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升降横移式立体车库结构设计 与有限元分析 摘要 随着我国国民经济的快速发展，汽车越来越多地进入普通家庭，使得 我国城市停车难问题日益加剧。机械式立体车库占地少、布局灵活、高效 节能，成为目前解决停车难问题的重要方式之一，其中以升降横移式立体 车库应用最为广泛。 本文结合实际工程项目，对两层升降横移式立体车库进行结构设计， 给出工程项目施工的全部技术资料。立体车库的结构设计包括车库主体框 架、传动系统、载车板以及安全防坠落装置。首先，根据车库施工现场场 地限制与车库设计要求确定车库主体框架和载车板的结构形式与总体尺 寸；设计主传动系统、横移传动机构和安全防坠落装置的结构，并对主传 动轴进行设计和强度校核。 其次，采用有限元技术对车库主体框架钢结构进行不同工况条件下的 静力分析、稳定性分析及模态分析，求解车库主体框架钢结构在不同工况 条件下的应力场分布、变形位移规律以及车库的固有频率，为车库梁柱结 构设计提供理论依据。 最后，本文所设计的立体车库采用拼装式载车板，鉴于目前对拼装式 载车板研究较少的现状，本文对拼装式载车板进行有限元结构分析，获得 拼装式载车板的应力场分布及变形位移规律，为拼装式载车板的结构设计 和改进提供参考依据。 关键词：立体车库升降横移式结构设计有限元分析 s t r u c t u a ld e s i g na n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s0 fl i f t - s l i d i n gt y p e st e r e 0g a r a g e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m yi no u rc o u n t r y , m o r ea n d m o r eh o u s e h o l dp a s s e n g e rv e h i c l e sa r ee n t e r i n gt h ec o m m o nf a m i l i e s ，w h i c h a g g r a v a t et h ep a r k i n gp r o b l e m s m e c h a n i c a ls t e r e og a r a g eh a sm a n ya d v a n t a g e s ， f o re x a m p l e ，h i g hs p a c eu t i l i z a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n i tb e c o m e st h ef i r s t c h o i c ef o rs o l v i n gt h ep r o b l e m so fh a r dp a r k i n g e s p e c i a l l y , l i f t s l i d i n gt y p e s t e r e og a r a g ei st h em o s tw i d e l yu s e d c o m b i n e dw i t hs p e c i f i ce n g i n e e r i n g ，t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ：f i r s t l y , s t r u c t u r ed e s i g no ft h et w o - l a y e rl i f t - s l i d i n gt y p es t e r e og a r a g e w a sf i n i s h e d t h es t r u c t u r e si n c l u d et h em a i nf r a m e w o r ko ft h e g a r a g e ， t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，l o a d i n gp a l l e t ，p r e v e n t i n gd o w n f a l lb r a k i n gd e v i c ee t c i n a c c o r d a n c ew i t ht h eg a r a g e sa c t u a ls i t ec o n s t r a i n t sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h e s t r u c t u r e sf o r ma n dt h es i z eo fm a i nf r a m e w o r kw e r ed e t e r m i n e d t h em a i n t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds l i d i n gt r a n s m i s s i o n ss t r u c t u r e so fg a r a g e w e r e d e t e r m i n e da n dt h