垂直循環(huán)類停車設(shè)備底部弧軌受力分析

潘 皓，李 超，孟和蘇樂(lè)德

（上海彭浦機(jī)器廠有限公司，上海201306）

最早的立體停車設(shè)備始建于1918年，位于美國(guó)伊利諾斯州芝加哥市華盛頓西大街215號(hào)的一家賓館 (Hotel La Salle)的停車場(chǎng)，設(shè)計(jì)師是Holabird和Roche。該設(shè)備于2005年被推倒在該原址上，后來(lái)由Jupiter Realty Corp興建了一座49層的公寓大樓。

我國(guó)立體停車設(shè)備起步相對(duì)較晚。1989年，河北省承德市建立了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)立體停車設(shè)備，該立體停車設(shè)備是一套垂向循環(huán)類的立體停車設(shè)備。該立體車庫(kù)成為我國(guó)立體車庫(kù)的鼻祖。

2018年1至5 月新增的立體車庫(kù)項(xiàng)目中，垂直循環(huán)類立體停車設(shè)備占到了30%,而全國(guó)已有200多家企業(yè)同時(shí)瞄準(zhǔn)垂直循環(huán)類立體停車設(shè)備。

隨著垂直循環(huán)類立體停車設(shè)備的迅猛發(fā)展,產(chǎn)品的同質(zhì)化問(wèn)題突出，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有待提高。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上再用的車庫(kù)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)底部弧軌是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生磨損過(guò)快或塑性變形。本文在分析垂直循環(huán)機(jī)械類停車設(shè)備特點(diǎn)、組成及工作原理的基礎(chǔ)上針對(duì)某個(gè)具體型號(hào)的車庫(kù)，進(jìn)行分析，提出底部弧軌的強(qiáng)度計(jì)算方法。

1 垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備的特點(diǎn)

垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備之所以受到人們的喜愛，主要有以下原因：

（1）安全性好，可靠性高。

每輛汽車停放在單獨(dú)的載車吊籃內(nèi)，互不影響。集中傳動(dòng)，故障率小，不到升降橫移類車庫(kù)的1/5，整機(jī)結(jié)構(gòu)受力明確，傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單，可靠性高。設(shè)備上安裝有十余種安全檢測(cè)設(shè)備，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

（2）占地面積小、空間利用率高。

在兩個(gè)停車位上可以停放16輛或以上的車輛，大大節(jié)省了土地資源，提高了空間利用率，減少了建設(shè)成本。

（3）安裝方便、布置靈活。

整機(jī)多采用模塊化設(shè)計(jì)思想，安裝周期一般不超過(guò)五天?？啥嘟M不同規(guī)格車庫(kù)組合使用也可單組使用。

（4）環(huán)境適用性強(qiáng)、功能可拓展。

因其占地面積小，布置靈活，特別適合城市中心醫(yī)院、商場(chǎng)、小區(qū)等土地資源相對(duì)緊張的區(qū)域。同時(shí)，為滿足不同車主需要，本設(shè)備可拓展充電、遠(yuǎn)程遙控等功能。

2 設(shè)備組成及工作原理

以某企業(yè)落成的PCX16D九層垂直循環(huán)類停車設(shè)備為例，如圖1所示，整機(jī)主要由前后框架主體結(jié)構(gòu)1、載車吊籃總成2、起重鏈條總成3、減速電機(jī)4和傳動(dòng)軸總成5和電氣控制系統(tǒng)6等組成。

圖1 PCX16D垂直循環(huán)停車設(shè)備

工作原理：減速電機(jī)上的小鏈輪通過(guò)傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸總成中的大鏈輪旋轉(zhuǎn)，大鏈輪同時(shí)帶動(dòng)撥鏈輪撥動(dòng)起重鏈條（滾輪）在框架結(jié)構(gòu)中預(yù)定軌道內(nèi)作大循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，載車吊籃安裝在起重鏈條外伸的三角鏈板上，即載車吊籃跟隨起重鏈條作循環(huán)動(dòng)作，從而達(dá)到存取車輛的目的。

存車時(shí)，駕駛員在設(shè)備提示下把車開入最下方的載車吊籃內(nèi)，關(guān)好車門退出車庫(kù)，按動(dòng)操作按鈕或刷卡，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，起重鏈條帶動(dòng)載車吊籃隨著運(yùn)動(dòng)，待另一個(gè)空的載車吊籃轉(zhuǎn)動(dòng)到進(jìn)口位置即停止，這時(shí)可進(jìn)行下一個(gè)存車操作。取車時(shí)，按動(dòng)操作裝置上的車位編號(hào)按鈕或刷卡，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在可編程序控制器作用下使其按最短路程運(yùn)行至出口，駕駛員進(jìn)入載車吊籃內(nèi)，把車開出車庫(kù)。

本設(shè)備主要參數(shù)如下：

（1）適停車輛：總長(zhǎng)≤5 000 mm，總寬≤1 850 mm，總高≤1 550 mm，總重≤1 700 kg；

（2）最大停車輛數(shù)：16輛；

（3）起重鏈條滾輪半徑：r=85 mm；

（4）起重鏈條節(jié)距：P=460 mm；

（5）底部弧軌半徑：R=659.3 mm；

（6）底部弧軌踏面厚度：B=25 mm；

（7）中心距：H=488.26 mm.

