机械式两层升降横移立体车库设计

III / 37摘摘 要要本篇论文论述了作者在攻读工学学士期间所从事的毕业设计停车设备的设计过程。论文首先介绍了此项目的选题，以及确立此项目并进行设计的目的和意义。之后，系统地介绍了项目的设计过程。论文以设计工作的进展顺序为序，分章、节逐一论述了设计过程和生产制造过程。在设计过程部分，详细论述了设备总体结构设计、传动系统设计、控制系统设计和安全防护设计，其中对钢结构件的受力做了深入的理论分析、计算和实际检测。在生产制造过程部分，详细论述了设备关键零部件的工艺研究过程和试制过程。在试验检测过程部分，详细论述了钢结构框架的应力测试和设备安全运行检测，并提供了详细的检测数据报告。论文以专门章节作为重点，详细论述了本研究项目的技术创新点， 以及在设计和工艺方面的独创性。全文配以公式、图表和试验数据，正确和直观的阐述了研究项目的全部过程和成果。比较客观的反映出作者从事设计开发工作的能力和水平。关键词：关键词： 立体停车设备；结构设计；传动系统；控制系统；PLC 安全性 ABSTRACTThe purpose of this paper is to focus on an auto-parking system equipmentsdevelopment and deliverable which I studied during my master course.The analysis,study and development are all base upon the project of parking equipment.In this paper, my introduction is divided into four main parts, design procedure；manufacture procedure. In the design procedure section, I described equipments general construction design, drive system design, controlling system design and security protection design, and especially took a deep theoretical analysis, calculation and test on the force on steel structure members. In the manufacture procedure section, I described how equipment key parts craft to be studied and tested. In the experimental procedure section, the test reports are presented detailed for the stress of steel structure members and safety to run. In the end, I provided couple of cases to prove and illustrate how the project study deliverable can successfully be applied.Formulas, illustrations and experimental data of this paper correctly and directly describe how the project goes and how the deliverable to be produced, and well reflected the authors capability and technical performance 。KEYWORDS： solid parking equipment；construction design； hydraulics system,control system； PLC securitV / 37目目 录录摘要 . ABSTRC目录 .1 绪论 .11.1 立体停车设备概述.11.2 立体停车设备国内外研究现状.11.3 项目的来源及主要研究内容.31.3.1 产品的市场定位.31.3.2 产品的型式定位.42 立体停车设备设计开发过程.52.1 技术分析比较和方案确定.52.2 总体设计.52.2.1 机架结构部分.52.2.2 载车板部分.62.2.2.1 上载车板.62.2.2.2 下载车板.72.2.3 传动系统设计.72.2.3.1 升降传动系统.72.2.3.2 横移传动系统.82.2.3.3 传动钢丝绳系统.92.2.4 控制系统设计.92.2.5 操作系统.102.2.6 停电应急装置.112.3 PLC 控制 .112.3.1 设备运行工况.112.3.2 PLC 控制系统的构成 .122.3.3 程序设计.142.4 安全防护设计.163 立体停车设备设计计算.183.1 动力系统计算.183.1.1横移载车板动力系统计算.183.1.2 升降载车板的动力系统计算.193.1.3 结构强度计算.213.1.4 机架立柱稳定性计算.213.1.5 机架梁强度校核计算.244 停车设备制造工艺研究.264.1 机架制造工艺.264.2 载车板制造工艺.264.2.1 边梁的工艺改进.264.2.2 波纹板的试制.274.3 样品主要技术参数.275 结论与展望.285.1 总结.285.1.1 设备运行过程的优化控制.285.1.2 拼装式载车板.285.2 展望.29致 谢.31参考文献.321 / 371 绪论绪论1.1 立体停车设备概述立体停车设备概述使用车辆之外其它带有动力的搬运器，完成车辆停放、存储工作的整个设施，称为停车库，而停车库内用于搬运、停放汽车的设备，总称为停车设备。