立體車庫載車器液壓緩沖系統設計

陳小怡

(瀘州職業技術學院，四川 瀘州 646000)

引言

立體車庫作為一種智能交通設備，具有便捷停車、空間利用率高等優點，解決了越來越多的市區商場停車難問題[1-3]。 立體車庫載車器主要有電機升降控制和液壓升降控制兩種，在市場上正逐步推廣[4-5]。在取車下降過程，常出現載車器過放現象[6]，對車輛產生劇烈沖擊振動，嚴重影響載車器升降平順性。

為解決立體車庫載車器過放沖擊，王其松[7]研究了一種溢流閥緩沖式取車過放液壓系統，基于AMESim搭建了系統仿真模型，得出減小溢流閥開啟壓力可降低緩沖腔壓力沖擊；季鵬[8]借鑒蓄能器緩沖原理設計了立體車庫過放沖擊再利用系統，利用AMESim分析了過放速度和蓄能器參數對沖擊能回收系統的影響情況，得出過放速度增加應增大回收缸缸徑或行程；馮鈴等[9]提出一種立體車庫過放節流緩沖系統，利用節流閥和溢流閥組合吸收載車器過放沖擊，得出增大溢流閥設定壓力或節流閥通徑可減小過放緩沖位移。

上述技術研究對立體車庫過放緩沖裝置開發具有較好的理論指導，但過放緩沖位移可變，過放速度或質量變化對緩沖位移影響較大，導致緩沖定位不精準，影響載車器過放緩沖效果。基于此，本研究提出一種新型立體車庫載車器液壓緩沖系統，使用可變節流緩沖技術實現過放緩沖位移可控，給出了立體車庫載車器可變節流緩沖原理，建立了立體車庫載車器緩沖系統數學模型，基于AMESim搭建載車器可變節流緩沖系統仿真模型，研究了載車器液壓緩沖系統緩沖特性，分析了過放速度、質量對系統緩沖特性的影響情況，仿真分析了載車器緩沖位移與節流閥過流面積函數的關系，并進行了緩沖系統試驗驗證工作，為立體車庫載車器液壓緩沖系統優化設計提供參考。

1 立體車庫載車器液壓緩沖機理

某商場立體車庫如圖1所示，立體車庫載車器分布于不同的空間位置。取車時，載車器控制系統將車輛運至1層出口處。當控制系統失控時，載車器以一定速度撞向地面，即載車器發生過放事故[10-11]。

圖1 某商場立體停車庫

在1層地面取車處增設緩沖裝置緩沖吸收載車器過放沖擊，立體車庫載車器液壓緩沖系統原理簡圖如圖2所示，緩沖板2表層鑲有橡膠緩沖墊，盡可能減小載車器與緩沖板的接觸沖擊。載車器3過放時，吊繩4以一定速度持續下放載車器3，載車器3撞擊緩沖板2，緩沖板2壓縮緩沖液壓缸8，同時緩沖板2觸發控制器7工作，位移傳感器5檢測到載車器位移時，將其位移變化值傳輸至控制器7進行處理，進而轉化為可調節流閥9的閥芯開度信號，使其閥芯開度實時調節，實現載車器3的緩慢減速和平穩制動，盡可能使載車器減速平滑無波動[12-14]；緩沖結束后緩沖缸8復位彈簧支撐載車器復位。

1.導向缸 2.緩沖板 3.載車器 4.吊繩 5.位移傳感器6.油箱 7.控制器 8.緩沖缸 9.可調節流閥 10.過載閥圖2 立體車庫載車器液壓緩沖機理簡圖

2 載車器液壓緩沖系統數學模型建立

過放后，載車器初始沖擊動能方程為：

(1)

式中,M—— 載車器總質量(包括車輛、吊繩等質量)

v0—— 過放初始速度

液壓缸受載車器過放沖擊，活塞力平衡方程為[15]：

(2)

