基于MATLAB的升降式立体车库的研究与结构优化设计

11绪论1.1机械式立体车库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，称为机械停车库，而机械停车库内用于搬运、停放汽车的机械设备，总称为机械停车设备。以立体化形式存放车辆的机械式停车库则叫做机械式立体停车库。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。汽车升降机类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。立体车库分为九大类，具体是：升降横移类、简易升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和汽车专用升降机。从上面对机械式停车设备的分类和定义可以看出，与以往的普通车库相比，机械式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国内外机械式停车设备发展概况随着汽车工业的发展和汽车保有量的不断上升，在一些大城市和经济发达地区，停车难的问题日益凸显。在国外许多大城市，停车难也是一个老问题。旧金山是美国最有名的“停车难”城市，这类城市还有纽约、芝加哥、洛杉矶的闹市区。欧洲数得上的城市有巴黎、伦敦等等。各国在解决这一难题中采取的措施有所不同，但机械式立体停车设备的应用是各个国家都积极采取的措施，尤其是全自动化的机械式停车库。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2设备的开发、生产、销售和服务。在欧洲，德国和意大利等国家从事停车设备开发和生产也比较早。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很好。德国和意大利等欧洲国家的优势在巷道堆垛类产品上。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年代开始为供应使用阶段。随着韩国政府的高度重视和各种机械停车设备的普遍开发及利用，目前行业进入稳步发展阶段。机械式停车设备在我国的出现是20世纪80年代，1988年建成第一座二层升降类地下车库，1990年建成第一座垂直循环类停车库，自此我国机械式停车设备行业开始萌芽。从1988年到1997年，我国采用机械式停车设备总共1000多个车位。自1997年以来，随着汽车工业和建筑业的发展，尤其是汽车进入家庭后，机械式停车设备行业己经成为我国的一个朝阳行业。1.3课题目的、意义与来源近年来，随着经济的发展，我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高，汽车数量的不断增加。与此同时，汽车停车场地的增长却不能与之同步，汽车泊位与汽车数量的比例严重失调，由此带来停车难、违章停车、停车管理困难等一系列问题。当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时，采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。机械式立体停车设备又名立体车库，它占地空间小，并且可最大限度地利用空间，安全方便，是解决城市用地紧张，缓解停车难的一个有效手段。国家计委已明确机械式立体停车设备及城市立体停车场为国家重点支持的产业，1998年1月1日起执行的国家计委6号令把机械式停车序和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术日录”:国家海关总署对机械式停车产品规定“国内投资项目给予免征进口税”，上述措施为我国立体停车库产业的成长提供3了良好的条件，也为我国解决城市停车间题提供了机会。可以预见:立体车库具有非常广阔的市场前景。“基于MATLAB的升降式立体车库的研究与结构优化设计”这一课题便是通过对电梯升降式立体车库的研究来实现节约资源、提高效率、优化结构、增强安全性能，从而极大限度地缓解停车难等问题。相信随着越来越多的研究，停车难问题将会消失在不久的将来。1.4本设计研究的主要内容首先在查阅相关资料的基础上,了解所研究的课题,然后以“立体停车库”为背景，对电梯升降式立体车库进行研究与设计，包括整体设计、存取与旋转机构的设计、提升系统的设计及钢结构骨架设计，具体内容如下:分析电梯升降式立体车库的设计要求查阅资料,从可靠性、经济性以及技术可行性等方面分析电梯升降式立体车库的设计要求。立体车库的整体设计、各主要部件设计在满足电梯升降式立体车库设计要求的前提下，完成立体车库的整体设计、存取与旋转机构的设计、提升系统的设计及钢结构骨架的设计。