可充電混合立體公交車庫結構設計及控制系統

李鵬程， 閆宏偉*， 王 璐， 劉 翼， 李 健， 魏秀業

(1.中北大學機械工程學院， 太原 030051； 2.中北大學先進制造技術山西省重點實驗室， 太原 030051)

隨著社會的不斷發展，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交通的主要問題[1]。傳統的停車位充電站均是平面式布置，還需預留一定的空間供車輛的出入，使得土地利用率較低，并且會增加車輛調度的難度。為了緩解城市靜態交通問題，中外相繼產生了不同類型的機械式立體車庫[2-4]。

對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。中國也對立體車庫進行了相關研究[5-6]。主要體現在立體車庫的結構設計以及運行效率等多方面的研究。李博文等[7]對立體車庫的堆垛機運行進行了路徑的優化，提升了巷道堆垛式立體車庫的運行效率。侯相榮等[8]對設計的立體車庫進行了存取策略的分析，可為立體車庫的存取調度提供一定的參考。劉憲慶等[9]利用有限元軟件對地下車庫的整體結構進行分析，研究車輛移動載荷對車庫整體結構的響應分析，為車庫機構的安全提供一定的工程指導。

雖然對車庫的研究不斷進行，但是現在的立體車庫停放車輛以及功能都相對單一，不能滿足現在的發展，充電系統成為車庫停車系統的一部分便于集中管理、智能控制，提高停車設備的智能化[10]。因此為了提高車庫的利用率豐富車庫的功能，現設計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。通過對二層停車裝置進行設計計算分析，驗證二層停車裝置的可靠性，通過對車庫控制系統進行分析設計并搭建試驗樣機驗證設計的可行性，可為立體車庫的發展提供參考依據，進而減緩城市的停車難問題。

1 混合立體公交車庫結構與工作原理

1.1 整體結構

所設計的混合立體車庫公交車庫是基于巷道堆垛式立體車庫。車庫主要有車輛識別系統、停車系統、充電系統、控制系統和人機交互系統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。

車庫整體呈對稱分布，中間安裝堆垛機以及堆垛機軌道，停車位對稱分布于軌道兩側。采用巷道堆垛式車庫有利于提高車庫的自動化水平，堆垛機實現載車板沿著軌道方向的移動和升降運動，而車輛進出車位則由搬運裝置進行搬運。載車板下方設計有齒條，載車板在停車位上的運動通過齒輪齒條來完成運動。

車庫出入口連接設置。由于是混合停車，因此車庫搬運器設計成單、雙搬運兩套裝置。車庫每個車位空間足夠停放公交車，而且單個公交車位空間應當足夠停放4輛小轎車。由于公交車體積大，高度也高，因此設計相應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控制實時升降，每個二層單元可停放4輛小汽車，因此本設計的車庫只停放小汽車時每個公交車位空間可容納8輛小汽車。停車位可以根據需求通過延長堆垛機軌道以及在安全范圍內加高層數來增加停車位的數量。本車庫可以根據公交車的工作時間來安排調度車輛的存放，實現分時驅動，方便節能。

立體車庫的一層停車位采用傳統的充電樁裝置對車輛進行充電。在車庫的主體框架都鋪設有電纜方便為各個車位提供電力，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，充電駁件安裝在遠離堆垛機軌道的一側。載車板上都安裝有充電駁件，載車板通過橫移裝置移動至停車位的相應位置后，載車板上的充電駁件與停車位上的充電駁件進行對接。載車板的固定位置安裝有與汽車充電口相配合的插頭，只有當載車板的插頭與汽車充電口連接，此時已經配合的充電駁件會對汽車進行充電，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有電量損失。

每個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的充電駁件，在每個車位都設計相應的滑軌支柱，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行升降，二層升降單元的充電駁件通過鋪設在滑軌支柱的電纜與下層駁件串聯，這樣就可以完成二層停車位的充電功能。