式中，x—— 載車器緩沖位移

p—— 過放制動液壓缸大腔壓力

D—— 液壓缸活塞直徑

B—— 活塞滑動阻尼

節流閥流量Q方程為：

(3)

式中，C—— 節流系數

A(x) —— 節流閥過流面積函數

ρ—— 液壓油密度，一般取850 kg/m3

3 載車器液壓緩沖系統仿真模型建立

基于AMESim搭建如圖3所示的立體車庫載車器液壓緩沖系統仿真模型，位移與閥芯開度信號用f(x)[16]表示，暫取f(x)為一次函數，令f(x)=-4x+0.8，由方程看出當x=0.2時，f(x)=0。

1.載車器模型 2.載車板模型 3.接觸模型4.位移傳感器 5.位移-閥芯開度函數 6.導向缸7.緩沖缸模型 8.溢流閥 9.變節流閥 10.油箱圖3 立體車庫載車器液壓緩沖系統仿真模型

載車器液壓緩沖系統參數按表1設置進行仿真。

表1 仿真參數

4 立體車庫載車器液壓緩沖系統仿真

4.1 初始參數系統緩沖特性研究

設置A(x)=f1(x)=-4x+0.8(0

圖4 節流閥位移-過流面積曲線(一次函數)

仿真3 s得到載車器緩沖位移及過放速度變化曲線如圖5所示，緩沖缸緩沖腔壓力流量變化曲線如圖6所示。

圖5 載車器緩沖位移及過放速度變化曲線

圖6 載車器緩沖缸緩沖腔壓力流量變化曲線

從圖5和圖6看出：緩沖過程中，載車器速度先迅速降低，后緩慢減速直至停止；在0～0.02 s，載車器速度由3.0 m/s迅速減小為0.02 m/s；在0.02～3 s，載車器速度由0.02 m/s緩慢降至0 m/s，載車器過放緩沖結束后，載車器緩沖位移為0.2 m。

4.2 載車器過放速度對系統緩沖特性影響

載車器速度為1.0, 2.0, 3.0, 4.0 m/s進行仿真分析，仿真得到載車器過放速度對載車器緩沖位移的影響曲線如圖7所示，載車器過放速度對載車器緩沖速度的影響曲線如圖8所示。

圖7 載車器過放速度對載車器緩沖位移的影響

圖8 載車器過放速度對載車器緩沖速度的影響

從圖7和圖8看出，當載車器過放速度由1.0 m/s增大至4.0 m/s時，載車器速度均先迅速降低，后緩沖減速停止，過放緩沖制動后，載車器緩沖位移均為0.2 m。顯然，當載車器過放速度發生變化時，變節流液壓緩沖系統能實現立體車庫載車器精準緩沖。

4.3 載車器質量對系統緩沖特性影響

載車器質量為1200, 1500, 1700, 2000 kg進行仿真分析，得到如圖9所示的載車器質量對載車器緩沖位移的影響曲線和如圖10所示的載車器質量對載車器緩沖速度的影響曲線。

從圖9和圖10看出，當載車器質量由1200 kg增大至2000 kg時，載車器緩沖位移為0.2 m，但小質量(M=1200 kg)時，緩沖過程持續時間延長，在3 s時，載車器緩沖位移還未達到最大值；載車器降速規律保持一致，速度先迅速降低后緩沖減速。與上節研究結論一致：當載車器質量發生變化時，變節流液壓緩沖系統能實現立體車庫載車器精準緩沖。

圖9 載車器質量對載車器緩沖位移的影響

圖10 載車器質量對載車器緩沖速度的影響

4.4 變節流閥過流面積變化規律影響

設置變節流閥過流面積方程表達式A(x)=k(x-0.2，k=-1，-2，-3，-4進行系統緩沖特性仿真，變節流閥過流面積與載車器緩沖位移關系如圖11所示，仿真得到如圖12所示的節流閥過流面積變化規律對載車器緩沖位移的影響曲線。