et r a n s m i s s i o nc h a i n sw e r ec h o s e n a tt h es a m et i m e ，t h em a i n s h a f t ，l o a d i n gp a l l e ta n dp r e v e n t i n gd o w n f a l lb r a k i n gd e v i c ew e r ed e s i g n e da n d d o i n gs t r e n g t hc h e c ki nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h i sp a p e ru s e dt h ef i n i t ee l e m e n t t e c h n o l o g yt oa n a l y z et h eg a r a g e sm a i nf r a m e w o r k ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i n c l u d e df r a m e w o r ks t a t i cs t r e n g t hi nd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s ，t h e f r a m e w o r ks t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n dm o d a la n a l y s i s u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， f r a m e w o r k s s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n t l o a d i n gc o n d i t i o n s ，d i s p l a c e m e n t d e f o r m a t i o na n dt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yw e r eo b t a i n e d t h es t r u c t u r eo f b e a m c o l u m nb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sw a si m p r o v e d s t e r e og a r a g e su s e da s s e m b l i n gt y p el o a d i n gp a l l e ti nt h i sa r t i c l e t h e r ea r e f e wr e s e a r c ho na s s e m b l i n gt y p el o a d i n gp a l l e t ，s oa s s e m b l i n gt y p el o a d i n g p a l l e t sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc o m p l e t e da n di t ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o n w e r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r , w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c ea n db a s i sf o ra s s e m b l i n g t y p el o a d i n gp a l l e t ss t r u c t u r ed e s i g na n di m p r o v e m e n t k e yw o r d s s t e r e og a r a g e ；l i f t s l i d i n gt y p e ；s t r u c t u r ed e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) i i i 主要符号表 意义 截面积 汽车轮间距 薄板弹性矩阵 弹性模量 摩擦力 集中力 切变模量 汽车轴间距 传动比 对原点极惯性矩 对y 轴惯性矩 对z 轴惯性矩。 整体刚度矩阵 前起吊点与前横梁的距离 弯矩 转速 单元形函数 功率 节距 电机功率 分布载荷 屈曲载荷 起重机跨度s 计算安全系数 v i i 单位或量纲 m m 2 m p a n n p a i l l m m 4 m m 4 m m 4 m n m r p m k w m r n k w n m ：n i t i 2 n i t l 碍彳 房 f ， 尸 口 j 与 五 肜 力 彤 尸 p 尼 g 口 s 扭矩 速度 挠度 齿数 应变 角位移 摩擦系数 剪切应力 直径 节点位移矩阵 转换矩阵 单元势能 节点位移矩阵 许用安全系数 许用应力 许用剪切应力 n m m s 。