可充電混合立體公交車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)

李鵬程， 閆宏偉*， 王 璐， 劉 翼， 李 健， 魏秀業(yè)

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中北大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市的汽車保有量在逐年的增加，特別是城市公交、新能源汽車以及共享汽車的增加使得停車難成為影響城市靜態(tài)交通的主要問題[1]。傳統(tǒng)的停車位充電站均是平面式布置，還需預(yù)留一定的空間供車輛的出入，使得土地利用率較低，并且會(huì)增加車輛調(diào)度的難度。為了緩解城市靜態(tài)交通問題，中外相繼產(chǎn)生了不同類型的機(jī)械式立體車庫[2-4]。

對(duì)于立體車庫的研究主要集中在土地資源短缺的國家，如日本、韓國等。中國也對(duì)立體車庫進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]。主要體現(xiàn)在立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行效率等多方面的研究。李博文等[7]對(duì)立體車庫的堆垛機(jī)運(yùn)行進(jìn)行了路徑的優(yōu)化，提升了巷道堆垛式立體車庫的運(yùn)行效率。侯相榮等[8]對(duì)設(shè)計(jì)的立體車庫進(jìn)行了存取策略的分析，可為立體車庫的存取調(diào)度提供一定的參考。劉憲慶等[9]利用有限元軟件對(duì)地下車庫的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究車輛移動(dòng)載荷對(duì)車庫整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，為車庫機(jī)構(gòu)的安全提供一定的工程指導(dǎo)。

雖然對(duì)車庫的研究不斷進(jìn)行，但是現(xiàn)在的立體車庫停放車輛以及功能都相對(duì)單一，不能滿足現(xiàn)在的發(fā)展，充電系統(tǒng)成為車庫停車系統(tǒng)的一部分便于集中管理、智能控制，提高停車設(shè)備的智能化[10]。因此為了提高車庫的利用率豐富車庫的功能，現(xiàn)設(shè)計(jì)可完成充電的混合立體公交車庫，不僅完成車輛的停放還可完成車輛的充電。通過對(duì)二層停車裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析，驗(yàn)證二層停車裝置的可靠性，通過對(duì)車庫控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)并搭建試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，可為立體車庫的發(fā)展提供參考依據(jù)，進(jìn)而減緩城市的停車難問題。

1 混合立體公交車庫結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的混合立體車庫公交車庫是基于巷道堆垛式立體車庫。車庫主要有車輛識(shí)別系統(tǒng)、停車系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)5部分?；旌狭④噹旒饶艽娣殴卉?，又能存放小汽車。車庫的總體布局如圖1所示。

車庫整體呈對(duì)稱分布，中間安裝堆垛機(jī)以及堆垛機(jī)軌道，停車位對(duì)稱分布于軌道兩側(cè)。采用巷道堆垛式車庫有利于提高車庫的自動(dòng)化水平，堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)載車板沿著軌道方向的移動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)，而車輛進(jìn)出車位則由搬運(yùn)裝置進(jìn)行搬運(yùn)。載車板下方設(shè)計(jì)有齒條，載車板在停車位上的運(yùn)動(dòng)通過齒輪齒條來完成運(yùn)動(dòng)。

車庫出入口連接設(shè)置。由于是混合停車，因此車庫搬運(yùn)器設(shè)計(jì)成單、雙搬運(yùn)兩套裝置。車庫每個(gè)車位空間足夠停放公交車，而且單個(gè)公交車位空間應(yīng)當(dāng)足夠停放4輛小轎車。由于公交車體積大，高度也高，因此設(shè)計(jì)相應(yīng)的可升降的二層停車單元。

可升降二層停車單元由控制系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)升降，每個(gè)二層單元可停放4輛小汽車，因此本設(shè)計(jì)的車庫只停放小汽車時(shí)每個(gè)公交車位空間可容納8輛小汽車。停車位可以根據(jù)需求通過延長(zhǎng)堆垛機(jī)軌道以及在安全范圍內(nèi)加高層數(shù)來增加停車位的數(shù)量。本車庫可以根據(jù)公交車的工作時(shí)間來安排調(diào)度車輛的存放，實(shí)現(xiàn)分時(shí)驅(qū)動(dòng)，方便節(jié)能。