以立体化形式存放车辆的停车设备则叫做立体停车设备。它包含了当前机械、电子、液压、光学、磁控技术领域的成熟先进技术，是一种技术密集型的机电一体化设备。在中华人民共和国机械行业标准JB/T8713-19985：停车设备类别、型式与基本参数要目中，对停车设备进行了划分，其类别及代号如下：升降横移类，代号为SH，是指通过搬运器的垂直升降或水平横移进行移动，实现车辆存取功能的停车设备。垂直循环类，代号为CX；是指车辆搬运器在垂直平面内做连续循环移动，实现车辆存取功能的停车设备。水平循环类，代号为SX；是指车辆搬运器在水平平面内排列成2列或2列以上做连续循环列间转换移动，实现车辆存取功能的停车设备。多层循环类，代号为DX；是指车辆搬运器在垂直平面内排列成2层或2层以上做连续移动，两端有升降机构进行循环层间转换移动，实现车辆存取功能的停车设备。平面移动类，代号为PY；是指存车位与搬运器分布在同一水平面内，通过搬运器在水平面内做往复移动，实现车辆存取功能的停车设备。巷道堆垛类，代号为XD；是指存车位在巷道一边或两边多层分布，通过搬运器在专用巷道内做水平、升降或水平升降复合运行，或与升降搬运器结合，实现车辆存取功能的停车设备。垂直升降类，代号为CS；是指存车位分布在井道周围，通过升降搬运器在专用井道内做升降运行，实现车辆存取功能的停车设备。简易升降类，代号为JS：是指通过单一搬运器的升降、俯仰或二三层搬运器整体升降、俯仰，实现车辆二三层存取功能的停车设备。汽车升降机类代号为QS；是指搬运器运载车辆(或同时运载驾驶员)垂直升降运行进行多层平层对位，从搬运器到存车位需要驾驶员驾车入位，实现车辆存取功能的停车设备。从上面对停车设备的分类和定义可以看出，与以往的普通车库相比，停车设备可以在同样面积的土地上停放更多的车辆，大大的提高了土地面积利用率，同时具有存车时间短，可使用性强等优点，所以是解决城市停车面积不足，停车困难的有效措施。1.2 立体停车设备国内外研究现状立体停车设备国内外研究现状 我国自改革开放以来，房地产业和汽车工业两大支柱产业得到了高速发展，尤其随着我国城市建设速度的加快和人名生活水平的提高，轿车进入家庭已成为必然趋势。据国家统计局的统计，截止到 2005 年底，我国汽车保有量达到 3421.1615 万辆，比2004 年增加 479.4336 万辆，年增长率 14。其中私人轿车保有量达到 689 万辆，比2004 年增加 146.2441 万辆，年增长率 21.19。我国汽车工业的高速发展和汽车销售的高速增长，必然给城市交通（包括动态交通和静态交通）带来巨大的压力，各地政府虽花大力支持城市交通基础设施建设，但始终难以满足汽车快速增长的需要。最近十几年来，我国城市机动车增长速度年平均在 1015，而城市道路年平均增长速度只有 23。特别是大城市的机动车拥有量和交通的增长远远超过交通基础设施的增长速度。如北京市在 90 年代小汽车年平均增长速度达到 30左右，但城市道路年平均增长率只有 1.2，道路面积年增长率为 3.7。静态交通基础设施的建设更落后于动态交通设施基础建设，全国停车位缺口平均在 60以上。因此造成大量车辆停在道路内，形成马路停车场。随着汽车进入家庭的速度不断加快，对城市交通基础设施的压力越来越大。交通拥堵、停车难已成为国内很多城市发展严重制约因素，因此也引起了各级政府的重视。解决停车难的一个主要手段就是建设立体停车库。机械立体停车库是解决大都市内停车难问题的有效方法。土地资源紧张是大都市的现状，在亚洲各国大城市表现的尤为突出，所以机械式立体停车库在亚洲的应用比较广泛，目前统计结果表明，立体停车库市场大多在亚洲的日本、韩国、中国等地。亚洲 的停 车设备技术起源于日本，日本从20世纪60年代开始从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今已有四十多年的历史。目前在日本从事机械式停车库及其设备开发、制造的公司约有200多家，其中生产机械式停车设备的公司约100多家，比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。从90年代起日本每年投入运行的机械停车泊位都在10万以上。目前全日本己经投入使用的机械式停车位超过300万个，其中以升降横移式停车设备为主。对于日本，优势在多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。韩国机械停车设备技术是日本技术的派生。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年代开始进入使用阶段。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。在欧洲，德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产也比较早。较好的公司有：意大利Sotefin, Interpark,德国Palis等。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。多数为巷道堆垛式产品，多层升降横移式产品应用也很好。德国和意大利等欧洲国家的优势主要在巷道堆垛类产品上。3 / 37我国在20世纪80年代初开始研制和使用机械式停车设备。80年代是起步阶段，90年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，尤其是轿车进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，已经形成了新兴的停车设备行业，步入引进、开发、制造、使用相结合的初步发展阶段，现在从事停车设备制造的企业数约有100家，其中主机生产企业超过50家。