简易双层小轿车停车设备的设计概述.docx
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简易双层小轿车停车设备的设计概述
摘要
1绪论
1.1立体停车设备概述
2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
2.2总体设计
2.2.1
机架结构部分
2.2.1
载车板部分
2.2.2
传动系统设计
2.2.3
控制系统设计
2.2.4
安全防护设计
3立体停车设备设计计算
3.1动力系统计算
3.1.1横移载车板动力系统计算
3.1.2升降载车板的动力系统计算
3.2结构强度计算
3.2.1机架立柱稳定性计算
3.2.2机架梁强度校核计算
4停车设备制造工艺研究
4.1机架制造工艺
4.2样品主要技术参数参考文献
摘要:
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：
立体停车设备结构设计传动系统控制系统PLC安全
绪论
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/T8713-1998:
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。
停车设备设计开发过程
技术分析比较和方案确定
现有的两层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。
总体设计
立体停车设备共有上、下两层；水平横向可以分为2〜9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。
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。
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。
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。
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。
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。
传动系统设计
传动系统分为升降传动机构、横移传动机构。
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。
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骨轮，YHH骨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。
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。
4下载车板（横向）
3导轨
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态，从而保护了电机。
车库的运行是采用先进的PLC空制，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。
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何编程控制器）。
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。
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。
PLC控制
2.249.1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空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空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。
2.249.3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PL7MCCRO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各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&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
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。
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。
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。
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。
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。
立体停车设备设计计算
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。
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。
V齐二嚮=120
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W下=550kgf=5500N
载车板额定载荷W车=1800kgf=18000N
2）功率计算
电机输出轴转速n计算:
.
n=^iR^jp—麗o=0.47^/s~28.7r/min
其中:
横移速度V=120mm/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
行走轮与钢导数的静摩擦系数：
u静=0.15
行走轮与钢导数的滚动摩擦系数：
比=0.05
滚动轴承的摩擦系数：
氏=0.0015
正压力：
P=WW车=23000N
则：
起动驱动力矩：
M起=PRU=230000.040.15=138NM
行走驱动力矩：
M=PR（u,u2）=230000.04（0.050.0015）=47.38NM
电机功率计算：
M=9549—
n
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：
T2=50.7NM
输出转速：
n2=34.9r；min
功率：
N=0.4kW
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0.2kW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：
V实踏=二Dn=48034.9二8767二146mms
载车板实际横移时间：
t呀镣「込
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：
t上=20s
下降时间：
t下=25〜30s
行程：
S=1900mm
s1850.
V上===92.5mms
上t上20
VT=s=1850=74〜61mms
t下25〜30
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W上=7000N
升降载车板额定载荷W车=18000N
11
:
.平衡绳拉力:
P平=-（V上+W二一（700018000）=6250
44
11
提升绳拉力：
P平=3（V上+W）=2（700018000）=12500
油缸推力：
P=25000N
2）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V上<0.6m/s，属于低速绳传动。
由于载荷较大，静强度占主要地位，按静强度计算比用疲劳强度计算要经济。
绳静强度n=Q」n]
F
式中：
绳极限拉伸载荷Q=86700N
设计功率：
Pd二KaP
机械手册2,13-84页表13-2-3查得，Ka=1.2
绳传递功率P厂P升V上10^=2500092.510’10」=2.31KW（N.M.S）
Pd二Ka^F绳=1.22.31=2.772KW
提升电机选用乐清市弘基电机，其参数如下:
功率：
N=2.2kW
提升减速机选用广州祺强CD-B型减速机。
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。
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：
n许_nw（nw=3）
2）计算压杆柔度
其中：
弹性模量E=20610Ncm2；
比例极限；「p=220102Ncm2;
求压杆柔度范围值2
=61.6
其中：
屈服极限6=235x102Ncm2;
常数查机械手册1,1-156页表1-1-107,a=30400N/cm2;b=112N/cm2;
比较■=127<1,立柱属于大柔度压杆，按欧拉公式计算临界载荷。
3）计算临界载荷
5
临界载荷Pc二旦畀二2.467206102293二372257（N）l200
其中：
立柱的工作载荷p前=37000N;
压杆全长仁200cm;
惯性矩IImin=293cm4;
弹性模量E=206105Ncm2;
由机械手册1,1-154页表1-1-104查得：
=2.467;
工作安全系数：
n=旦10nw,（nw=3）
p37000
由机械手册1，1-152页表1-1-100查得，金属结构中的压杆安全系数
nw=1.8~3，取nw=3。
满足受力稳定性条件，结构安全。
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Rb分别作用在B
C点。
PP=L500
b/2=75
IXoLnlaJIH工
OJ
co
GJ
II
_c
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