陸天宇 雍嘉浩 顧力強 毛文華 王一帆

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

液壓升降平臺是一種應用范圍較廣的起重運輸機械，它主要由基座、載重平臺、支撐桿件、液壓系統(tǒng)等部分組成。當升降平臺載著重物上升時，由液壓泵驅(qū)動平臺上升，將液壓能轉(zhuǎn)化為勢能；升降平臺下降時，又將勢能釋放出來。因而，實現(xiàn)下降時釋放的那部分勢能的有效回收和利用，是實現(xiàn)其節(jié)能減排的關鍵點。近年來，這類升降平臺的能量回收設計主要是通過液壓蓄能的方式實現(xiàn)[1-4]。

液壓系統(tǒng)的能量回收方式主要包括回饋電網(wǎng)式、液壓蓄能式、機械式、變頻調(diào)速式、變頻-蓄能式等幾種類型，其中變頻-蓄能式能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的節(jié)能效果，同時實現(xiàn)對控制對象的調(diào)速。在液壓電梯領域，目前已經(jīng)有一些應用變頻-節(jié)能方式的設計成果[5-6]。

本文涉及的立體車庫剪叉式升降平臺，在實現(xiàn)節(jié)能效果的同時，也需要保證系統(tǒng)平穩(wěn)可靠的運行，使平臺能夠按照給定的速度曲線運行，保證平臺上運載車輛的安全。因此，本文將液壓蓄能、變頻調(diào)速、閥控調(diào)速等技術結(jié)合起來，設計出一種液壓升降系統(tǒng)，以實現(xiàn)上述目的。

1 立體車庫結(jié)構設計

1.1 立體車庫概述

老舊小區(qū)無法提供連續(xù)的大片場地，且車位比較靠近住宅樓，立體車庫會對住戶的采光造成一定的影響。考慮到這些因素，我們設計了如圖1所示的立體車庫，它由車庫框架、搬運器、液壓升降機構等部分組成。車位架被放置在二層，上面能夠停放三輛汽車，在車位架的下方，還能夠像原來一樣停放三輛汽車。車庫通過液壓升降機構和搬運器實現(xiàn)二層車輛的停放。升降平臺上放置三組光電傳感器，其中前后兩組用于檢測駕駛員是否正確停放車輛，中間一組用于感知升降平臺與搬運器是否完成車輛交接。

1.車位架 2.搬運器 3.車庫框架 4.液壓升降機構

1.2 立體車庫工作過程

(1) 存車流程。汽車駛?cè)肓Ⅲw車庫出入口的液壓升降平臺的提升叉梳的指定位置上后，司機停好車后下車并刷卡，控制系統(tǒng)運行并進行檢測，判斷無誤后，開啟阻車裝置，選取空車位，判斷要停車的位置。通過液壓升降機構將車輛抬升至第二層，再通過搬運器將汽車停放至預定車位，此后各機構復位，等待下次存取車命令。

(2) 取車流程。司機在立體車庫出入口刷卡后，控制系統(tǒng)運行，并根據(jù)卡號查找對應車輛的停放位置，再通過存取裝置逆向運行存車動作，最后將汽車取到立體車庫出入口，關閉阻車裝置，司機將車輛開離立體車庫。系統(tǒng)檢測到汽車駛離后，各機構復位，等待下次存取車命令。

1.3 升降機構的選擇

本立體車庫中的搬運器需要在車庫框架上的水平軌道上移動，因此此系統(tǒng)需要升降機構不借助四周的軌道，而是通過車輛入口上方的空間將車輛抬升至第二層。而且，考慮到老舊小區(qū)中可用于規(guī)劃立體車庫的空間大多靠近小區(qū)居民樓，兩層車位的設計對住戶采光的影響相對較小，因此車庫的升降機構在垂直方向的移動距離不大。我們考慮過通過開關磁阻電機驅(qū)動升降系統(tǒng)，并通過蓄電池與超級電容組成的儲能元件作為儲能元件，回收升降系統(tǒng)制動過程中的能量。但是考慮到老舊小區(qū)對系統(tǒng)可靠性、成本方面的要求，我們選擇系統(tǒng)相對簡單、技術更加成熟的剪叉式液壓升降系統(tǒng)，并在此基礎上進行節(jié)能方面的設計。液壓傳動具有操作控制簡單方便、可實現(xiàn)過載保護、噪音小、工作平穩(wěn)等優(yōu)點。