圖1 立體車庫的總體結構圖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。首先車輛進入時會有相應信號，然后識別系統確認用戶及車輛的信息，判斷是否為公交車。驗證成功后，將車輛放至車庫入口，然后司機下車，停車系統接到相應的指令，根據控制系統給定的信息判斷，如果是公交車則控制堆垛機采用雙搬運系統，如果是小汽車采用單搬運系統。載車板下方安裝齒輪齒條，以及一定的滑輪，齒輪齒條是將電機的動力傳至載車板，帶動載車板移動，控制電機的正反轉來改變載車板搬運的方向。齒輪齒條以及滑輪裝置組成搬運橫移機構，將放有車輛的載車板運至堆垛機提升裝置，在控制系統作用下堆垛機升降平臺將車輛運到系統指定車位，此后橫移機構工作將車輛移至停車位，存車完成。此時等待上位機給出下一條指令，如果下一條指令依然是存車，則控制系統會控制堆垛機移至最近的停車位搬運相應的空載車板，將載車板移動至入口進行一輛汽車的搬運。這樣可以減少搬運裝置的空運行程。

取車的具體工作流程正好與存車的動作流程相反，但取車時需要進行信息識別以及自助繳費系統的繳費流程。

2 二層停車單元的設計與分析

2.1 二層停車單元的設計

圖4 二層停車單元結構圖Fig.4 Structure drawing of parking unit on the second floor

為提高空間的利用率，在每個公交車停車位上設計有可升降的二層停車裝置。其主體結構如圖4所示。二層停車單元的升降是通過鏈傳動完成的，電動機的轉動經過減速以后帶動鏈輪運動，鏈傳動實現載車板的支撐裝置以及載車板的上、下移動。公交車庫主體框架是鋼架結構，在車位的4根立柱上都設計有承受上層停車單元的支撐臺，二層升降單元下降后，支撐裝置停放在支撐臺上，與此同時支撐裝置中間部位設計的輔助提吊裝置也會有提拉支撐裝置的作用。為了安全二層停車單元也設計對應的防墜裝置。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，控制系統接受指令下放二層停車單元，安全降落后便可實現車輛的停放。

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，當支撐裝置處于下降狀態時，支撐裝置承載兩塊載車板和小汽車的質量，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。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，因此需要對其進行強度和剛度的校核，對支撐裝置的長橫梁進行校核。H型鋼的截面參數為400 mm×300 mm×12 mm×20 mm，相關的幾何特性有：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，ix、iy分別為X軸、Y軸的慣性半徑，γx為塑性發展系數，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。查找手冊可得x的塑性發展系數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化成簡單的兩端固定梁的形式進行分析。分析簡圖如圖5所示。

圖中的相應計算參數為：L=14 m；a=3.1 m，b=7.4 m；c=3.5 m，在計算時將受力情況視為恒載，Pg=40 kN為恒載數值，γg=1.2為恒載分項系數，因此可得設計數值為Pd=Pgγg=48 kN。

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

2.2.1 橫梁內力的計算

彎曲正應力：σmax=84.72 N/mm2<抗彎應力設計值f=295 N/mm2。

支座最大剪應力：τmax=11.63 N/mm2<抗剪應力設計值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，主要結構使用框架式結構，傳統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，但是會使得質量增加，不利于高層車庫的穩定承載。因此采用框架拼接式以及加緊密肋設計二層支撐裝置[11]?？蚣芙Y構焊接一定厚度的防滑鋼板，防止載車板滑動。在容易發生形變以及承受荷載較大的地方加筋密肋，既能減少質量又能保證剛度。支撐裝置結構如圖6所示。

圖6 二層支撐裝置結構圖Fig.6 Structure drawing of second floor support device

采用有限元軟件Workbench對支撐裝置進行分析[12]。在對二層支撐裝置進行靜力分析時，車輛重量根據前、后軸6∶4進行分配。每個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，質量按6∶4分配，則支撐裝置中間部位受一側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，因此需要對中間部位做集中載荷分析。將車輛質量取為1 900 kg，且認為每個輪胎與載車板接觸面積為0.04 m2，進行受力分析。在進行分析時需要將支撐裝置的自重考慮在內。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生變化時會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依次進行分析。在不同載車板距離下施加相同的約束和載荷進行有限元分析得到支撐裝置的總體變形以及等效應力分布情況，如圖7和圖8所示。

