机械式立体车库设计 机械设计和土木工程专业毕业设计 毕业论文

机械式立体车库设计1 绪论1.1 课题的背景和意义随着汽车数量的激增，我国城市交通压力大大增加，迫切需要新建、扩建和改建相应的城市道路、交通管理设施以及各类停车设施。据有关方面统计，截止2008年统计，我国生产汽车9345万辆，同比增长52，我国国内汽车销量为93805万辆，同比增长67。由于汽车数的增长远远高于停车位的增长，我国每年停车位的缺口高达300多万个，城市停车位远远不能满足需要。当前我国的汽车与车位数量之比约为5：1，而正常的平衡比例应当是1:1.2，差距很大，需要大量增加停车位，在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位己难以满足要求32。通常国内外解决停车难的问题有以下办法：广场型停车场、路边停车区、地下停车场、机械式立体车库。在寸土寸金的城市中心不可能浪费大面积土地来用于停泊车辆的广场型停车场或者路边停车区；地下停车场存在着施工周期长及造价较高的局限性1。此状况下机械式立体车库的有点十分明显。机械式立体车库具有以下优点28，第一，节约空间。一般情况下，其占地面积约为平面停车场的1/21/20，机械式“立体”车库在地下和地面都可安装，最大的好处就是可以充分利用小面积向高空发展，尽量多存车辆，是土地资源紧缺、车辆容量大的场所最佳停车方式。例如，在空间有限的居民小区地面上最适合使用“垂直循环”式立体车库。这种车库每组H 层，也就是说，在原来只可停放一辆车的面积上建起的立体车库可以停放H 辆车。第二，自动化操控，使用方便。立体停车库自动化程度很高，可以进行旋转式升降，例如，小区居民下班回来停车，只要按一下与车位号对应的号码，这个车位就会旋转着降落到地面，待车主停好车辆后，再按号码，车位又回旋上升、复位。安装了立体车库的大型地下停车场则配套安装停车场智能管理系统，由经过专业技术培训的工作人员进行!24小时值守调度。第三，立体车库建设成本大大低于传统停车场。据了解，传统停车场的占地和建设成本相当高昂。一般说来，普通地上停车位每个占地15平方米左右，地下停车场每个车位的占地面积则至少在25平方米以上。如果使用立体停车库，在30平方米的空地上就可以停放一组8车位立体停车库，平均每个车位占地面积不到4平方米。就建设成本而言，目前小区房产开发商建一个地下车位需投资6-8万元，某些高档写字楼地下停车位的建设成本更是高达十几万元。如果安装立体车库，在空间面积不变的情况下尽量增加停车位，可以将每个停车位的建设成本摊薄到56万元。第四，安全可靠、美化环境。配备自动检测系统，各种安全机构，自动报警，消防系统及其他防范设施。汽车不会损坏，丢失。因地制宜，利用零星空地，配以外形美观的车库，美化城市环境2。对立体车库的系统理论研究较少，特别是对立体车库的主体框架钢结构精确理论计算和结构的优化设计较少，不能深化产业。通过有限元技术可以节约设计成本和制造费用，快速响应市场需求，增强企业的市场的竞争力，深化我国的立体车库行业的产业结构。从机械式立体车库的类型看，应用较多的是升降横移类，占总量的83，其所占比例随着机械立体车库在我国还是新兴产业，具有广阔的发展前景，国家经贸委将“城市立体车库”列为“近期行业技术发展重点”。然而目前我国立体车库行业的行业标准未能完善统一：许多立体车库生产厂家以仿制为主，自主开发能力弱，缺乏自主知识产权；式立体车库的发展还会继续上升。所以本文在升降横移式立体车库结构设计的基础上，深入地对升降横移式立体车库的主体框架与载车板进行有限元分析是十分必要、迫切且有意义的。1.2 课题的关键技术及其国内外研究发展现状1.2.1 国外研究现状 早在50多年前，立体停车就在国外有所发展，先后出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起2-4层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自70年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进-移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品3. 目前世界停车产业正向多元化发展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸30。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或彩涂板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术，使运行高速平稳，节省电力，振动和噪音也趋于最小。控制形式有，按钮式、锁匙式、IC卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。安全元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等，安全保护装置日臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等。日本是最早应用机械式车库的国家之一，其在上世纪60年代初就开发并使用可最大限度的利用空间的机械式停车设备。