2 液壓升降系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)概述

本方案中將蓄能器節(jié)能、閥控調(diào)速、變頻調(diào)速等技術結(jié)合起來，設計出如圖2所示的適用于上文立體車庫中剪叉式升降機構的閥控-變頻式液壓系統(tǒng)，以達到節(jié)能的目的。

1.油箱2,23.濾油器3.液壓泵4,9.安全閥5,19,20.電液比例調(diào)速閥6,8,13,14.單向閥7.二位二通閥10-二位三通方向閥11,12-液壓缸15,16-電磁單向閥17,18-橋式整流板21-蓄能器22-手動下降閥

圖2 液壓升降系統(tǒng)原理圖

Fig.2 Hydraulic lifting system schematic diagram

2.2 系統(tǒng)設計

此系統(tǒng)的能量回收原理為：平臺下降時，一部分勢能可以轉(zhuǎn)化為液壓能，可將其儲存于蓄能器中；另一部分勢能在油液流動過程中轉(zhuǎn)化為熱能。平臺上升時，蓄能器內(nèi)部的壓力油液釋放出來，補充給液壓泵，使再次上升過程中液壓泵消耗的電動機功率減少；同時，容積調(diào)速技術的使用，也能夠減少節(jié)流能量損失，從而達到節(jié)能的目的。

此系統(tǒng)采用橋式整流板9、10保證液壓缸同步；采用二位二通閥7實現(xiàn)平臺的快速下降，分別采用PLC控制的電動機和電液比例調(diào)速閥5調(diào)節(jié)速度，以實現(xiàn)預定的速度曲線；采用二位三通方向閥10控制液壓缸的運動方向。系統(tǒng)的工作壓力由溢流閥4限定；蓄能器9的工作壓力由溢流閥9限定。手動下降閥22用于斷電或液壓系統(tǒng)因故障無法正常運行時，通過手動操作使平臺以較低的速度下降。在此系統(tǒng)的設計過程中，在實現(xiàn)能量回收功能、滿足系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運行的條件下，盡量減少元件數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構，以降低系統(tǒng)成本，便于系統(tǒng)維護。

2.3 主要參數(shù)

此系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters

根據(jù)表1，由式(1) 可計算得到液壓缸行程：

S=2mL/n(mm)

(1)

此外，系統(tǒng)流量由抬升速度及液壓缸有效直徑?jīng)Q定，蓄能器的壓力可根據(jù)式(2)計算得到：

p=KWH/V(MPa)

(2)

蓄能器的工作容積應略大于平臺從最高處下降至最低處時液壓缸所排出的油液總體積。

3 系統(tǒng)工作原理

本液壓系統(tǒng)存在以下5個工作狀態(tài)：

(1) 初次上升。最初，蓄能器21中沒有壓力油。PLC得到平臺上升指令后，主電動機啟動，液壓泵從油箱里吸油，使油箱中的油液進入液壓缸11和12，使得液壓缸的活塞桿伸出，提升升降平臺。在平臺上升的過程中，控制器將讀取并處理檢測到的平臺位置信息，然后將先后傳遞至變頻器，這樣液壓泵能夠按照控制器的速度指令工作，升降平臺能夠按照預先設定的速度曲線完成加速-勻速-減速的運動過程。

(2) 停留。升降平臺到達指定位置時，控制器接收到停止信號，此時液壓泵3停止工作，升降液壓缸的回油通道都被可靠封閉，升降平臺能夠可靠地停留在指定位置。

(3) 下降。PLC得到平臺下降指令后，二位三通方向閥10的電磁鐵1YA通電，電磁單向閥15、16得電，液壓缸中的壓力油液將被存儲在蓄能器內(nèi)。油液蓄能器中的壓力液體可能導致液壓缸下降不到位，此時可以使2YA通電，液壓缸中殘留的油液就可以經(jīng)過二位二通閥7的左位回到油箱，使升降平臺復位。平臺下降時，控制器接收平臺位置信號，并向電液比例調(diào)速閥5發(fā)送速度調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)調(diào)速閥閥口的開度，進而使平臺按照預先設定的速度曲線下降。平臺復位后，控制器接收到相應的信號，電磁鐵1YA斷電，二位三通方向閥回到右位。