对固定叉梳进行优化设计对固定叉梳进行优化设计，使固定叉梳在满足功能要求的前提下，结构更加合理，降低整体重量和对钢结构骨架的载荷。对提升系统进行曳引力及曳引比压的分析校核4对提升系统进行曳引力及曳引比压的分析与校核，使其符合动力与寿命要求。立体车库总体钢结构骨架的研究与设计以及结构优化运用有限元的方法对钢结构骨架进行受力分析和变形分析，并运用MATLAB与拉格朗日乘子法对钢结构骨架进行优化设计,使钢结构骨架的整体重量减轻许多。52立体车库的整体设计2.1立体车库的介绍及类型2.1.1立体车库的介绍车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近4050年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有近二十年的历程。由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不准停位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。2.1.2立体车库类型立体车库分为九大类，具体是：升降横移类、简易升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和汽车专用升降机。升降横移类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类，这4种类型的车库都是最典型的、市场上最多采用的、市场占有率最高的、最适合大型化发展的。同时，选择库型时也要注意库容量、停放车辆规格、存车时间、车位周转率、管理收费方式、土地价格、土地面积、设备投资及回报等方面。升降横移式，如图2.16整机特点：有效利用空间，提高空间利用率达数倍。存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。采用PLC控制，自动化程度高。环保节能，低噪音。人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便。垂直循环式，如图2.2整机特点：省地：在58的地方建起大型垂直循环类机械停车库，可容纳34辆轿车或24辆面包车。方便：使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车。迅速：调车时间短，取车快速。灵活：可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台组合。经济：可省去购置土地的大量费用，有利于合理规划和优化设计。省电：一般不需要强制通风，无大面积照明，耗电量仅为普通地下车库的35%。7图2.1升降横移式图2.2垂直循环式简易升降式，如图2.3整机特点：一个车位泊两台车(最适宜多车型家庭用)。适合装置于工厂、别墅、住宅停车场。可任意迁移，搬迁安装容易或根据地面情况，独立及多台设备。备有专用锁匙开关，防止外人开动设备。车板防下滑保险装置。图2.3简易升降式图2.4垂直升降式垂直升降式（电梯升降式），如图2.4、图2.58整机特点：占地少，容车量大，高层设计最高能够达到平均一辆车仅占一平方米的空间。可同时提供多车位进出口，等待时间短。智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。绿色环保车库，利用车库外形的空隙空间可以进行绿化，使车库变成一个立体的绿化体，有利于美化城市和环境。智能化控制，操作简单方便。图2.5垂直升降式图2.6平面移动式平面移动式，如图2.6整机特点：每层的车台和升降机分别动作，提高了车辆的出入库速度，可自由利用地下空间，停车规模可达到数千台。部分区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行，因此使用更加方便；采用以车辆驾驶员为中心的设计方法，提高了舒适性。采取多重保险措施，安全性能卓越；通过计算机和触屏界面进行综合管理，可全面监视设备的运行状况，并且操作简单。9图2.7巷道堆垛式图2.8多层循环式巷道堆垛式，如图2.7整机特点：可设置于地上或地下，充分利用有效空间。载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。全封闭式管理，安全可靠，保障人、车安全。通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。固定式升降机+各层行走台车的配置形式，可实现多个人同时存取车。多层循环式，如图2.8整机特点：可设置于地上或地下，或一半地下、一半地上，充分利用有效空间。此设备的出入口可以设在底部、中部或上部。