从80年代开始，日本开始向亚洲地区的韩国、中国及台湾地区出口产品及技术。韩国机械车库技术是日本机械停车技术的派生。其机械停车产业从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在30%左右。目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段2。1.2.2 国内研究现状 我国机械停车设备技术发展经过了三个阶段29，第一个阶段为20世纪80年代的自主开发阶段，此阶段生产企业根据客户要求，自行开发设计，因此种类较少，技术单一；第二阶段为90年代的技术引进阶段，国内外许多企业都开始看好中国的停车行业，出现了许多合资企业，或是引进国外的技术，利用廉价的生产成本与国外的成熟技术结合参与停车行业的竞争；第三阶段就是2003年以后的消化与创新阶段，各企业为增强自身的竞争力，开始对引进的技术，进行充分的消化与分析，并根据国内的实际使用情况进行改造与创新，走上自主开发的道路。经过这几个阶段的发展，我国已经形成了新兴的停车设备行业。我国立体停车设备的产品经引进技术和自我研究开发，生产技术水平有了很大的提高，目前品种的满足率己达90左右，有的品种填补了国内空白，产品国产化率到50以上。虽然生产技术水平有了很大的提高，但是我国立体停车设备的生产企业大多技术力量薄弱，自主开发能力差，多靠引进技术图纸或与外国的企业合作，制造水平基本上是跟踪国外先进技术。立体车库发明专利还较少，原创性的成果少，停车设备领域研究的深度和水平有待提耐。由于立体车库的迅猛发展，国内许多研究院所和高等院校等都逐步的重视起来，并且投入技术力量，对立体停车设备的各个方面进行研究，像结构设计、控制系统、存取策略、以及生产工艺、材料等，并取得了一系列的成果。就我国目前的发展状况来说，通过使用有限元法对车库钢骨架结构进行分析，可以改善立体车库的结构，从而达到提高安全使用性能和延长立体车库使用寿命，确保车辆的安全停放以及服务人员的智能管理。建立车库钢骨架结构优化设计模型，是立体车库开发建设必要的技术措施。同时，国家也进一步发展和完善与停车产业相关的法规和各项标准，先后制订了多项停车设备的行业标准和行业规范，加强规划引导、技术开发和标准化工作。立体车库产业发展前景广阔，但在选取合理设计方案的经济性上、在智能化无人管理上、以及相关的国家政策和法规上还存在不足之处，有待改进和提高。2 升降横移式立体车库机械部分设计2.1 升降横移式立体车库的基本结构2.1.1 升降横移式立体车库简介 1、立体车库及工作原理使用车辆之外的搬运装置来完成车辆停放、存储的机械设施称为机械停车库，以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体车库4。机械式立体车库属于机电一体化产品，综合了机械、电子、计算机、液压、光学、磁控等领域的先进技术，是一种技术密集型产品。机械式停车立体车库的类别按其工作原理分类如下6,7：1、升降横移式立体车库：载车板升降或横移存取车辆的机械式立体车库。升降横移式立体车库的形式比较多，规模可大可小，对地的适应性较强，使用十分普遍。不足之处为每组车库必须留出一个空车位，升降载车板在链条牵动上升或者下降运行过程中不具备防止倾斜和坠落的功能。2、垂直循环式立体车库；3、水平循环式立体车库；4、多层循环式立体车库；5、平面移动式立体车库；6、堆垛式立体车库；7、垂直升降式立体车库(塔式机械立体立体车库)；8、简易升降式立体车库27 ； 机械立体车库主要由主体框架、载车板装置、传动装置、安全保护装置、电气控制等几部分组成5。不同形式的机械式立体车库由于运行原理差异，其主要区别在于主体框架、载车板装置、传动装置等，而安全保护装置、电气控制与运行原理关联不大，因此基本类似。图2-0为一个地上7车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：三层三个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。1 、2号车位可以直接存放车辆;7 号车位需下降后再存放车辆;3 号车位，则需先将1 号和2号载车板右移，再将3号载车板下降; 4 号车位，则需先将2 号载车板右移，再将4号存车板下降；5号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将5号载车板下降；6号车位则需要先将2、4号载车板右移，再将6号载车板降下。由于升降横移式停车设备对场地的适应性强，介绍系统各机械部分部件结构和功能 可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，应用非常广泛18，19 。图2-0 七车位升降横移式立体车库工作原理图2、立体车库机械部分部件结构和功能以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。升降横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。下面我们重点对车库的主要组成(图2-1所示)进行分析。图2-1升降横移式立体车库主要组成结构框架立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中我们选用钢架结构(如图2.0所示)。