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，许多设备采用了当前机械、电子、液压、光学、磁控和计算机等领域的先进技术，如采用交流变频调速系统，使运行高速、平稳、省电、减少振动和噪声；控制形式有按钮式、IC卡式、触摸屏式、密码钥匙式、遥控式等，有些设备还采用了总线控制技术；传动装置采用内藏式，以增大停车空间并保护各传动元件不受污染和腐蚀，提高了设备的耐久性；机械结构中采用了模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸，缩短施工周期；还采用一些新材料、新工艺，如采用“H”型钢做钢梁，组合的镀锌板或一体成型的镀锌板做载车板：安全保护方面采用了声光引导及定位装置，自动消防灭火系统等。目前品种的满足率已达90%左右，有的品种填补了国内空白，产品国产化率达到50%以上。目前，立体停车设备的研究工作在国内也得到逐步的重视，国内许多研究院所和高等院校都投入技术力量，对立体停车设备的各个方面.例如结构设计、控制系统、存取策略、可靠性分析、以及生产工艺等方面进行研究，取得了一系列的成果。与此同时，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。同时，从中央到地方，都颁布了一系列的法规条文，对停车行业的发展进行规划管理。从2004年起，国家质量监督检验检疫总局对停车设备生产企业进行许可证评审工作，规定在2005年3月31日前未取得生产许可证的企业，不得从事停车设备的生产工作。我国城市停车行业从80年代末起，经过十几年的发展，现在形成了一定的规模，但是还处于初始发展阶段，车库建设尚在起步阶段，在一些大城市中机械化车库仍然是空白。停车行业的发展仍存在着一些问题：第一，停车设备企业己经形成了一定的规模，但是发展不平衡，骨干的大中型企业在20家左右，其它的则是中小企业居多，技术力量薄弱，缺乏自主开发能力，靠引进国外技术图纸。第二，产品的种类增多了，但是质量、可靠性、安全性、耐久性均存在着较大的问题，产品的技术水平和质量难以保证。第三，停车行业的市场开始发育，但是竞争太残酷，目前总体能力过剩，价格偏低，有的产品已经降到行业平均成本价以下。停车设备行业的发展牵涉到停车立法、收费政策、城市规划、交通管理等诸多方面。目前我国有关城市停车的立法虽然已经起步，但尚未完善，城市停车规划、停车管理办法、停车收费政策大多数还处于酝酿之中，因此我国停车业的发展还需走一段艰难的历程。1.3 项目的来源及主要研究内容项目的来源及主要研究内容基于立体停车设备广阔的市场前景，结合学校给毕业生毕业设计内容的要求，决定设计简易两层的立体停车设备。1.3.1 产品的市场定位 随着城市建设的高速发展，城市的商业大厦、高级写字楼、办公楼和居民小区如雨后春笋般拔地而起。各大城市对城市建设的规模都提出在这些高楼大厦和住宅小区必须提供机动车停车场（库）的要求。而由于城市建筑用地的紧张和地价的居高不下，这些停车库自然由过去的平面形式转为立体形式和地下形式，以期在现有面积的条件下扩大停放车的数量。 针对这种情况，我将设计的立体停车设备定位在地下停车库的应用上。因为目前建设的大型高层建筑都建有一至三层的地下层，并通常用来停放车辆。利用立体停车设备来有效地提高车辆存放，是任何大楼物业主乐于接受。随着高楼大厦的不断建设和增多，这种需求会不断增长，提供良好的市场应用前景。1.3.2 产品的型式定位通常大型高层建筑的地下层的高度在 3.6 米左右，面积和布局因布局建筑本身而异，大小不同，变化比较复杂。并且，在立体停车设备的建设时，建筑的主体工程已完工，不允许对建筑结构进行大的改动和施工。这样就从不同方面对应用的立体停车设备形成了一定的限制。例如：层高限制了高层车库设备的应用；施工限制又排除了沉降地坑式停车设备的使用；还有建筑的供电和消防安全方面的要求，又限制了部分类型停车设备的应用。根据实施使用条件和种种应用限制，我对目前国内外市场的立体停车设备机械了分析比较，确定了我计划设计的立体停车设备的型式，具体定位为：两层升降横移式立体停车设备。 5 / 372 立体停车设备设计开发过程立体停车设备设计开发过程2.1 技术分析比较和方案确定技术分析比较和方案确定现有的立体停车设备有简易升降式和升降横移式两种。简易升降式由于结构简单，使用的方便性和运行的安全性较差，应用的不多。而升降横移类停车设备对场地的适应性较强，可根据不同的地形和空间进行任意组合、排列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，升降横移类停车设备应用十分普遍。从分析比较可以看出，不同结构的设备具有各自的性能特点和适用性。我确定设计目标需要尽量吸收他们的长处，从提高设备使用性能，满足应用要求出发，并综合考虑设备制造难度和制造成本。最终确定的开发方案是：-研究开发两层升降横移式立体停车设备；-采用电机驱动方式；-采用型钢结构框架和拼装式载车板；-采用手动、光机电和 PLC 组合控制。2.2 总体设计总体设计立体停车设备共有上、下两层；水平横向可以分为 29 跨，每跨是一个车位宽，这样可以变型为多种库型；每个车位均有载车板，下层车位水平横移运动，可以自由存取车辆。上层车位做垂直升降运动，结合下层车位的平移运动，形成上层车位的下降空位，实现上层车辆的存取动作。车库车位的升降运动和横移运动都是由电机驱动。各部分运动的控制是通过 PLC 实现。所有停车单元的控制系统都通过现场总线连接到总监控制室。在总监控制室，通过计算机屏幕可以监控所有设备的运行情况，并进行管理。设备总体划分成六大部分： a）机架结构部分； b) 载车板部分； c) 传动系统； d) 控制系统； e) 安全防护系统。2.2.1 机架结构部分机架结构部分 设备的机架由钢结构组成，是上、下载车板的支撑和导向。我设计的机架采用 H 型钢焊接成部件，用高强度螺栓连接构成一个牢固的框架。其外观简洁，刚度好，强度高，抗风、稳固、可靠，完全满足承载要求。7 / 37 考虑到使设备适应不同场地条件，进行任意的多种组合应用，所以机架结构部分采用模块设计，结构部件具有良好的通用性和互换型。 