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宁方楷 杨 凯 张 磊
中车山东机车车辆有限公司 济南 250022

摘 要：针对目前城市停车难等问题, 基于机电一体化技术研究并设计了一种高速梳齿式全自动升降横移塔库。该立体车库由机械部分和电气控制部分组成, 机械部分包括钢结构框架、提升系统、泊位系统、泊位托架、回转盘等；电气控制部分包括PLC、变频器、检测开关等。实验结果表明, 该立体车库安全可靠, 空间利用率比传统标准塔库更高, 可广泛应用于医院、繁华商业区等车位紧张且有一定高度限制的区域。

关键词：梳齿式全自动立体车库；塔库；自动控制; 设计

截至到2018 年底，我国汽车保有量已达3.25 亿辆,停车位缺口高达5 000 万个，城市停车位供需矛盾突出，尤其是繁华商业区等人流密集区域停车难的问题愈发严重。据调研显示，30% 的拥堵问题是由于停车难造成的。随着我国智慧城市建设的逐步推进，智慧交通、智慧停车在改善停车难问题、缓解城市交通拥堵方面发挥着举足轻重的作用。全自动车库相比传统升降横移、简易升降车库因其高存取车效率、高容积率、方便快捷的用户交互等特点更符合智慧城市、智慧停车的需求。

垂直升降类车库，又称塔库，是全自动立体车库的典型库型之一，相比全自动平面移动、巷道堆垛车库，其布置型式更加灵活，结构相对简单，故障率低，是全自动车库里容积率最高的设备型式。市场上常见的塔库主要有载车板式和梳齿式两种，采用中间布置升降井道、左右各布置一个停车位的型式。单套系统包含一个出入口，为保证其高峰期同时段存取车的效率，基本均采用
双联塔、多联塔型式。塔库设备层数过低会造成设备单车位成本过高，市场认可度不高，因此建造层数一般在15~20 层以上，设备高度达40~50 m，很多项目因规划高度受限难以实施。强行降低设备层数则造成车位数量减少，成本过高，项目回报率过低。

本文介绍的高速梳齿式升降横移塔库采用梳齿交换+ 大横移技术, 既发挥了梳齿类无台板交接技术在存取车效率上的优势，又打破了传统垂直升降类车库升降井道无法作为存车位的限制，在保证两个提升井道+ 四个存车位的情况下，将二联塔库的占地宽度缩短2.5 m, 进一步提高了塔库的空间利用率，底层单车位造价大幅降低，尤其是对于有高度限制且有高存放需求的场合优势尤为明显。设备自动化程度高, 检测手段多, 防护设施全,可有效避免车辆磕碰和刮擦事故发生。

所设计产品为高度智能化的机械式立体停车库, 采用防震框架结构, 包括钢结构框架、提升系统、泊位系统、泊位托架、回转盘、电控系统、安全检测及引导系统等。

为保证充分利用规划地块，最大程度提高容车数量，设计有5 列、7 列两种标准型式单元。5 列配置2 套提升系统4 列停车泊位，7 列配置3 套提升系统6 列停车泊位。当设备层数超过15 层时，由于升降横移塔库单系统容车数量过大，导致其高峰期响应明显不如单组塔库，因此，建议15 层以上选用标准型塔库。15 层以下可选用梳齿升降横移塔库。参数对比见表1。5 列、7列塔库结构见图1。

图1 5 列、7 列塔库结构

存车时, 车主根据车位信息引导屏选择有空闲车位的出入口，当车辆行至车库门口时，车牌自动识别车辆，库门自动打开，车主根据引导系统将车辆停放到位，经检测合格后，车主离开车库，刷卡确认存车，库门自动关闭，该井道内所有泊位托架横移避让出提升空间，提升叉在提升系统驱动下将车辆提升至所存车位高度上方, 目标位泊位托架移动至提升叉下方, 通过提升叉下降将车辆转移至泊位托架上, 由泊位托架将车辆带入停车位。取车过程相反。见图2。

钢骨架是整个塔库的基础，多数机构安装在钢骨架上。立柱、横梁采用热轧H 型钢制作，横梁及立柱的连接均采用高强螺栓夹板联接，避免了高空焊接作业风险及焊接缺陷的发生。为保证联接受力的可靠性，联接面均采用打砂生赤锈处理，并进行抗滑移试验保证其具备足够的摩擦力。斜撑采用空心圆管支撑连接。每一层均采用八字型斜拉，与立柱组成多个三角形，以保证钢结构的稳定并抵抗水平力, 包括水平地震作用和水平风力, 是非常有效的抗侧力体系。