圖11 變節流閥過流面積與載車器緩沖位移關系

圖12 節流閥過流面積對載車器緩沖位移的影響

對于變節流閥過流面積A(x)=k(x-0.2)，k=-1，-2，-3，-4，當x=0.2時，A(x)=0。從圖11和圖12看出，變節流閥最大過流面積增大時(由15.7 mm2增大至62.8 mm2)，調整節流閥過流面積遞減速率(k從-1調整至-4)，過放緩沖后載車器緩沖位移相同，均為0.2 m。

按此結論，設置A(x)=k(x-0.1)，k(x-0.2)，k(x-0.3)，k(x-0.4)(k取-1～-4)進行仿真驗證，得到如圖13所示的A(x)零點值對載車器緩沖位移的影響曲線。

圖13 A(x)零點值對載車器緩沖位移的影響

由圖13看出，當A(x)零點值分別為0.1，0.2，0.3，0.4時，載車器緩沖位移分別為0.1，0.2，0.3，0.4 m。顯然，A(x)=0的零點值即為載車器緩沖位移值。

5 試驗驗證

考慮到試驗的難度，在實驗室條件下進行立體車庫載車器液壓緩沖系統的試驗驗證，分別設定配重沖擊質量為500 kg和1000 kg進行沖擊試驗驗證，試驗液壓原理及裝置如圖14所示。

試驗設備主要參數：液壓缸選用缸徑100 mm，桿徑50 mm，活塞行程1.0 m；壓力傳感器輸出電流信號4～20 mA，對應壓力0～60 MPa；位移傳感器輸出電壓信號0～10 V，對應位移0～1.0 m；比例閥電磁控制信號4～20 mA，對應閥口開度0～10 mm。

1.油箱 2.液壓泵 3.泵溢流閥 4.配重電磁閥5.緩沖缸電磁閥 6.卷揚馬達 7.繩盤 8.配重塊9.卷揚繩 10.配重機架 11.活塞撞頭 12.位移傳感器13.控制器 14.數據采集顯示器 15.壓力傳感器16.緩沖溢流閥 17.比例閥圖14 實驗室試驗原理及設備

使用數據采集儀獲得如圖15和圖16所示的配重為500 kg和1000 kg時的沖擊數據。

由圖15和圖16可得，在500 kg和1000 kg配重沖擊下，緩沖液壓缸最大位移在(0.2±0.05)m范圍內波動，緩沖腔緩沖壓力在(30±2)MPa范圍內波動，顯然實驗室試驗對系統設計合理性及仿真結論真實性具有一定的驗證支撐作用。

圖15 M=500 kg配重沖擊下的緩沖試驗數據

圖16 M=1000 kg配重沖擊下的緩沖試驗數據

6 結論

基于立體車庫載車器緩沖位移不精準問題，提出一種新型的立體車庫載車器液壓緩沖系統，根據載車器緩沖位移變化實時調整變節流閥過流面積實現了載車器緩沖位移可控，給出了載車器變節流緩沖機理，基于AMESim建立了立體車庫載車器液壓系統載車器過放緩沖模型，仿真了初始參數下的系統緩沖特性，分析了載車器過放速度和質量對系統緩沖特性的影響規律，研究了節流閥過流面積變化及其零點值對系統緩沖特性的影響情況，并進行了系統緩沖性能試驗驗證，仿真得到以下結論：

(1) 變節流緩沖過程，載車器速度先迅速降低，后緩沖減速可實現較精準的緩沖定位；

(2) 變節流閥過流面積變化規律不變，載車器緩沖位移不受載車器過放速度和質量影響；

(3) 增加大開度節流閥閥口關閉速率與降低小開度節流閥閥口關閉速率能獲得相同的載車器緩沖位移；

(4) 變節流閥過流面積方程式零點值對應載車器緩沖位移值；

(5) 試驗數據對仿真結論具有較高的支撐驗證作用。