主体结构的前框架采用大跨距的跨梁式设计，给车辆出、入留出最大空间。主体结构后部，每个车位宽度上均设立柱。H 型钢的翼板作为上载车板的运动导向，在水平面的 X，Y 方向上限制载车板的摆动。 由于机架各部件的焊接结构的制造精度和装配精度均要求较高，并要求互换性好，为此，制造中必须采用一定的工艺手段来保证。构成机架的焊接件在焊接前需要进行较直。焊接时采用专用焊接夹具，以防止和减小焊接变形，提高工件的尺寸精度，并使其具有互换性。 机架是放置在自然环境中使用，因此其表面涂层十分重要，应具有防锈、防腐能力，并且要求色彩明亮，易识别。为此，焊后的钢结构机架，表面需要进行喷丸处理，消除焊接应力，清除焊接应力，清除焊剂焊渣，达到喷漆前的要求。所有结构件外表面喷涂四层专用防锈氧树脂漆。第一层采用富锌底漆，具有良好的防锈防蚀功能；第二层采用云铁中间漆，以增强漆膜间的附着力和漆膜弹性；最后两层为环氧树脂面漆，具有抗氧化、不褪色，漆膜厚，附着力强，耐冲击的优良性能。2.2.2 载车板部分载车板部分载车板分为上载车板和下载车板两种，工作时分别做不同的运动。上载车板工作时做垂直升降运动；下载车板工作时做水平横向运动。上、下载车板的主体结构相似，都是采用螺栓将左右两条纵向边梁以及前后两条横梁连接成矩形框架，上面铺设由相互咬合的波纹板构成的面板。载车板组装前，需要对其组件进行不同的表面处理，使载车板经久耐用。载车板是停车设备通用的组合构件，因此要求通用性、互换性好，并且结构工艺应满足批量生产和便于装配的需要。载车板实际使用中要承受运动、载荷和撞击，因此在其设计上采用了弹性体设计原理和预应力设计方法，保证其结构具有承载力大，泊车稳定，无加载噪声的特点。载车板的面板是由冷轧镀锌波纹钢板拼装而成，其表面平整无缝隙， 防锈防蚀不漏水，外形美观。面板在载车板上安装后，其横截面呈微拱形， 雨水或车辆漏油可沿拱形表面流入载车板边梁的水槽中，不会污染下层停放的车辆。面板组件上装有消除加载噪声的装置，车辆进入时，车辆的撞击和碾压不会发出金属摩擦的刺耳噪声。面板上设置了可调节的汽车定位机构，能使汽车在载车板上保持正确的停车位置，不会因外界环境影响，发生位移。2.2.2.1 上载车板上载车板上载车板是设备中的重要部件，关系到设备运行的安全性和稳定性。从设备运行安全角度考虑，我们在上载车板设置了双重挂钩装置：在其前部设置了挂钩保护装置，当提升钢丝绳条意外断开时起安全保护作用：在其后部设置了自锁型的防坠落挂钩装置，用于防止上层车辆长期存放时出现缓慢下落现象，起到安全保障作用。自锁型的防坠落挂钩装置的设计采用了机电结合连锁控制的方式。当上载车板上升到位时， 由机械结构自动锁住，限制上载车板的下降动作。当上载车板需要下降时，通过控制电磁铁打开机械闭锁机构，使上载车板顺利下行。锁紧机构是对称分布在上载车板的后部，两套机构必须同时动作。如果这一动作失误，上载车板不能顺利下降而产生倾斜，将造成摔车事故。所以防坠落装置的设计制造是关键性技术。另外，采用了双电磁铁控制，提供了操作的可靠性。根据使用要求，与电磁铁厂家合作设计制造了专用牵引电磁铁，其推杆可以自动复位，并具有大推力、大行程的特点。该电磁铁还具有自整流功能，通过整流将输入的220V交流电源转换为直流200V， 降低了元件工作时的噪声。我们在设计时将上载车板的前起吊点后置了1-1.s米，上载车板前吊点采用后置式设计，扩大了车位进、出口的宽度和转弯范围，最大限度地减少了泊车障碍，方便车辆进出，并且有效降低了对车库行车通道宽度的要求，提高了设备的适应性。上载车板安装后整体后倾0.3，使板面不会存留雨水，适于露天使用。2.2.2.2 下载车板下载车板下载车板做水平移动，给上载车板的下降让出空位。下载车板的水平移动是由电机通过联轴节和一根长传动轴驱动载车板下面的两个驱动轮来实现的。长传动轴的轴线要与电机的输入轴保持一定的同轴度，否则会降低电机的有效功率，出现运转不灵活甚至卡死现象。所以在设计时应对与安装传动件相关的基准面给出精度要求。为了简化加工，提高安装精度，同时采用了4个联轴节。安装时通过调整联轴节来消除加工和连接产生的误差，这样即可以满足运动要求，又可以降低加工精度。2.2.3 传动系统设计传动系统设计传动系统分为升降传动机构、横移传动机构。2.2.3.1 升降传动系统升降传动系统每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与钢丝绳传动组合的传动系统。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钢丝绳条所需的传动力。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,根据这个距离确定钢丝绳条的长度,最后根据传动力确定链轮大小,链节形状及大小。大多数停车设备车板的升降牵引基本采用三种模式之一：钢丝绳十滑轮式；套筒滚子链(片式关节链)+链轮式；起重专用环形链条+链轮式.经过分析比较。选中钢丝绳十滑轮式模式。优点：采用钢丝绳+滑轮式作为停车板的提升形式的优点是安装比较方便，不需要考虑链式安装过程中的链扭转或链缠绕。9 / 37钢丝绳 + 滑轮式对于滑轮出现倾斜现象的适应性强。从成本上考虑，钢丝绳+滑轮式成本最低。缺点：钢丝绳靠本身的表面细绳纹路和滑轮的间摩擦来确保车板提升和降落时的不打滑。但随着时间推移，纹路的磨损和导轮转动的不灵活将使滑动摩擦现象发生。钢丝绳的承载能力是比较差的。随着时间的推移，钢丝绳本身会发生拉长的现象，这样会导致车板的倾斜而产生一系列的安全问题。钢丝绳的使用寿命也是其缺陷之一，日本工业标准协会（ITS)规定车库类提升钢丝绳每5年应更换一次，这也给车库使用和维护带来了额外的负担。滑轮采用YHH滑轮，YHH滑轮属优质钢板成形的滑轮系列，是铸铁、炼钢等滑轮之更新换代产品。具有外观美、重量轻、刚度强、耐磨损等优点，能根据不同工况条件，确保滑轮的承载能力及使用寿命。滑轮最大承载80t，最长寿命10年，允许斜5，是船运、水利、建筑、起重等行业的理想配套产品。