升降导轨立柱安装在钢结构横梁内侧。导轨与横梁及导轨各段之间的对接均采用螺栓联接并预留调节空间, 导轨对角线尺寸公差控制在±2 mm 以内。

提升系统由三合一减速电机驱动, 通过链条传动,实现升降叉的上升或下降。设计有配重机构, 以降低电机功率，配重机构采用动滑轮组，无需降至入车层，可实现入库车辆贯穿出入库。采用激光测距定位, 变频控制, 配合旋转编码器，形成闭环控制，停止精度高。在提升系统的四处吊点近链轮端分别设计有四组弹簧松检测装置，可在提升过程中出现机械故障导致左右提升叉不同步时及时中止提升系统工作。见图3。

2.3 泊位系统及泊位托架
泊位系统是泊位托架及承托车辆横向移动的驱动组件。采用电机+ 摩擦轮方式，多段布置，独立驱动，可保证多列车位同时横移时的稳定性。

泊位托架是车辆存取的承托部件, 其在泊位系统的驱动下将车辆在停车泊位与升降井道之间移动。

回转盘安装在立体停车库的乘入层, 是汽车进出车库内部的过渡停放平台, 并可以实现出库时将汽车旋转至车头方向正对车库门, 便于驾驶出库。地上布置的塔库回转盘由回转平台、中心回转台组成。半地下或地下布置的塔库回转盘回转平台上设计有横移机构，在提升机构存取地下部分车位时，回转盘横移至提升井道一侧，避让出车辆升降所需的空间。回转动作采用双组摩擦轮驱动围绕转盘中心轴转动实现回转台的回转。见图4。

2.5 安全检测及引导系统
为最大限度保证人车安全，提高出入库运行效率，车库内设有安全检测及入库引导系统。安全检测可以对入库车辆及存放位置是否正确进行检测，相比标准塔库增加了动态超限检测及活体生命感知，保证车库运行前的绝对安全。入库引导系统从人机交互角度出发，可引导驾驶人员准确快速驶入停车库，包括库门车牌自动识别、库门智能语音引导镜，从驾乘人员角度出发真正提升了存车体验及入库效率。见图5。

机械结构设计采用SolidWorks 三维设计软件, 并采用SolidWorks Simulation 结合实际工况对泊位托架等关键构件进行理论计算。根据图5 显示，排除应力奇异现象，按1.1 倍最大车重2.5 t 前后6:4 的比例加载，托架的强度及刚度均满足设计要求。见图6。

对于钢结构框架，采用建筑结构分析软件Midasgen 对塔库钢结构进行分析计算，并考虑地震载荷及风载荷影响，结构强度、刚度及稳定性均满足要求。见图7。

图7 钢结构框架受力分析图

所述塔库的电气控制系统采用西门子S7 系列PLC进行逻辑控制，提升驱动采用西门子G120 闭环控制实现低速恒扭矩，采用松下镜面式光电开关进行车辆检测，人机交互采用西门子PN700 7 寸彩色触摸屏进行显示；定位方面采用镜头防雾式劳易测激光测距AMS348IH。上述元件均带有PROFINET 接口，每个元件之间进行网络通讯，并且每个元件上均留有备用网口，以便扩展使用。控制结构见图8。

3.2 程序及软件设计
程序架构采用C/S 架构，上位机采用VS2015 进行开发，程序开发语言采用C#、SCL 语言以及梯形图进行开发。采用PID 调节功能进行升降调速，根据速度和位置关系进行无极调速。达到加减速平稳、定位精确的目的。采用“高内聚、低耦合、冗余校验”的模块化思路,封装成功能块, 定义模块的输入输出接口, 可独立完成某个特定的子功能。模块与模块之间的接口少而简单。并且每执行一次存取动作，该程序会自动进行恢复出厂设置，每次动作的开始都是在出厂设置的状态下进行，大大减少了故障率； 具备排队存取功能，可实现APP或微信公众号预约存取；增加车主取件功能，市面上多数智能车库若出现车主忘记拿车内物品，刷卡将车取下后再将车存回，只能管理员进入非自动模式进行存车。加上此功能后，车主取件结束，与存车时操作一样，刷卡后按下存车按钮，车辆自动回位。

介绍了一种高速多列梳齿式全自动升降横移塔库,该立体车库相比传统塔库对空间利用率更高、占地宽度更窄，特别适合有高度限制的应用场合，可与传统标准型塔库组合使用，配合智能停车引导系统，对于最大限度解决繁华地区停车难问题具有较高的实用价值。