(4) 快速下降。當遇到車輛進出頻繁等需要平臺快速下降的特殊情況時，可以使5YA、6YA、1YA和2YA都通電，使液壓缸中的油液無阻力地回到油箱，從而實現(xiàn)快速下降。單向閥8可以防止蓄能器中的油液回到油箱。

(5) 再次上升。此時二位三通方向閥10處于右位，且單向閥16中上腔的壓力大于下腔，液壓泵3優(yōu)先從蓄能器21中吸收油液供給至兩個液壓缸中，進而完成相應的上升動作。若蓄能器中的油液不足以使平臺到達指定的高度，液壓泵3將從油箱中吸油，使得平臺上升到指定位置。

動作中，各電磁閥的電磁鐵得失電情況如表2所示。

表2 電磁鐵動作表Table 2 Action of the electromagnets

4 系統(tǒng)控制部分設計

立體車庫整體控制系統(tǒng)的核心為PLC，液壓升降平臺也可以作為其中的一部分接入控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)上文所述的工作過程。升降平臺部分包括平臺上的位置傳感器、光電傳感器、監(jiān)測平臺是否到達上、下兩個指定位置的兩個行程開關等6個輸入信號，和控制主電動機的變頻器、液壓系統(tǒng)中的電磁閥等8個輸出信號。I/O口地址分配表、升降平臺部分的程序流程圖以及存車過程的梯形圖分別如表3、圖3和圖4所示，其中sensor1、sensor2、sensor3分別表示上升、下降兩個過程中指定位置的行程開關以及檢測是否完成車輛交接的光電傳感器。

在升降平臺的工作過程中，PLC接收平臺上位置傳感器的輸入信號，通過對變頻器或電液比例調(diào)速閥5的控制，實現(xiàn)上升、下降階段的調(diào)速。PLC也會接收上、下兩個指定位置限位開關的輸入信號，控制相應的電磁鐵，實現(xiàn)工作狀態(tài)的切換。系統(tǒng)突然斷電時，所有電磁鐵均斷電，此狀態(tài)與升降平臺的停留狀態(tài)相似，液壓缸中的壓力油液無法流出，平臺可以可靠地停留在斷電前的高度上，不會突然墜落，造成車輛的損壞。此時，如果需要平臺下降，可以操作手動下降閥22，使平臺以較低的速度下降。

表3 I/O口地址分配表Table 3 I/O address assignment

平臺前后兩端設置的光電傳感器，對停車輛的尺寸做出了限制。車輛尺寸超標時，至少會使其中一個光電傳感器無法接收信號，此時車庫會提升車主將車輛停放在下層。這兩個傳感器也可以檢測車輛是否正確停放在升降平臺上，防止車輛、車庫在系統(tǒng)工作過程中受到損壞。平臺中間的光電傳感器放置在較高的位置上，以確保車輛交接已經(jīng)完成，確保系統(tǒng)工作的可靠性。

圖4 存車程序梯形圖Fig.4 Trapezoidal diagram of car storage program

5 結(jié)論

本方案在為老舊小區(qū)設計的一套立體車庫方案的基礎上，以剪叉式液壓升降平臺為原型為其設計了相應的液壓系統(tǒng)，并將其控制部分融合至立體車庫整體的控制系統(tǒng)中。液壓傳動具有功率大、結(jié)構簡單、運行平穩(wěn)、易于控制、造價較低等特點，適用于本文提出的小型立體車庫。同時，設計中綜合運用蓄能器節(jié)能、變頻調(diào)速、閥控調(diào)速等多種技術，實現(xiàn)了節(jié)能的目的。此設計方案也可推廣至其他需要頻繁升降，且對升降過程中的速度曲線有要求的場合。