l n l m m p a n l m j m p a m p a ， y 驴 7 f 扩 r 矽 酽 酽 陶 口 r 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者虢翰够 学位论文使用授权说明 6 月驾日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 讲| 时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作：轮钵新繇 6 月以f i ， 广西大掌硕士学位论文 升p 争横移式立体车库结构设计与有f 艮元分析 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 1 1 1 论文研究的背景 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2 0 0 8 年统计， 我国生产汽车9 3 4 5 万辆，同比增长5 2 ，我国国内汽车销量为9 3 8 0 5 万辆，同比增长 6 7 。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3 0 0 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【1 1 【2 1 。 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。 机械式立体车库具有空间利用率高，节省城市土地资源；造价低、施工期短；出入 库时间短、管理、使用简便快捷、安全可靠：节能和保护环境等优点【7 1 。同时机械式立 体车库还可以充分发挥占地少，化整为零，模块组合等的优势，在住宅区的每个组、单 元或每栋楼下都可以随机建立立体车库，实现停车数量大幅增多的目的，这对眼下车库 短缺的小区或者商用写字楼等解决停车难问题提供了解决办法。因此，机械式立体车库 具有广阔的应用前景。 1 1 2 本文研究意义 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；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8 3 ，其所占比 升降横移式立体车库结音白设计与有p 艮元分析 例随着机械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 机械式立体车库 1 2 1 机械式立体车库及其组成 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【3 1 。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【4 1 。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。 1 2 2 机械式立体车库分类 机械式停车立体车库的类别按其工作原理分类如下【5 】【6 】： 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：采用垂直方向做循环运动来存取车辆的机械式立体车库。 垂直循环式立体车库占地面积小，土地面积利用率高，但设备结构复杂，相对比较故障 率高，实用性差。 3 、水平循环式立体车库：采用水平循环运动来存取车辆的机械式立体车库。水平 循环式立体车库可以省去进出车道，充分利用狭长地形的地方建车库，降低通风装置的 费用，若多层重叠可为大型停车场，但车库只有一个出入e l ，存取车时间较长，实用性 些 z 【0 4 、多层循环式立体车库：通过使载车板作上下循环运动来实现车辆多层循环式停 2 广西大学硕士学位论文升p 每横移式立体车库结构 殳计与有p 艮元分析 车的机械式立体车库。 5 、平面移动式立体车库：在同一层上采用搬运装置或者利用载车板自身的平面移 动等来实现车辆的存取停放的机械式立体车库。如果使用搬运装置和升降装置配合可以 实现多层平面移动。 6 、堆垛式立体车库：采用以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，并用存取机构存取车辆的机械式立体车库。 7 、垂直升降式立体车库( 塔式机械立体立体车库) ：通过提升机的升降和装在提升 机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆的机械式立体车库。 8 、简易升降式立体车库：通过升降机构或俯仰机构，将车辆存入或取出的机械式 立体车库称为简易升降类机械式立体车库。简易升降式立体车库有上、下二层或二层以 上等多种形式，其的优点为：结构简单、操作容易；不足之处为：整体结构设计和受力 结构不尽合理。 1 3 机械式立体车库国内外发展与现状 机械式立体车库经过几十年的发展，已由初期的半自动化控制方式发展到全自动化 的控制方式；机械结构也发展到了模块化设计，便于组合、拆卸；使用材料和工艺也都 有了突飞猛进的发展。如今，立体车库在西欧、东南亚、韩国、日本都得到了广泛的应 用，形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体烈1 7 】。 1 3 1 国外研究现状 机械式立体车库在国外经济发达国家和地区如日本、德国、韩国都已有数十年的发 展历史。