钢架结构与其它建筑结构相比，具有如下特点20：a.可靠性高钢材在生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定，性能可靠。钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体;钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好;钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高b.材料的强度高，钢结构自重小与混凝土等材料相比，虽然钢材的重力密度大，但它的强度和弹性模量较高，而且强度与重力密度之比也高得多。钢结构自重小，从而便于运输与安装，可减轻基础的负荷，降低地基和基础部分的造价。c.材料的塑性和韧性好21 钢材的塑性好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。d.钢结构制造简便，施工工期短钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元，再进行吊装。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性，故易于加固、改建和拆迁。e.钢结构密闭性好钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。f.钢材的耐锈蚀性差在没有腐蚀介质的一般环境中，普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料，锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中，所以对钢结构本身的维护费用低。结构主体采用热制H 型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。 上载车板及其提升系统每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。其工作原理如图2.0 ，电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。根据载车板及车重确定链条所需的传动力。根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。下载车板及其横移系统由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统，藏于载车板内。在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。安全装置上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。防碰撞板的作用是：下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。控制系统升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC 可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。对于本文中所列的7车位升降横移式立体停车设备，PLC 主要要控制二、三层五个升降电机的正反转和一、二层四个横移电机的正反转。此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。2.1.2 立体车库钢结构设计机械式立体车库的主体框架主要采用各种型材焊接加工成型作为承重结构。钢结构构件大多为轧制型材，可直接用来加工成结构物，且安装方便，可将工厂加工好的构件运到施工场地，在工地拼装8 本文研究的三层升降横移类机械式立体车库主体框架结构全部为钢结构组件。立柱与横梁都采用H型钢，传动系统采用无缝钢管与圆钢，钢板主要用于载车板及横梁、立柱的加强肋板。立柱通过膨胀螺栓与地面基础相连立柱与横梁之问通过高强度螺栓连接成整体结构。 车库主体框架承担着整个车库的自重和全部车辆载荷重量，其自身的重量、稳定性和可靠性对整个车库成本和安全性有着重要的影响。车库主体框架在加载条件下的变形直接影响到链传动系统能否正常运行。为了改善车库受力条件，合理地减轻车库自重，节省材科，本文将升降载车板的其中两个起吊点从纵梁上转移到车库的后立柱上，在后立柱的翼缘上焊接支架，用于安装传动系统。车库适用的最大车型外形尺寸决定了停车车位的有效空间以及车库框架的尺寸。本立体车库所适用的车型的外形尺寸：汽车长车宽车高为500018501550mm，另外还要考虑到安装安全检测设备(即检删汽车长度是否超出停车库设计要求的检测器)和横移栽车板的电机安装位置，因此，本立体车库前后立柱中心的距离定为5450mm，纵粱长度也为5450mm；为方便人进出和安全必须保证第层停车的空问不低于1800mm所以前立柱的高度为2100mm，后立柱在前立柱的高度E增加前横粱、纵粱以及后横梁等的高度，所以选取后立柱的高度尺寸为2840mm：一个车位的宽为2400mm，后横粱的长度为考虑安装方便取2380mm，前横梁的长度为：24003+150：=7350mm。 