升降橫移立體車庫安全技術分析及可伸縮防擺桿設計

吳鋒，周潔，史煥然，謝慶均，鄒建平

(1. 南京市浦口區(qū)科技成果轉化中心，江蘇 南京 211803； 2. 江蘇潤邦智能車庫股份有限公司，江蘇 南京 211803)

0 引言

近年來，由于經濟水平的增長，我國私家車占有率一直在飛速增長，停車空間日益緊張。住宅區(qū)停車位分配的困難、城市中停車場的擁擠和無處停車的現狀給城市居民造成了很大的困擾。升降橫移立體車庫由于能夠節(jié)省空間資源，有效解決停車問題，在生活中已經有了十分廣泛的運用。升降橫移立體車庫是一種現代化的停車庫，主要運用的是機械方面的技術，是一種半自動化的特種設備。在目前停車空間緊缺的情況下，因其具有空間利用率高、對環(huán)境要求低等特點而廣泛運用于住宅小區(qū)、商場等場合。

1 基本結構及工作原理分析

1.1 升降橫移立體車庫的結構

升降橫移立體車庫的結構主要由鋼結構框架、載車板、控制系統、提升機構、安全防護系統等五大部分組成，如圖1所示。

圖1 雙層式升降橫移車庫結構示意圖

鋼結構框架是由各類鋼材通過高強度螺栓連接而成的主體框架，在車庫之中起到的作用是承受質量、內設車位等，所以要求有較高的強度與硬度[1]。目前有框架式和拼裝式兩種應用較為廣泛的載車板。框架式載車板的優(yōu)點在于便于布置行車通道，而拼裝式由于組裝部件采用沖壓工藝一次成型，其優(yōu)點在于適合量產且產品互換性較好。程序控制器是升降橫移車庫的重要組成部分，目前的控制系統大多采用 PLC 程序控制器控制。提升機構可采用鏈條提升、鋼絲提升、導軌引導等等。在升降橫移車庫中還有防墜落機構、人車誤入檢出裝置、松鏈警報機構等各種不同的機構，以保證整個車庫和人員的安全。

1.2 工作原理

升降橫移立體車庫的工作原理如圖2所示。主要是利用載車板的升降和橫移來進行車輛的存取。車庫底層的載車板通過地面鋪設的導軌進行橫移，但不進行升降運動；中間層既可以橫移又可以升降。在車庫運行過程中，必須保證中間層與底層都預留一個空位，用來讓存取的車輛進行升降。底層載車板進出車時，中間與頂層的載車板無需運動，而中間層、頂層進出車時,則必須要確保自己的下方存在空位。沒有空位時要先進行橫移,等到騰出空位之后再進行升降運動,進出車動作完成之后要進行復位[2]。此外，升降橫移立體車庫在運行過程中，升降運動需要復位，平移則不需要復位。

圖2 載車板運動規(guī)律示意圖

2 升降橫移立體車庫安全問題分析

安全防護裝置是升降橫移車庫的重要組成部分，按照國家要求，機械式車庫必須設置相應的安全防護裝置才能投入使用。目前，安全防護裝置的種類很多，有防墜落裝置、防擺裝置、松鏈保護裝置、人車誤入檢出裝置、超限位保護裝置、阻車裝置、消防裝置、斷電保護裝置等。這些裝置從不同的方面確保了升降橫移車庫的安全運行，但仍存在一些難以解決的問題。

2.1 鋼絲提升機構安全問題

在提升機構的運行過程當中，鋼絲繩會受到十分復雜的提升力。在提升力的拉伸作用和在機構中工作時受到的彎折作用會對繩索的結構造成很大的破壞，導致其韌性下降，最后在疲勞效果的作用下發(fā)生斷裂。此外，鋼絲繩在使用過程中與其他機構發(fā)生摩擦、鋼絲繩相鄰股的鋼絲之間的摩擦、受到沖擊碰撞和振動、空氣和雨水的腐蝕等因素[3]，都會導致鋼絲繩變細或者小股斷裂，從而造成鋼絲繩承擔提升力的截面積變小，導致鋼絲繩斷裂。

