一种平面移动类机械式停车设备升降机的设计

李玉婵

广州广日智能停车设备有限公司 广州 511447

0 引言

随着停车设备技术的发展，智能化、自动化车库在全国市场上得到较快的发展和普及，平面移动类机械式停车设备通过全自动化运行，避免了司机找车位以及停车的时间损耗，可以在有限的空间里停放更多车辆，提高了空间利用率及停车效率，受到了市场的青睐。

在平面移动类机械式停车设备中，通过升降机的运动，可打破原有单层大平面停车的限制，实现多层空间的停车交换。目前，市场上常见的升降机提升方式主要有钢丝绳曳引提升式、链条提升式、同步带提升式3 种类型。常见的钢丝绳曳引提升式升降机主要通过永磁同步曳引机、钢丝绳与滑轮组来实现提升；常见的链条提升式升降机主要通过三合一电动机、双排链条、同步装置，采用四点提升的方式来实现提升；常见的同步带提升式的升降机主要通过带有钢芯的同步带、三合一主电动机、同步系统实现提升。上述常用的升降机在升降运行的过程中，还必须具备防坠落功能，以实现升降机的安全升降，防止人员和车辆的坠落、损伤。因此，在升降机的设计过程中，除了对提升方式的选定，额定载重、升降速度、外形尺寸等参数的设定，还需要研究升降机的防坠落装置设计。本文通过分析升降机的结构、功能特性，系统分析了该类型升降机的设计要点。

1 升降机总体结构设计

1.1 升降机的特点

该类型升降机在提升方式的设计方面采用钢丝绳曳引提升方式，具备升降速度快、噪声低、节约能耗、安装方便等特点。永磁同步曳引机对轿厢进行曳引，轿厢可由4 段牵引绳平均分担其质量，使曳引比大于等于4:1（见图1），从而有效降低曳引机的使用功率，在实现升降机升降运动和多层空间转换的同时，使升降运动更加快速、平稳，同时节约了能耗。在结构设计方面，升降机轿厢采用主轿厢、副轿厢可拆卸的组装方式，采用高强螺栓副连接，在满足受力要求的同时，方便了运输、安装。在防坠落功能实现的方面，采用了4 点防坠落插销设计，通过一个电动机带动4 个插销在防坠落支座内伸出/收回，实现了升降机的防坠落，具备能耗低、安全可靠的优点。

图1 钢丝绳绕绳图

1.2 升降机的参数设定

升降机的主要参数包括升降速度、最大升降行程、额定载重、外形尺寸、基坑深度、机房高度等。考虑到升降运动对整个自动化车库存取车时间的影响，平面移动类机械车库的升降机升降速度一般为0～1.5 m/s，加减速度一般为0.5 m/s²，最大升降行程通常可达50 m。当升降机兼顾出入口与升降运动双层功能，即升降机布置在横移巷道的一侧时，司机需将汽车开至升降机上方可离开，此时需考虑司机开车进出升降机以及打开车门下车所需的空间，升降机外形尺寸不宜小于5 500 mm×3 500 mm（长×宽）；升降机基坑包含升降机下沉空间，缓冲空间，深度为1 500～2 500 mm；升降机机房需考虑维护人员的进出空间，最低高度宜为1 800 mm。当平面移动类机械车库通过载车板作为载体来实现存取车时，升降机的额定载重包含载车板质量及汽车质量[1]；其中，载车板质量约为500 kg，特大型车的质量为2 350 kg，故该类型升降机的额定载重约为2 850 kg。

1.3 升降机的结构组成

如图2所示，通常情况下，升降机主要由轿厢、提升装置、对重装置、升降及对重导轨、安装附件、控制系统、安全检测装置等部件组成。轿厢包含主轿厢、副轿厢、防坠落装置，其中防坠落装置作为关键零部件，主要用来防止车辆进出轿厢时，轿厢的安全固定，防止人员或汽车随轿厢坠落。提升装置、对重装置、升降及对重导轨主要用实现轿厢的升降与平衡，使轿厢在升降井道内平稳地作升降运动。电控系统包含配电柜、控制柜、调速系统、计算机、执行单元监控系统、操作系统、显示部分以及语音播报系统。安全检测装置配置进出口车辆尺寸检测、车辆到位检测、有无移动物检测、出入口门道闸安全检测装置、升降机到位检测、车辆停放位置检测、有无车辆检测、设备运行闭路电视监测[2]。

图2 升降机结构图

1.4 升降机的动作原理

平面移动类机械式停车设备的升降机主要起到垂直升降及防坠落作用，其动作原理为通过机房上的提升装置，利用提升介质(通常是链条、钢丝绳或同步带)将轿厢从底层提升至顶层的过程。同时，当轿厢升降至目标层时，利用成套搬运设备及存取设备，将车辆由车库入口处自动搬运并停放至库内车位上，取车时根据控制系统指令将车位上的车辆自动运送至车库出口处。升降机动作原理如图3所示。