图2-1 上载车板升降原理图2.2.3.2 横移传动系统横移传动系统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。 图2-2 下载车板横移原理图2.2.3.3 传动钢丝绳系统传动钢丝绳系统传动钢丝绳系统包括：用于提升上载车板的两条提升绳。电机的运动输出通过提升钢丝绳传递到上载车板，实现上载车板的升降。在平衡绳的设计上， 日本的同类产品采用特制的钢丝绳。根据我国的绳条市场供应情况，我们在充分考虑保证使用安全性的前提下，采用了标准板链。根据标准板链的形状设计了防断链装置的压轮的形状，选择尼龙作为压轮材料，使防断链装置在板链上不产生振动，因而上载车板的运动变得平稳、无噪声。采用标准板绳的另一优点是降低了制造成本且易于订购。在提升钢丝绳的连接上，通过对设备实际工况的分析，采取了结构受力的优化设计。当设备在短时间内(1-5小时)工作时，上载车板的载荷由提升链承受，此状态下存取车辆动作平稳、无冲击；当设备停放较长时间(超过5小时)不工作时，上载车板的载荷转为由机架承受，减少了提升链的受力疲劳，使设备更加安全可靠。为降低钢丝绳与卷筒或滑轮间的摩擦磨损，应定期涂抹润滑剂保护。2.2.4 控制系统设计控制系统设计两层升降横移式停车设备存取车辆的过程是自动进行的。取车时，只要按动控制盘上与存放自己车辆的载车板号码相同的按钮，载车板就会自动运行并停止在出车位上。在设备入口处安装有一对光电开关，机架上装有警示灯和蜂鸣器。当车辆入库时，警示灯发出闪光， 同时蜂鸣器发出蜂鸣信号提醒过往行人及车辆注意安全。汽车入库时，如果车辆没有停到位或车身超长，警示灯和蜂鸣器会同时示警，提醒司机注意。在机架的两侧各装有一个红色急停开关。设备运行中，如果出现不安全因素，只要按下任意一侧的红色急停开关，整个设备就会立即停止运动。当故障排除后，释放急停开关，设备即可恢复正常运行。在电气控制方面，对电机设置了过载保护功能。当电机发生过载或过热时，安全保护开关自动跳起，避免电机长时间处在过载或过热状11 / 37态，从而保护了电机。车库的运行是采用先进的PLC控制，利用预先编好的程序，可以实现自动运行。并可以根据使用要求，方便地调整运行参数。1.中央控制单元：电控系统的中央控制器采用了法国施耐德公司生产的TSX-37系列PLC(可编程控制器)。此类PLC大量用于建筑机械、起重机械设备中，有着十分可靠的工作特性。同时这种PLC体积非常精小、运算速度极快、功能极易扩展，方便现场安装和设备的功能扩展，因此十分适合在立体车库中作为中央控制单元使用。2.检测单元：为了使立体车库在使用中更加安全、便捷，以及提供设备良好的可维护性，我选用了施耐德公司生产的光电开关、接近开关、限位开关等器件。当有车辆进入车库时，整个系统会通过安装在车库不同部位的检测装置对车辆的入库状态进行监控，并为驾驶员提供明确的提示，以保证车辆和人员的绝对安全。如果车辆进入不到位或不准确，系统会及时提示驾驶员并帮助驾驶员将车辆调整到理想的位置上。遇到车辆超长的情况，系统会不断发出警告。当用户取车离库时，系统的检测装置会时刻监控用户的位置。当系统检测到用户处在可能会发生危险的位置时，会立即停止动作并提示用户到安全位置进行下一步的操作。3.现场操作单元：在每组车库的一侧立柱上都设有用于操作车库的人机界面一控制盘。通过在控盘中选取对应车位，用户就可以方便快捷地将自己的车辆取走。4. 机电保护单元：由于立体停车设备采用双层结构，为保护上、下层车辆的安全，专门设计了机械自锁和电动解锁的保护装置，从而确保了车辆和人员的绝对安全。系统的动力电部分，依据电源功率等级采用了法国施耐德公司生产的漏电断路保护器，从而有效地进行过载、漏电、短路保护，保证电气电路的安全运行。通过使用施耐德电机保护器，电机运行平稳可靠，使库中的车辆在移动时万无一失，也可大大提高车库的使用寿命，降低维护成本。5.通讯单元：当停车场根据实际平面布局需要，形成多组车库设备单元并联时，为了实现统一、智能化控制，必须建立高效可靠的数据通讯网络。对这类系统，我们采用了时下最为可靠和高效的现场总线形式，构成通讯网络。采用施耐德MODBUS现场总线技术作为通讯协议。这种现场总线安全、高速，它被广泛的应用于各类工业生产现场。6.在线监控单元：有了MODBUS现场总线作为桥梁，我们可以在监控室里通过电脑对车库的工作情况进行在线监控。车辆的入库出库、报警信息、车库设备故障信息等，都可以从计算机屏幕上清楚地看到。通过监控室的计算机，可以对每日车库的工作状态进行历史纪录，进行科学的管理。2.2.5 操作系统操作系统操作系统有两种设置方式口一种是按钮方式。采用按钮操作，经久耐用，适用于公共车位的使用：另一种为磁卡方式。一车一卡，适用于密码控制的专用车位使用和楼宇管理。使用磁卡存取车辆，能够使操作设备的过程变得简单。存取车时，只需将磁卡插入读卡机中，用户的专用车位就会自动停在可以出入车辆的位置。磁卡可以具有多种功能，除了存储车位密码外，还可以用于存车收费、大楼管理的其它项目收费等。在控制程序中，我们设计了自动和手动两套操作方式，自动方式用于正常运行，手动方式用于调试检修和应急处理。2.2.6 停电应急装置停电应急装置车库设置了停电应急装置。平时将该装置接在总监控室的电路上，停电时将其切换到需要做紧急处理的电控柜相应接口上，车库的控制系统即可正常工作。配合机动型电机和手动开启电机抱闸装置，有两名工作人员即可很快解决停电时的取车问题。2.3 PLC 控制控制2.3.1 设备运行工况设备运行工况我们研制开发的二层升降平移式立体停车设备，其基本型为上下两层共5车位。在实际应用时，可根据场地大小将一套设备配置成比较经济的9至17车位。基本型的上层有3个可升降的载车板，下层有2个可横向移动的载车板，其工作流程如图2-4所示。 图2-3 工作流程图图2- 5所示为基本型5车位车库的某一工作状态，当用户选中1号上载车板存车时，1号上载车板应从二层下降到一层处于待车状态。