圆周式立体车库升降系统设计研究Word文档下载推荐.docx

1、一层车位在地面，车可以直接进出，停放在一层可以上升至二、三层；二层车辆出库时，先下降到一层所空车位，再出车库；停在三层的车出库时，先左右平移一、二或三层车位，空出向下移动所需车位，使得三层所停车辆通过空位下到一层，再出库。升降横移式立体停车库主要是由框架结构部分、载车板部分、传动部分、控制部分、安全防护装置五大部分组成4，5。其特点是结构简单、操作简便、能耗价格低、设置灵活、白动化程度较低、因受力链绳及存取时间的限制，可建停车规模有限，一般层高不超过五层，占地面积大等。图1.1升降横移式立体车库（2）垂直升降式垂直升降式立体车库包括垂直提升式和垂直循环式两种提升车库。其中，垂直提升式立体车库类

2、似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小，如图1.2所示。而垂直循环式立体车库如图1.3所示，采用链传动带动轿厢在垂直方向上循环运转，汽车停在轿厢上，轿厢随传动系统作升降运动，或者将所要存车的空车位降至地面，循环往复地将轿厢或空车位送到车库出入口，完成车辆的存取工作6-9。该类型车库是占地面积小最小的一类，耗能低影响小，对地基、消防要求高，存取高速智能化，环境平均车位成本较高。非常适用于土地资源比较紧张，而停车位需求却很大的场所使用。图1.

3、2 垂直提升式立体车库图1.3垂直循环式立体车库（3）巷道堆垛式巷道堆垛式立体车库如图1.4所示。采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由巷道堆垛机或桥式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并由存取装置实现车辆的有序存取。因此，对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，巷道堆垛式立体车库适用于车位数量需求较多的客户使用10-12。该类车库的主要特点是低噪声，耗能低，自动化技术高，等待时间长，进出口少。图1.4巷道堆垛式立体车库在充分了解各个类型的车库的基础上，本文提出圆周式立体车库的概念。其示意图如图1.5所示。其运行的原理是这样的。1.2.2 国外立体车库发展状况国外发展立体

4、车库较早的有日本、韩国、德国等国家。在亚洲，应用较普遍的是日本、韩国和我国台湾省。亚洲的机械式停车设备技术起源于日本。1960年以后，立体车库逐年增多，品种也从单一垂直循环式发展为多种形式，到今已开发生产出九大类近百个品种。管理体制、技术标准等方面日趋完善，日本在役的停车设备最多。目前全日本已经投入使用机械式停车位超过300多万个13。到目前为止，立体车库行业形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体系。其中，发展较早、较好的日本公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等:欧洲有意大利Sotefin、Interpark、德国Palis等。这些国家和公司从上世纪六十年代初就开发并使用可最大限度

5、地利用空间的机械式停车设备，经过几十年的不断发展，机械停车库从造型、结构、控制、驱动、监测、材料、保险等方面不断地更新换代，日趋完美。目前世界停车产业正向多元化方向发展，其停车场技术包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域的大量先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型优质钢材，既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观。载车板采用一次成型的镀锌板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器，单片机14，15和矢量变频变压调速闭环控制技术16,17，使运行高速平稳，节省电力，振动噪音也趋于最小。1

6、.2.3 国内立体车库发展状况1984年，北京有色冶金设计院的工程师们，在设计一个综合写字楼项目中，发现与其配套停车位难以解决，由此开始开发设计机械式停车设备。经过几年的努力，1988年我国第一个采用二层升降横移式机械停车设备的地下车库在北京建成。两年后，位于中国石化总公司北京设计院院内，第一座竖直循环式机械车库建成；这两个机械车库的建成，揭环了我国机械式停车设备行业的开篇，为解决城市停车难的问题开了新的途径18。虽然从二十世纪八十年代就开始研制和使用机械式立体车库，但由于市场需求原因，十多年来缓慢发展。近年来，中国经济腾飞，城市化进程加快，汽车工业和汽车需求市场得到快速发展。目前停车设备生产