图3 升降机动作原理图

2 轿厢的设计

2.1 轿厢的结构组成

如图4所示，轿厢作为升降机升降的主要构件，主要作用是承载其上面的载车板和汽车，防止载车板和汽车的掉落。该轿厢的结构组成包含主轿厢、副轿厢、防坠落装置、滑轮组件、导靴组件等。考虑到轿厢在该升降机中既作为升降运动承载体使用，也作为司机开车进出的出入口交换区，轿厢的结构设计包括主轿厢及副轿厢。主轿厢上设置智能搬运器行走面，且与相邻停车层间隙不大于30 mm，高低差不大于10 mm，满足智能搬运器行走平面度要求。升降机平层到位后，智能搬运器行走在主轿厢行走导轨面进行存取车动作。升降机作为出入口交换区，从安全的角度考虑，须配置安全防坠装置，防止轿厢坠落。从升降速度、升降的稳定性、低噪性以及经济性各方面考虑，该升降机采用钢丝绳曳引提升的方式，轿厢上设置滑轮组件、导靴组件，以实现钢丝绳的曳引提升，完成轿厢的升降运行。

图4 轿厢结构图

2.2 主轿厢的设计

主轿厢的主体结构主要采用H 形钢连接组成，考虑到升降井道的大小以及运输、安装的便利性，轿厢主体分成中间大H 组件、左右边梁组件3 大部分[3]，并通过高强度螺栓连接，保证整体的强度要求，图5 为高强度螺栓连接示意图。高强度螺栓连接面须做喷丸处理以满足高强度螺栓连接的要求。通常情况下，高强度螺栓摩擦面抗滑移系数μ=0.145～0.155，并做保护处理。智能搬运器行走导轨面采用5 mm 厚度的钢板平铺，保证强度要求的同时保证搬运器行走的平面度要求，确保智能搬运器在轿厢上行走的顺畅性及稳定性。大H 组件、左右边梁组件之间铺设防坠钢板网，方便维修人员的检修以及防止智能搬运器因控制故障产生的位置偏差从而导致搬运器坠落的事故发生。

图5 高强度螺栓连接示意图

2.3 副轿厢的设计

副轿厢主要作为载车板承载结构和人行通道使用，首先需要考虑载车板及所承载的汽车的受力要求。载车板的种类一般有整板式、拼板式、梳齿式等，其中整板式载车板的质量一般约为3 00～5 00 kg，而大型轿车质量一般设定为2 350 kg，故副轿厢所承载的最大质量为2 850 kg。在设计计算中，通常把汽车质量按车头与车尾配比6：4 来进行质量分配，故在进行副轿厢设计时需充分考虑质量分配带来的影响。可通过在副轿厢上根据载车板尺寸及放置要求，设置8 个载车板支座，分摊载车板及汽车的质量，满足受力要求。同时，考虑到司机上下车时的行走需求，在副轿厢上设置宽度不小于500 mm 的行走通道，行走通道需无明显的凸起物，踏板宜采用焊接或沉头螺栓进行连接，防止凸起对脚的刮碰，满足司机上下车行走的要求，图6 为副轿厢结构图。

图6 副轿厢结构图

2.4 防坠落装置的设计

升降机存在司机开车进出的情况，需充分考虑司机的安全问题，配置防坠落装置，防止轿厢坠落造成的人身安全隐患[4]。目前市场上常见的机械式停车设备升降防坠落装置主要有勾臂式防坠落、搭臂式防坠落、液压推杆式防坠落、安全钳以及插销式防坠落等装置。勾臂式防坠落装置在动作前，轿厢需先升降至停车层上方50～100 mm，再缓慢下降至勾臂与楼层平齐，存在二次平层的过程，电气控制相对复杂（见图7）。搭臂式防坠落装置在搭臂旋转搭在楼层面上时，需克服平层落差，对电动机的功率、扭矩要求较高（见图8）。液压推杆式防坠落装置成本相对较高，结构复杂，存在漏油的风险（见图9）；而安全钳防坠落装置一般用在电梯上，成本较高（见图10）。该平面移动类机械式停车设备升降机选用插销式防坠落装置，并对插销式防坠落装置进行设计分析（见图11）。

图7 勾臂式防坠落装置

图8 搭臂式防坠落装置

图9 液压推杆式防坠落装置

图10 安全钳

图11 插销式防坠落装置

2.4.1 防坠落电动机的选型

插销式防坠落装置的电动机布置为1 个电动机带动4 个插销运动和2 个电动机分别带动2 个插销运动2 种形式，即1 拖4 及1 拖2 形式。当插销打开伸入防坠落支座中时，受智能搬运器、汽车进出轿厢所产生的质量变化对轿厢的影响，防坠落插销存在与卡紧防坠落支座的状态，此时电动机需克服摩擦力将防坠落插销从防坠落支座中抽出，从而解除防坠落状态，轿厢才能继续运行。根据受力分析，防坠落插销的受力情况如图12 插销受力图所示，电动机功率计算公式为