在1号上载车板下降前，3号上升到二层，之后一层的4, 5号载车板会根据控制系统的指令由横移电机驱动自动右移，将1号13 / 37上载车板下部的位置空出。一层的4, 5号载车板右移到位后，行程开关发出到位信号，PLC控制系统给升降电机传动系统发出指令，升降电机传动传动系统运行，使1号载车板下降着陆。当1号载车板着陆到位后，下限行程开关发出到位信号，PLC控制系统指令升降电机传动系统停止运行。至此车位自动调配过程结束，此时用户可将车辆存入车库内。图2-4 工作状态图2.3.2 PLC 控制系统的构成控制系统的构成设备使用时涉及到人身和车辆的安全，而且使用的环境可能是室外露天，所以对设备的安全性和可靠性要求很高。为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。可编程控制器(PLC)是由工业微型计算机、输入/输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：1)可靠性高：由于可编程控制器的输入/输出端口均采用继电器或光电偶合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作；2)体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化；3)通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性；4)使用方便：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。基 于 可 编程控制器的上述优点能够适应和满足立体车库高性能的使用要求，所以我们确定该车库控制系统采用PLC.车库控制系统是由操作单元、控制单元、工作状态显示系统、报警系统和电液执行机构组成。系统硬件构成如图2-6所示。图2-5 系统硬件构成图该设备的操作控制系统分为手动操作运行系统和自动操作运行系统。手动操作运行系统是专用于车库设备的安装调试和使用中的故障处理；自动操作运行系统是设备正常工作时使用的，这两套系统能够互锁。在使用时，用户只需在操作面板上选择与载车板编号相同的按钮按下，该载车板便会自动运行并达到出入车的位置。控制单元是该系统的核心，控制系统由操作面板、PLC主机、现场传感器及执行机构组成，实现了PLC与现场设备的数据交换。本设备的PLC主机采用TSX-3710，可以控制64个开关量工/0点，提供14K的用户逻辑存储区，其扫描速度为3ms/Kb，很好地满足了使用要求。PLC用内部的半导体元件取代大量的有接点电器，仅需修改控制程序，就可方便的改变系统的控制方式。PLC读取输入模块采集的现场设备状态信息，经CPU进行数据处理，所得出的运算结果通过输出模块去控制现场相应的设备，从而实现车库的自动控制。这样一来有效地降低了设备故障率，简化了控制系统，因而提高了设备使用的安全性和可靠性。数字量T/O模块用于接受现场开关量信号，将其反馈至PLC；亦执行PLC的输出指令，直接驱动接触器线圈或声光设备。所采用的PL7M工CRO离线/在线支持软件具有很强的计算及智能化功能，有助于设计人员开发出高性能的控制系统，它具有继电器控制功能、四则运算功能和数据传输等功能。15 / 372.3.3 程序设计程序设计根据设备的运行控制要求，用户应用程序采用模块化结构，由手动模块、主控模块、优化判断模块、逻辑输入输出模块、故障处理模块等组成。在PL7M工CRO编程软件的支持下，以梯形图逻辑语言编写。为提高系统操作可靠性，避免误操作或人为造成的执行机构故障，该系统增加了视频监视系统。在监控室可以观察到所有设备运转情况，及时发现并处理紧急事故。系统应用的程序框图如图2-7所示。程序设计方案如下：1)初始化程序系统上电，然后对系统所有的电气设备、执行机构进行自检，使之各个控制点和设备返回到系统的初始位置。2)主控制程序在系统初始化完成后，系统进入主控模块。按照进车优先的原则，将最多的车位保持在进车位置。每个载车板运动之前，需要先判断目的地是否有空位，有空位才可以动作，前后动作互锁。判断是否有空位是根据横移电机所对应的到位行程开关动作信息来确定的。液压升降系统启、停动作也是根据相应的到位行程开关来确定。当多辆车同时存取时，要由优化控制模块进行判断，以完成动作最近的优先。3)故障报警程序故障报警程序能够实时地采集设备异常信息，及时发出声光报警信号，提醒司机和管理人员讲行处理。若在程序执行过程中，有人、物侵入车库空间或车辆超长，系统进入故障处理程序。PLC将按照闭锁关系停止设备运行，并切入手动处理程序，要求人工干预。该 程序 完整而高效的完成了二层升降平移式设备全部动作，具有安全可靠性。完全达到了作为民用机电一体化设备所应具备的条件，充分发挥了它的作用。采用PLC组成的立体车库控制系统具有较高的自动化程度，尤其是当串联车位较多时，可实现车位的自动调配，满足了车库设备的控制功能与使用性能的要求。图2-6 应用程序框图17 / 37我们对设备的调试运行结果表明：该控制系统实现了设计目标，功能完善，运行稳定可靠，性能价格比较好，非常适合于在多层多车位类型的车库设备中使用。2.4 车库车库的设计条件的设计条件2.4.1 对土建要求对土建要求1） 升降横移停车库要求地平粉光误差 5mm。2） 对楼板要求为活动载荷 8kpa 左右。3） 停车楼板面应采用强度大、易清洁的不燃材料并具有耐磨、耐水、耐油和防护的功能。2.4.2 对电气要求对电气要求1） 采用双路供电；2） 停车库设置事故照明和疏散指示标志。2.4.3 对消防要求对消防要求1） 升降横移类停车库应设置防火墙或防火隔墙进行分离；2） 设置自动喷水灭火系统火。2.4.4 对排水要求对排水要求为保证停车库内部及下部不积水，配置完善有效的排水设施。并设集水坑、地漏或其他方式，以保证底坑干燥。2.5 安全防护设计安全防护设计车库设备承载的是价值昂贵的汽车，为此设计时充分考虑了设备各种运行状态下的安全保障措施。