全封闭式管理，安全可靠，保障人、车安全。通过升降机、行走台车及循环装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。水平循环式10整机特点：一般用于大厦地下设置，式最节省空间的一种设计，车位占满地下空间，采用封闭式结构，通过机械作上下左右自由移动，再由升降机的提升进出库，无需另设走道，地下空间提车利用率可达85%。汽车升降机专门用作不同层面的汽车搬运的升降机。它只是起搬运而无直接存取车辆的作用。2.2立体车库的整体设计通过上面的比较可以看出，电梯升降式停车库是一种综合性能比较优良的车库，机械化程度最高，具有广阔的发展前景，因此选择电梯升降式立体车库作为本课题的基本形式。电梯升降式立体车库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。该类停车设备一般都是准无人操作方式。按人车交接位形式分类有三种:第一种是下部驶入式，即人车交接层在停车设备的最下部。第二种是中部驶入式，即人车交接层在停车设备的中间部位。第三种是上部驶入式，即人车交接层在停车设备的最上部；按存车位分布形式可分为纵向式、横向式、环形式、纵向重列式和横向重列式；按搬运器运行方式分类可分为升降式、升降滑移式和升降回转式；按车辆出入库方式和出入口位置分类可分为，单一出入口、正进、倒出式;贯通双出入口、正进、正出式；单一出入口、正进、正出、带转盘式;直角又出入口、正进、正出、带转盘式；按车辆搬运方式可以分为有载车板式和无载车板式。电梯升降式停车库中车辆的存取方式又有以下几种:左右两侧存取方式、扇形存取方式、圆周存取方式等。左右两侧存取方式就是在电梯井道在中间，停车位在井道的左右两侧，每一楼层的停车位只有两个，升降电梯升降到停车楼层后，11横移机构可以左右方向存取车，存取机构简单，但是存放的车辆相对来说少。扇形存取方式就是停车位以电梯井道为中心作扇形分布，升降电梯升降到停车楼层后可以在扇形停车位范围内存取车辆，这样就增加了每一楼层的停车位。不过扇形存取方式的存取机构复杂。圆周存取方式就是停车位以电梯井道为中心作圆周分布，每一楼层的停车位最多，不过这种方式的存取机构最复杂。经过上面的比较，最后决定选取左右两侧存取方式的电梯式车库，其结构简图如下，如果停车位的需求大则采取两个或多个车库拼接来增加车位。本设计研究的立体车库是:带有载车板的、存车位分布在井道两边，下部驶入式、有单一出入口、正进、正出、带转盘的垂直升降类机械式立体停车库。单个电梯式停车库占地面积约60，车库一层不放车辆，除用来作为车辆进出通道，同时车辆的旋转也在一层完成。电梯的提升电机、减速机构和控制柜放在一层。本车库采用出入口在一起的方式，这样可以减少土占用的土地面积，提高土地利用率。为了方便汽车的出入，在车库内设置了旋转台，使汽车可以正面进车、正面出车，减少了出入库时间，减少了占地面积，同时提高了安全性。课题的主要技术指标如下：车库形式:电梯升降式立体停车库；车辆交换方式:叉梳式交换；入库方式：180度进入；电梯升降速度:90m/min；最大容车规格:5000mm(L)1850mm(W)1550mm(H)；叉梳横移速度:15m/min；最大容车重量:1600kg；旋转台的转速:9r/min；塔宽度：7030mm；12塔深度：6300mm；地坑深度:1000mm；出入口宽：3850mm；出入口高：2200mm；主电动机：15kW；最大容车数量:20辆；占地面积:60；2车库标准层高:2200mm；平层精度要求:5mm；消防设备:气体和水。CO2电梯升降式立体车库简图如图2.9，其总体布局图如图2.10:13(a)(b)图2.9电梯升降式立体车库简图(a)正视图(b)侧视图图2.10立体车库布置简图1)取车计费处2)车辆旋转外径3)管理员室/进车刷卡处4)驾驶员、车辆进出通道出库通道142.3立体车库的存取与旋转机构的设计在立体车库中要完成的主要任务就是如何在最短的时间内安全地完成车辆的存取，而立体车库中升降电梯的速度已定，因此设计一套合理而安全的存取机构和一套旋转机构将成为本车库设计的重要任务。如果设计合理，一方面可以减少存取车辆的时间，另一方面可以增加车辆存取过程中的安全性。2.3.1立体车库的存取机构的设计电梯式停车库的存取车方式主要有交换托盘式和叉梳式两种。所谓叉梳式就是泊车位是一个叉梳，而升降电梯中还有一个与它相错的叉梳，升降电梯平层以后，横移机构把移动叉梳横移到位，通过两个叉梳的相错运动实现汽车的存取。叉梳式存取车方式，不设载车托盘，取车时电梯直接升到所取车的停车位，没有空行程，减少了取车时间，提高了取车效率。叉梳式存取车方式对电梯的平层精度要求比较高。交换托盘式存取车方式是指每个停车位都有一个放置车辆的托盘，通过对托盘的存取实现存取汽车。