立體車庫的一層停車位采用傳統(tǒng)的充電樁裝置對(duì)車輛進(jìn)行充電。在車庫的主體框架都鋪設(shè)有電纜方便為各個(gè)車位提供電力，電纜的一端與充電堆相連接，另一端則與安裝在停車位的固定充電駁件上，充電駁件安裝在遠(yuǎn)離堆垛機(jī)軌道的一側(cè)。載車板上都安裝有充電駁件，載車板通過橫移裝置移動(dòng)至停車位的相應(yīng)位置后，載車板上的充電駁件與停車位上的充電駁件進(jìn)行對(duì)接。載車板的固定位置安裝有與汽車充電口相配合的插頭，只有當(dāng)載車板的插頭與汽車充電口連接，此時(shí)已經(jīng)配合的充電駁件會(huì)對(duì)汽車進(jìn)行充電，如汽車無需充電，載車板的充電插頭并未連接汽車充電駁件不會(huì)有電量損失。

每個(gè)車位的充電駁件安裝位置如圖 2所示。由于二層載車板也必須安裝相應(yīng)的充電駁件，在每個(gè)車位都設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑軌支柱，二層停車位的充電駁件在滑軌支柱上隨著二層升降單元進(jìn)行升降，二層升降單元的充電駁件通過鋪設(shè)在滑軌支柱的電纜與下層駁件串聯(lián)，這樣就可以完成二層停車位的充電功能。

圖1 立體車庫的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the stereo garage

圖2 充電裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of charging device

1.2 立體車庫存取車工作原理

混合立體公交車庫的主要工作包括存車和取車，其主要工作流程如圖3所示。

圖3 混合立體公交車庫的具體工作流程圖Fig.3 Concrete work flow chart of mixed stereo bus garage

存放車輛。首先車輛進(jìn)入時(shí)會(huì)有相應(yīng)信號(hào)，然后識(shí)別系統(tǒng)確認(rèn)用戶及車輛的信息，判斷是否為公交車。驗(yàn)證成功后，將車輛放至車庫入口，然后司機(jī)下車，停車系統(tǒng)接到相應(yīng)的指令，根據(jù)控制系統(tǒng)給定的信息判斷，如果是公交車則控制堆垛機(jī)采用雙搬運(yùn)系統(tǒng)，如果是小汽車采用單搬運(yùn)系統(tǒng)。載車板下方安裝齒輪齒條，以及一定的滑輪，齒輪齒條是將電機(jī)的動(dòng)力傳至載車板，帶動(dòng)載車板移動(dòng)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來改變載車板搬運(yùn)的方向。齒輪齒條以及滑輪裝置組成搬運(yùn)橫移機(jī)構(gòu)，將放有車輛的載車板運(yùn)至堆垛機(jī)提升裝置，在控制系統(tǒng)作用下堆垛機(jī)升降平臺(tái)將車輛運(yùn)到系統(tǒng)指定車位，此后橫移機(jī)構(gòu)工作將車輛移至停車位，存車完成。此時(shí)等待上位機(jī)給出下一條指令，如果下一條指令依然是存車，則控制系統(tǒng)會(huì)控制堆垛機(jī)移至最近的停車位搬運(yùn)相應(yīng)的空載車板，將載車板移動(dòng)至入口進(jìn)行一輛汽車的搬運(yùn)。這樣可以減少搬運(yùn)裝置的空運(yùn)行程。

取車的具體工作流程正好與存車的動(dòng)作流程相反，但取車時(shí)需要進(jìn)行信息識(shí)別以及自助繳費(fèi)系統(tǒng)的繳費(fèi)流程。

2 二層停車單元的設(shè)計(jì)與分析

2.1 二層停車單元的設(shè)計(jì)

圖4 二層停車單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of parking unit on the second floor