图12 插销受力图

电动机扭矩M为

电动机转速n为

电动机功率Pd为

定位轴所受推力FT为

单根定位轴所受力Fr为

式中：dT为防坠落装置法兰盘的直径，Q为轿厢总质量，P为升降机的额定载重，Gb为智能搬运器的质量，θ为插销插入的锥度。

可知可通过减小轿厢的总质量或采用1 拖2 的形式来降低电动机功率。

2.4.2 插销装置的设计

插销式防坠落装置通常固定于主轿厢结构上，插销式防坠落装置包括驱动电动机、联轴器、传动轴、连接轴、转盘、连杆机构、导向座、防坠落插销等；其中传动轴穿过驱动电动机，两端由2 组轴承支承，轴承固定连接到主轿厢的框架上。传动轴两端分别通过联轴器与连接轴连接，连接轴另一端与转盘同轴固定连接，连杆机构一端与转盘转动连接，另一端与定位轴转动连接，定位轴穿过导向座，导向座固定于主轿厢上，钢结构或混凝土结构上设置有与导向轴相适应的定位支座，旋转部件旋转带动导向部件伸进或缩出定位支座，以此实现轿厢的防坠落功能，图13 为防坠落装置结构图。

图13 防坠落装置结构图

2.4.3 插销的强度分析

在插销式防坠落装置中，插销的设计计算尤为关键，故需对插销进行强度分析。当插销与防坠落支座存在同心误差，或因轿厢、搬运器进出产生质量变化而导致插销与防坠落支座不同程度的贴合时，插销抽出防坠落支座需克服压力产生的摩擦力。因此，插销伸进防坠落支座的位置通常设计为一定锥度，以利于防坠落插销的顺利插拔。

插销最大弯矩为

插销最小直径校核

式中：F1为单个插销所受到的力，Q为轿厢的总质量，P为升降机的额定载重，D为转盘的直径，[σ]为许用屈服强度。

另外，可通过有限元分析对防坠落插销进行强度校核[5]。此处设定升降机额定载重为2 850 kg，升降机总质量5 200 kg，智能搬运器总质量2 500 kg，防坠落插销材质为35CrMo。防坠落插销打开伸至防坠落支座内，智能搬运器进入升降机内时，防坠落插销所受到的力最大，对此种工况进行有限元分析，网格划分采用4 面体网格，网格粗细度采用中等，得出插销的应力变化云图及位移变化云图如图14、图15所示。

图14 插销应力变化云图

图15 插销位移变化云图

防坠落插销头设计成具有一定的导向作用的锥度，有利于插销的插拔。设计过程中，可通过优化轿厢结构，减轻轿厢质量或改变插销材质、直径大小等措施，使防坠落插销满足强度校核要求。

3 升降控制原理和功能

平面移动类机械式停车设备的升降控制一般采用PLC 控制(或总线控制)，其控制及操作系统包括控制柜系统、安全检测系统、远程监控系统，信息显示系统，停车收费管理系统等。控制系统的核心部件一般为可编程控制器，可编程控制器内装有升降控制程序，智能搬运器控制程序，安全检测程序（可自动判别搬运过程车辆位置，速度，动作是否正常），人机接口程序（文字提示），故障处理程序（故障智能判断，自动重试），车辆及停车位参数数据库等。实现车库安全稳定运行，升降机上所有控制元件（包含变频，伺服控制器，远程I/O 模块，位置检测编码器，光电传感器等）均通过Profibus 总线与PLC 连接[6]。其控制原理如图16所示。

图16 控制原理图

升降机控制系统通过编码器/激光获取轿厢在井道中所处的位置，辅助以目标楼层定位传感器的信号，控制驱动器高速运行和精准定位。升降曳引机驱动采用矢量控制方式，控制精度高，升降机的控制精度在 ±5 mm 之内。

控制系统具有全自动、半自动及人工操作模式，当全自动、半自动控制系统同时出现故障时具备人工操作系统，便于设备维护、维修。

4 结语

平面移动类机械式立体停车设备作为一种全自动化、智能化的停车系统，能够在相同的平面面积内停放更多的车辆，每个停车层的净空高可压缩至1 750 mm，可节约20%的土建费用[1]。在平面移动类机械式停车设备中，可通过升降机来实现汽车在垂直空间的交换与存放，是该类型车库核心组成部分。该类型平面移动类机械式停车设备升降机，配置曳引提升系统、轿厢、防坠落装置等核心部件，实现升降机的升降与防坠落功能。通过对该类型升降机的设计分析，为其他产品的升降机设计提供参考。