经过初步计算，钢架立柱采用宽翼缘型150150的热轧H型钢。安装承载链条传动系统的纵梁受力较复杂，采用宽翼缘型200X150的热轧H型钢；前横梁跨越三个车位，长度较长且承载三辆车的载荷，所以选用宽翼缘型300150的热轧H型钢：至于后横梁则选用宽巽缘型125125的热轧H型钢910立柱与横粱之间通过高强度螺栓连接成框架。另外，本文所设计立体车库已经过国家验收并投入运行，运行状况良好。 在升降横移式立体车库中其主要结构是钢结构，有两部分：主体框架部分和载车板部分。主体框架部分的钢结构比较复杂，运用了“H”型钢、角钢、槽钢等数种型钢形式，就其连接形式而言比较单一，即焊接和螺栓连接两种形式。载车板部分的钢结构比较简单，其框架部分为数段矩形方钢对焊而成，其它辅助结构则以角焊代之。焊接和螺栓连接是车库钢结构部分的两种主要的连接方式，其连接方式的质量优劣将直接影响车库整体结构性能的优良与否，所以在车库的设计和建造中具有很重要的位置。立体车库在连接过程中主要运用对焊、角焊和螺栓连接。 焊缝连接要求11 1.焊缝金属宜于基本金属相适应，当不同强度的钢材连接时，可采用与低强 度钢材相适应的焊接材料。2.在设计中，不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝， 同时，焊缝的布置应尽可能对称于构件的重心。3.对接焊缝的坡口形式，应根据板厚和施工条件按现行标准手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸和埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸的要求选用。 4.在对接焊缝的拼接处，当焊接的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向，从一侧或两侧做成坡度不大于1/4的斜角，当厚度不同时，焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度选定基本形式与尺寸。 5.当采用不焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其有效厚度不得小于，t为坡口所在焊件的较大厚度。在承受动力载荷的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。6.角焊缝两焊脚边的夹角a一般为90度(直角角焊缝)。夹角a120度或a6mm时，。圆孔或槽孔内的焊缝焊角尺寸不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。 （3）角焊缝的两焊角尺寸一般为相等，当焊件的厚度相差较大，且焊脚尺寸不能符合上列要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边以及与较厚焊件接触的焊脚边应分别符合上列要求 （4）侧面脚焊缝或正面脚焊缝的计算长度不得小于和4mm。 （5）侧面脚焊缝的计算长度不宜大于60h(承受静力荷载或间接承受动力载荷时)或40h(承受动力载荷时);当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。 8.在直接承受动力载荷的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形。焊脚尺寸的比例：对正面脚焊缝宜为1：1.5(长边顺应力方向);对侧面脚焊缝应为1：1。 9.在次要构件或次要焊件连接中，可采用断续焊接。断续焊接之间的净距，不应大于巧t(对受压焊件)或30t(对受拉构件)，t为较薄焊件厚度。 10.当角焊缝的端部在构件转角处作长度为的绕脚焊时，转角处必须连续施焊。 二、螺栓连接要求在立体车库的钢结构中，主立柱与横移导轨“H”型钢的连接是整体结构中的主连接，高强度螺栓连接则是主连接中常用的连接形式。高强度螺栓连接按其受力的性能可分为：摩擦型和承压型。摩擦型高强度螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接完全依靠被连接的构件间的摩擦阻力来传力，完全不靠孔壁承压和栓杆受剪。摩擦阻力的大小决定于作用在构件摩擦面上的压力(螺栓的预紧力)，同时也与被连接构件的材料及表面处理情况有关。施工时不得在摩擦面上误涂丹红、油漆、淋雨、受潮等。承压型高强度螺栓连接靠孔壁承压和栓杆受剪，与普通的螺栓相似，其连接多为螺纹连接和绞制孔用螺栓连接。对于同时承受剪力和螺栓杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓，应符合下式要求： (2-1)其中 式中，每个承受型高强度螺栓所受的剪力和拉力； 每个承压型高强度螺栓的受剪、受拉、承压承载力设计值。立体车库钢结构受力主要包括：钢结构本身自重，结构架上各停车位的车辆及载车板重力，提升系统起制动所产生的惯性力，驱动装置的重力，顶部梁架受滑轮组、轿箱和配重的重力，整体结构所受的风力、地震载荷以及结构由于外界环境温度变化而引起的温度应力等，它们均以集中或分布方式作用12。由于该立体车库为三层三列式，属于低层钢结构建筑。