7、厂已发展到100多家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。我国除北京、上海、广州等特大城市外，沿海工业发达人口密集的中等城市也已陆续开始安装和使用立体车库，表现比较为强劲的市场需求19。城市中停车位需求按1:1.2（100%的基本停车位和20%的公共停车位）计算，总需增加停车位480万个，平均每年需求96万个。自动化立体车库就应运而生并成为城市交通的一个研究热点，国家把其列入了“九五一重点科技攻关项目之一20。为适应立体车库行业迅猛发展的需要，保证产品质量和可靠性，以规范立体车库的生产和建设，国家己出台了机械式停车设备类别、型式与基本参数、JB/T87130-1998等6个标准，对

8、推动我国立体车库事业起到了极大的促进作用14。1.3 课题意义及主要内容1.3.1 研究意义随着汽车工业的发展，以及国家的经济型社会、节约型经济的政策、可持续发展战略等，决定了立体停车设备的发展和立体停车设施问题。立体车库，同传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性，包括:（1）每台车上的占地面积会大大减少，即单位面积上所能够放置的车辆较多，土地使用效率高；（2）由于传统平面停车场的占地面积相对较大，特别是城市中的土地购置费及其他税费近几年大幅上涨，因而使得其建设成本居高不下。如果采用立体车库，就能在较小的土地面积上实现空间存放车辆，使摊薄到每个停车位的成本大幅降低；（3） 由于传统的

9、平面停车场中所有车辆都停放在同一平面，在出入车时极易造成车辆的刮损。而立体停车库中，由于处在同一平面的车辆数目较少，而且存取车时无论高峰还是稀少时，都要通过电子程序，几乎没有刮碰的机会，车辆失窃更是不可能，所以立体存放解决了其安全方面的后顾之忧；（4）目前立体车库配套安装智能管理系统。在存车、取车、收费及监控安保等方面都采用了自动控制使得车库的管理自动化、程序化。因此立体车库的开发与研究能够给城市的生活带来极大的便利。1.3.2 研究主要内容文章在对立体车库系统各种类型进行比较的基础上对比分析了不同类型立体车库的车辆存取时间长短，并在此基础上进行优化分析和仿真；之后对圆周式立体车库的系统停车时

10、间策略进行分析及优化；最后对圆周式立体车库控制系统进行设计和优化。第二章 立体车库系统优化分析立体车库系统涉及很多方面的因素。不同类型的车库在建筑风格、车库容量、车库性能、车库内的设备等方面有很大差别；在安排车库的车位排列方式中（库容量一定），考虑不同影响因素，就会有多种选择的可能，比如：在高度一定条件下，车架的长度短一点，相应巷道数必须增加；在巷道数一定的情况下，车架的长度越长，高度也就越低15。因此这就需要对立体车库系统进行总体分析并对其进行优化。前文已经说明使用最广泛的主要有升降横移式、垂直升降式、巷道堆垛式等三大类立体车库。因此本章节对比圆周式立体车库与上述三种立体车库之间的存取时间及

11、成本以论证圆周式立体车库的优越性。2.1 车库存取时间计算对比车库存取时间是车库效率的一个十分重要的指标。只有用户在最短时间内获得需要的车辆才能证明该类车库的高效性能。因此对各种立体车库的存取时间进行分析十分必要。下面分别对升降横移式、垂直升降式、巷道堆垛式以及圆周式立体车库进行存取时间计算。2.1.1升降横移式立体车库存取时间采用以载车板升降或横移存取车辆的机械式停车设备的立体停车库叫做升降横移机械式停车库。由于升降横移类停车设备的型式比较多，规模可大可小，对场地的适应性较强，因此，采用这类设备的停车库十分普遍。多层升降横移式立体停车库，如图2.1所示，是中小型车库的一种典型机电一体化产品，

12、与其它车库相比：它属于中低密度经济型停车库，规模可大可小（从2层到6层）；对场地的适应性较强、可同时移动多个车板，提高了工作效率，减少了运行时间；控制系统采用可编程控制器（PLC）16，操作管理简便明了，易于操作维护。总之，结构简单，柔性好，启动平稳，噪声小，且安全可靠、同一层的车位移动独立，可以自由动作，并且动作时间短，是升降横移式立体车库最大的优点17。升降横移式立体车库主要结构组成：升降横移式立体车库主要由三部分组成：机械部分、电机驱动部分和控制管理部分。（1）机械部分：由车架、起升结构和双向平移结构组成，它是车库的主架。（2）电机驱动部分：由多个电机组组成，由它来带动平移机构和升降机构

