一種平面移動類機械式停車設備升降機的設計

李玉嬋

廣州廣日智能停車設備有限公司 廣州 511447

0 引言

隨著停車設備技術的發展，智能化、自動化車庫在全國市場上得到較快的發展和普及，平面移動類機械式停車設備通過全自動化運行，避免了司機找車位以及停車的時間損耗，可以在有限的空間里停放更多車輛，提高了空間利用率及停車效率，受到了市場的青睞。

在平面移動類機械式停車設備中，通過升降機的運動，可打破原有單層大平面停車的限制，實現多層空間的停車交換。目前，市場上常見的升降機提升方式主要有鋼絲繩曳引提升式、鏈條提升式、同步帶提升式3 種類型。常見的鋼絲繩曳引提升式升降機主要通過永磁同步曳引機、鋼絲繩與滑輪組來實現提升；常見的鏈條提升式升降機主要通過三合一電動機、雙排鏈條、同步裝置，采用四點提升的方式來實現提升；常見的同步帶提升式的升降機主要通過帶有鋼芯的同步帶、三合一主電動機、同步系統實現提升。上述常用的升降機在升降運行的過程中，還必須具備防墜落功能，以實現升降機的安全升降，防止人員和車輛的墜落、損傷。因此，在升降機的設計過程中，除了對提升方式的選定，額定載重、升降速度、外形尺寸等參數的設定，還需要研究升降機的防墜落裝置設計。本文通過分析升降機的結構、功能特性，系統分析了該類型升降機的設計要點。

1 升降機總體結構設計

1.1 升降機的特點

該類型升降機在提升方式的設計方面采用鋼絲繩曳引提升方式，具備升降速度快、噪聲低、節約能耗、安裝方便等特點。永磁同步曳引機對轎廂進行曳引，轎廂可由4 段牽引繩平均分擔其質量，使曳引比大于等于4:1（見圖1），從而有效降低曳引機的使用功率，在實現升降機升降運動和多層空間轉換的同時，使升降運動更加快速、平穩，同時節約了能耗。在結構設計方面，升降機轎廂采用主轎廂、副轎廂可拆卸的組裝方式，采用高強螺栓副連接，在滿足受力要求的同時，方便了運輸、安裝。在防墜落功能實現的方面，采用了4 點防墜落插銷設計，通過一個電動機帶動4 個插銷在防墜落支座內伸出/收回，實現了升降機的防墜落，具備能耗低、安全可靠的優點。

圖1 鋼絲繩繞繩圖

1.2 升降機的參數設定

升降機的主要參數包括升降速度、最大升降行程、額定載重、外形尺寸、基坑深度、機房高度等。考慮到升降運動對整個自動化車庫存取車時間的影響，平面移動類機械車庫的升降機升降速度一般為0～1.5 m/s，加減速度一般為0.5 m/s2，最大升降行程通常可達50 m。當升降機兼顧出入口與升降運動雙層功能，即升降機布置在橫移巷道的一側時，司機需將汽車開至升降機上方可離開，此時需考慮司機開車進出升降機以及打開車門下車所需的空間，升降機外形尺寸不宜小于5 500 mm×3 500 mm（長×寬）；升降機基坑包含升降機下沉空間，緩沖空間，深度為1 500～2 500 mm；升降機機房需考慮維護人員的進出空間，最低高度宜為1 800 mm。當平面移動類機械車庫通過載車板作為載體來實現存取車時，升降機的額定載重包含載車板質量及汽車質量[1]；其中，載車板質量約為500 kg，特大型車的質量為2 350 kg，故該類型升降機的額定載重約為2 850 kg。

1.3 升降機的結構組成

如圖2所示，通常情況下，升降機主要由轎廂、提升裝置、對重裝置、升降及對重導軌、安裝附件、控制系統、安全檢測裝置等部件組成。轎廂包含主轎廂、副轎廂、防墜落裝置，其中防墜落裝置作為關鍵零部件，主要用來防止車輛進出轎廂時，轎廂的安全固定，防止人員或汽車隨轎廂墜落。提升裝置、對重裝置、升降及對重導軌主要用實現轎廂的升降與平衡，使轎廂在升降井道內平穩地作升降運動。電控系統包含配電柜、控制柜、調速系統、計算機、執行單元監控系統、操作系統、顯示部分以及語音播報系統。安全檢測裝置配置進出口車輛尺寸檢測、車輛到位檢測、有無移動物檢測、出入口門道閘安全檢測裝置、升降機到位檢測、車輛停放位置檢測、有無車輛檢測、設備運行閉路電視監測[2]。

圖2 升降機結構圖

1.4 升降機的動作原理

平面移動類機械式停車設備的升降機主要起到垂直升降及防墜落作用，其動作原理為通過機房上的提升裝置，利用提升介質(通常是鏈條、鋼絲繩或同步帶)將轎廂從底層提升至頂層的過程。同時，當轎廂升降至目標層時，利用成套搬運設備及存取設備，將車輛由車庫入口處自動搬運并停放至庫內車位上，取車時根據控制系統指令將車位上的車輛自動運送至車庫出口處。升降機動作原理如圖3所示。