尤其是日本，由于土地资源缺乏，人口密度高，其机械式立体车库发展起步早、 种类齐全、技术水平及开发经验丰富，现已经发展成有数十个品种的大家族，它可以根 据现场条件和使用者的要求选用机型，己经是比较成熟的产品。日本在停车场( 库) 的 技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于领先地位，所建成的立体停车场的数 量和其容车量也居于世界前列【1 8 1 。日本的优势主要在多层升降横移类、垂直升降类、水 平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。 在1 9 2 0 年，美国建成世界上第一座机械升降汽车库，但需要由司机自己开车来完 成车辆的存取；6 0 年代后期，随着汽车工业的迅猛发展，城市汽车拥有量猛增，占地 广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构 殳计与有p 艮元分析 面积小的机械式立体车库得到了迅速发展。到今天，根据美国停车协会的统计，美国停 车产业的年产值达2 0 0 多亿美元，并且不断有新的科技产品应用于停车场中，促使美国 的停车产业不断快速发展【1 9 】【2 0 1 。 在欧洲，德国和意大利等国家对停车设备的开发和生产也比较早，较好的立体车库 公司有：s o t e f i n 、i n t e r p a r k ，德国的p a l i s 等】。由于欧洲国家土地资源比较富余， 停车问题不很突出，停车设备应用量不是很大，应用较好的多数为巷道堆垛式和多层升 降横移式产品。 韩国机械停车设备技术属于日本技术的派生，韩国的停车产业从2 0 世纪7 0 年代中 期开始起步，8 0 年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，9 0 年代开始为供应 使用阶段，韩国各种机械停车设备近几年增长速度都在3 0 左右【1 6 1 。 1 3 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，第一个阶段为2 0 世纪8 0 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9 0 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2 0 0 3 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9 0 左右，有的品种填补了国内空白，产品国产化率到5 0 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2 1 j 【22 i 。 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，也有使用钢结构的高等分析方 法分析立体车库结构和对立体车库钢结构进行可靠性分析f 3 们。就我国目前的发展状况来 4 广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有p 良兀分析 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【6 】【7 】【l4 1 。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。 1 4 本文研究内容 本文研究内容来源于实际工程项目，完成工程项目所要求的升降横移式立体车库的 结构设计，对立体车库主体框架钢结构进行系统地理论分析，并进行相关结构的有限元 分析，获得车库结果设计的参考依据，具体研究内容如下： 1 、对两层升降横移式立体车库的主体框架、传动装置、升降载车板、横移载车板 以及安全防坠落装置等结构设计，给出工程项目的完整设计资料。 2 、建立立体车库钢结构的有限元模型，对立体车库钢结构进行系统理论分析。使 用有限元技术对车库主体框架结构进行静力分析，以获得车库主体框架结构在不同载荷 工况下的变形位移与应力分布规律。 3 、对车库主体框架进行稳定性分析和模态分析，分别确定车库主体框架在加工、 安装等初始缺陷下的极限承载能力和获得车库结构的固有频率，避免车库的共振破坏并 为后续车库的动力学分析奠定基础。 4 、对拼装式载车板进行有限元结构分析，获取拼装式载车板的应力及变形规律， 为拼装式载车板的结构设计及改进提供参考依据。 广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有f 艮元分析 第二章升降横移式立体车库结构设计 2 1 升降横移式立体车库结构 升降横移式立体车库采用模块化设计，车位数从几个到上百个均可采用，能利用多 种场地条件，运用多种组合方式，有效利用场地现有空间，也能广泛使用于地下停车场 及地面停车场的改造。升降横移式立体车库主要应用在住宅社区的公用停车场、机关单 位、商用写字楼、宾馆饭店的地上、地下停车场。所以本文结合实际工程项目需要，选 择升降横移式立体车库为研究对象。 2 1 1 升降横移式立体车库结构形式 升降横移式立体车库主框架由根据同的结构形式可以分为三种形式：l 、单柱形式； 2 、跨梁形式；3 、后悬臂形式。