為提高空間的利用率，在每個(gè)公交車停車位上設(shè)計(jì)有可升降的二層停車裝置。其主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。二層停車單元的升降是通過鏈傳動(dòng)完成的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過減速以后帶動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)，鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)載車板的支撐裝置以及載車板的上、下移動(dòng)。公交車庫主體框架是鋼架結(jié)構(gòu)，在車位的4根立柱上都設(shè)計(jì)有承受上層停車單元的支撐臺(tái)，二層升降單元下降后，支撐裝置停放在支撐臺(tái)上，與此同時(shí)支撐裝置中間部位設(shè)計(jì)的輔助提吊裝置也會(huì)有提拉支撐裝置的作用。為了安全二層停車單元也設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的防墜裝置。載車板與支撐裝置之間的連接與下層停車位的載車板和停車位的連接原理是相同的。需要在二層停車位停車時(shí)，控制系統(tǒng)接受指令下放二層停車單元，安全降落后便可實(shí)現(xiàn)車輛的停放。

2.2 二層停車單元重要零部件分析

支撐裝置是承受載車板和小汽車的裝置，當(dāng)支撐裝置處于下降狀態(tài)時(shí)，支撐裝置承載兩塊載車板和小汽車的質(zhì)量，承載量較大且支撐裝置的跨度較大，普通鋼材難以支撐，因此選用Q345的H型鋼作為支撐裝置的主架，車輛隨載車板在支撐裝置上移動(dòng)。停放車輛以后支撐裝置的橫梁是支撐裝置的主要承載單元。

橫梁的跨距較大且為主要承重梁，因此需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，對(duì)支撐裝置的長(zhǎng)橫梁進(jìn)行校核。H型鋼的截面參數(shù)為400 mm×300 mm×12 mm×20 mm，相關(guān)的幾何特性有：Ix、Iy分別為梁的同一截面處X軸、Y軸的慣性矩，Wx、Wy分別為截面在X軸、Y軸的彎曲截面系數(shù)，ix、iy分別為X軸、Y軸的慣性半徑，γx為塑性發(fā)展系數(shù)，Sx為x截面的靜矩，v為梁的撓度，tw為H型鋼腹板厚度。

Ix=48 025.6 cm4，Iy=9 005.18 cm4，Wx=2 041.27 cm3，Wy=600.34 cm3，ix=17.15 cm，iy=7.42 cm，Sx=1 334.4 cm3。查找手冊(cè)可得x的塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.05，梁的撓度[v]=L/300。為便于研究，可以將支撐裝置的橫梁簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的兩端固定梁的形式進(jìn)行分析。分析簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖中的相應(yīng)計(jì)算參數(shù)為：L=14 m；a=3.1 m，b=7.4 m；c=3.5 m，在計(jì)算時(shí)將受力情況視為恒載，Pg=40 kN為恒載數(shù)值，γg=1.2為恒載分項(xiàng)系數(shù)，因此可得設(shè)計(jì)數(shù)值為Pd=Pgγg=48 kN。

A、B分別為橫梁的兩個(gè)支座；P為梁所承受的力；L為梁兩支點(diǎn)間距離；a為左邊施加力的位置與支點(diǎn)A的距離；b為兩個(gè)受理點(diǎn)的距離；c為右邊施加力的位置與支點(diǎn)B的距離圖5 受力簡(jiǎn)圖Fig.5 The stress diagram

2.2.1 橫梁內(nèi)力的計(jì)算

彎曲正應(yīng)力：σmax=84.72 N/mm2<抗彎應(yīng)力設(shè)計(jì)值f=295 N/mm2。

支座最大剪應(yīng)力：τmax=11.63 N/mm2<抗剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值fv=180 N/mm2。

綜上所述，支撐裝置橫梁選擇符合工程要求。

載車板的支撐裝置是二層可升降停車單元的核心部件，主要結(jié)構(gòu)使用框架式結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的載車板和支撐裝置采用整塊鋼板，通過增加厚度可以提高剛度，但是會(huì)使得質(zhì)量增加，不利于高層車庫的穩(wěn)定承載。因此采用框架拼接式以及加緊密肋設(shè)計(jì)二層支撐裝置[11]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)焊接一定厚度的防滑鋼板，防止載車板滑動(dòng)。在容易發(fā)生形變以及承受荷載較大的地方加筋密肋，既能減少質(zhì)量又能保證剛度。支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 二層支撐裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure drawing of second floor support device