不过这种存取车方式由于每个车位都有一个托盘，因此在连续存车或连续取车时，都会有一个存托盘或取托盘的空行程，增加了存取车时间，影响车库的存取车效率。考虑到存取车时间是一个影响立体车库使用的重要因素，所以选择效率较高的叉梳式存取方式。根据移动叉梳的不同，叉梳式存取方式又有两种:一种是停车位叉梳作横向移动，而升降吊笼中的叉梳不作横向移动;另一种是停车位叉梳固定，升降吊笼中的叉梳升降到位后作横向移动。前一种方式中，升降吊笼内的机构简单，但是每一个停车位最少需要一个动力源和一套传动机构，一方面增加了整个车库的成本，另一方面，由于运动机构的增加必然降低整车库的可靠性。后一种方式中，停车位的叉梳系统结构大为简化，而升降吊笼内的机构稍微复杂，从总体来看，运动机构减少，增加了整个车库的可靠性.通过上面的分析，决定采用后一种叉梳式存取方式。15停车位的叉梳设计为固定的，升降电梯吊笼中的叉梳在动力系统的带动下可以横向移动。叉梳的推出方式有双向和单向两种方式，单向推出叉梳的横移机构简单，但是叉梳必须能作180转头才能实现左右方向存取车辆;双向推出叉梳不需要作180转头就能实现左右方向存取车辆，但是要实现双向推出，其横移机构就要复杂许多，而且会增加横移叉梳的宽度从而增加电梯井道的宽度。考虑到既然旋转台是必须有的，为了减小车库井道的宽度和降低横移机构的复杂性，把旋转台安装在升降吊笼上，移动叉梳安装在旋转台上，它们之间通过轨道连接。旋转台能实现180正反向旋转，在旋转台的带动下，横移叉梳只需单向推出就可实现对井道两边汽车的存取。这样固定停车位就不需要动力源，除升降电梯的动力源之外，只有旋转和横移两个动力源，它们都安装在升降吊笼中，而且运动部件也大为减少。这不仅提高了整个系统的可靠性，而且使得维修方便。横移叉梳和固定叉梳的设计横移叉梳的结构如图2.11所示，横移导轨1的长度为2400mm，在叉梳横移2000mm后，仍有400mm的长度与固定导轨槽配合，以提供足够的平衡力，使横移运动安全平稳地完成。根据车库技术指标中最大容车尺寸5000mm(L)1850mm(W)1550mm(H)，设计横移叉梳的尺寸。由于横移叉梳中间小于最小汽车轮距部分用不到，因此不需要布置梳叉，用一块或几块花纹钢板盖住，花纹钢板5就放在图中盖板横梁3上。梳叉4、6的材料用120603的矩形钢管。在存取车时，具体到每辆车，一般情况下就只能用到4个叉，为了增加叉梳的刚性，在叉梳的中部设置了中间纵梁7。中间纵梁7焊接在梳叉的下面，两头与横移导轨1连接，这样又可以防止汽车开出时由于车轮对梳叉的反作用力而造成相邻梳叉间的距离变化，保证车辆的存取能顺利完成。16图2.11横移叉梳结构简图(俯视图)1)横移导轨2)端部横梁3)盖板横梁4)前轮叉梳5)盖板6)后轮叉梳7)中间纵梁图2.12横移叉梳结构简图(侧视图)1)梳叉2)中间纵粱3)端部纵梁4)导轨图2.12是图2.11中从后轮叉梳5处剖开后的侧视图。横移叉梳的梳叉部分固定叉梳就是空格，横移叉梳的空格部分固定叉梳就是梳叉，而且横移叉梳中间盖花纹钢板的部分固定叉梳是一个完全的大空格。这样才能实现两个叉梳的相错运动。由于车辆的存取是通过横移叉梳与固定叉梳的相错运动来实现的，因此在叉梳的结构设计时，必须能使横移叉梳与固定叉梳能够实现相错运动，而且横移叉梳在存取车时的上下运动空间要充足。为解决这个问题，固定叉梳的结构设计如图2.13、图2.14。横移叉梳的高度是120mm，而固定叉梳的高度是80mm它们的高度差是40mm，具体的存取车动作过程如下:17存车时，横移叉梳的上平面升到比固定叉梳的上平面高40mm的高度，使汽车轮胎在横移时不与固定叉梳发生干涉，然后横移叉梳作横向平移;横移到位后，横移叉梳连同吊笼一起下降80mm，把汽车放在固定叉梳上，同时使横移叉梳避开汽车轮胎，然后横移叉梳横向移动到吊笼内。取车的过程与存车时相反，横移叉梳的上平面升到比固定叉梳的上平面低40mm的高度，使固定叉梳在横移时不与汽车轮胎发生干涉，然后横移叉梳作横向平移;横移到位后，横移叉梳连同吊笼一起上升80mm，把汽车从固定叉梳上抬起，同时使汽车轮胎避开固定叉梳，然后横移叉梳连同汽车横移回吊笼内。图2.13固定叉梳结构简图(俯视图)图2.14固定叉梳的结构简图(侧视图)(2)横移运动动力传递形式的设计车库存放汽车宽度最大为1.85m，考虑到汽车在横移叉梳上停车时不可能完全靠边，而且在固定叉梳上存放时也不能完全靠边，故叉梳的横移量确定为2.00m。横向移动的实现有液压缸驱动、电机带动丝杠驱动、电机或液压缸带动18四连杆驱动等多种形式。但是要实现行程2.00m的横向来回移动，如果采用行程2.00m的液压缸，将会对液压缸的要求很高，而且导轨横移2.00m后，形成2.00m的载重悬臂，必然会有一定的挠度，将会加剧对液压缸内活塞的磨损，因此直接用行程2.00m的液压缸驱动是不合适的。