图2 1 为升降横移式立体车库主框架的三种典型形式【4 1 。 单柱形式 跨梁形式 后悬形式 图2 - 1 升降横移式立体车库典型形式 f i g 2 1t y p i c a lf o r mo fl i f t s l i d i n gt y p es t e r e op a r k i n gg a r a g e 单柱型式结构紧凑，安装、搬运方便，给驾驶员一种导正的作用，若装有平衡装置 在升降过程中有全程平衡保护，但对于车辆入库不方便。跨梁形式对进出车辆较方便， 结构较简单，便于驾驶员驾车进入车库。后悬臂形式无前柱，对汽车进出载车板较方便， 但因主框架在后侧，稳定性较差，且一般不能做重列式【5 】。根据前述对升降横移式立体 车库的典型形式分析，本文研究的立体车库选用跨梁形式升降横移式立体车库。 6 广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有p 鼠元分析 2 1 2 升降横移式立体车库运行原理 图2 - 2 是升降横移类立体车库的运行原理图。上层车位的载车板( 升降载车板) 作 升降动作，车辆出入时升降载车板下降至地面层，驾驶员进入车库内将汽车开进或开出 车库。地面层车位的载车板( 横移载车板) 仅做横移动作，不必升降，所以每组必须空 出一个横移车位用于上层车位下降时使用。 图2 - 2 升降横移式立体车库运行图 f i g 2 2r u n i n gs k e t c ho fl i f t s l i d i n gt y p es t e r e op a r k i n gg a r a g e 2 1 3 设计目标的基本参数及主要技术性能指标 停车尺寸：5 0 0 0 1 8 5 0 1 5 5 0单位：m m 载车板规格：4 7 2 0 x 2 3 6 0 单位 m m 停车规格：车长车宽车高5 0 0 0 1 8 5 0 1 5 5 0 ；单位：m i l l 停车最大重量：1 7 0 0k g 提升时间：2 6 秒 横移速度：1 6 秒 2 1 4 整体结构设计的内容及要求 车库主体框架钢结构由前、后立柱，前、后横梁，纵梁等组成。传动系统安装在主 体框架的纵梁与后立柱上，包含传动的链条链轮以及链条张紧装置。载车板与传动链条 相连，提升电机和传动系统驱动升降载车板上下升降，横移电机驱动横移载车板左右移 动，实现车辆的停放和存取。车库主体框架支撑着动力电机、传动系统和车辆载荷，为 保证车库安全、可靠地工作，车库主体框架必须具有足够的强度和刚度。 升降横移式立体车库的结构设计主要包括：主体框架、载车板装置、传动系统及安 7 ； 全防护装置等 2 2 车库主体结构设计 221 车库主体框架设计 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。 本文研究的两层升降横移类机械式立体车库主体框架结构全部为铜结构组件。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 接成整体结构如图2 3 所示。 1 、 圈2 - 3 升降横移式立体车库整体结构圉 f i 9 2 3 i n t e g r a t e dc o n s t r u c t i o n o f l i t = t - s l i d i n g t y p es t e r e o p a r k i n g g a r a g e 1 后横粱2 传动系统3 纵梁4 前横梁5 正柱6 戴丰板7 控制系统 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( 见图3 - 1 4 ) ，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咀及车库框架的尺寸。本 立体车库所适用的车型的外形尺寸：汽车长车宽车高为5 0 0 0 1 8 5 0 1 5 5 0 m m ，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，凼此，本立体车库前后立柱中心的距离定为5 4 5 0 m m ，纵粱 长度也为5 4 5 0 m m ；为方便人进出和安全必须保证第层停车的空问不低于1 8 0 0 r a m 所 以前立柱的高度为2 1 0 0 m m ，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2 8 4 0 m m ：一个车位的宽为2 4 0 0 m r a ，后横粱的长度 为考虑安装方便取2 3 8 0 m m ，前横梁的长度为：2 4 0 0 3 + 1 5 0 ：7 3 5 0 n m l 。 经过胡步计算，钢架立柱采用宽翼缘型1 5 0 1 j o 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2 0 0 x 1 5 0 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3 0 0 1 5 0 的热轧h 型钢：至于 后横梁则选用宽巽缘型1 2 5 1 2 5 的热轧h 型钢m i 。立柱与横粱之间通过高强度螺栓 连接成框架，其具体的工程圈见附录二。另外，本文所设计立体车库已经过国家验收并 投八运行，运行状况良好，详见图2 - 4 。 