3 易損壞位置

在本類型停車設(shè)備中，由于其特定的傳動(dòng)形式：撥鏈輪驅(qū)動(dòng)起重鏈條在固定軌道內(nèi)運(yùn)行，使得框架主體結(jié)構(gòu)底部的起重鏈條弧形導(dǎo)軌（固定軌道最低處）容易發(fā)生破壞。以某企業(yè)落成的PCX16D九層垂直循環(huán)類停車設(shè)備為例。該設(shè)備在型式試驗(yàn)過(guò)程中，前框架結(jié)構(gòu)底部弧形導(dǎo)軌發(fā)生塑性變形，失效形式見圖2.

圖2 底部弧形導(dǎo)軌失效形式

框架底部結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)形式如圖3所示（去掉底部一節(jié)鏈板）。主要由減速電機(jī)1、傳動(dòng)鏈條2、大鏈輪3、撥鏈輪4、底部弧軌5、起重鏈條6及前框架結(jié)構(gòu)7等組成。

圖3 框架底部結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)形式

4 受力分析

4.1 工作循環(huán)過(guò)程

取1/4撥鏈輪旋轉(zhuǎn)周期為研究對(duì)象。即撥鏈輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°.起重鏈條滾輪從入槽到脫槽過(guò)程狀態(tài)（1-7）如圖4所示。

圖4 撥鏈輪逆時(shí)針工作狀態(tài)示意圖

4.2 起重鏈條拉力與弧軌壓力的關(guān)系

如圖5所示，設(shè)弧軌圓心為A，撥鏈輪回轉(zhuǎn)中心為B，即將入槽的滾輪圓心為C，槽內(nèi)滾輪圓心為D.則在撥鏈輪工作過(guò)程中，如果不考慮摩擦因素的影響，槽內(nèi)的滾輪主要承受以下三個(gè)力：

（1）起重鏈條拉力：FDC，沿鏈板方向；

（2）撥鏈輪驅(qū)動(dòng)力：FDF，方向始終與直線BD垂直；

（3）弧軌壓力：FED.

圖5 入槽滾輪受力示意圖

在圖4工作狀態(tài)1-7中，∠BAC起始角度為54°（狀態(tài)1），終止角度為18°（狀態(tài)7）。而當(dāng)起重鏈條拉力與撥鏈輪驅(qū)動(dòng)力的方向成180°時(shí)，認(rèn)為弧軌壓力為零（狀態(tài)2），此時(shí)直線CD與直線DB相互垂直，則：

本文重點(diǎn)研究范圍為工作狀態(tài)2-7，即∠BAC=18°～46.8°.

在圖5中，直線CE與直線DF平行，與直線AD的交點(diǎn)為E，則直線CE與直線BD垂直，可知：

注：上式中的∠BDA有正負(fù)之分，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

設(shè)FED/FDC=n，則各狀態(tài)下n的數(shù)值如表1所列。

表1 起重鏈條拉力與弧軌壓力線性關(guān)系表

從計(jì)算結(jié)果可知，在撥鏈輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的1/4周期內(nèi)，弧軌壓力FED隨∠BAC的減小而變大，呈線性增長(zhǎng)，且最大值出現(xiàn)在工作狀態(tài)7時(shí)，即滾輪即將脫槽的時(shí)候，與實(shí)際破壞位置相符。

4.3 底部弧軌強(qiáng)度計(jì)算

式中：F為豎直段鏈條所受拉力，不考慮摩擦力的影響，則：

F＝zkmg=7×0.6×1 700×9.8=69 972 N

式中：z為狀態(tài)7時(shí)，設(shè)備單側(cè)最大停車數(shù)量，z=7；k為車輛質(zhì)量分配系數(shù)，k＝0.6.

（2）底部弧軌所受壓力為：

FDE＝0.79FDC＝0.79×73 572.91＝58 122.6 N

（3）根據(jù)赫茲公式[7]，底部弧軌的最大接觸應(yīng)力為：

（1）工作狀態(tài)7時(shí)，起重鏈條DC節(jié)的受力為：

在本臺(tái)設(shè)備中，底部弧軌的材料為調(diào)質(zhì)后的40Cr，參考50#鋼在HB230狀態(tài)下的許用線接觸應(yīng)力為1 050～1 400 MPa，可知，滿足使用要求。

5 事故原因排查

出現(xiàn)問(wèn)題后，相關(guān)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行了排查分析，發(fā)現(xiàn)撥鏈輪回轉(zhuǎn)中心安裝高度有問(wèn)題，實(shí)際安裝中心高度比設(shè)計(jì)圖紙中要求H高出12 mm，造成槽輪與滾輪之間存在干涉現(xiàn)象，即撥鏈輪與底部弧軌、滾輪三者之間存在幾何干涉，撥鏈輪通過(guò)壓迫滾輪擠壓底部弧軌。長(zhǎng)期運(yùn)行后，該三者之間最薄弱者將產(chǎn)生變形。因撥鏈輪、滾輪硬度較高，使底部導(dǎo)軌踏面壓潰。干涉區(qū)域A如圖6所示。

圖6 底部弧軌干涉區(qū)域示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)械式立體停車設(shè)備的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，說(shuō)明了近年比較火爆的垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備的特點(diǎn)、構(gòu)造及工作原理。并以某企業(yè)PCX16D型垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備為例，闡述了該類型車庫(kù)易損部位的計(jì)算方法，對(duì)該設(shè)備前框架結(jié)構(gòu)底部弧軌塑性變形問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，雖然計(jì)算結(jié)果表明，原始設(shè)計(jì)滿足使用要求。問(wèn)題是由于安裝錯(cuò)誤造成的。本設(shè)備重新整改后，底部弧軌使用狀況良好，證明了計(jì)算的正確性。但同時(shí)也可以看出框架結(jié)構(gòu)底部弧軌應(yīng)力較大。本文提出的計(jì)算方法可為本類型車庫(kù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。