垂直循环立体车库传动分析及设计要点探析

张伟文 郭联金 李会玲 周晶

（东莞职业技术学院，广东 东莞 523808）

1 概述

垂直循环类停车设备是指载有车辆的载车台（含载车板）在垂直面内作循环运动的停车设备。该设备的机械结构由主框架、载车台和相关传动系统组成，电气部包括驱动电机、控制系统、安全和检测系统[1,2]。

垂直循环停车系统框架如图1 所示。该类车库层数一般为4-11 层。一个n 层的垂直车库仅占用2 个停车位，能提供的车位数为（n-1）*2。车库主框架为钢结构，搭建施工较为快捷，快速搭建一个车库的施工时间只需要数天时间。垂直循环车库的存取运作较为简便，占地面积少，空间利用率高，施工快，优点突出，目前立体垂直循环车库已在很多城市得到了广泛的应用。

图1 垂直循环停车系统框架

立体车库作为特种装备，保证设备安全是设计的关键[3-5]。据统计(见图2)，影响车主使用车库的最大因素是对车库设备安全性和设备可操作性[6]。在这些影响因素中，对安全性的顾虑是最多的，可见安全性是影响立体循环车库推广的主要因素。《垂直循环类机械式停车设备》行业标准JBT 10215-2020 制定了该类车库设计实施的基本要求，标准中包括整机性能，制造，结构，试验及调试等细节参数及要求。由于各类原因，立体车库在使用过程中，曾出现了多起立体车库使用事故[7-9]。事故中不仅导致车辆损毁，甚至有人员的伤亡的情况出现。事故的原因有人为的原因，也有设计上的原因。为了避免事故的发生，应尽量提高车库系统的安全冗余和稳定。安全和稳定依然是立体循环车库系统日后改进的重点。

图2 车主顾虑因素

2 垂直循环车库的传动系统

垂直循环车库通过含载车板的载车台装载车辆，车辆随车台在垂直循环机构中运动。垂直循环车库常用的循环提升机械结构为独立框架式+拨叉式槽轮传动或链轮传动。链板安装在主框架的轨道上，链轮安装在主框架。链轮和链板的连接如图3 所示。机构运动时，链轮驱动链板间的滚子，带动链板在轨道循环运动。提升链板是个三角形的钢板，底边作为链板连接，另一端的安装孔联接载车台。载车台则通过中心横轴安装在前后两端的提升链板的安装孔中。

图3 提升链轮传动

车库整个运动机构结构见图4。电动机先通过减速机减速，然后再经过链条传动进一步减速后带动链轮驱动链板在框架轨道中循环运动。

图4 垂直车库的传动示意图

3 传动系统的振动分析

循环车库传动系统运行时会产生各类振动。主要原因包括装配精度，链传动会导致传动速度的不均匀性，电动机的启动时的冲击及载车台的吊篮结构导致的摆动等。

车库传动机构中含有一个标准链传动及一个工作在轨道中的非标链传动。两个链传动由于多边形效应都会导致传动的速度不均匀。不过链传动的速度不均匀性很小，对车库运行的影响不大。

电动机启动时具有较大的转矩，对整个传动系统有很大的冲击。如图5 所示异步电动机的启动机械特性图，电机的启动是从较大的转矩开始运行的，电机启动后会先继续加大转矩，然后再降低转矩运行在工作转矩处。由于电机的启动特征，车库调动车辆时，可以人为听到启动冲击的声音，也能感受到整个传动平台受到冲击。

图5 电机启动机械特性

载车台的运动过程中，最底层的车厢和最顶层的载车台振动是最大的。车库不运作时，载车台吊装在中心横轴，靠底部重力实现左右平衡。车库运作时，底部和顶部车厢受到提升链板的横向力（如图6 所示），横轴和载车台是铰链连接，在横向力的作用下，载车台会左右晃动。为了了解载车台的受力情况，本文在载车台上安装加速度传感器，记录了载车台底部水平启动至垂直平稳运行时的加速度变化。传感器安装在载车台的下方中间处，如图6 所示位置1。

图6 加速度检测位置

整个检测分两个阶段，第一阶段为由底部上升下一位置（0-40 秒），第二阶段由刚才位置下降至底部（40-80 秒）。图7 是记录下来的水平横向（X 向）的加速度变化图，图8 是记录沿重力垂直方向（Z 向）的加速度变化。从图7 中可见，启动时，底部载车台X 向受到最大3g 的加速度。底部位置受力后，车厢产生摆动，受力的振动频率约为1Hz，启动上升阶段振动时间约15 秒，下降停止阶段振动时间约为8 秒。垂直往下运动时，横向运动加速度则较小。图8 为垂直方向的加速度图，其启动受力加速达到3g-6g，变化较为随机。可见刚启动及停止阶段会受到较大的冲击，底部位置由于吊篮没有缓冲措施，载车台受到会震荡摇摆，且时间较长。

图7 载车台横向加速度

图8 载车台垂直向加速度

4 讨论

传动系统的振动会影响车库的安全及使用寿命，例如载车台的摆动会传动到整个传动系统，长久的冲击也会引起疲劳，降低机械部件的使用寿命。此外，振动对车辆也会有影响，车库底部载车台上的车辆在启动时会收到教大的横向冲击，并且会有轻微摇晃，由于车辆的设计主要是作前后运动的，横向冲击会对其机械结构有一定的影响，应尽量减少较少横向的冲击。垂直循环车库应尽量减少冲击，通过机械或电气上的调整，可以进一步提高车库的系统寿命和安全性。常见的方法有机械结构上的调整和电气控制上的改进。

机械结构方面：可以增大系统的刚性，提高系统的稳定性；采用较为柔性的机械连接，例如用蛇形联轴器联，降低电机启动时的冲击。另外，载车台应避免摆动振动，可以底部和顶部安装吸能装置，减少启动时的横向冲击导致的摆动。

电气控制方面：可以采用电气调速措施，降低启动转矩，避免大的冲击。

此外，机械系统中，涉及安全的关键零部件应增加冗余安全设计。车库的前面几个传动环节，都具有一定的安全冗余，单个零件的失效，安全隐患不大。但传动系统最后阶段，三角板和中心横轴的联接十分重要。这里涉及主要的受力部件包括三角板，链条板及车厢回转轴。链条板一般设计为双层，链条板和三角板的链接也是双点联接，均具有一定的安全冗余，不过载车台中心横轴和三角板的连接是单路连接。如若三角板连接处发生断裂，载车台则可能会掉落，引起安全事故。为了提高安全性，可以增加车厢本体和转载链条的保险连接，避免单路联接，增加安全冗余。

5 结果

垂直循环停车系统的传动系统是停车系统安全性的关键。本文研究了垂直循环停车系统的常见传动设计，先从各个传动环节分析其工作特性，然后根据载车台的加速度变化分析载车台的振动。研究发现，传动系统中电机的启动冲击及载车台的吊篮结构是造成系统振动的主要原因。加速度检测数据显示，底层车厢横向移动时上下及左右方向均有较大振动，且横向有反复震荡。针对此，本文提出了机械结构或电气控制两个方面的改进措施。此外，立体垂直循环车库的三角板及车厢联接处可增加机械联接，增加了安全冗余度，提高了车库的可靠性。