1.停车位置保护：在机架的前立柱的适当位置上设置一对光电开关，实现泊车位置前端越界检测。在每个载车板上设置可调整的机械阻车装置，实现泊车位置后端越界检测。将光电开关的信号与声光电报警装置相连，当泊车时发生位置前端越界时，设备上的报警指示灯闪烁，蜂鸣器鸣叫，提示司机修正位置。2.车辆出入库保护：车辆出入车库设备时，需要发出警示，使其邻近的人员和行驶车辆避让，并且车辆出入车库时，设备不能运行。采用光电检测、声光报警装置，实现车辆出入库全程警示，同时锁住操作键盘，避免其他人员操作使用。3.车辆超长保护：泊车时，若误将超大型车辆停入设备中，会造成车辆和设备的损坏事故，所以设备必须能够识别误停的超大型车辆。采用光电检测、声光报警装置，实现车辆超长识别，并提示司机和车库管理人员使超长车辆离开，当超长车辆离开后，声光报警装置停止工作。4.车辆超重保护：车库设备应对超出额定载荷的车辆进行识别。产生超重车辆的原因一般有两个：大型车超重，适停车辆超重。通常来说，超重很难直观确定，管理者也不能检查客户汽车，采用电机系统做上载车板的提升驱动，可以利用电机过载自动卸荷功能，实现车辆超重时对车和设备的保护。5.防坠落装置：在上载车板上设置自锁型的防坠落挂钩装置，用于防止上载车板的坠落。选用上海麦迅科技有限公司FBZ-5 立体车库防坠落保护装置。其工作原理为：保护装置是由电磁铁、吊勾、支架、开关等另件组成。电磁铁自身带有整流装置及复位机构，当接通电源时电磁铁产生磁力，使衔铁吸合同时将吊勾推出保护区域微动开关接通发出信号，车板方能上下移动。当电磁铁断电衔铁自动复位，吊勾靠自身重量回到起始位置的同时微动开关断开，从而车板起到防坠落保护作用。6.运行安全保护：设备运行过程中，给每一个动作都设置相应的运动时间，当设备运行受阻或发生故障时，就不能在规定的时间内完成动作，在可编程控制器的程序里设置超时自动停机功能，并通过操作屏提示管理者处理故障。电机过载自动保护功能，也是设备运行的一种安全保护。7.电路安全保护：设置电机缺相、错项、过载保护，线路漏电、短路、欠压、过压保护，防触电接地保护。8.意外安全保护：设置紧急报警停机开关，用于设备运行过程中发生意外情况时，按下紧急停止按钮，使设备断电，原位停止，待车库管理员处理故障，清除故障后，由车库管理员用手动操作程序将设备复至零位，再转换成自动程序继续运行。19 / 373 立体停车设备设计计算立体停车设备设计计算3.1 动力系统计算动力系统计算动力系统分为两部分：载车板横移运动的动力系统和载车板升降运动的动力系统。两个系统分别采用电机和液压系统作为动力源。3.1.1 横移载车板动力系统计算横移载车板动力系统计算运动原理如图3-1机构运动简图所示，电机减速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轴承 2行走论 3-联轴器 4-传动轴 5-电机图3-1 下载车板机构运动简图1)主要参数的确定横移运动行程s=2400mm横移运动时间t= 20s横移速度V，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。 240020120STV （3.1）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120mm.横移载车板自重=550kgf=5500NW下载车板额定载荷=1800kgf=18000NW车2) 功率计算电机输出轴转速n计算：. 12022800.4728.7minVRDrnrs（3.2）其中：横移速度V = 120 mm/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 9行走轮与钢导数的静摩擦系数： 0.15u静行走轮与钢导数的滚动摩擦系数： 10.05u 滚动轴承的摩擦系数： 20.0015u 正压力： 23000PWWN下车则 ：起动驱动力矩： (3.3)23000 0.04 0.15138MPRUNM起行走驱动力矩： (3.4)12()23000 0.04 (0.050.0015)47.38MPR uuNM1382.9147.38MM起电机功率计算： 9549NMn47.38 28.70.13995499549nMNKW138 28.70.4195499549M nN起起倍0.412.880.142NN起由于结构紧凑，容纳电机的空间狭小，选择日本住友的电机减速机，其参数如下：输出扭矩：250.7TNM输出转速：234.9minnr功率 ： N =0 .4 kW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0.2k W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。修正载车板的运动参数：载车板实际运行速度： (3.5)80 34.98767146VDnmm s实踏载车板实际横移时间： (3.6)240016.5146stsv21 / 373.1.2 升降载车板的动力系统计算升降载车板的动力系统计算工作原理如图3-2所示，载车板两侧用平衡钢丝绳绷紧并形成导向轨道，后端采用两条提升绳通过一个定滑轮转向，由轴推动一个卷筒实现载车板的升降运动，提升绳采用钢丝绳。图3-2 升降原理图1) 主要参数确定载车板升降速度：上升时间 ：20ts上下降时间 ： 2530ts下行程 ：1900Smm 92.5sVmm st上上185020185074612530sVmm st下下钢丝绳受力分析：平衡绳承重约为提升载荷的1/4，上升时提升绳承载是提升载荷的1/2。 升降载车板自重=7000NW上升降载车板额定载荷=18000NW车：.平衡绳拉力：1(7000 18000)62504P平上车1（WW）=4提升绳拉力： 1(7000 18000)125002P平上车1（WW）=2油缸推力 ： P=25000N2) 绳长及其强度计算根据绳的拉力选择绳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。