直線電機在立體車庫橫移裝置中的應(yīng)用

陳嬋娟， 任曉鋒

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

立體車庫是現(xiàn)代化城市建設(shè)中必需的停車設(shè)備[1]，根據(jù)外形結(jié)構(gòu)分為升降橫移式、巷道堆垛式、塔式(垂直升降式)[2].不同類型立體車庫所采用的橫移裝置結(jié)構(gòu)不同，常用的有叉梳式、齒輪齒條式、勾拉軸式等[3].國內(nèi)所使用的塔式立體車庫橫移裝置為勾拉軸式，由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動工作臺轉(zhuǎn)動，通過機械構(gòu)件將圓弧曲線運動轉(zhuǎn)化為直線運動[4]，實現(xiàn)將車輛從庫位到工作臺的往復橫移.其橫移過程分為旋轉(zhuǎn)運動前及旋轉(zhuǎn)運動后兩步完成；旋轉(zhuǎn)運動前原理示意如圖1所示，旋轉(zhuǎn)運動后原理示意如圖2所示.

圖1 旋轉(zhuǎn)運動前

圖2 旋轉(zhuǎn)運動后

該過程傳動精度要求高，部分零件依靠進口，導致成本上升[5].隨著機電技術(shù)的發(fā)展，直線電機在不同領(lǐng)域已經(jīng)顯示出良好的使用性能，通過分析塔式立體車庫的橫移原理，將直線電機應(yīng)用于此處,能有效提高橫移傳動精度、替代部分進口零件，使整體橫移裝置結(jié)構(gòu)更緊湊.

1 直線電機驅(qū)動的橫移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 原裝置原理及主要存在問題

分析原橫移裝置可知，其橫移運動的具體實現(xiàn)方法為：

1.載車板曲邊 2.軸套 3.軸承 4.固定軸圖3 勾拉軸式結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 直線電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

直線電機作為驅(qū)動電機，可將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能[6]，且啟停響應(yīng)速度快，延遲遠小于旋轉(zhuǎn)電機[7].在完成橫移工作時，直線電機直接輸出直線位移，無需不同曲線運動相互轉(zhuǎn)化[8]；電機滑塊上安裝垂直立柱代替原工作臺上的勾拉軸，直接與載車板曲邊接觸推拉載車板，實現(xiàn)“取出”或“存放”車輛的橫移動作.由此解決原橫移裝置曲線轉(zhuǎn)換復雜，零件成本高的問題.

直線電機初級滑塊驅(qū)動載車板曲邊橫移代替原有勾拉軸驅(qū)動，將初級滑塊、載車板曲邊結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計.如圖4所示.

1.載車板曲邊 2.初級滑塊立柱 3.初級滑塊圖4 直線電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 直線電機的選型

直線電機主要分為扁平型、圓筒形(或管型)、圓盤形和圓弧形等[9]，此處選擇扁平型直線電機，其結(jié)構(gòu)為扁平矩形.其特點是加速度大、推力特性平滑、行程可任意延長、靜音、免維護.電機型號主要根據(jù)額定負載、持續(xù)推力、電機次級鐵芯長度確定[10].以轎車滿載考慮，載車板所安裝的滑輪與導軌間為滾動摩擦.在扁平型直線電機中選擇短初級單邊型.該結(jié)構(gòu)中，初級與次級的長度不同，保證在電機正常運轉(zhuǎn)的行程內(nèi)初級與次級之間的耦合始終保持不變.

電機的型號主要由以下3個參數(shù)確定：峰值推力Fm、持續(xù)推力F、次級鐵芯長度b.

當電機初級運行速度V=0.5 m/s，負載2.5 T.根據(jù)相關(guān)手冊公式計算Fm、F、b.

(1)

式中:m為質(zhì)量，取2.5 T；I2為電流，取2.6 A；R2為次級電抗折算值，取4.3 Ω；VS為電磁場速度，取5.52 cm/s；代入數(shù)值得F=163.35N.

由電機持續(xù)推力公式

(2)

式中:Fa為加速度力;Fc為勻速段力；Fd為減速度力；Fw為停滯力；Ta為加速時間；Tc為勻速時間；Td為減速時間；Tw為停滯時間.

由電機學原理可知：次級鐵芯長度b，電機極距τp計算公示為：

b=βτp/2 (m)

(3)

(4)

將(4)代入(3)可得

(5)

式中f為電源頻率，取50 Hz；選取β=0.637 5.代入相關(guān)參數(shù)由式(5)可得次級鐵芯長度b=2.152 m.

根據(jù)計算所得參數(shù)，選取MLCD0200-255-00型單邊直線電機，其結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示.

1.滑塊立柱 2.初級滑塊 3.擋板 4.次級圖5 短初級單邊型直線電機

1.4 整體橫移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作臺部分運動包括旋轉(zhuǎn)、橫移兩個部分，此處著重研究橫移部分.橫移運動由直線電機滑塊立柱驅(qū)動載車板曲邊完成.