2.2 鏈條提升機構安全問題

鏈條在傳動的時候有一定的速度，會和傳動機構中的其他部件發(fā)生滑動摩擦而出現嚴重的磨損，極有可能導致斷裂。鏈條在工作過程中在繃緊與松弛兩種狀態(tài)中反復切換，久而久之，鏈條、銷軸、滾筒都會因為疲勞而產生較大的問題。鏈條反復轉動、啟停、制動，對于鏈條傳動機構會產生許多次沖擊，導致滾子發(fā)生點蝕。點蝕的積累會使銷軸、滾子和套筒產生沖擊斷裂。

2.3 防擺桿安全問題

升降橫移立體車庫的載車板在運動過程中容易受到外部環(huán)境的影響，出現嚴重的擺動，因此需要設置防擺桿避免載車板定位不精準而引發(fā)的安全問題。但實踐中發(fā)現，這種普通的防擺桿設計還無法做到完全杜絕安全隱患，這是由于車庫空間限制以及防擺桿本身的設計缺陷造成的。在車庫運動過程中，防擺桿與載車板很容易發(fā)生干涉而引發(fā)墜車事故。

2.4 存取車操作安全問題

在取車的過程中，上層的載車板會下降至指定位置[4]。如果出現有兩人先后取車的情況，第一個人刷卡結束后，載車板下降至指定位置即可進行取車，如果此時第二個人接著進行刷卡取車，而系統在指定時間后認定第一人的取車過程已經結束，載車板就會上升，為第二次取車過程制造空位。如果此時人車檢出裝置未能及時檢測到突發(fā)狀況，則極有可能出現車輛剪切變形擠壓駕駛員的危險狀況。

3 可伸縮防擺桿總體設計方案

3.1 工程概況

本次設計內容為一款可以安裝在升降橫移立體車庫上的可伸縮防擺桿。升降橫移車庫參照物為某公司的一款8層升降橫移類車庫，其使用的是電機驅動，提升方式為鋼絲繩提升，適停車輛尺寸為5 300 mm×1 900 mm×1 550 mm，適停車輛質量為2 300 kg 。

3.2 總體方案

本設計的可伸縮防擺桿由1根防擺桿套筒、1根防擺桿套桿、2枚緊定螺釘、1根彈簧等構成。如圖3所示套筒在防擺桿套桿上方，與防擺桿套桿之間是間隙配合，兩個部件都不是標準部件，彈簧安裝在套筒與防擺桿之間。套筒側面開有長孔，長孔的長度對應了防擺桿套桿在套筒中運動的范圍；長孔的寬度和緊定螺釘的外直徑相對應，防擺桿套桿上端伸入套筒；上端位置超出長孔下邊緣，并且在其側面開有螺孔，2枚緊定螺釘通過螺孔安裝在防擺桿套桿上，螺釘尾端處于長孔外[5]，以確保防擺桿只能夠沿著長孔的方向上下移動；防擺桿下端插入位于載車板上的定位套，套筒上端使用螺栓固定于上層載車板邊梁上。

1—防擺桿套筒；2—彈簧；3—緊定螺釘；4—防擺桿套桿；5—定位套；6—載車板邊梁。圖3 可伸縮防擺桿結構示意圖

3.3 工作原理

防擺桿在工作過程中，套桿與導向套之間相互配合，因為需要套桿較為方便地插入導向套，所以兩者之間的配合應該選擇較為松曠的間隙配合，同時套桿在防擺桿套筒中能上下移動，所以防擺桿套筒與防擺桿套桿之間的配合一樣選擇較為松曠的間隙配合。選用中空的鋼管來制造防擺桿套桿，然后將防擺桿下端頭插入防擺桿套桿內。防擺桿套桿與防擺桿下端頭之間選用過盈配合用以固定防擺桿下端頭，然后再使用定位銷對防擺桿下端頭進行定位和緊固，防止防擺桿下端頭因為在防擺桿套桿中發(fā)生轉動而脫落。防擺桿套筒與防擺桿底座之間的連接方式是焊接，兩者選用相同材料制造，焊縫的類型選擇為沒有坡口。