另外行程2.00m丝杠和四连杆驱动也有一定的困难，于是考虑到减小驱动部件行程的动力传动方式一滑轮组。具体结构布置形式如图2.15，采用丝杠滑轮组的形式传递动力。丝杠10向左移动时，在动滑轮8的带动下，钢丝绳6通过定滑轮1,3,5,7,11,12带动横移叉梳向外移动;相反，丝杠10向右移动时，在虚线所示的滑轮组的带动下，横移叉梳向回移动。由于丝杠带动的是动滑轮，使得叉梳的行程是丝杠横移行程的2倍，故可以用1.0m的丝杠实现叉梳2.0m的移动。图2.15传递横移叉梳驱动力的滑轮组简图1)3)5)定滑轮2)叉梳端部横梁4)钢丝绳在旋转台架上的固定端点6)钢丝绳7)钢丝绳8)动滑轮9)滑轮支撑架10)丝杠(3)横移进给电机的选择已知横移速度,横移距离，则横移时间。1/15/2819移动部分的质量（车与横移叉梳质量，假设叉梳质量400kg），移动2000部件消耗的功率:（2-111）式中，为摩擦力，,。0.2故。10.220009.80.250.98滑动丝杠传动效率，三角皮带传动效率，这样1=0.30.82=0.940.96所选电机的功率应该:（2-01/(12)2）取，则。10.420.95P00.980.40.952.5初选电机功率为:，则选择电机型号为Y100L2-4,额定功率为P=3.0kW3.OkW，同步转速为1500r/min,额定转矩为。2.2N.m(4)滑轮及钢丝绳的选择横移叉梳的运动阻力；F0.220009.83920每根钢丝绳承受的拉力；拉/2=1960取钢丝绳的安全系数C为10；选择钢丝绳结构119,钢丝绳公称抗拉强度1570MPa,钢丝绳直径为时，其破断拉力不小于20.8kN；d05.0mm滑轮的最小卷绕直径；Dminhd165.0m80mm滑轮的最大外径；Dmax=Dmin+2C=80+210=100mm20滑轮的厚度A=25mm。(5)滑动螺杆副的设计计算螺母转动，螺杆不转，螺杆只能做横移运动，螺母把电机传来的旋转运动转化为螺杆的横移运动。叉梳横移速度为,则丝杠横移速度。115/21217.5/P2z0/n0.125z025mm3.125z0m式中为电机皮带轮与丝杠螺母间的传动比，螺杆中径,z0d20.8Fp一般取1.23.5,此处取1.5；F为螺旋传动轴向力，F000.110.17取;查文献得许用应力,此处取5MPa。00.15p47螺杆螺纹中径.d20.820009.80.151.5515.8mm选用30标准梯形螺纹，根据求得的此螺纹中径，公称直径，螺距d24mm，螺杆小径，螺杆中径，则。P4mmd119.5mmd222mmz01.28螺牙高度:h0.52mm螺母高度：H1.5d1.52436mm旋合圈数:zH/P36/49螺纹牙根部的宽度：b0.65P2.6mm螺纹升角：tan123.3牙型角：30牙侧角：21521(6)螺母固定轴承的选择横移丝杠外径选为,我国型号为32914,由于轴承承受轴向力，因此d3=70mm选择单列圆锥滚子轴承，ISO系列代号为2BC，轴承参数如下:内径，外径，厚度，轴承座的外径=140mm。d70mmD100mmT20.00mmD1(7)皮带轮的设计考虑到丝杠螺母固定轴承的外径的尺寸，让皮带轮外径与轴承座外径相同，则丝杠皮带轮基准直径为，由于传动比，则电机皮带轮基准直D4140mmz01.28径为112mm。(8)皮带的选择由于传递功率不大而转速很高，因此选用三角皮带，其设计计算如下:功率,其中，为计算功率，为工作情P=KP=1.13.0kW=3.3kWPK况系数，为额定功率。P根据计算功率及转速n选择V带型号为A型。A型带的参数:顶宽Pb=13mm，高度h=8mm，楔角=40。带速。01n6010008.8m/s2530m/s根据，可解得0.7(12)02(12)，初取中心距。176.4mm0352.80250初步计算V带的基准长度L0202（12）（21）4022502(112140)(140112)24250mm22896.6选取V带的基准长度。900实际中心距002250900896.62252小带轮包角：11802157.318014011225257.3173.6120小带轮包角合适。V带根数：（2-zPP0P（P0P0）3）查表后，其中基本额定功率kW，单根普通V带额定功率的增量P01.58查表得0.114kW，包角修正系数为0.99，长度修正系数为0.87。则P0算得z=1.08取，即必须用2根V带。z=22.3.2横移丝杠的受力校核（1）螺杆强度校核公式（2-4）（4Fd12）2+3(T0.2d13)2上式中，T螺纹副之间的摩擦力矩（2-0tan()225）23预紧力（2-6）0式中，剩余预紧力,取0.5F(0.20.6)螺栓的相对刚度，取0.250.20.3螺旋副的当量摩擦角（2-tan107）式中，为螺旋副的摩擦因数，取0.150由（2-4）、（2-5）、（2-6）、（2-7）可解得（420009.80.150.01952）2+3(26.350.20.01953)232.3MPa,符合强度要求。