結(jié)構(gòu)布局以橫移、旋轉(zhuǎn)運動步驟為原則：

(1)車輛由庫位橫移至工作臺上時，僅有初級滑塊立柱與載車板曲邊接觸受力，力的方向與電機次級長度方向平行，電機不承受載車板及轎車重力.

(2)載車板及轎車被橫移至工作臺時，其擺放位置與駛出立體車庫門口所需要位置相互垂直[11]，當車輛降至一層被取走前需要做90 °旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時工作臺將車輛“托起”，此時載車板重量由工作臺承擔，但需保證同時安裝在工作臺上的直線電機不承受載車板及轎車重力.

針對以上原則，本設(shè)計中重力載荷由導軌、工作臺依次承擔，具體實現(xiàn)步驟為：

(1)直線電機初級滑塊立柱與載車板曲邊裝配方式如圖4所示，橫移運動初始載車板、工作臺上表面、直線電機初級滑塊之間位置關(guān)系如圖5所示.

1.載車板曲邊 2.初級滑塊立柱 3.載車板載車面 4.工作臺上表面 5.初級滑塊圖6 橫移初始位置

此時載車板處于立體車庫車位內(nèi)，直線電機初級滑塊進入正確橫移位置；由升降電機提升整體載車臺，使初級滑塊立柱嵌入載車板曲邊進行橫移驅(qū)動，橫移運動中圖6所示位置變換為如圖7所示，圖中V表示載車板運動速度.

圖7 橫移中位置

(2)橫移運動完成后,車輛送至底層待取.直線電機安裝槽深度大于直線電機高度[12]，使直線電機擋板上表面低于工作臺上表面.工作臺旋轉(zhuǎn)“托起”載車板及轎車時工作臺上表面接觸載車板載車面承擔重力載荷.此時圖6中所示位置變換為如圖8所示.

圖8 橫移后位置

三維建模使用Pro/Engineer Wildfire 5.0按1∶1設(shè)計.裝置尺寸影響的主要因素為載車板尺寸，此處不考慮卡車等大型車輛，以轎車為對象.載車板尺寸選為：5 300 mm×2 000 mm×5 mm.工作臺的設(shè)計要求承重可靠、制造簡單、節(jié)約材料、成本低，采用框架式結(jié)構(gòu)，可鑄造成型，亦可由板件焊接而成[13]，材料選擇普通鋼材，工作臺中心線對稱的左右兩邊設(shè)置安裝直線電機的槽位.載車板曲邊結(jié)構(gòu)及與電機初級滑塊的裝配方式如圖4所示，當直線電機次級長度大于載車板寬度時可將載車板自庫位橫移至工作臺.所設(shè)計橫移裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示.

1.支撐架 2.直線電機 3.載車板 4.工作臺 5.載車臺圖9 橫移裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于Workbench的力學模型分析

本結(jié)構(gòu)中用直線電機初級滑塊上設(shè)計的立柱驅(qū)動載車板，帶負載橫移時立柱為主要的受力元件，采用Workbench提取出整機中的滑塊立柱部分做應(yīng)力應(yīng)變分析[14]，觀測在額定載荷條件下立柱變形是否處于正常范圍.

初級滑塊立柱與載車板曲邊接觸部分承受均布載荷，其尺寸位置如圖10所示.

圖10 初級滑塊立柱受力分布

Workbench參數(shù)的設(shè)定.滑塊立柱部分的載荷主要源自由汽車重力產(chǎn)生的摩擦力[15].

滿載載荷：G=2.5 T；摩擦力形式：滾動摩擦；立柱材料：45#鋼；動摩擦因素：0.25；彈性模量：E=200 GPa；動摩擦力公式：F=μN；泊松比：μ=0.3.

載荷方向如圖11所示，選取立柱頂端至下方100 mm的距離為受力范圍，其余部分為機架不受載荷影響.

圖11 載荷施加方向

載荷添加：選擇滑塊大面為機架，受力不變形.設(shè)置后可進行力學分析，得立柱部分應(yīng)變結(jié)果如圖12所示.

圖12 立柱受力變形

根據(jù)上述力學分析結(jié)果可知，立柱部分受力變形小，可滿足對車輛橫移要求.

3 結(jié)論

該研究分析表明，采用直線電機設(shè)計的立體車庫橫移裝置比原有裝置結(jié)構(gòu)簡單，可提高存取車輛的準確可靠性.通過有限元軟件分析觀測并通過材料力學建模分析可知，所設(shè)計的滑塊立柱部分可以滿足車輛橫移驅(qū)動的強度要求，使整體橫移裝置結(jié)構(gòu)更緊湊合理，能夠取代原結(jié)構(gòu)中的勾拉軸，降低了塔式立體車庫橫移裝置對進口元件的依賴.

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