采用有限元軟件Workbench對(duì)支撐裝置進(jìn)行分析[12]。在對(duì)二層支撐裝置進(jìn)行靜力分析時(shí)，車輛重量根據(jù)前、后軸6∶4進(jìn)行分配。每個(gè)支撐裝置放兩塊載車板共存4輛汽車，由于車輛停放順序一致，質(zhì)量按6∶4分配，則支撐裝置中間部位受一側(cè)載車板所有汽車后軸力以及另一載車板上所有汽車前軸力，因此需要對(duì)中間部位做集中載荷分析。將車輛質(zhì)量取為1 900 kg，且認(rèn)為每個(gè)輪胎與載車板接觸面積為0.04 m2，進(jìn)行受力分析。在進(jìn)行分析時(shí)需要將支撐裝置的自重考慮在內(nèi)。支承裝置上兩載車板之間有一定距離，載車板上前輪放置的位置始終不變，但載車板之間的距離發(fā)生變化時(shí)會(huì)影響支撐裝置的受力情況。保持支撐裝置受力不變，輪距以及前后軸距離保持不變，載車板之間的距離分別取為100、200、300、400 mm依次進(jìn)行分析。在不同載車板距離下施加相同的約束和載荷進(jìn)行有限元分析得到支撐裝置的總體變形以及等效應(yīng)力分布情況，如圖7和圖8所示。

經(jīng)過分析，載車板距離不同時(shí)支撐裝置的最大變形總是發(fā)生在支撐裝置的中間部位，因此設(shè)計(jì)時(shí)可在中間部位增加密肋。支撐裝置的最大形變量隨著載車板之間距離的增大而減小，與此同時(shí)，支撐裝置的最大等效應(yīng)力也隨之減少。其中載車板距離為100 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力為89.8 MPa，且最大形變量為1.137 mm。

Q345鋼的最大許用應(yīng)力常溫下為115 MPa，支撐裝置在不同載車板距離下放置相同的車輛變形量和應(yīng)力值在規(guī)定范圍之內(nèi)，所以設(shè)計(jì)合理且符合要求。

圖7 不同載車板距離下支撐裝置總體形變圖Fig.7 The overall deformation diagram of the support device under different load plate distances

3 混合立體公交車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

立體車庫的總體控制系統(tǒng)不僅要完成車輛的存取，新能源車輛的充電，還要方便用戶的使用，完成人機(jī)交互工作，并且需要對(duì)車庫運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控確保車庫各個(gè)組成部分安全可靠運(yùn)行。

3.1 控制系統(tǒng)各個(gè)單元的硬件設(shè)計(jì)

硬件是控制系統(tǒng)不可或缺的部分，混合立體公交車庫的主體框圖如圖9所示。

混合立體公交車庫主要由人機(jī)交互界面、上位機(jī)、停車檢測(cè)裝置、堆垛機(jī)電機(jī)、存取機(jī)構(gòu)電機(jī)、二層升降單元電機(jī)、上位機(jī)監(jiān)控單元、故障識(shí)別報(bào)警單元、車輛識(shí)別裝置等設(shè)備組成。

3.2 混合立體公交車庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用TIA PortalV15.1軟件對(duì)具有充電功能的混合立體車庫控制系統(tǒng)的各部分軟件進(jìn)行可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)編程設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)是完成整個(gè)裝備自動(dòng)化的主體，實(shí)體圖如圖10所示。主要程序包括停車檢查、系統(tǒng)的安全檢查、存車過程、取車過程、各種報(bào)警監(jiān)測(cè)以及人機(jī)交互。存取車流程如圖11所示。存取車開始前系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查，安全后即可進(jìn)行存取車工作。