13、的运行，完成搬运器的上下和左右移动，以完成存取车过程。（3）控制管理部分：立体车库控制系统随着它所采用的控制器智能化程度的不同而不同。升降横移式停车设备工作原理为：每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库地面的车只作横移，不必升降，上层车位需通过下层横移出空位，将载车板降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。按照布置型式升降横移式停车设备可以分为半地下布置型式和全地上布置型式。图2.1是全地上布置型式三层十车位升降横移式立体停车库的工作原理示意图,第一层（地面层）有三个载车板，四个泊车位，每一个

14、载车板只能作横移运动；第二层（中层）同样有三个载车板，四个泊车位，所不同的是载车板被三个车位架携带，载车板可以随着车位架在二层导轨上作横移运动，也可以在提升机构的作用下作升降运动；第三层（顶层）有四个载车板，载车板只能作升降运动。在第一层存取车，对司机可直接把车开入或从载车板上把车开出，车库的传动系统不需动作；第二三层的车位存取车则需要下层的车位通过横移把空位让出，由升降系统把载车板放到底层。例如，要取6号车，首先要把9号和10号车同时向右横移一个车位，然后，再由6号车位架的提升机构把载车板降到底层，这样就可以把车从底层开出；在2号载车板存车，首先，同样车库要把下面的车位挪空，即6号、7号、9

15、号和10号载车板同时向右横移一个车位，然后，由2号提升机构将空的载车板放到底层，车可直接开出2号载车板，存车完毕。根据全地上布置型式升降横移式立体车库的工作原理的特点，可以推算出它的最大停车容量Q=M（N-1）+1，其中Q代表车库的最多停车数，M代表车库的层数，N代表每一层的泊车位数。图2.1升降横移式立体停车库示意图假设车库车位沿水平方向车位的长度为L0（即汽车宽度方向），图2.2所示。沿车库排放的车的数量为n1，则车辆沿巷道运送的平均时间为：t1=n1L0/v1 （2-1）假设车库车位垂直上升的速度为v2，每一层的高度是h0，车辆运送到车库的高度层数为n2。图2.2车库空间示意图则沿高度方

16、向运送平均时间为：t2=n2h0/v2 （2-2）则把车辆在车库中从入口存到指定车位的存取平均总时间设为t，则：t=t1+t2 （2-3）2.1.2电梯式立体车库存取时间电梯式停车库是一种综合性能比较优良的车库，机械化程度最高，具有广阔的发展前景。电梯式停车库层数较高，一般都超过六层，完全是一幢放车的楼房。垂直升降式汽车停车库主要是通过载车台的垂直升降实现存取车的。停车库内设置能停放几十辆汽车的停车架,中间为载车台升降井道,通过载车台和横移装置,将入库的汽车送入停车架或将已存于各车位的汽车取回地面。停车库内设置能停放几十辆汽车的停车架,中间为载车台升降井道,通过载车台和横移装置,将入库的汽车送

17、入停车架或将已存于各车位的汽车取回地面18-20。电梯式停车库可在地面上设置、半地下设置或地下设置，如停车泊位需求较大时，此种车库又可横向或纵向拼接。电梯升降式停车库中车辆的存取方式又有以下几种：左右两侧存取方式、扇形存取方式、圆周存取方式等。左右两侧存取方式就是在电梯井道在中间，停车位在井道的左右两侧，每一楼层的停车位只有两个，升降电梯升降到停车楼层后，横移机构可以左右方向存取车，存取机构简单，但是存放的车辆相对来说少。扇形存取方式就是停车位以电梯井道为中心作扇形分布，升降电梯升降到停车楼层后可以在扇形停车位范围内存取车辆，这样就增加了每一楼层的停车位。不过扇形存取方式的存取机构复杂。圆周存

18、取方式就是停车位以电梯井道为中心作圆周分布，每一楼层的停车位最多，不过这种方式的存取机构最复杂。其中左右两侧存取方式的电梯式立体车库存取效率最高。考虑到本章主要分析的是常用立体车库与圆周式立体车库的性能比较，因此主要举例分析结构最简单存取效率最高的左右两侧存取方式的电梯式车库，其结构简图见图2.3所示。电梯式立体停车库主要由升降机构、回转盘、汽车托盘、存取机构和安全系统等部分组成。由图2.3的原理图可以知道，电梯式立体车库车辆存取时间t由三部分构成：（1）t1：车辆到达合适车位所需要的时间，即升降机构运动时间。（2）t2：车辆到达指定车位后，回转盘转动到正确方向的所需要的时间，即回转盘工作时间

