可充电混合立体公交车库结构设计及控制系统

李鹏程， 闫宏伟*， 王 璐， 刘 翼， 李 健， 魏秀业

(1.中北大学机械工程学院， 太原 030051； 2.中北大学先进制造技术山西省重点实验室， 太原 030051)

随着社会的不断发展，城市的汽车保有量在逐年的增加，特别是城市公交、新能源汽车以及共享汽车的增加使得停车难成为影响城市静态交通的主要问题[1]。传统的停车位充电站均是平面式布置，还需预留一定的空间供车辆的出入，使得土地利用率较低，并且会增加车辆调度的难度。为了缓解城市静态交通问题，中外相继产生了不同类型的机械式立体车库[2-4]。

对于立体车库的研究主要集中在土地资源短缺的国家，如日本、韩国等。中国也对立体车库进行了相关研究[5-6]。主要体现在立体车库的结构设计以及运行效率等多方面的研究。李博文等[7]对立体车库的堆垛机运行进行了路径的优化，提升了巷道堆垛式立体车库的运行效率。侯相荣等[8]对设计的立体车库进行了存取策略的分析，可为立体车库的存取调度提供一定的参考。刘宪庆等[9]利用有限元软件对地下车库的整体结构进行分析，研究车辆移动载荷对车库整体结构的响应分析，为车库机构的安全提供一定的工程指导。

虽然对车库的研究不断进行，但是现在的立体车库停放车辆以及功能都相对单一，不能满足现在的发展，充电系统成为车库停车系统的一部分便于集中管理、智能控制，提高停车设备的智能化[10]。因此为了提高车库的利用率丰富车库的功能，现设计可完成充电的混合立体公交车库，不仅完成车辆的停放还可完成车辆的充电。通过对二层停车装置进行设计计算分析，验证二层停车装置的可靠性，通过对车库控制系统进行分析设计并搭建试验样机验证设计的可行性，可为立体车库的发展提供参考依据，进而减缓城市的停车难问题。

1 混合立体公交车库结构与工作原理

1.1 整体结构

所设计的混合立体车库公交车库是基于巷道堆垛式立体车库。车库主要有车辆识别系统、停车系统、充电系统、控制系统和人机交互系统5部分。混合立车库既能存放公交车，又能存放小汽车。车库的总体布局如图1所示。

车库整体呈对称分布，中间安装堆垛机以及堆垛机轨道，停车位对称分布于轨道两侧。采用巷道堆垛式车库有利于提高车库的自动化水平，堆垛机实现载车板沿着轨道方向的移动和升降运动，而车辆进出车位则由搬运装置进行搬运。载车板下方设计有齿条，载车板在停车位上的运动通过齿轮齿条来完成运动。

车库出入口连接设置。由于是混合停车，因此车库搬运器设计成单、双搬运两套装置。车库每个车位空间足够停放公交车，而且单个公交车位空间应当足够停放4辆小轿车。由于公交车体积大，高度也高，因此设计相应的可升降的二层停车单元。

可升降二层停车单元由控制系统控制实时升降，每个二层单元可停放4辆小汽车，因此本设计的车库只停放小汽车时每个公交车位空间可容纳8辆小汽车。停车位可以根据需求通过延长堆垛机轨道以及在安全范围内加高层数来增加停车位的数量。本车库可以根据公交车的工作时间来安排调度车辆的存放，实现分时驱动，方便节能。

立体车库的一层停车位采用传统的充电桩装置对车辆进行充电。在车库的主体框架都铺设有电缆方便为各个车位提供电力，电缆的一端与充电堆相连接，另一端则与安装在停车位的固定充电驳件上，充电驳件安装在远离堆垛机轨道的一侧。载车板上都安装有充电驳件，载车板通过横移装置移动至停车位的相应位置后，载车板上的充电驳件与停车位上的充电驳件进行对接。载车板的固定位置安装有与汽车充电口相配合的插头，只有当载车板的插头与汽车充电口连接，此时已经配合的充电驳件会对汽车进行充电，如汽车无需充电，载车板的充电插头并未连接汽车充电驳件不会有电量损失。

