升降橫移式立體車庫結構設計

王 崢，邢子達，黃曉磊，徐圣杰，張建超

(石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043)

隨著我國經濟快速發展，車輛保有量越來越多，車位少、停車難的問題日益嚴重。立體停車庫成為緩解這一問題的重要措施之一。美國最先開始研發立體車庫，技術居于領先地位。日本由于國土面積小而應用最廣[1]。國內正處于經濟與建設發展階段，我國機械式車庫的早期研究開發工作是從80年代中期開始。我國多數產品效仿或引進外國技術制造，技術水平低；缺少具有一定規模的企業，生產能力不足，立體車庫的研發與設計還有很長的路需要走。目前市場上存在的立體停車庫有升降橫移類、垂直循環類、平面移動類、簡易升降類等幾大類型[2]。車庫類型多種多樣，功能更是多元化，各有千秋，面向對象以及適用場所大不相同。本文主要研究的新型升降橫移式立體車庫擬采用中小型車為對象，并適用于解決在市區公園、廣場、住宅小區等場所停車難的問題。該車庫的升降平移結構與主體結構相對獨立，做到模塊化設計，可隨時拆裝。將傳統車庫主體內的車輛平移，改為旋轉。保證了車庫存取操作的便捷、靈活，提高存取車效率，也方便以后的車庫維修、保養等。

1 升降橫移式立體車庫的創新設計

針對我國立體車庫現存的問題，立體車庫擬采用存放中小型車為對象，并針對適用于市區公園、廣場、住宅小區等地面利用變動性較大的地方的升降橫移式立體車庫進行改進。升降橫移類立體車庫具有形式較多，規模可大可小，適用面積廣，安全可靠性大等優點。另外，該類車庫的整體鋼架結構、傳動系統、控制系統、安全系統等技術發展比較成熟。

本新型車庫可廣泛適用于露天場所和停車需求大的地方，停取車時間短，效率高。模塊化結構設計，安裝簡單，拆卸方便。運行維護成本低，如果需要更換，可直接在現場進行更換。

1.1 升降橫移式立體車庫結構設計

該立體車庫主要包括兩大結構。包括車庫主體結構和垂直升降平移結構。

1)車庫主體為鋼架結構，包括一個裝載旋轉系統的中心主軸，其內部設有電動機給旋轉系統提供充足的動力；還包括四個可沿圓形軌道旋轉的旋轉支柱，支柱的旋轉可由支柱下面的萬向輪沿著圓形軌道來實現；主體結構分為兩層。一層可直接停放8輛車，二層設8個帶有梳狀載車平臺的固定載車板，且二層結構可整體旋轉。

2)垂直升降平移結構四周包括6個帶有滾珠螺桿裝置的支撐立柱，主要部分包括一個分為上下兩層的鋼制平臺，下層垂直升降平臺可沿滾珠螺桿進行車輛的升降，上層水平移動平臺沿下層鋼制平臺的內側軌道負責車輛的平移；上層平臺內設有一個帶有液壓裝置和梳狀載車板可移動拖車，可使車輛快速、準確入位。

整個車庫整體結構按中心主軸、旋轉軸承、軌道、梁、肋板、對角梁、固定載車板、旋轉支柱、滾珠螺桿、垂直升降平臺、水平移動平臺、拖車之間順序連接，如圖1所示。

其中，中心主軸固定在地基上，旋轉軸承采用鍵鏈接在中心主軸上，4個梁均勻分布固定于中心主軸上部，肋板固連在梁兩側，上端面起支撐作用。固定載車板兩側與梁固定連接，其下面有肋板支撐，對角梁一端固定在中心主軸上部，另一端與固定在固定載車板上的旋轉支柱相連，從下端支撐起固定載車板，軌道和旋轉支柱形成配合。滾珠螺桿安裝在地面，垂直升降平臺套在滾珠螺桿上，水平移動平臺與垂直升降平臺通過滑道連接，拖車放入水平移動平臺軌道中。車庫總覽如圖2所示。

根據結構圖1和圖2，下面對主要機械部件作簡單介紹：

1)中心主軸：中心主軸為最主要的承重軸，下端連于地面地基，主要承載二層的重量。因車庫整體由PLC進行控制，所以該主軸可根據存車取車的指令要求進行轉動。

2)旋轉支柱：本車庫中有4個旋轉支柱，支柱下方有腳輪，腳輪在軌道中行走，軌道中有抱剎裝置，可以方便快速地啟停。

3)固定載車板：固定載車板裝在中心主軸上，主要負責存放車輛。其內部設有供拖車運動的通道，上面設有梳狀結構，可方便實現車輛的存取移動。

4)水平移動平臺：其與固定載車板形似，內部同樣具有可供拖車運動的空間，水平移動平臺下方裝有輪子，來實現平移運動，再通過PLC傳感器的控制，可實現與梳狀載車平臺的精準定位，完成水平方向上的運動。