存車時(shí)車輛通過車輛識(shí)別系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)判斷車型(公交車還是小汽車)，選擇單或雙搬運(yùn)。車輛通過識(shí)別后系統(tǒng)記錄相關(guān)信息，車輛放入載車板后，裝置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)查看車輛是否準(zhǔn)確停放。停放到位后司機(jī)在人機(jī)交互的觸摸屏上，選擇是否充電。一切就緒后點(diǎn)擊存車按鈕，監(jiān)控系統(tǒng)將相關(guān)信息反饋。存車系統(tǒng)開始工作，車輛監(jiān)控系統(tǒng)給定距離最近的停車位發(fā)出相應(yīng)指令。存取平移裝置將載車板從入口搬運(yùn)至堆垛機(jī)的升降平臺(tái)上，堆垛機(jī)接收指令后開始進(jìn)行搬運(yùn)，到達(dá)指定車位后，載車板放入停車位，系統(tǒng)判斷車輛是否安全停放，安全停后，防墜裝置開啟，存車完成。隨即各裝置在原地等待下一指令，如果下一指令仍是存車，系統(tǒng)會(huì)判斷最近的車位，堆垛機(jī)進(jìn)行載車板的移動(dòng)，將載車板移至存車入口。

圖8 不同載車板距離下支撐裝置等效應(yīng)力Fig.8 Equivalent stress of support device under different load plate distance

圖9 混合立體公交車庫控制單元的主體框圖Fig.9 Main block diagram of hybrid stereo bus garage control unit

圖10 車庫PLC控制系統(tǒng)實(shí)體圖Fig.10 Garage PLC control system entity diagram

圖11 混合立體公交車庫控制流程圖Fig.11 Control flow chart of hybrid stereo bus garage

取車時(shí)，用戶在人機(jī)交互界面輸入車牌號(hào)，下達(dá)取車指令后，系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)并判斷兩次信息是否一致，若信息一致則進(jìn)行自主繳費(fèi)取車。信息不一致時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的等待并再次核實(shí)信息。人機(jī)交互界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示車庫內(nèi)車位的情況。

4 混合公交車庫樣機(jī)設(shè)計(jì)及存取實(shí)驗(yàn)

按照一定的比例將車庫進(jìn)行縮小，制作了試驗(yàn)樣機(jī)，雙排單巷道三層樣機(jī)裝置如圖12所示。在車庫中除了相應(yīng)的控制系統(tǒng)外，配備了人機(jī)交互界面、觸摸屏上位機(jī)等。

搭建好試驗(yàn)樣機(jī)后，將樣機(jī)與相應(yīng)的控制模塊，人機(jī)交互模塊進(jìn)行組裝。將編寫好的控制程序載入PLC控制模塊和人機(jī)交互界面，檢查混合立體車庫各結(jié)構(gòu)以及控制模塊是否正常，待各部件正常后進(jìn)行存取車的調(diào)試。經(jīng)過多次存取車實(shí)驗(yàn)可得，人機(jī)交互界面可以正常做出相應(yīng)控制，存取車過程中堆垛機(jī)準(zhǔn)確平穩(wěn)運(yùn)行，車輛的搬運(yùn)裝置可以實(shí)現(xiàn)單、雙搬運(yùn)。搬運(yùn)裝置可以將車輛搬運(yùn)至任何一個(gè)車位。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的混合立體車庫提高了空間的利用率，節(jié)省了土地資源，并且豐富了立體車庫的功能。由設(shè)計(jì)及分析可得出如下結(jié)論。

(1)通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使得車庫既能存放公交車，又能存放小汽車，采用分時(shí)驅(qū)動(dòng)提高車庫的利用率，設(shè)計(jì)可升降的二層停車單元，充分利用了空間，增加了單位空間內(nèi)的停車數(shù)量。經(jīng)分析可知適當(dāng)調(diào)整二層兩載車板之間的距離可以減少裝置的變形以及最大應(yīng)力。

(2)對(duì)二層停車單元的支撐裝置采用加筋密肋的拼接形式焊接結(jié)構(gòu)有助于停車裝置的輕量化，并且完全保證剛度。

(3)在車庫一層安裝傳統(tǒng)的充電樁，二層及以上的停車位安裝充電駁件，將充電功能與車庫巧妙結(jié)合，避免設(shè)施重復(fù)建設(shè)，減小占地面積，增加了機(jī)械立體停車庫的功能。

(4)搭建試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行存取實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，可為機(jī)械式立體車庫的發(fā)展提供參考。