因此，我们对该车库模型进行受力分析时作如下假设：1、车库单独建立，不与其它建筑物相连接，属于最常见状况;2、不计由于结构阴面与阳面温差引起的热应力;3、整体结构无初始变形和缺陷;4、在静态环境里，地震载荷与风载荷作用忽略不计。三、立体车库钢结构分析校核在车库钢结构设计中，包括轴心受力构件、梁、拉弯和压弯构件的设计。进行轴心受力构件设计时，轴心受拉构件应满足强度和刚度要求，轴心受压构件除应满足强度、刚度要求外，还应满足整体稳定和局部稳定要求。在梁的设计中，梁的刚度和强度对截面设计起控制作用，因此应先进行这二者的计算。由于车库系统对于系统的安全要求特别高，所以还应对其整体稳定进行计算，此外，梁的接点处均应采取构造措施，以防止其端截面发生扭转。在进行梁的截面设计时，考虑强度，腹板宜既高又薄，考虑整体稳定，翼缘宜既宽又薄，所以在荷载作用下，受压翼缘与腹板有可能发生波形屈曲，即梁发生局部失稳。发生局部失稳后，梁的部分区域退出工作，将使梁的有效截面积减小，强度承载力和整体稳定性降低，这时可以采取增大板厚度或设置加强肋等措施。对于压变构件，需要进行强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性计算。对于拉弯构件，一般只需要进行强度和刚度计算。在对立体车库钢结构骨架的分析中，我们先从单根梁的受力进行分析，适当简化力学模型，在正确分析各梁的约束和受力的基础上，先对各梁和立柱的刚度和强度进行分析，找出系统薄弱处所在，然后在整体分析之中给予特别关注13。图2-2立体车库简化模型立体车库钢结构骨架由立柱、横梁、纵梁和支承动力及附属装置的上、下支承梁等组成，其立柱通过螺栓与基础相连，其余钢梁靠焊接或者螺栓相互连接。立柱主要承受压力和其他因素造成的扭矩，即压应力和部分剪应力；前后两个面的纵梁主要承受拉伸和弯矩造成的拉应力和弯曲应力;侧面的横梁承受较小的拉应力和剪应力。为了减小振动和提高稳定性，各部分都必须保证足够的强度和刚度。机械传动系统安装在钢结构骨架上，由传动部件和张紧装置组成。停车托架与传动链条相连，驱动装置和机械传动系统驱动托架循环运行，实现车辆的存取和停放。设计时采用Q235碳素钢，其屈服极限为235Mpa，抗拉强度为375-500Mpa。整体车库钢结构许用位移为10mm。本车库所限车型为小型车和中型车，最大容车重为2000kg，载车板重约700kg，所以每个车位所承受的最大重量为2000+700=2700kg，在每个载车板上模拟汽车前后车轮位置，按照额定载荷6：4的比例均匀放置集中载荷。1、支撑柱受力分析22 钢结构的支撑住是由H型钢制成，前面有两根立柱均匀分布，后面有两根立柱，均匀分布。由于每一个立柱承受的力都是均布载荷，所以可以简化为一个集中载荷附加一个弯矩。在各种受力的工况中，立柱均为受力杆，在竖直方向上，车库骨架承受的力作用到地基，不足以引起立柱的压溃变形，所以可以暂时忽略不计，主要分析在两个弯矩作用下立柱的最大偏移位移量。立柱的弯矩与由作用的均布载荷决定，因此支撑住的最大偏移发生在最大受力状态下，即为车库满载时。前立柱为三根，后立柱为三根，当车库空载时， (2-2)每一根前立柱所受载荷总大于后立柱所受载荷，因此我们重点分析前支撑住受力情况。图2-3所示为前立柱的力学结构简图。图 2-3前支撑住的力学分析图 己知A点为全约束，施加在B点的弯矩，施加在C点的弯矩，且根据下列公式进行分析挠曲方程为： (2-3)端截面转角：，最大挠度：， (2-4) (2-5)所以，由梁的迭加原理得出立柱顶端D端为最大挠度点 (2-6)2、立柱稳定性校核前立柱为等截面立柱，受压静力，前立柱受力状态简化如图2.3所示。两中心压杆的稳定条件为：nw其中：临界载荷P工作载荷n安全系数许用安全系数图 2-4 立柱受垂直力简图（1）立柱的截面力学特性查简明材料力学附录A型钢表可得HW 300X300型H型钢面积： 惯性矩：惯性半径：（2）确定压杆柔度 (2-7)其中：压杆全长为l=500cm压杆长度系数u=2，见机械手册l，1-153页表1-1-104求压杆柔度范围值： (2-8)其中：弹性模量比例极限 求压杆柔度范围值其中：屈服极限常数查机械手册1，l-1-07， (2-9) ，则前立柱属于细长杆，应按欧拉公式计算临界载荷。（3）强度校核设立柱空载时受载车板和上层钢结构载荷满载时前立柱承受最大载荷则立柱的工作载荷由欧拉公式得临界载荷 (2-10)由机械手册1，1-152页表1-1-100查得，金属结构中的压杆安全系数，取n，=3。代入得 (2-11)前立柱的稳定安全系数，由上式可知安全。若按插减系数法计算： (2-13)其中A受力面积P工作载荷安全系数许用安全系数一中心压杆折减系数，安全裕度较大。3、导轨支撑梁强度校核前后导轨支撑梁均为两点点支撑，承受作用力相同，故我们分析前导轨支撑梁，如果前导轨支撑梁在允许范围之内，则后导轨梁也必然符合设计要求。如图2.5所示，简支梁AB为两点支撑，受均布载荷的作用，两端全约束，且同样为均布载荷。图 2-5导轨支撑梁受力分析简图我们先来分析一下图2.5中的梁的受力。已知A、B两点全约束均布载荷为：挠曲方程为：最大挠度为： (2-14) 计算得：面积梁所承受的弯矩为 (2-15) 则导轨支撑梁所承受的最大弯矩为最大应力为 (2-16)根据材料力学“失效、安全系数和强度”理论，由于钢结构选用材料为Q235，屈服强度为235MPa，取安全系数下n=2，所以许用应力。可得，由强度理论可知：导轨支撑梁稳定。