每个车位的充电驳件安装位置如图 2所示。由于二层载车板也必须安装相应的充电驳件，在每个车位都设计相应的滑轨支柱，二层停车位的充电驳件在滑轨支柱上随着二层升降单元进行升降，二层升降单元的充电驳件通过铺设在滑轨支柱的电缆与下层驳件串联，这样就可以完成二层停车位的充电功能。

图1 立体车库的总体结构图Fig.1 Overall structure of the stereo garage

图2 充电装置示意图Fig.2 Schematic diagram of charging device

1.2 立体车库存取车工作原理

混合立体公交车库的主要工作包括存车和取车，其主要工作流程如图3所示。

图3 混合立体公交车库的具体工作流程图Fig.3 Concrete work flow chart of mixed stereo bus garage

存放车辆。首先车辆进入时会有相应信号，然后识别系统确认用户及车辆的信息，判断是否为公交车。验证成功后，将车辆放至车库入口，然后司机下车，停车系统接到相应的指令，根据控制系统给定的信息判断，如果是公交车则控制堆垛机采用双搬运系统，如果是小汽车采用单搬运系统。载车板下方安装齿轮齿条，以及一定的滑轮，齿轮齿条是将电机的动力传至载车板，带动载车板移动，控制电机的正反转来改变载车板搬运的方向。齿轮齿条以及滑轮装置组成搬运横移机构，将放有车辆的载车板运至堆垛机提升装置，在控制系统作用下堆垛机升降平台将车辆运到系统指定车位，此后横移机构工作将车辆移至停车位，存车完成。此时等待上位机给出下一条指令，如果下一条指令依然是存车，则控制系统会控制堆垛机移至最近的停车位搬运相应的空载车板，将载车板移动至入口进行一辆汽车的搬运。这样可以减少搬运装置的空运行程。

取车的具体工作流程正好与存车的动作流程相反，但取车时需要进行信息识别以及自助缴费系统的缴费流程。

2 二层停车单元的设计与分析

2.1 二层停车单元的设计

图4 二层停车单元结构图Fig.4 Structure drawing of parking unit on the second floor

为提高空间的利用率，在每个公交车停车位上设计有可升降的二层停车装置。其主体结构如图4所示。二层停车单元的升降是通过链传动完成的，电动机的转动经过减速以后带动链轮运动，链传动实现载车板的支撑装置以及载车板的上、下移动。公交车库主体框架是钢架结构，在车位的4根立柱上都设计有承受上层停车单元的支撑台，二层升降单元下降后，支撑装置停放在支撑台上，与此同时支撑装置中间部位设计的辅助提吊装置也会有提拉支撑装置的作用。为了安全二层停车单元也设计对应的防坠装置。载车板与支撑装置之间的连接与下层停车位的载车板和停车位的连接原理是相同的。需要在二层停车位停车时，控制系统接受指令下放二层停车单元，安全降落后便可实现车辆的停放。

2.2 二层停车单元重要零部件分析

支撑装置是承受载车板和小汽车的装置，当支撑装置处于下降状态时，支撑装置承载两块载车板和小汽车的质量，承载量较大且支撑装置的跨度较大，普通钢材难以支撑，因此选用Q345的H型钢作为支撑装置的主架，车辆随载车板在支撑装置上移动。停放车辆以后支撑装置的横梁是支撑装置的主要承载单元。

横梁的跨距较大且为主要承重梁，因此需要对其进行强度和刚度的校核，对支撑装置的长横梁进行校核。H型钢的截面参数为400 mm×300 mm×12 mm×20 mm，相关的几何特性有：Ix、Iy分别为梁的同一截面处X轴、Y轴的惯性矩，Wx、Wy分别为截面在X轴、Y轴的弯曲截面系数，ix、iy分别为X轴、Y轴的惯性半径，γx为塑性发展系数，Sx为x截面的静矩，v为梁的挠度，tw为H型钢腹板厚度。