/4320/4MPa80MPa（2）螺杆的稳定性计算螺杆的稳定性校核公式为：（2-8）Fcr/F2.54式中，F为作用于螺杆上的轴向载荷，单位为N；为螺杆的稳定临界载荷，单F位为N，其值根据螺杆柔度值的大小选用不同的计算公式。，则4ld140.5100019.5102.590（2-9）F2()2式中，取206GPa，则有d146424F22061090.0195464(0.51)25.77104代入式（2-8）中，因此符合要求。F/F5.77104294019.64螺牙强度计算螺杆的螺牙强度螺牙的剪切强度,其中，z为螺纹旋合圈数，则Fd1bz29400.01950.002692.05MPap0.648MPa符合强度要求。螺牙的弯曲强度3Fhd1bz329400.0020.01950.002694.7MPa80MPa符合强度要求。2.3.3立体车库中旋转机构的设计旋转机构的设计要解决问题:一是存取车时横移叉梳伸出2.00m后对旋转台施加一个倾翻力矩，吊笼必须对整个旋转台施加相反力矩进行固定;二是转动的实现，采用何种动力源和动力传递机构使旋转台能在180范围实现正反旋转运动。25图2.16旋转台的驱动部分简图1)丝杠套筒2)丝杠螺纹端3)丝杠齿条端4)齿轮图2.17旋转台简图(俯视图)1）导轨槽2）横梁3）纵梁4）加强筋5）连接法兰6）加强筋7）横梁8）弧形纵梁旋转机构的动力源也采用电机，动力传动部分采用丝杠、齿轮齿条，结构如图2.16所示。旋转台的结构见图2.17,2.18，横移叉梳在图2.17中1所示的横移导轨槽中作横移运动，横移叉梳横移出去以后形成一个侧倾力矩，这个侧倾力矩通过导轨传到旋转台上。图2.18旋转台简图(主视图)(标号内容同图2.17)旋转台的固定见图2.19，旋转台通过中间的连接法兰与固定轴的法兰7连接，端盖1用螺栓与固定轴2的下端连接。旋转台的驱动齿轮8通过键与固定轴2连接。这样，旋转台的所有载荷都压在与吊笼框架焊在一起的套筒4上，旋转台上26的侧倾力矩通过固定轴2对旋转台的拉力来平衡，旋转台的旋转通过驱动齿轮8传来的动力完成。在立体车库中，升降系统的设计是一项非常重要而复杂的任务，它影响到立体车库运行精度、运行速度、可靠性以及骨架结构的受力情况等，而且升降系统的安全要求最高，关系到整个车库的安全。图2.19旋转台固定简图1)端盖2)旋转台固定轴3)定位套筒4)套简5)吊笼框架6)旋转台连接法兰7)固定轴法兰8)齿轮2.3.4立体车库提升系统的设计立体车库提升系统的整体布置立体车库的提升系统的具体结构主要由驱动方式决定，驱动方式有曳引驱动、液压驱动、卷筒驱动以及齿轮齿条、螺杆驱动等方式。对于高层车库，受上下行程的限制，主要采用的驱动方式包括曳引驱动和卷筒驱动两种。27卷筒驱动是一种早期的电梯驱动方式，这种方式存在以下方面的问题:提升高度低;额定载重量低;行程不同时，必须配用不同的卷筒;导轨承受的侧向力大;钢丝绳有过绕或反绕的危险;能耗大。因此，目前电梯升降式立体车库普遍采用的驱动方式为曳引驱动。曳引驱动就是借牵引钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦来传输牵引升降吊笼及对重垂直运行的传动力。这种驱动方式具有很大的适应性，可以只将曳引钢丝绳的长度改变就能适应不同的提升高度的要求，同时与卷筒式相比，还可以使曳引钢丝绳的根数增多，加大了传动的可靠性。图2.20提升系统结构布置简图1)曳引机2)提升轿箱3)钢丝绳4)滑轮5)钢丝绳调整螺母6)对重28(a)俯视图(b)侧视图图2.21轿箱顶部滑轮组结构布置简图1)滑轮2)滑轮轴3)滑轮支架4)支撑轴5)滑轮定位套筒6)定位锁片7)滑轮组支撑轴8)加强筋9)钢丝绳本设计采用曳引电机下置的曳引驱动方式，立体车库提升系统的整体布置简图见图2.20，钢丝绳倍率，这样曳引电机上曳引轮的线速度为轿箱2或对重i26的运动速度的两倍。电机安排在车库底层的一侧，这样可以方便安装与检修，对重安排在电机的对侧，可以使得整个车库的整体骨架受力均衡。整个系统由四根相互独立的钢丝绳连接在一起，图中所示为其中一根钢绳的布置，四根钢丝绳平行并列布置，钢丝绳预紧力的调整通过调整弹簧5来进行。同时，为保证四根钢丝绳在工作过程中能平均起作用，把轿箱顶部的滑轮组的安装结构设计如图2.21,四个滑轮分为左右两组布置，左右两组滑轮分别安装在支架3上，支架3通过支撑轴7与升降吊笼连接，这样整个滑轮组就形成一个以支撑轴7为转动中心的等臂杠杆结构，杠杆两边的力始终相等，可以消除钢丝绳在使用过程中由于各种磨损造成载荷不平衡。