4、三层横梁强度校核 三层横梁可以简化为固定梁，受力状态如图2.6所示。横梁两端固定，A、B两点产生相应的支反力和。图 2-6三层横梁受力简图及弯矩图所承受的主要是拉压受力，所以我们只对其正应力进行分析。梁所承受的弯矩为：最大弯矩为： (2-17)其中代入得：最大正应力为： (2-18) 其中为抗弯截面系数，根据机械设计手册可以得知由此可得则由弯曲强度理论可知：三层横梁稳定。2.2 立体车库升降横移机构设计2.2.1 横移机构设计立体车库横移传动机构由减速电机、驱动轮和从动轮、地面铺设导轨组成。升降横移机构则为升降传动机构与横移传动机构的结合。升降横移式立体车库底层与中间层载车板为横移机构，上层载车板为升降机构。升降装置由传动系统、升降架等组成。1、横移方案选择其中提升方式分为下列六种，可根据不同要求任意选用。（1）钢丝绳式提升型式（2）链条式提升型式（3）液压式提升型式（4）螺杆式提升型式（5）液压缸、钢丝绳组合提升型式（6）链条、钢丝绳组合提升型式在立体车库设计中，各种提升方式特点如下：（1）采用链传动：优点是传动简单可靠，维修简单，造价低廉;缺点是冲击比较大，有提升高度的限制，安装调试时需要注意是否有咬链的情况出现。（2）采用钢丝绳传动：优点是对车库底盘可以提升的高度可以不加限制，造价比较低;缺点是因为需要外加钢丝绳桶和刹车盘增加了安装调试的时间和造价。（3）采用液压传动：优点是可以真正实现无级调速，结构紧凑，功率与重量比高、响应速度快、抗干扰能力强、误差小精度高、低速平稳性好、调速范围宽、介质自身可起冷却润滑作用、安全防爆等优点;同时也具有元件昂贵、成本高、密封技术要求高、油液易污染、能源传输不便等缺点。综上所述，本车库为三层，从提升高度上选链传动或钢丝绳传动都可以，但从方案经济及可行性角度考虑，选择链传动更为有利;在横移运动中，采用异步电机驱动，通过链驱动，也能达到精确、稳定地传动。图 2-7 载车板横移原理图2、横移载车板动力系统计算运动原理如图2.7载车板横移原理图所示，减速电机通过联轴节直接驱动载车板行走轮转动，实现载车板横移运动。（1)主要参数的确定横移运动行程 s = 2400mm横移运动时间 t = 205横移速度F，主要由设备运行周期，周围环境的安全性，载车运行时的平稳性等因素确定。 (2-19)行走轮直径：由结构尺寸及轮压等因素决定，行走轮直径确定为80mm。横移载车板自重 载车板额定载荷 （2)功率计算电机输出轴转速n计算： (2-20)其中：横移速度V=120mm/s行走轮直径D=80mm驱动力矩M计算：由机械手册1册表1-1-7、1-1-9、1-1-10查得：行走轮与钢导数的静摩擦系数：=0.15行走轮与钢导数的滚动摩擦系数：=0.05滚动轴承的摩擦系数：=0.0015正压力：则：起动驱动力矩： 行走驱动力矩： (2-21) 电机功率计算：由于结构紧凑，容纳电机的空间狭小，选择台湾明椿电气的减速电机，其参数如下：输出扭矩：输出转速：功率：载车板的额定载荷是承载的最高上限，实际使用概率很小，通常可以泊车的车辆的重量都在1000kgf-1600kgf之间这是由车型所决定的，所以功率不需留余量，选择0.2KW的电机比较经济电机允许短时超载，静摩擦引起的大起动阻力矩不会造成电机损坏。2.2.2 载车板设计立体车库的载车板按结构形式有整体式和拼装式两种。整体式载车板采用具有防滑作用的花纹钢板整体冲压焊接而成，另外用不同厚度普通钢板做加强筋，然后整体镀锌防锈。拼装式载车板使用普通铜板折弯成边梁，停车面使用的是立体车库专用的波浪板，泼波浪板采用镀锌钢板冲压或滚压成型，采用相互咬合拼装成载车板，用螺栓紧固连接，拼装前先对组件进行各类表面处理(如电镀、烤漆等)，使载车板轻巧、美观，拼装式载车板运输方便、通用性互换性好，还有理想的刚度，这种结构形式非常适合批量生产。本文所设计的立体车库采用拼装式载车板，升降载车板和横移载车板的主体结构由边粱、波浪板及连接横梁组成。边粱采用3.5mm厚的钢板弯成截面形状通过若干条槽钢制成的连接粱与方钢制成的阻车杆用螺栓连接成图所示的框架，在框架上铺上波浪板组成拼装式载车板，车辆停放在波浪板上。 图 2-8载车板框架及截面 波浪板由专门厂家生产，厚度可以根据立体车库设计使用要求而定，波浪板的外形不同的载车板使用不同规格的波浪板拼装。波浪板搭接在左右对称的两根边粱上长80删的悬臂上，通过螺栓固定在边梁上，波浪板彼此之问同样通过螺栓连接成整体， 升降载车板由链条牵引升降，链条属于柔性体，升降载车板与停在载车板上的车辆在升降过程中会产生前后、左右的摆动，这对停放的车辆会造成危害，所以在升降载车上设计了升降导向块，导向块安装在升降载车板的后侧，导向块能前后左右调整，调整到合适位置通过螺栓拧紧固定在升降载车板上。导向块在载车扳升降过程中沿着后立柱H型钢的翼缘滑行，可以限制升降载车板升降过程中前后左右摆动。横移载车板同框架、主传动系统没有直接关联，其横移运动通过安装在横移载车板边梁上的横移电机实现。横移电机的转动通过链轮链条传递到横移传动轴，从而带动横移主轴上的两个滚轮滚动，实现横移载车板的横移运动。2.2.3 安全防护机构由于汽车具有高价值性，所以立体车库的安全性非常重要，所以车库应设计多道安全防护措施以加强车库运行的安全性。虽然车库链条承载的安全系数很大，但车库还设计图2-9所示的安全防坠落装置来预防链条断链或者载车板倾斜只是车连坠落的后果。