5)垂直升降平臺：垂直升降平臺外部有與滾珠螺桿配合的孔，滾珠螺桿通過電機進行驅動，并且配上PLC對其運動高度進行控制，使車輛在垂直方向上進行精確的升降運動。

6)拖車：拖車上裝有液壓升降裝置，通過升降平移將車從載車板運到車庫里或從車庫取出。

除了大量的機械工具，本結構還用到大量的電氣設備，傳感器和PLC等，在后邊會進行分析與設計。

1.2 升降橫移式立體車庫的工作原理

本車庫可以實現自動的存取車輛，以存車為例來簡述其工作原理；一層的車輛可以直接進入，和普通地面上的停取車方式相同。當一層的車停滿之后，開始使用升降平臺進行二層車輛的存放；在車輛需停放車庫二層時，整個過程如圖3所示。首先車輛進入垂直升降平移裝置。智能控制系統啟動，首先系統進行自我檢查，再檢查車長寬高、重量、停放位置符合要求后，電機驅動滾珠螺桿帶動垂直升降平臺、水平移動平臺以及拖車垂直上升，直到水平移動平臺與固定載車板的梳狀載車平臺兩部件內軌道底面重合。垂直升降平臺上的滑道輪在電力驅動下將水平移動平臺和固定載車板進行對接。在智能系統控制下，拖車底盤上的液壓升降系統將梳狀載車板向上抬升到一定高度，在傳動輪和側輪配合下沿軌道向前移動，拖車前進到固定載車板上，自動調整與其準確配合的位置，液壓升降系統將梳狀載車板降入軌道內部，回到在水平移動平臺以前位置，梳狀載車板復位，完成車輛搬運步驟；然后在電機驅動下滑道輪將水平移動平臺復位，滾珠螺桿反向旋轉使垂直升降平臺、水平移動平臺、拖車回到地面以下。在進行上一步驟的同時，中心主軸在電機驅動下開始旋轉，旋轉支柱下端的萬向輪沿軌道隨中心主軸同步旋轉將沒車車位旋轉過來，使固定載車板與水平移動平臺內軌道中軸線在一個鉛錘面內。

本車庫以升降橫移式立體車庫為研究對象，對原有的結構進行改進，將車庫內的升降橫移運動方式改為升降旋轉，提高存取車效率，減少車主等待時間，提升了車庫的空間利用率。一層可直接停車，簡單方便。車庫由鋼結構、車輛垂直升降系統、自動調整系統、智能控制系統、配電系統等組成。主體采用鋼結構，強度高，較為輕巧，能夠實現快速搭接與拆卸[3]。對于整個立體車庫的控制，小型PLC就能滿足系統需要。智能控制系統選用歐姆龍CP1E-N40DR-A小型PLC，歐姆龍PLC具有結構靈活，傳輸質量高、速度快、質量穩定，范圍廣的特點。拖車提升裝置采用液壓裝置，響應速度快，提升平穩，承載能力大。車輛的垂直升降系統采用滾珠螺桿裝置，將滑動摩擦變為滾動摩擦，具有定位精度高，壽命長，污染低等特點[4]。

1.3 立體車庫的建設方案

按照當今城市發展要求和針對城市小區、公園等地區所設計的立體車庫擬采用如下建設方案，如表1 所示。該設計占地面積不大，滿足中小型車輛的停放要求，另有隨時拆卸，組裝方便等優點，適合簡單快捷的停車。

表1 立體車庫建設方案設計[5]

2 立體車庫系統設計

本立體車庫擬選用歐姆龍PLC。歐姆龍PLC是一種功能完善的緊湊型PLC，通過對本系統的功能進行分析，小型PLC就能滿足系統需要。歐姆龍PLC具有結構靈活，傳輸質量高、速度快、質量穩定，范圍廣，制造成本低，適用面廣等特點，選用此款控制器價格便宜，性價比高。綜上考慮，選用歐姆龍CP1E-N40DR-A小型PLC[6]。

PLC是承接計算機和輸入、輸出的重要連接部分，它擔負著將輸入信號按照特定的程序執行并輸出到外界，同時PLC能與計算機進行雙向信號交流，傳遞信息。PLC強大的穩定性保證了整個車庫的穩定與安全[7-8]。

在輸入中，在各種傳感器接收到信號后可通過導線傳遞給PLC。其中安置在車庫外側的閘桿用來檢測是否有待停取車輛，并隨時識別待放行車輛的車牌號碼。初步解決人員誤入帶來的不必要麻煩。讀卡器用來接收用戶發出的存取車信號；光電傳感器用來檢查車體的長寬高是否合適；壓力傳感器用于檢查車體重量是否符合標準；限位開關檢查用戶停車位置是否合適。

在執行機構中，通過PLC發出指令，轉化成電信號，輸出電動機的正反轉，來控制載車板的上下作用移動；指示燈的閃爍，報警和安全系統的啟停，保護車輛與用戶的安全。

3 總結

目前我國社會經濟和科技水平的發展對于車庫系統而言仍有許多需要改進和提高的地方。發展立體車庫對我國人口增長，人均土地占有面積減少有著至關重要的作用。筆者在停車空間緊張的社會背景下提出了PLC控制為核心、以節約空間為目的，以適用于商場、老舊小區等人員密集場所為出發點的雙層八車位升降橫移小型的立體車庫。隨著人民生活水平的提高，汽車保有量會越來越大。立體車庫在我國今后一段時間一定會是一個巨大的商機。本文所述的設計一定會為未來的智能化城市貢獻力量。