR單片機，融合傳感器送來的各種信號，采用人工智能算法分析，并由此啟動相應的控制信號，驅動相應的電機工作，完成設定的工作流程。

2.3 主要部件的結構選型

為了滿足立體停車設備質量穩定可靠，各部件必須滿足力學結構性能。通過實地調研、力學分析等手段，分析與設定了主要部件的結構選型。

（1）機架結構的選材：經市場調研發現大部分私家車單臺車自重在2t以下，故此處選用2t作為單臺設備的設計載荷，托車板豎直方向上的運動速度設定為空載0.2m/s，帶載荷0.05m/s，取設計安全系數為2，設計總機械效率為0.6，機架整體結構選用普通鋼材Q235。

（2）鏈條的選型：查國標GB1243-2006可得，鏈條選型24A雙排鏈條，24A單排鏈條動載極限強度為2.05t。

（3）垂直升降裝置中電機的選型：鏈輪提升整個平臺需提供的扭矩為4000N/m，取安全系數為2，電機應提供8000N/m 扭矩，電機需要提供的功率為3kW。故垂直電機選型為轉速960r/min，功率為3kW的交流電機；減速機速比為58。

（4）水平移動裝置中電機的選型：整個平臺前后移動，需要的扭矩為2000N/m，取安全系數為2，電機應提供4000N/m 扭矩，電機需要提供的功率為1.5kW。故水平移動電機選型為轉速960r/min，功率為1.5kW的交流電機；減速機速比為36。

（5）限位緊鎖裝置的選型：限位鎖緊裝置（液壓夾）液壓缸選型，活塞直徑為16mm 液壓缸，液壓油通油壓力為31.5MPa，單邊布置兩個。

（6）自動控制裝置的選型：限位開關用歐姆龍HL-5030，位移傳感器選用歐姆龍E3Z-D61，壓力傳感器選用松下DP-102。

3 力學性能分析

借助有限元分析軟件ANSYS workbench 對多服務臺立體停車設備的結構在極限情況下進行力學性能分析，其分析結構模型，如圖5所示。對該結構的工況進行分析可知，極限工況為托板將車體提升時，該工況下不受立柱支撐，且承載最大，此時兩邊立柱同時對托車板起提升作用。

3.1 整體建模及網格劃分

材料參數設定：模板材料45 號鋼，彈性模量E=200GPa，許用應力［σ］=315MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，選擇模型的網格尺寸為25mm，使用掃略方式進行網格劃分，網格模型，如圖5所示。

圖5 網格模型Fig.5 Grid Model

3.2 載荷施加

多服務臺立體停車設備結構的整體壓力分布比較復雜，但其僅受車輛自重的載荷作用。在此處，為了便于分析，按車輛的自重2t施加集中壓力載荷進行分析，如圖6所示。

圖6 載荷設置Fig.6 Load Settings

3.3 有限元分析結果

圖7（a）應力分布云圖可知，最大應力出現在液壓夾夾緊位置，其值為303.51MPa＜315MPa，在材料允許的屈服強度范圍內，滿足強度要求。圖7（b）應變分布云圖可知，最大應變出現在托車板邊緣位置，其值形變量為13mm＜25mm，在材料允許的形變范圍內，滿足剛度要求，故結構的安全性得到了保證。

圖7 基于有限元分析的力學性能Fig.7 Mechanical Properties Based on Finite Element Analysis

4 四類立體停車設備組合結構仿真模型

根據不同場景，多服務臺立體停車設備具有四種組合結構，適用于多種停車環境，可實現多方位進出庫的便捷停車服務。四種組合結構包括：兩泊位橫向擺放結構、四泊位縱橫擺放結構、兩泊位縱向擺放結構、四泊位縱向擺放結構，并采用犀牛軟件對四類組合結構進行仿真建模。

4.1 兩泊位橫向擺放結構

兩泊位橫向擺放結構適用于單邊靠墻，寬度（5～10）m路面，如圖8所示。當有車輛需要停在一層泊位時，可直接側方入庫；當有車輛需要停在二層泊位時，機架與托車板間的鎖緊裝置松開，機架帶動二層托車板橫移出來，而后將二層托車板下移至地面，二層托車板順應道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，托車板在電機控制下原路返回。在現有停車占地面積不變的情況下，停車數量增大兩倍。