19、。（3）t3：存取机构将车辆沿导轨送入指定车位的时间，即存取机构工作时间。图2.3电梯式立体停车库示意图假设车库车位垂直上升的速度为v1，每一层的高度是h0，车辆运送到车库的高度层数为n1，则沿高度方向运送平均时间为：t1= n1 h0/ v1 （2-4）假设车库回转盘在水平面方向转动的角速度为v2，回转盘转动的角度为90，则回转盘转动的时间为：t2=/2v2 （2-5）假设车库存取机构工作的速度为v3,则其工作时间为：t3=0/v3 （2-6）则把车辆在从入口存到指定车位的存取平均总时间设为t，则：t= t1+ t2+ t3 （2-7）2.1.3堆垛式立体车库存取时间巷道堆垛式立体车库有三个

20、主要部分组成，即机械部分，堆跺机搬运过程和计算机监控管理系统。和垂直升降式立体车库相比车架和起身机构都有所不同。车库的每排车位互相连成一体，排和排之间的车位互相独立，中间的支架换成上下固定运行堆跺机的轨道。起身机构中依靠堆跺机作三维方向的动作，不需其他立体车库的板式、叉式交接，依靠搬运小车直接交接汽车。（2）堆跺机搬运过程：智能堆跺机可进行三维方向的动作完成车辆的存取。车驶进车道，司机在发卡机处得到一张智能IC卡，刷卡以向系统申请入库。系统根据卡号，确定是否是本库允许卡，以决定是否可入库，并调用数据库以决定车可停的库内位置。车驶进出入口后，由激光扫描仪检测到车的长、宽、高，以确保入库车辆的外型

21、不超过本库的限制。同时激光扫描仪检测车的停放位置，提示司机准确停车，并进行自动微调。司机下车后，堆垛机上的交接小车爬行到车下，液压系统将车抬起，并放到堆垛机上。堆垛机根据上位信息管理计算机的指令，运行到库内的车位外。交接小车爬行到车位，将车放下。出库时，司机读卡向系统申请出库，系统根据卡号，确定是否是本库允许卡，并计算车费。司机交费后，堆垛机开到车位，交接小车自动将车取出。（3）计算机监控管理系统：一般现有市场上的智能巷道堆跺式车库的自动控制系统采用了激光外形检测、激光认址定位、PLC网络控制及变频调速等，实现无人化管理，自动化程度已经很高。上位机采用工控机，其信息管理系统还能实现入库车辆历史

22、记录、收费、出卡、报表、打印等功能。假定车库的宽、长、高方向分别如图2.1示意的x、y、z方向。图2.4巷道堆跺式立体车库平面图车辆从入口经由堆跺机存入指定的车位，需经沿通道水平运动到达相应的巷道，即沿X方向；开始上升到指定车位高度，即沿Z方向；再沿巷道水平运动到指定的车位位置，即沿Y方向；最后搬运小车和指定车位的空小车交换，把车交换到指定车位处，堆跺机装载空小车返回到入口处，等待下一辆汽车到来。由于存车时沿通道运行距离随巷道数不同而不同，高度方向运行距离随车位高度不同而不同，沿巷道水平运行距离也和具体车位的坐标有关，为此可以把车辆运送的总的平均时间分为四个部分，即车辆沿通道到达巷道的平均时间

23、设为t1，沿高度运送的平均时间设为t2，沿巷道水平运动平均时间t3和小车交换时间设为t0，取车时平均时间和此一样。首先我们来计算沿通道的平均时间，由于是求平均时间，我们假定车辆都从车库的最中间进入车库，只要求出车库中间到每一巷道的时间总和，除以巷道数即可求出沿通道到达巷道的平均时间t1。假定巷道宽为w，车库车位宽为w0（也即汽车长度方向），沿水平平均速度设为v1，则沿通道平均时间为： （2-8）其中：t1偶表示巷道数n为偶数时的沿通道平均时间，t1奇表示巷道数n为奇数时的沿通道平均时间。假设堆垛机垂直上升的速度为v2，每一层的高度是h0，车辆运送到车库的高度层数为n1，见图2.2所示，则沿高度