对重质量的计算对重质量的计算公式为:(2-10)式中:W对重质量G轿厢净重，2500kg29Q额定载重量，1600kgk电梯平衡系数，一般的货梯，它的选取原则:尽量使k0.450.5曳引系统处于最佳工作状态。对于经常处于重载的电梯，可取0.5，但不超过0.55，这样有利于节省动力。停车库属于经常处于重载场合，取0.50。则对重质量为。W3300kg曳引轮及钢丝绳的选择当满载轿厢停在最底层时，轿厢一侧的钢丝绳的静拉力即钢丝绳最大静拉力T，单位N，则提升系统每根钢丝绳承受的拉力（）241009.8220090取钢丝绳的安全系数C为10；选择钢丝绳结构119,钢丝绳公称抗拉强度1570MPa,其直径时，d0116.0mm其破断拉力不小于213kN；曳引轮的节径要大于钢丝绳直径的40倍。在实际中，一般都取4555倍，有时还大于60倍。因为为了减小曳引机体积增大，减速器的减速比增大，因此其节径大小应适宜，取曳引轮的节径，则。D5001D800曳引电机的选择1电梯运行性能的好坏，在很大程度上取决于曳引电机性能的优劣。立体车库曳引电机的选取参照目前成熟的电梯曳引电机技术，曳引电机对提升系统的起动加速、平稳运行以及制动减速起着控制作用，曳引电机的好坏直接影响提升系统的起动、制动减速度和平层精度。目前用于电梯的曳引电机主要有:交流变极调速电机、交流变压调速电机、变频变压调速电机以及直流电机。直流电机结构复杂，维修保养和检查工作比较困难，而交流电机几乎全部是结构简单、维修方便的异步电机，因此电梯大多倾向于采用交流电机。30交流变极调速电机，由于交流异步电动机的转速与其极对数成反比，因此交流变极调速电机就是通过改变电动机的极对数来改变电机的转速。这种调速方法仅仅用于速度为1.Om/s以下的提升电梯，而且平层精度不高。交流调压调速电机，采用可控硅取代起、制动电阻、电抗器，从而控制起制动电流，实现制动速度的闭环控制。采用这种电机的电梯按距离制动直接停靠楼层，电梯的平层精度可控制在士10mm之内。变频变压调速(VVVF)电机，为了提高电梯运行的平稳性和平层精度等的要求，采用了VVVF变压变频调速电梯技术。电梯中由于负载是常数，所以采用的变频调速方式为:保持MK=常数，通过改变电机的输入电压和输入电源的频率来调节电机的转速。VVVF交流调速电梯,在当前按其速度大致可分为三大类:电梯速度不大于2.0m/s的带有蜗轮蜗杆减速箱的中速电梯；电梯速度在2.0m/s4m/s的带有斜齿轮减速箱的高速电梯；电梯速度不小于4m/s的无减速箱的超高速电梯。考虑到存取车系统的结构、运动特点以及速度，本车库采用变频变压调速带有蜗轮蜗杆减速箱的中速电梯的电机作为动力源。2.3.5立体车库钢结构骨架的设计车库钢结构骨架起着支承停放车辆载荷和分担提升机构载荷的作用，因此对车库钢结构骨架进行合理的结构分析和设计就显得特别重要。立体停车库钢结构承载框架(见图2.22、图2.23)与外表装饰材料构成停车库主体。钢结构由底部、中部和顶部结构架组成。底部为车辆进出车库和车辆调头之用，高度最大，为2.6m。中部为标准层，高度为2.2m，用来停放车辆，它由标准单元组成，可以根据实际车库容盘来适当加减层数。顶部用来安装滑轮组并留有检修滑轮组及其他设备的空间，因此高度最小，为1.5m。本课题的车库31设计容量为20辆，需要10层停车标准单元，这样车库总层数为12层，总高度为H=2.6+102.2+1.5=26.1m。升降吊笼导轨设计为两根，作对角布置，固定在立柱6上。钢结构分段制造，用高强度螺栓在现场拼装。初步设计如表2.1：表2.1钢结构构件截面积钢结构构件截面积/mm2钢结构骨架角柱8538前后侧中间立柱8538左右横梁5408前后横梁5408上下支撑梁12295左右腹杆1780前后腹杆178032(a)(b)图2.22立体停车库钢结构示意图(a)钢结构侧视图(b)钢结构正视图1)底层侧面K形斜杆2)标准层侧面K形斜杆3)标准层侧面K形横杆4)立柱5)底层立柱6)标准层正面K形横杆7)标准层正面K形斜杆8)井道立柱图2.23停车库钢结构俯视图1)立柱(固定导轨)2)正面K形横杆和斜杆3)立柱4)侧面K形横杆和斜杆5)井道侧面H形横杆6)井道正面H形横杆和K形斜杆N车库进出口方向333固定叉梳的优化设计3.1固定叉梳优化模型的建立6由于每个固定停车位都由一个固定叉梳组成，因此固定叉梳的数量特别多，与停车位的数量一致，对固定叉梳进行受力分析和优化设计就很有必要。合理的优化设计一方面可以节约材料，另一方面又可以减轻车库整体骨架结构的载荷。对移动叉梳来说，由于移动叉梳数量只有一个，而且从移动叉梳的总体结构来说，一方面它的尺寸受移动叉梳尺寸和存取车形式的制约不能自由优化，另一方面刚度又远大于固定叉梳，因此移动叉梳就没有必要进行受力分析。