圈2 4 本王所设计的王体车库 f i g2 4s t e r e o g a r a g e i n t h i sp a p e r 2 22 主体框架关键联接部位螺栓设计计算 纵梁与后立柱的螺栓联结为整个车库中最危险且最关键的联结部位。对载荷进行 简化，而根据文献 9 式( 52 4 ) 关于螺栓组的计算如下： 孥( 2 - 1 ) j z z 式中：r螺栓预紧力； 广西大学硕士掌位论文升降和r 移式立体车库结构设圣- p 与有f 艮元分析 蜓防滑系数，取1 2 ； b 实际总载荷，按照文献 3 2 及车库极限载荷取1 4 4 k n ； ，接合面摩擦系数，取0 4 ； j 接合面数，取l ； z 螺栓数目，取4 ； 将数据代入式( 2 - 1 ) 得： f o 盟：1 2 x 1 4 4 k n = 1 0 8 k n 历0 4 4 l 故取最小预紧力尼为1 0 8 k n 。根据文献 9 式( 5 - 1 9 ) 螺栓强度校核公式见式( 2 - 2 ) ： 口。= 券洲 ( 2 _ 2 ) 式中：。计算应力； e 螺栓预紧力； t 螺栓直径，取1 6 m m ： 【盯】许用应力，采用高强度螺栓，取1 2 5 m p a 。 将数据代入式( 2 2 ) 计算结果如下： 口。：= 三星2 罂：6 9 8 m p a 仃】：1 2 5 m p a ( ， = 一= i ，r l =n 爿 。3 1 4 x 1 6 2 l n r l l 2 一。 r 。 故螺栓连接满足要求。 2 3 传动系统设计 机械式立体车库常采用的传动牵引系统有钢丝传动系统，链条传动系统，液压传动 系统等。钢丝绳牵引的整体稳定性不好，传动速度越大，稳定性就愈差。而液压传动的 液压油受温度的影响较大，冬夏的压力和流量相差甚远，提升速度和重量的过大变化会 使得液压传动的立体车库性能不稳定。所以，机械式立体车库目前大多数采用链传动为 提升和横移系统，其优点是可以保证准确的传动比，传动结构紧凑，运行平稳，本文选 用链条传动作为车库的传动系统。 l o f - 西大掌硕士掌位论文 升降横移式立体车库结构设计与有限元分析 2 3 i 提升电机的选择 根据车库使用者要求，本文设计的升降横移式立体车库提升时间不超过2 6 秒，设 计取提升时间为2 2 秒，提升载车板与横移载车板之间的净空垂直距离不得少于1 8 m ， 即提升的位移为1 8 m ，所以可以计算出提升速度v 约为0 0 8 m s 。 预估载车板重量约为0 5 吨重，停车重量取1 7 吨重，合计提升电机需提升的总重 约为2 2 吨，即2 2 1 0 4 n 。 故电机提升功率p 按式2 3 计算。 尸= g v = 2 2 1 0 4 x 0 0 8 m s = 1 7 6 k w( 2 - 3 ) 根据各立体车库专用电机的型号，选用台湾的东力电机股份有限公司的立体车库专 用电机p l 4 0 2 2 0 0 - 4 0 型号电机为主传动系统的提升电机。该电机的输出功率为2 2 k w ， 输出扭矩为5 3 k g m ，输出转速为3 7 5 r p m 。在润滑良好状况下，各传动构件之间的摩擦 小，车库传动系统为低速传动，电机每天运行的时间很短，仅在车辆入库或者出库时启 动，所选用电机具有一定过载能力，故所选电机能够满足要求。 2 3 2 提升链条链轮的选择及计算 图2 - 5 为升降横移式立体车库的升降传动( 主传动系统) 工作原理图。图中1 为安 装在提升电机轴上的传动链轮，链轮2 、3 焊接在同一传动轴上，链轮4 、7 分安装在车 库的后立柱与纵梁上，用作载车板提升链条的支撑链轮。提升电机运转时，通过链轮l 、 链条和链轮2 带动主传动轴转动，主传动轴带动焊接在轴上的链轮3 转动，链轮3 带动 链条运动，从而实现载车板升降。链轮4 、7 仅在升降过程中起支撑点的作用。 图2 5升降横移式立体车库传动系统图 f i g 2 5 s k e t c ho f l i f t - s l i d i n gt y p es t e r e op a r k i n gg a r a g e st r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 电机链轮2 主传动轴大链轮3 主传动轴小链轮4 后起吊链轮5 载车板 6 链条7 前起吊链轮 广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有p 艮元分析 链传动根据链速可分为：中高速链传动，链速v 0 6 m s ；低速链传动，链速v 2 3 2 5 参考表2 - 1 及兼顾提升链轮传动的空间尺寸，链轮4 、7 的齿数取1 3 齿。链轮3 从 成本及安装方便出发可取1 3 齿，在分析链轮3 的受力条件后，必需保证链条同时与链 轮啮合的齿数大于3 - 5 ，所以链轮3 齿数取1 5 齿，这样保证链轮3 有5 个齿与链条啮 合。 由提升链速可得出链轮4 、7 的转速为1 4 4 2 r p m ，整个立体车库的传动比产门詹新力 错，= 3 7 5 1 4 4 2 = 2 6 ，根据文献 8 推荐的链传动比为2 - - 3 5 。所以本文中的机械式立 体车库的传动比i 为2 6 符合要求。为保证链轮2 同样有5 个齿与链条啮合，电机轴上 的小链轮齿数取1 4 齿，根据传动比为2 6 确定链轮2 的齿数为4 2 齿，至此提升传动 系统确定。 