圖3 升降機動作原理圖

2 轎廂的設計

2.1 轎廂的結構組成

如圖4所示，轎廂作為升降機升降的主要構件，主要作用是承載其上面的載車板和汽車，防止載車板和汽車的掉落。該轎廂的結構組成包含主轎廂、副轎廂、防墜落裝置、滑輪組件、導靴組件等。考慮到轎廂在該升降機中既作為升降運動承載體使用，也作為司機開車進出的出入口交換區，轎廂的結構設計包括主轎廂及副轎廂。主轎廂上設置智能搬運器行走面，且與相鄰停車層間隙不大于30 mm，高低差不大于10 mm，滿足智能搬運器行走平面度要求。升降機平層到位后，智能搬運器行走在主轎廂行走導軌面進行存取車動作。升降機作為出入口交換區，從安全的角度考慮，須配置安全防墜裝置，防止轎廂墜落。從升降速度、升降的穩定性、低噪性以及經濟性各方面考慮，該升降機采用鋼絲繩曳引提升的方式，轎廂上設置滑輪組件、導靴組件，以實現鋼絲繩的曳引提升，完成轎廂的升降運行。

圖4 轎廂結構圖

2.2 主轎廂的設計

主轎廂的主體結構主要采用H 形鋼連接組成，考慮到升降井道的大小以及運輸、安裝的便利性，轎廂主體分成中間大H 組件、左右邊梁組件3 大部分[3]，并通過高強度螺栓連接，保證整體的強度要求，圖5 為高強度螺栓連接示意圖。高強度螺栓連接面須做噴丸處理以滿足高強度螺栓連接的要求。通常情況下，高強度螺栓摩擦面抗滑移系數μ=0.145～0.155，并做保護處理。智能搬運器行走導軌面采用5 mm 厚度的鋼板平鋪，保證強度要求的同時保證搬運器行走的平面度要求，確保智能搬運器在轎廂上行走的順暢性及穩定性。大H 組件、左右邊梁組件之間鋪設防墜鋼板網，方便維修人員的檢修以及防止智能搬運器因控制故障產生的位置偏差從而導致搬運器墜落的事故發生。

圖5 高強度螺栓連接示意圖

2.3 副轎廂的設計

副轎廂主要作為載車板承載結構和人行通道使用，首先需要考慮載車板及所承載的汽車的受力要求。載車板的種類一般有整板式、拼板式、梳齒式等，其中整板式載車板的質量一般約為3 00～5 00 kg，而大型轎車質量一般設定為2 350 kg，故副轎廂所承載的最大質量為2 850 kg。在設計計算中，通常把汽車質量按車頭與車尾配比6：4 來進行質量分配，故在進行副轎廂設計時需充分考慮質量分配帶來的影響。可通過在副轎廂上根據載車板尺寸及放置要求，設置8 個載車板支座，分攤載車板及汽車的質量，滿足受力要求。同時，考慮到司機上下車時的行走需求，在副轎廂上設置寬度不小于500 mm 的行走通道，行走通道需無明顯的凸起物，踏板宜采用焊接或沉頭螺栓進行連接，防止凸起對腳的刮碰，滿足司機上下車行走的要求，圖6 為副轎廂結構圖。

圖6 副轎廂結構圖

2.4 防墜落裝置的設計

升降機存在司機開車進出的情況，需充分考慮司機的安全問題，配置防墜落裝置，防止轎廂墜落造成的人身安全隱患[4]。目前市場上常見的機械式停車設備升降防墜落裝置主要有勾臂式防墜落、搭臂式防墜落、液壓推桿式防墜落、安全鉗以及插銷式防墜落等裝置。勾臂式防墜落裝置在動作前，轎廂需先升降至停車層上方50～100 mm，再緩慢下降至勾臂與樓層平齊，存在二次平層的過程，電氣控制相對復雜（見圖7）。搭臂式防墜落裝置在搭臂旋轉搭在樓層面上時，需克服平層落差，對電動機的功率、扭矩要求較高（見圖8）。液壓推桿式防墜落裝置成本相對較高，結構復雜，存在漏油的風險（見圖9）；而安全鉗防墜落裝置一般用在電梯上，成本較高（見圖10）。該平面移動類機械式停車設備升降機選用插銷式防墜落裝置，并對插銷式防墜落裝置進行設計分析（見圖11）。

圖7 勾臂式防墜落裝置

圖8 搭臂式防墜落裝置

圖9 液壓推桿式防墜落裝置

圖10 安全鉗

圖11 插銷式防墜落裝置

2.4.1 防墜落電動機的選型

插銷式防墜落裝置的電動機布置為1 個電動機帶動4 個插銷運動和2 個電動機分別帶動2 個插銷運動2 種形式，即1 拖4 及1 拖2 形式。當插銷打開伸入防墜落支座中時，受智能搬運器、汽車進出轎廂所產生的質量變化對轎廂的影響，防墜落插銷存在與卡緊防墜落支座的狀態，此時電動機需克服摩擦力將防墜落插銷從防墜落支座中抽出，從而解除防墜落狀態，轎廂才能繼續運行。根據受力分析，防墜落插銷的受力情況如圖12 插銷受力圖所示，電動機功率計算公式為