选用江苏省泰州市正申工索具有限公司产品。其有足够的裕量。绳强度计算：提升绳运动速度0.6m/s，属于低速绳传动。由于载荷较大，静强度占主要地V上位，按静强度计算比用疲劳强度计算要经济。绳静强度 (3.7) QnnF式中：绳极限拉伸载荷Q=86700N有效圆周力 (3.8)1000tpdFV设计功率： (3.9)APdK P机械手册2,5 13-84页表13-2-3查得，=1.2AK绳传递功率 (3.10) 3331025000 92.5 10102.31(.)PVKW N M S绳升上P (3.11)310001000 2.7720.0392.5 10tpdFNV因而绳静强度非常安全 (3.12)6867002.89 1080.03QnnF提升电机选用乐清市弘基电机，其参数如下：功率 ： N =2 .2 kW提升减速机选用广州祺强CD-B型减速机。3.1.3 结构强度计算结构强度计算升降横移式停车设备的钢结构部分主要由两根前立柱、四根后立柱、两个横梁、四条纵梁用螺栓连接构成。机架结构尺寸及型钢尺寸，按功能要求及结构要求已选定，下面对主要部件进行校核计算。3.1.4 机架立柱稳定性计算机架立柱稳定性计算立柱是设备重量的重要承受件，为此进行稳定性校核。立柱亦属等截面立柱，受压静力，立柱受力状态简化如图3-3所示。为中心压杆，其稳定条件为：(= 3) (3.14)cWPnnPwn23 / 37图3-3 后立柱受力简图 图3-4 后立柱Y-Y截面1)立柱的截面特性立柱截面尺寸如图3-4面积A=BH+bh =1.8x12.5+10.7x0.65=29.4552cm其中：B=1.8cm,H=12.5cm,b=10.7cm,h=0.65cm；惯性矩 (3.15)33334()( )1.8 12.510.7 0.652931212yB Hb hIcm其中：B=1.8cm,H=12.5cm,b=10.7cm,h=0.65cm；惯性半径 (3.16)2933.1529.455yyIicmA2)计算压杆柔度压杆柔度 (3.17)max2 2001273.15uli其中：压杆全长1=200cm；由机械手册1,91-154页表1-1-104查得：u=2,=2.467；惯性半径=3.15miniyi求压杆柔度范围值：1 (3.18)512206 1096220 10pE其中：弹性模量E=206；210N cm比例极限=220；p2210 N cm求压杆柔度范围值2 261.6sab其中：屈服极限=235x ；s2210 N cm常数查机械手册1,9 1-156页表1-1-107, a=30400 N/cm2； b=112 N/cm2；比较127,立柱属于大柔度压杆，按欧拉公式计算临界载荷。13)计算临界载荷临界载荷（） (3.19)5min22206 102932.467372257200cEIplN其中 ：立柱的工作载荷=37000N；p前压杆全长1=200cm；惯性矩I= 293；minI4cm弹性模量E=206；5210 N cm由机械手册1,91-154页表1-1-104查得：=2.467；工作安全系数： (3.20)37225710,(3)37000cwwpnnnp由机械手册1，91-152页表1-1-100查得，金属结构中的压杆安全系数，取=3。1.8 3wn wn满足受力稳定性条件，结构安全。3.1.5 机架梁强度校核计算机架梁强度校核计算梁可以简化为固定梁，受力状态如图3-5所示。梁的反力分别作用在B、C点。BR25 / 37图3-5前横梁受力简图 图3-6梁X-X截面1)梁截面特性计算梁截面尺寸见图3-6.面积：A =BH一 (3.21)2125 250 118.5 2323758bhmm惯性矩： (3.22)333374125 250118.5 2323.94 101212xBHbhImm抗弯截面模数： (3.23)333353125 250118.5 2323.16 1066 250 xBHbhWmmH2)最大变曲力矩 (3.24)226max11506.63 24009.25 10.7200PaMN mmp其中：作用力P=11506.63NBR梁长度1=7200mm梁AB, BC, CD段长度24003lamm系数：240010.3372003aal3)最大挠度： (3.25)22max3711506.63 24007200(34 )(34 0.33)0.132424 206 105.12 10Pa lfammEI 4)弯曲应力： (3.26)62maxmax59.205 1029.13.16 10 xMN mmW5) 许用应力许用弯曲应力 取w11.2 w1.2 前梁的材料为Q235，拉伸许用应力为2235 117.522ssN mmn许用弯曲应力21.2 1.2 117.5141wN mm 满足要求。22max29.1141wN mmN mm27 / 374 停车设备制造工艺研究停车设备制造工艺研究设计开发的升降横移式停车设备，由于其结构上的特点和独创性，使之在制造工艺方面也需要进行相关的研究和试制，以实现产品设计和使用的要求。4.1 机架制造工艺机架制造工艺升降横移型立体停车设备的机架是由钢结构件组成，主要由型钢和钢板焊接加工而成，其上要组合一些安装其它部件或机构的基础连接件。而且整体机架还会根据车库布局需要，作为模块化的基础件进行组合。因此，要求机架整体的尺寸、形状精度较好，同时具有较好的互换性。根据机架的结构特点和使用要求，分析了钢结构件的制造工艺性，充分考虑到其制造过程可能产生的变形和预期达到的尺寸和形状精度。由于结构件是由型钢(槽钢、角钢)和钢板件焊接组成，所以焊接形式、部位以及焊缝的型式、尺寸会直接影响到成型后结构件的尺寸和形状。因此，拟定了焊接工艺方案，主要解决的问题是控制焊接过程的变形。为此，在焊接工艺上采取了两项措施：1)在满足连接强度的条件下，尽量