2 3 2 横移电机的选择 根据设计要求，横移时间f 为约1 6 s ，横移的距离& 为2 4 m ，故横移的速度y 为： 1 ，= s l t = 2 4 1 6 = o 1 5 m s ( 2 7 ) 取横移载车板与停放车辆总重为2 2 吨，即2 2 1 0 4 n 重。横移轮与轨道之间为滚 动摩擦，参考文献 8 取横移轮与轨道之间的滚动摩擦系数t = 0 0 5 ，则横移载车板与 轨道之间的摩擦力，为： f = n xu = g = 2 2 x 1 0 4 nx 0 0 5 = l1 0 0 n( 2 8 ) 则横移电机的所需功率p 按式( 2 - 9 ) 计算： 尸= 厂v = 1 1 0 0 n x 0 1 5 r n s = 0 1 6 5 k w ( 2 9 ) 根据各立体车库专用电机的型号，选用台湾的东力电机股份有限公司的立体车库专 升降槽穆式立体车库塘 g 设计与有阳j c 分析 用电机p l 2 22 0 0 3 0d o s ，b 型号电机为横移电机，陔电机的输出功率为02 k w ，输出扭 矩为62 0 k g m ，输出转速为3 0 r p m 。所选用电机具有一定过载能力，故选用的具有计算 功率的电机足够满足要求。 233 横移链条链轮的选择及计算 由横移电机输出转速n 与电机功率丹，根据文献 9 图91 3 可选择传动链条为i o a ， 其节距p 为1 58 7 5 m m ，单排极限承载为2 18 k n 。 根据横移速度及横移车板滚轮的尺寸，选取横移传动齿轮的齿数分别为1 3 齿及i 6 齿。 234 主传动轴的设计计算 对于主传动轴，为节约成本采用无缝钢管，将传动的链轮焊接在无缝钢管上，设计 的结构如图2 - 6 ： 囤2 6 王传动轴结构刚 f i & 2 石s t r u c t u r eo f m a i ns h a f t 1 王传动轴小链轮2 主持动轴走链轮3 无蛙钢管 这样结构设计刘焊接的要求高，传动链轮焊接达不到要求会产生的不利情况有：1 、 焊接处强度达不到要求，导致在提升车辆时出现坠落，后果非常严重；2 、焊接工艺达 小到要求，不能保证链轮中心面与传动轴轴心的垂直度和同心度，导致传动时链轮摆动， 对电机及提升链条产生不利影响。 丰传动轴受力分析如图27 根据轴承尺寸及受力条件，选耻外往m 为6 0 哪的无缝 广西大掌硕士学位论文 升降横移式立体车库结j 勾设4 5 与有f 艮元分析 钢管，无缝钢管的厚度万根据文献 2 7 按式( 2 1 0 ) 粗选计算如下： ? 一 万l 公式中：艿无缝钢管壁厚， 2 单位i n l n ； d 无缝钢管外径，单位n l r r l ； 乙轴所受最大扭矩，见图2 7 ，单位n i i l l l l ； 【r 】许用切应力，取6 0 m p a 。 将相关参数数值代入式( 2 1 0 ) ，得： 万 i 6 0 x 1 0 j i i 3 1 4 x ( 6 0 x 1 0 j 1 3x 6 0 x 1 0 6 1 6 x 7 3 2 3 1 4 x ( 6 0 x 1 0 3 1 3 x 6 0 x 1 0 6 = 2 4 4 m m ( 2 - 1 0 ) 2 由受力图、弯矩图及扭矩图可以看出最危险截面为大链轮所在平面，参考无缝钢管 规格，初步校核后选取外径为6 0 r a m ，壁厚为5 m m 的无缝钢管，材料为4 5 钢，根据文 献 9 ，主传动轴强度校核按式( 2 - 1 1 ) 计算： 。= m e + ( a t ) 2 盯】 ( 2 一1 1 ) 公式中：轴的计算应力，单位m p a ； m 轴所受的弯矩，单位n i n r l l ； r 轴所受的扭矩，单位n i n l n ； 口折合系数，按照静应力算，取0 3 ； o - 】许用应力，取8 8 m p a ，即4 5 钢的极限弯曲应力3 5 5 4 = 8 8 m p a ； 形抗弯截面系数，单位r a i n 3 ，由文献 9 表1 5 4 可算出钢管的抗弯截 面系数w 见式( 2 1 2 ) ； 形= 3 ( 1 一4 ) = o 1 6 0 3 ( 1 一( 丽5 0 ) 4 ) = 1 11 8 8 咖3 ( 2 1 2 ) 将上述数据代入式( 2 一1 1 ) 得： ：( 9 4 0 x 1 0 3 n r n m ) 2 + ( 0 3 x 7 3 2 x 1 0 3 n m m ) 2 = 8 6 2 5 m p a 【盯】_ 8 8 m p a 。 m p a h 2 8 8 m p a 故主传动轴强度满足要求。 广西大孚硕士学位论文于t - 降横移式立体车库结构言殳计与百f 民元分析 验算大链轮焊缝焊接强度，若该处满足要求，则主传动轴上的其他焊接处也满足要 求。根据文献 1 0 中焊接强度t 形接头计算公式： f ：j 筹l r ( 2 - 1 3 ) 弘而酉万而s 公式中：r 焊缝的计算切应力，单位m p a ； r 轴的半径，单位m m ，无缝钢管r 为3 0 m m ； r 轴所受的扭矩，见图2 7 ，单位n m r n ； 口_ 一焊缝宽度，取5 m m ； p 】焊缝的许用切应力，单位m p a ，这里根据文献 1 0 取3 6 m p a ； 将上述数据代入式( 2 1 3 ) 得： f=考薹i最蓄黼=2363m4(30-i-30 p a t f ，= 3 6 m p a，一h 3 1x 5 ) 4 4 1 11