4 主要零部件設計

4.1 防擺桿套筒與防擺桿套桿的設計

本次設計中，對于套筒和防擺桿套桿的精度要求并不是很高，并且在使用過程中，這兩種構件也不需要承受較大的載荷，從經濟性上考慮，選擇結構碳素鋼Q235作為其加工的材料。防擺桿套桿和套筒都是非標準件，配合間隙可以自擬，為了方便加工和推廣，選用較為常用的熱軋無縫鋼管制作，其中套筒選用規(guī)格Q235A，防擺桿套桿因為要考慮開螺紋連接套桿的頭部，所以選擇規(guī)格Q235A。套筒內徑32 mm與防擺桿套桿外徑32 mm 因為需要可以相互運動，所以選擇間隙配合。由于防擺桿機構是安裝在上層載車板邊梁上的，而且防擺桿需要對載車板升降的整個過程進行保護，所以防擺桿總體長度應該根據車位高進行選擇，其長度為1 000 mm，套筒的長度為400 mm，防擺桿套桿整個工件長度為1 400 mm。

4.2 防擺桿下端頭設計

由于防擺桿套桿選擇的是空心鋼管，可以于鋼管下方以螺紋連接的方式連接上一個錐形的頭部，用于與定位套直接進行接觸并插入定位套，使防擺桿正常工作，所以要求此部件與定位套的摩擦力要盡量較小，以使其能夠更加方便地插入定位套。不同材料之間的摩擦力可以通過調整兩個摩擦副的材料來進行調節(jié)。由于定位套的材料為尼龍，應該盡量選擇與尼龍之間摩擦系數較小的材料。尼龍66與鋼之間的摩擦系數為0.34，所以選擇45鋼作為防擺桿下端頭部的材料[7]。選擇直徑為30 mm的圓鋼作為該工件的原料，將其頭部切削成圓錐形，使其能夠成功地安裝在防擺桿的底部，并能夠插入尼龍導向套與之形成合理的配合。

4.3 彈簧的選擇

本設計中所用的彈簧受到載荷會使其壓縮，并且并無形狀要求，所以選用普通螺旋壓縮彈簧，材料為碳素鋼絲。因為彈簧安裝在套筒內，并且要承受防擺桿套桿對其施加的載荷，所以彈簧外徑應當與防擺桿套桿外徑相匹配，根據GB/T2089—2009，選用彈簧中徑D=20 mm，材料直徑d=2 mm，有效圈數n=6.5圈，自由高度H0=55 mm。彈簧標號為YA GB/T2089。

4.4 緊定螺釘的選擇

由于制作防擺桿套桿的材料選用的是空心管材，并且套桿的形狀是圓柱形的，類似于軸，所以選用端部為長圓柱端的緊定螺釘。緊定螺釘最終選擇類型為方頭長圓柱端。套桿的外徑為32 mm，又因為本次使用的緊定螺釘安裝的部位并沒有受到太大的外力或者轉矩，所以選擇螺釘直徑為6 mm，M6的螺釘。根據國標可知，這種規(guī)格的螺釘長度范圍為12 mm～30 mm，因為套筒與套桿的壁厚均為3 mm，所以可以直接選擇螺釘長度為12 mm[8]。

5 結語

本文對現有的升降橫移立體車庫的防擺桿技術進行了改進，設計出一種可伸縮防擺桿，大大提升了車庫的安全性。但由于我國升降橫移車庫的安全標準目前還不完善，國家規(guī)定要求配備的安全防護裝置種類有限，對于車庫的安全保障是遠遠不夠的。目前，升降橫移立體車庫安全技術一直在不斷地進步，有許多創(chuàng)新的發(fā)明和改進，相信在不久的將來，升降橫移立體車庫的安全性能會進一步提高，其應用范圍也會更加廣泛。