圖8 兩泊位橫向擺放結構模型Fig.8 Horizontal Layout Structure Model of Two Berths

4.2 四泊位縱橫擺放結構

四泊位縱橫擺放結構由兩組兩泊位橫向擺放結構背靠背拼接而成，如圖9所示。該結構適用于有雙向車道的停車環境。當有車輛需要停在一層泊位時，可直接徑直入庫或倒車入庫；當有車輛需要停在二層車泊位時，機架帶動二層托車板橫移出來，而后將二層托車板下移至地面，二層托車板順應道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，托車板在電機控制下原路返回。在停車數量相同的情況下，占地面積縮小為原來60%。

圖9 四泊位縱橫擺放結構模型Fig.9 Structural Model of Four Berths Arranged Vertically and Borizontally

4.3 兩泊位縱向擺放結構

兩泊位縱向擺放結構適用于單邊靠墻，寬度（10～15）m 路面，如圖10所示。當有車輛需要停在一層泊位時，可直接徑直入庫或倒車入庫；當有車輛需要停在二層泊位時，機架先帶動二層托車板向外移動至指定位置，然后底座旋轉90°，再將二層托車板下移至地面，二層托車板順應道路的方向，車主無需倒庫即可直接停車，待車停好后，電機帶動托車板按原路返回。在不增大現有停車占地面的情況下，停車數量增大為原來的兩倍。

圖10 兩泊位縱向擺放結構模型Fig.10 Structural Model of Two Berths Arranged Lengthwise

4.4 四泊位縱向擺放結構

四泊位縱向擺放結構由兩組兩泊位縱向擺放背靠背拼接而成，如圖11所示。該結構適用于有雙向車道的停車環境。當有車輛需要停在一層泊位時，直接徑直入庫或倒車入庫；當有車輛需要停在二層泊位時，機架先帶動二層托車板向外移動至指定位置，然后底座旋轉90°，再將二層托車板下移至地面，待車停好后，電機帶動托車板按原路返回。在現有停車占地面積不變的情況下，停車數量增大兩倍。

圖11 四泊位縱向擺放結構模型Fig.11 Structural Model of Four Berths Arranged Vertically

4.5 立體停車設備的特征分析

分析上述四類組合結構，其適用于多種場景，譬如街道、巷道、住宅區，尤其適用于地下停車庫的擴容，且均將停車數量提升一倍。此外，設備權屬清晰，可實現一車一固定泊位。即該立體停車設備結構實用性強、靈活便捷。

其次，該立體停車設備可真正實現多服務處理，即單臺立體停車設備可獨立完成停車入庫的升降動作，互不影響；單臺設備可以獨立的完成檢修以及零件的更換工作，不影響其他設備的使用；單臺設備故障，不影響其他設備的使用性能；單臺設備的維修保養不會影響相鄰及全部停泊位，不會牽一發而動全身。

第三，該立體停車設備使用率高，具有雙向夾緊功能的液壓夾鉗的使用，能夠在保證結構強度安全的情況下，有效的降低設備的使用量，提高電機等設備的使用率。

第四，對比現有的立體車庫，具有能耗更低的優勢。當有車需要入庫時，電機只對單臺停車設備做功，避免了現在立體車庫，一臺車入庫，其他車輛必須被帶動的缺點。

5 結論

通過分析目前國內立體車庫的發展現狀及結構的優劣，得出立體車庫推廣遇瓶頸期的主要原因有：單口進出存取車輛、多位車主同時使用時需依次存取，造價高昂、運行能耗較高等。針對上述的不足之處，設計出一種面向液壓夾升降及換向的多服務臺式立體停車設備。該設備把停車位設計成上下兩層錯位布局的結構，可以說是一種創新的設計，這種結構配合液壓升降橫移機構可以有效地提高立體車庫存取車輛的效率。通過有限元分析對結構在各種工況的受力和變形進行分析，找出了結構骨架的最大應力作用單元和最大變形單元，并驗證了結構滿足剛度和強度要求。最后，采用犀牛軟件對四類組合結構進行仿真建模，仿真結果表明該立體停車設備結構簡單、存取靈活、效率高、能耗低、設備使用率高。該設備可進一步擴展為三層甚至多層，但需核定其力學性能。