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。查找手册可得x的塑性发展系数γx=1.05，梁的挠度[v]=L/300。为便于研究，可以将支撑装置的横梁简化成简单的两端固定梁的形式进行分析。分析简图如图5所示。

图中的相应计算参数为：L=14 m；a=3.1 m，b=7.4 m；c=3.5 m，在计算时将受力情况视为恒载，Pg=40 kN为恒载数值，γg=1.2为恒载分项系数，因此可得设计数值为Pd=Pgγg=48 kN。

A、B分别为横梁的两个支座；P为梁所承受的力；L为梁两支点间距离；a为左边施加力的位置与支点A的距离；b为两个受理点的距离；c为右边施加力的位置与支点B的距离图5 受力简图Fig.5 The stress diagram

2.2.1 横梁内力的计算

弯曲正应力：σmax=84.72 N/mm2<抗弯应力设计值f=295 N/mm2。

支座最大剪应力：τmax=11.63 N/mm2<抗剪应力设计值fv=180 N/mm2。

综上所述，支撑装置横梁选择符合工程要求。

载车板的支撑装置是二层可升降停车单元的核心部件，主要结构使用框架式结构，传统的载车板和支撑装置采用整块钢板，通过增加厚度可以提高刚度，但是会使得质量增加，不利于高层车库的稳定承载。因此采用框架拼接式以及加紧密肋设计二层支撑装置[11]。框架结构焊接一定厚度的防滑钢板，防止载车板滑动。在容易发生形变以及承受荷载较大的地方加筋密肋，既能减少质量又能保证刚度。支撑装置结构如图6所示。

图6 二层支撑装置结构图Fig.6 Structure drawing of second floor support device

采用有限元软件Workbench对支撑装置进行分析[12]。在对二层支撑装置进行静力分析时，车辆重量根据前、后轴6∶4进行分配。每个支撑装置放两块载车板共存4辆汽车，由于车辆停放顺序一致，质量按6∶4分配，则支撑装置中间部位受一侧载车板所有汽车后轴力以及另一载车板上所有汽车前轴力，因此需要对中间部位做集中载荷分析。将车辆质量取为1 900 kg，且认为每个轮胎与载车板接触面积为0.04 m2，进行受力分析。在进行分析时需要将支撑装置的自重考虑在内。支承装置上两载车板之间有一定距离，载车板上前轮放置的位置始终不变，但载车板之间的距离发生变化时会影响支撑装置的受力情况。保持支撑装置受力不变，轮距以及前后轴距离保持不变，载车板之间的距离分别取为100、200、300、400 mm依次进行分析。在不同载车板距离下施加相同的约束和载荷进行有限元分析得到支撑装置的总体变形以及等效应力分布情况，如图7和图8所示。

经过分析，载车板距离不同时支撑装置的最大变形总是发生在支撑装置的中间部位，因此设计时可在中间部位增加密肋。支撑装置的最大形变量随着载车板之间距离的增大而减小，与此同时，支撑装置的最大等效应力也随之减少。其中载车板距离为100 mm时，最大等效应力为89.8 MPa，且最大形变量为1.137 mm。

Q345钢的最大许用应力常温下为115 MPa，支撑装置在不同载车板距离下放置相同的车辆变形量和应力值在规定范围之内，所以设计合理且符合要求。

图7 不同载车板距离下支撑装置总体形变图Fig.7 The overall deformation diagram of the support device under different load plate distances

3 混合立体公交车库控制系统的设计

立体车库的总体控制系统不仅要完成车辆的存取，新能源车辆的充电，还要方便用户的使用，完成人机交互工作，并且需要对车库运行状况实时监控确保车库各个组成部分安全可靠运行。