已知车库存放车辆的最大重量为1600kg,假设车辆的前后载荷分配为6:4,则前轮所在的梳叉的受力较大，前轮的重量由两个梳叉承担，每根梳叉的受力情况见图3.5，左右车轮对梳叉的压力分别为，左右F1F22409.8=2352N车轮对梳叉的压力向左右车轮连线的中心C简化，可以简化为C点的合力,。=4704NAC=1000mm图3.5固定车位梳叉受力简图34图3.6矩形钢管截面图固定梳叉全部采用矩形钢管，其截面形式如图3.6，为了设计的合理性，对其进行优化，矩形管的高度H,h和宽度B,b为需要决定的设计参数，考虑到矩形钢管管壁的厚度L=H-h=B-b，所以实际设计参数只有三个，故定H,h和B为设计变量，即（3-1）123以矩形管的质量W作为目标函数，要求愈轻愈好。假设所选用材料的密度为(由于为常数,为方便计算,假设=1)，则目标函数为:（3-()(,)()()2）约束条件为:剪切应力()（3-1()()03）35式中，,取。0.60.8355弯曲强度最大弯矩约为弯曲强度校核公式为|式中,。3312因此，弯曲强度所决定的约束条件为（3-2()1(,)12|3()304）根据刚性要求最大挠度y3.0mm，即33(132)式中E=200GPa。因此，刚度所决定的约束条件为（3-5）3()2(,)433()3(132)0根据实际产品结构尺寸要求的约束条件为2.50025025010则，（3-2.5002525106）36综上()22121323125(22121323)235203(24133123233)1.904108071(24133123233)3.3871070122.501230125,210,3253.2优化程序及其运行结果MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。它是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。建立数学模型为MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在此，利用MATLAB编写优化程序，得出优化结果。首先，编写优化程序如下：目标函数子程序functionf=y(x)f=(x(1)-x(2)*(x(2)+x(3);37约束函数子程序functionc,ceq=z(x)c(1)=125*(x(2)2-x(1)*x(2)-x(1)*x(3)+x(2)*x(3)+2352;c(2)=3*(x(2)4-x(1)3*x(3)-x(1)*x(2)3+x(2)3*x(3)+190400000;c(3)=71*(x(2)4-x(1)3*x(3)-x(1)*x(2)3+x(2)3*x(3)+3386880;ceq=;主程序A=-1,1,0;1,-1,-1;b=-2.5,0;x0=60,15,60;lbnd=25,10,25;ubnd=;options=;c,ceq=fmincon(y,x0,lbnd,ubnd,z,options)运行结果如下：38取整，则优化结果为。351060394提升系统曳引力及曳引比压的分析校核4.1提升系统曳引力的分析与计算在大多数的机械传动系统中，都特别强调减小零件之间的摩擦。然而，在电梯的曳引力传动中则恰与此相反。人们力图利用并予以控制摩擦力，使其钢丝绳与曳引轮之间产生所需的曳引力。（a）（b）图4.1曳引绳的张力图（a）张力分布图（b）力平衡关系因为钢丝绳和曳引轮槽间实际上有摩擦阻力的存在，在钢丝绳的两个分支中的张力和就可以不相一致。所以，当钢丝绳和曳引轮之间不产生相对运动时，T2T1即钢丝绳在曳引轮槽中没有滑移现象时，钢丝绳两个分支中的张力就有一定的关系(曳引系数)，并且，如图4.1所示。T2T1T2T1当钢丝绳沿曳引轮处于临界滑移状态时，在钢丝绳分支中张力的最大比值就是有效曳引力，数值等于曳引系数。e为自然对数的底，为包角。40（4-211）为了避免钢丝绳沿曳引轮滑移，实际上常常需要把曳引系数加以提高，使（4-212）显然，在此情况下，钢丝绳和曳引轮槽之间的摩擦力未能充分利用。由于升降吊笼的载荷和位置以及运行方向在运行状态下都在变化，因此必须使升降系统在任何状态下都要有足够的曳引力。在曳引条件(即不打滑)下验算时，一般采用如下公式:（4-21C1C23）式中，曳引轮两边钢丝绳较大静张力与较小静张力之比，一般考虑下面两21种工况：吊笼载有1.25倍的载荷位于最底层;空载吊笼位于最高层；动力系数或加速度系数C1（4-C1（g+a）（g-a）4）如果满载上升减速，则。不是一个不C1（g-a）（g+a）C1变的常数，在计算曳引能力时宜取其最大值。为重力加速度g，为吊笼的制动减速度；（ms）a（ms）与绳槽形状因磨损而发生改变的