安全防坠落装置采用挂钩形式，驱动方式有电磁铁驱动和机械驱动。本文采用电磁铁驱动。图 2-9防止坠落装置1.载车板边梁 2.防坠落吊环 3.电磁铁驱动安全吊钩 4.连接杆 5.自制安全吊钩 在载车板上升到正确停车高度时，安全吊钩处于如图2一9所示状态。载车板升降时，电磁铁通电，推动图29中3电磁驱动安全吊钩向左转动，同时通过连接杆4带动自制吊钩向左转动，从而实现吊钩与载车板的分离，载车板在链条牵引下自由升降。本车库通过连接杆连接4，自制一个安全吊钩，省去一个电磁铁驱动安全吊钩一个车位节省两个电磁铁驱动安全吊钩。除了安全防坠落装置外，车库还配备防火装置、运行故障急停系统、安全护栏、防止超限运行装置、人车误入检测装置、缓冲器装置。另外所选用的立体车库专用电机在突然断电时，电机减速器有自锁保护功能并处于锁紧状态，使车库传动系统立即停止运行。板的防坠落装置是立体车库中的一个关键部件，在泊车安全方面起着决定性的作用。防坠落装置中解锁动作由电磁铁完成。解锁动作要求，当电磁铁通电时以推杆触动安全钩解锁;当电磁铁断电时推杆自动缩回。2.2.4 提升机构及轴的设计23 本文中立体车库的升降部分和横移部分均采用链传动输入动力。链传动由主动轮、从动轮和绕在链轮上的链条组成。链传动的特点：能保证准确的平均传动比；传动效率高，可达到0.950.98；作用在轴上的压力较小；能在高温、油污等恶劣环境工作。广泛应用于矿山、农业和石油机械中。轴在升降传动系统和横移传动系统中都是特别重要的，它不但影响着传动的好坏还影响着车辆的安全，在轴的设计中，按照常规设计方法，先进行初算轴，然后进行轴的结构设计，确定轴径后，再对轴的强度进行校核。根据实际情况确定危险截面，求出该截面的弯曲应力和扭转应力。 (2-22)（循环特征为对称循环，脉动循环）再考虑应力集中等方面的因素，按交变应力状态的疲劳强度的公式进行该截面安全系数的校核计算， (2-23) (2-24) (2-25) 其中：对称循环应力时的疲劳极限和扭转疲劳极限 正应力有效应力集中系数和剪应力有效应力集中系数 表面质量系数 尺寸系数 s许用安全系数值 通过校核就可以确定轴的直径。1、横移传动空轴校核25横移电机型号为CLPK22040303，输出的最大扭矩为6.594kgf.M6.594kgf.M=65.94NM链传动最大传动效率为0.98 (2-26)空心轴的抗扭截面系数为 (2-27)轴的最大切应力为 (2-28)故轴满足强度要求。 提升传动空轴校核载车板自重 载车板额定载荷 为安全和稳定起见选用横移电机型号台湾明椿MLPK55370603，功率3.7KW，输出的最大扭矩为151.582kgf.m151.582kgf.m=1515.82Nm链传动最大传动效率为0.98钢管型号为60x6空心轴的抗扭截面系数为轴的最大切应力为 (2-29)故轴满足强度要求。 2、横移转轴的校核图2-10 轴受力示意图上面章节已求得起动驱动力矩即最大阻力距：电机最大输出力矩：电机功率为0.2KW轴采用45#钢制造可得 (2-30)轴上最小直径为24mm，可知 虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确定的，所以截面I，II，B均无需校核。因此，只需要校核截面A。根据机械设计课本P373，表15-4可得 (2-31) (2-32) 横移载车框架自重 载车板额定载荷 (2-33)据机械设计课本表15-1可知45号钢许用弯曲应力：。因此，故安全。3、载车板提升链校核24 本提升装置采用链条传动型式的传动机构来提升，如机构示意图2.11所示，载车板的两个端面各有2个链轮，也各有2根定长的链条绕在链轮上，初始位置载车板水平，当提升电机带动载车板向上提升时，由于链条是定长的，所以不管是上升还是下降，载车板始终保持水平。整个传动机构分析，载车板在链条的约束下，提升过程中不会出现摆动的现象，使整个提升过程非常平稳，对于升降横移式立体车库，在选择链条时，按照低速链处理(v0.6m/s)，而不是按高速链的方法来选择，由链条的静强度来确定链条节距。 (2-34)得 所选择的链条必须满足： S：安全系数（取S=7）； k：链条工况系数（取k=1.3）P：提升电机功率 z：链轮的齿数n：链轮的转速 p：所选链轮的节距根据上式很容易确定所需要的链条。主要参数确定：载板升降速度： 行程： S=1850mm (2-34)链条受力分析：平衡链承重约为提升载荷的1/4，上升时提升链承载是提升载荷的1/2。载车板自重 载车板额定载荷 所以，平衡链拉力： 提升链拉力： 机械手册3，13-82页表13-2-1。12 根据链条的拉力选择适用链条单排滚子链20A、节距P=31.75，极限拉伸载荷，是实际提升拉力的6.42倍，链条是提升系统中最重要的部分，对车库设备的安全起着绝对重要的作用。所以要有足够的裕量。 选择板式链LH1244，节约P=19. 05，极限拉伸载荷是平衡链拉力的14.8位。裕量很大，除了链条拉力必须满足使用安全的要求外，还要满足结构要求，所以选择LH1244板式链。滚子链强度计算： 提升链运动速度，属于低速链传动。由于载荷较大，静强度占主要地位，按静强度计算比用疲劳强度计算要经济。