24、方向运送平均时间为：t2= n1h0/v2 （2-9）车库沿巷道方向车位的长度为L0（即汽车宽度方向），沿巷道排放的车的数量为n2，则车辆沿巷道运送的平均时间为：t3= n2L0/v1 （2-10）假设搬运小车交换速度为v4，则车辆运送到车位后堆跺机中搬运小车交换平均时间t4为：t4=w0/v4 （2-11）则堆垛机把车辆在车库中从入口存到指定车位的再回到入口处整个过程的存取平均总时间设为t，则：t=2 （t1+ t2+ t3） + t4 （2-12）2.1.4圆周式立体车库存取时间圆周式立体车库是一种全新的立体车库形式，其原理图如图2.5所示。其工作原理如下：通过智能化的停车位对每辆车进行数

25、字化。数字化后的车进入轿厢，之后通过横梁来进行输送至空闲的停车位。停车位可以根据实际场地进行制造和安装。每个停车层都有举行精密轴承，且对底部进行精确编码，因此能够对其进行旋转进行精确控制。横梁输送进车库的轿厢能够根据智能化系统放置至指定位置，实现停车。若要取车则输入编号，则系统能够准确找出车子所在的层为以及精确方位，通过旋转轴承将车子转至车库出口，通过横梁将车库吊起，实现出库。1轿厢 2支撑梁 3智能停车位图2.5 圆周式立体车库原理图在吊篮式立体车库中，存取车辆时间t由下面两部分构成：t1，垂直高度，车辆下降开始。t2，智能停车位转动到合理位置的时间。t3，提升车辆，输送到车库门，车辆存取完

26、成。假设车库门打开（垂直下降）的速度为v1，车库单个车位的高度是h0，则车库门打开时间为：t1= h0/v1 （2-13）假设车库轴承转动的速度为v2，即车库线速度为v2。根据圆周式立体的结构，内层车辆存取时间和最外围车辆存取路径一致，所以内外层存取时间同，只需要分析最外围车辆存取时间就可以。圆周式立体车库的车位都通过横梁来进行升降，下面以一定面积的圆周立体车库的容量来分析车库容量和横梁的数量关系，如表2.1所示。表2.1 车库各变量关系表车库容量N外围车位数量M1车位圈数L横梁数k61318122422416.分析可得他们的关系式为：N=4k-6，M1=32 L，L=2k。因为圆周立体车库只

27、需要最大转动180即可完成寻位，所以只需要分析1/2车辆位置就可以知道存取时间。参照图2.5，对横梁进行编号为1、2、3n/2+1.则车库转动的时间为： （2-14）实际工作中，车库门打开与关闭时间一致，故t3=t1，则圆周式立体车库存取车辆时间t为：t=t1+t2+t3=2t1+t2 （2-15）在圆周式车库的控制方面，可以从下面几个方面进行优化：采用电梯调度的思想来控制车库的运行。即如果某时刻车库转动方向为顺逆）时针，那么下一时刻将优先查询顺（逆）时针方向距离最近的位置。在本车库中，采用的是最短路径寻址，并且控制电机可以正反转动，所以每存取车需要转动的最大角度为180度，车库采用了大功率电

28、机，因此减少了转动时间。采用存车时候内围车辆优先，取车时候外围车辆优先的策略。具体位置的查由控制软件负责。在存取车辆很多的时候考虑能一次转动同时满足存车和取车的要求。2.2 平均存取时间比较与仿真在前文中，分析了各种常见类型车库的存取时间，并建立了时间方程。在此基础上，本节将把他们和论文提出的圆周式立体车库进行对比，以分析圆周式车库的优缺点。前两节的分析是在普遍意义上的分析，本节在车库容量N相同的前提下对各种立体车库进行对比分析。2.4.1各类立体车库平均存取时间比较（1） 升降横移式立体车库为了简化比较，同时考虑立体车库实际工作情况，假设升降横移式立体车库在水平和垂直方向上的速度相同，即v1=v2=1/3 （m/s）。分析升降横移式立体车库平均存取速度，可以认为分析车库中央位置车位即可，即（x/2,y/2,z/2）位置。设n1=n,n2=3，w=h0=w0=2m,L0=5m，Cf=10000元/m2。根据图2.1和图2.2，升降横移式立体车库容量