經過分析，載車板距離不同時支撐裝置的最大變形總是發生在支撐裝置的中間部位，因此設計時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，支撐裝置的最大等效應力也隨之減少。其中載車板距離為100 mm時，最大等效應力為89.8 MPa，且最大形變量為1.137 mm。

Q345鋼的最大許用應力常溫下為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力值在規定范圍之內，所以設計合理且符合要求。

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的設計

立體車庫的總體控制系統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，完成人機交互工作，并且需要對車庫運行狀況實時監控確保車庫各個組成部分安全可靠運行。

3.1 控制系統各個單元的硬件設計

硬件是控制系統不可或缺的部分，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交互界面、上位機、停車檢測裝置、堆垛機電機、存取機構電機、二層升降單元電機、上位機監控單元、故障識別報警單元、車輛識別裝置等設備組成。

3.2 混合立體公交車庫控制系統軟件設計

采用TIA PortalV15.1軟件對具有充電功能的混合立體車庫控制系統的各部分軟件進行可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)編程設計，控制系統是完成整個裝備自動化的主體，實體圖如圖10所示。主要程序包括停車檢查、系統的安全檢查、存車過程、取車過程、各種報警監測以及人機交互。存取車流程如圖11所示。存取車開始前系統進行安全檢查，安全后即可進行存取車工作。

存車時車輛通過車輛識別系統后，系統自動判斷車型(公交車還是小汽車)，選擇單或雙搬運。車輛通過識別后系統記錄相關信息，車輛放入載車板后，裝置進行自動檢測查看車輛是否準確停放。停放到位后司機在人機交互的觸摸屏上，選擇是否充電。一切就緒后點擊存車按鈕，監控系統將相關信息反饋。存車系統開始工作，車輛監控系統給定距離最近的停車位發出相應指令。存取平移裝置將載車板從入口搬運至堆垛機的升降平臺上，堆垛機接收指令后開始進行搬運，到達指定車位后，載車板放入停車位，系統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，系統會判斷最近的車位，堆垛機進行載車板的移動，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控制系統實體圖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，用戶在人機交互界面輸入車牌號，下達取車指令后，系統對信息進行確認并判斷兩次信息是否一致，若信息一致則進行自主繳費取車。信息不一致時進行相應的等待并再次核實信息。人機交互界面會實時顯示車庫內車位的情況。

4 混合公交車庫樣機設計及存取實驗

按照一定的比例將車庫進行縮小，制作了試驗樣機，雙排單巷道三層樣機裝置如圖12所示。在車庫中除了相應的控制系統外，配備了人機交互界面、觸摸屏上位機等。

搭建好試驗樣機后，將樣機與相應的控制模塊，人機交互模塊進行組裝。將編寫好的控制程序載入PLC控制模塊和人機交互界面，檢查混合立體車庫各結構以及控制模塊是否正常，待各部件正常后進行存取車的調試。經過多次存取車實驗可得，人機交互界面可以正常做出相應控制，存取車過程中堆垛機準確平穩運行，車輛的搬運裝置可以實現單、雙搬運。搬運裝置可以將車輛搬運至任何一個車位。

5 結論

所設計的混合立體車庫提高了空間的利用率，節省了土地資源，并且豐富了立體車庫的功能。由設計及分析可得出如下結論。

(1)通過結構的合理設計，使得車庫既能存放公交車，又能存放小汽車，采用分時驅動提高車庫的利用率，設計可升降的二層停車單元，充分利用了空間，增加了單位空間內的停車數量。經分析可知適當調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力。

(2)對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構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合，避免設施重復建設，減小占地面積，增加了機械立體停車庫的功能。

(4)搭建試驗樣機進行存取實驗，驗證了設計的可行性，可為機械式立體車庫的發展提供參考。