链条静强度式中：链条极限拉伸载荷 有限圆周力 设计功率：机械手册2，13-84页表13-2-3查得，链条传递功率 (2-36) (2-37) (2-38) 因而链条静强度，故非常安全3 立体车库电气控制系统设计3.1 电气控制系统整体设计 整个车库设计由一台PLC对车库进行统一的管理和监控，通过PLC控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作。各车位内车辆的调入调出由PLC根据当前各车位的车辆存放情况，按照相应的调度策略调度车辆进出。 立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。强电系统包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位。车库采用车位检测装置代替人工找位，用升降装置输送汽车到位。系统在面板处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，断掉所有电机的电源，使载车盘无法继续运行，以保护人员及设备的安全。系统输出控制信号包括控制电机运行方向信号，控制电机运行信号，控制电磁铁得、失电信号，控制灯光报警信号，控制车库照明信号。升降横移式立体车库是一种比较典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息技术于一体。其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了车库的控制系统。升降横移式立体车库的控制系统是整个车库系统的重要组成部分，也是车库系统的核心。执行机构是“四肢”，框架是“躯体”，那么控制系统就是“大脑”。它指挥着车库的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者(人)要通过控制系统信息交流的平台(界面)把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库现场的运作。由于PLC的可靠性、抗干扰能力强。国内外现有的升降横移式立体车库，它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制，特别是应用在智能化要求程度高、多车尾、大容量的现代化升降横移式立体车库中。PLC的可靠性、抗干扰能力强。图3-1 PLC的硬件系统结构框图14 在升降横移式立体车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转;其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。一般小型车库选用按钮操作，界面清楚，易于操作，但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，因本系统只有开关量输入而无模拟量输入，凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求，因此可不必再另外增加其它抗干扰措施。检测点与控制点15： 1.检测点分布(1) 载车板上汽车停放到位否检测采用光电开关在底层进行扫描检测。光电开关的接收器和发射器分别安装在底层左右两边，在载车板前后位置均进行检测，当有车辆停放不到位时，车就把光电关光源挡住，此时系统不能动作，只有车辆停放到位后，系统才能正常工作。(2) 载车板上有无车检测在每个载车板上的一条对角线上安放一套光电开关， 用于检测载车板上有无车。(3) 载车板平移运动是否到位检测只有下层载车板有平移运动，在每个车位上分别安装一只限位开关， 检测载车板平移运动是否到位。载车板升降是否到位检测只有上层载车板有升降运动，在每个载车板垂直运动的轨道上，在低层和上层分别安装一只限位开关，用于检测载车板下降和上升是否到位。(4) 上层载车板吊钩是否挂好检测控制吊钩动作的电磁铁上有一反馈信号，可用于指示吊钩是否已把载车板挂好。2.控制点分布(1)一层载车板左右平移控制 一层载车板只有两个，每个载车板只有左右移动两个动作，采用带自动抱闸的三相交流电机控制。(2)二层载车板升降横移运动控制 二层载车板有两个，每个载车板有横移、升降四个动作，采自动抱闸的三相交流电机控制。 (3)三层载车板升降运动控制 三层载车板有三个，每个载车板只有升降两个动作，采用带自动抱闸的三相交流电机控制。 (4)吊钩动作控制 只有二、三层的载车板使用吊钩，每个载车板用2 套吊钩，吊钩用电磁铁控制根据依据需要控制的电机、电磁铁和检测点等条件。3.2 电气系统关键部分设计PLC接线设计：在升降横移式立体停车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转，其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，其简化接线图见图3-2。图3-2 简化PLC接线图16 电机控制及接线设计：在存取车时车位的升降不能同时进行，车位的升降和横移也不能同时进行，这两个动作必须是互锁的，即当上层车位在升降时，地面层车位不能移动，反之亦然，并且上层车位每次只能有一个车位进行上下升降运动。这些在程序中可采用联锁和互锁的方法来解决。3.3 电气安全装置、有断电、缺相、断相和相序保护26：在主电源发生缺相，设备发生断相、反相时，保护器动作切断设备主电源。、延时保护：当车停不进设备时，设备将自动停止任何操作。试进入（设定）三次自动停