3.1 控制系统各个单元的硬件设计

硬件是控制系统不可或缺的部分，混合立体公交车库的主体框图如图9所示。

混合立体公交车库主要由人机交互界面、上位机、停车检测装置、堆垛机电机、存取机构电机、二层升降单元电机、上位机监控单元、故障识别报警单元、车辆识别装置等设备组成。

3.2 混合立体公交车库控制系统软件设计

采用TIA PortalV15.1软件对具有充电功能的混合立体车库控制系统的各部分软件进行可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)编程设计，控制系统是完成整个装备自动化的主体，实体图如图10所示。主要程序包括停车检查、系统的安全检查、存车过程、取车过程、各种报警监测以及人机交互。存取车流程如图11所示。存取车开始前系统进行安全检查，安全后即可进行存取车工作。

存车时车辆通过车辆识别系统后，系统自动判断车型(公交车还是小汽车)，选择单或双搬运。车辆通过识别后系统记录相关信息，车辆放入载车板后，装置进行自动检测查看车辆是否准确停放。停放到位后司机在人机交互的触摸屏上，选择是否充电。一切就绪后点击存车按钮，监控系统将相关信息反馈。存车系统开始工作，车辆监控系统给定距离最近的停车位发出相应指令。存取平移装置将载车板从入口搬运至堆垛机的升降平台上，堆垛机接收指令后开始进行搬运，到达指定车位后，载车板放入停车位，系统判断车辆是否安全停放，安全停后，防坠装置开启，存车完成。随即各装置在原地等待下一指令，如果下一指令仍是存车，系统会判断最近的车位，堆垛机进行载车板的移动，将载车板移至存车入口。

图8 不同载车板距离下支撑装置等效应力Fig.8 Equivalent stress of support device under different load plate distance

图9 混合立体公交车库控制单元的主体框图Fig.9 Main block diagram of hybrid stereo bus garage control unit

图10 车库PLC控制系统实体图Fig.10 Garage PLC control system entity diagram

图11 混合立体公交车库控制流程图Fig.11 Control flow chart of hybrid stereo bus garage

取车时，用户在人机交互界面输入车牌号，下达取车指令后，系统对信息进行确认并判断两次信息是否一致，若信息一致则进行自主缴费取车。信息不一致时进行相应的等待并再次核实信息。人机交互界面会实时显示车库内车位的情况。

4 混合公交车库样机设计及存取实验

按照一定的比例将车库进行缩小，制作了试验样机，双排单巷道三层样机装置如图12所示。在车库中除了相应的控制系统外，配备了人机交互界面、触摸屏上位机等。

搭建好试验样机后，将样机与相应的控制模块，人机交互模块进行组装。将编写好的控制程序载入PLC控制模块和人机交互界面，检查混合立体车库各结构以及控制模块是否正常，待各部件正常后进行存取车的调试。经过多次存取车实验可得，人机交互界面可以正常做出相应控制，存取车过程中堆垛机准确平稳运行，车辆的搬运装置可以实现单、双搬运。搬运装置可以将车辆搬运至任何一个车位。

5 结论

所设计的混合立体车库提高了空间的利用率，节省了土地资源，并且丰富了立体车库的功能。由设计及分析可得出如下结论。

(1)通过结构的合理设计，使得车库既能存放公交车，又能存放小汽车，采用分时驱动提高车库的利用率，设计可升降的二层停车单元，充分利用了空间，增加了单位空间内的停车数量。经分析可知适当调整二层两载车板之间的距离可以减少装置的变形以及最大应力。

(2)对二层停车单元的支撑装置采用加筋密肋的拼接形式焊接结构有助于停车装置的轻量化，并且完全保证刚度。

(3)在车库一层安装传统的充电桩，二层及以上的停车位安装充电驳件，将充电功能与车库巧妙结合，避免设施重复建设，减小占地面积，增加了机械立体停车库的功能。

(4)搭建试验样机进行存取实验，验证了设计的可行性，可为机械式立体车库的发展提供参考。