圖12 插銷受力圖

電動機扭矩M為

電動機轉速n為

電動機功率Pd為

定位軸所受推力FT為

單根定位軸所受力Fr為

式中：dT為防墜落裝置法蘭盤的直徑，Q為轎廂總質量，P為升降機的額定載重，Gb為智能搬運器的質量，θ為插銷插入的錐度。

可知可通過減小轎廂的總質量或采用1 拖2 的形式來降低電動機功率。

2.4.2 插銷裝置的設計

插銷式防墜落裝置通常固定于主轎廂結構上，插銷式防墜落裝置包括驅動電動機、聯軸器、傳動軸、連接軸、轉盤、連桿機構、導向座、防墜落插銷等；其中傳動軸穿過驅動電動機，兩端由2 組軸承支承，軸承固定連接到主轎廂的框架上。傳動軸兩端分別通過聯軸器與連接軸連接，連接軸另一端與轉盤同軸固定連接，連桿機構一端與轉盤轉動連接，另一端與定位軸轉動連接，定位軸穿過導向座，導向座固定于主轎廂上，鋼結構或混凝土結構上設置有與導向軸相適應的定位支座，旋轉部件旋轉帶動導向部件伸進或縮出定位支座，以此實現轎廂的防墜落功能，圖13 為防墜落裝置結構圖。

圖13 防墜落裝置結構圖

2.4.3 插銷的強度分析

在插銷式防墜落裝置中，插銷的設計計算尤為關鍵，故需對插銷進行強度分析。當插銷與防墜落支座存在同心誤差，或因轎廂、搬運器進出產生質量變化而導致插銷與防墜落支座不同程度的貼合時，插銷抽出防墜落支座需克服壓力產生的摩擦力。因此，插銷伸進防墜落支座的位置通常設計為一定錐度，以利于防墜落插銷的順利插拔。

插銷最大彎矩為

插銷最小直徑校核

式中：F1為單個插銷所受到的力，Q為轎廂的總質量，P為升降機的額定載重，D為轉盤的直徑，[σ]為許用屈服強度。

另外，可通過有限元分析對防墜落插銷進行強度校核[5]。此處設定升降機額定載重為2 850 kg，升降機總質量5 200 kg，智能搬運器總質量2 500 kg，防墜落插銷材質為35CrMo。防墜落插銷打開伸至防墜落支座內，智能搬運器進入升降機內時，防墜落插銷所受到的力最大，對此種工況進行有限元分析，網格劃分采用4 面體網格，網格粗細度采用中等，得出插銷的應力變化云圖及位移變化云圖如圖14、圖15所示。

圖14 插銷應力變化云圖

圖15 插銷位移變化云圖

防墜落插銷頭設計成具有一定的導向作用的錐度，有利于插銷的插拔。設計過程中，可通過優化轎廂結構，減輕轎廂質量或改變插銷材質、直徑大小等措施，使防墜落插銷滿足強度校核要求。

3 升降控制原理和功能

平面移動類機械式停車設備的升降控制一般采用PLC 控制(或總線控制)，其控制及操作系統包括控制柜系統、安全檢測系統、遠程監控系統，信息顯示系統，停車收費管理系統等。控制系統的核心部件一般為可編程控制器，可編程控制器內裝有升降控制程序，智能搬運器控制程序，安全檢測程序（可自動判別搬運過程車輛位置，速度，動作是否正常），人機接口程序（文字提示），故障處理程序（故障智能判斷，自動重試），車輛及停車位參數數據庫等。實現車庫安全穩定運行，升降機上所有控制元件（包含變頻，伺服控制器，遠程I/O 模塊，位置檢測編碼器，光電傳感器等）均通過Profibus 總線與PLC 連接[6]。其控制原理如圖16所示。

圖16 控制原理圖

升降機控制系統通過編碼器/激光獲取轎廂在井道中所處的位置，輔助以目標樓層定位傳感器的信號，控制驅動器高速運行和精準定位。升降曳引機驅動采用矢量控制方式，控制精度高，升降機的控制精度在 ±5 mm 之內。

控制系統具有全自動、半自動及人工操作模式，當全自動、半自動控制系統同時出現故障時具備人工操作系統，便于設備維護、維修。

4 結語

平面移動類機械式立體停車設備作為一種全自動化、智能化的停車系統，能夠在相同的平面面積內停放更多的車輛，每個停車層的凈空高可壓縮至1 750 mm，可節約20%的土建費用[1]。在平面移動類機械式停車設備中，可通過升降機來實現汽車在垂直空間的交換與存放，是該類型車庫核心組成部分。該類型平面移動類機械式停車設備升降機，配置曳引提升系統、轎廂、防墜落裝置等核心部件，實現升降機的升降與防墜落功能。通過對該類型升降機的設計分析，為其他產品的升降機設計提供參考。