PLC立体车库设计升降横移式立体车库机械部分设计.docx
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PLC立体车库设计升降横移式立体车库机械部分设计
图2.1升降横移式立体车库主要组成
安全防护
橫移和克
控制乘狡
①结构框架
立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中我们选用钢架结构（如图2.0所示）。
钢架结构与其它建筑结构相比，具有如下特点：
a.可靠性高
钢材在生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定，性能可靠。
钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体；钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好；钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高
b.材料的强度高，钢结构自重小
与混凝土等材料相比，虽然钢材的重力密度大，但它的强度和弹f生模量较高，而且强度与重力密度之比也高得多。
钢结构自重小，从而便于运输与安装，可减轻基础的负荷，降低地基和基础部分的造价。
c.材料的塑性和韧性好
钢材的塑f生好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。
破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。
钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震,性能优越。
d・钢结构制造简便，施工工期短
钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。
构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。
拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元，再进行吊装。
施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。
由于钢结构具有连接的特，性，故易于加固、改建和拆迁。
e.钢结构密闭性好
钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。
f.钢材的耐锈蚀性差
在没有腐蚀介质的一般环境中，普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料，锈蚀问题并不严重。
立体车库多在没有腐蚀介质的环境中，所以对钢结构本身的维护费用低。
结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。
②上载车板及其提升系统
每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。
其工作原理如图2.0，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链条所需的传动力。
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，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。
③下载车板及其横移系统
由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。
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o根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。
4安全装置
上载车板上装有上下行程极限开尖和防坠落安全装置。
防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。
另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。
下载车板的安全装置主要是行程极限开尖和防碰撞板O行程极限开矢的作用是使载车板横移到位后自动停止。
防碰撞板的作用是：
下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。
5控制系统
升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。
自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。
对于本文中所列的7车位升降横移式立体停车设备，PLC主要要控制二、三层五个升降电机的正反转和
一、二层四个横移电机的正反转。
此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。
2.1.2立体车库钢结构设计
在升降横移式立体车库中其主要结构是钢结构，有两部分：
主体框架部分和载车板部分。
主体框架部分的钢结构比较复杂，运用了“H”型钢、角钢、槽钢等
数种型钢形式，就其连接形式而言比较单一，即焊接和螺栓连接两种形式。
载车板部分的钢结构比较简单，其框架部分为数段矩形方钢对焊而成，其它辅助结构则以角焊代之。
焊接和螺栓连接是车库钢结构部分的两种主要的连接方式，其连接方式的质量优劣将直接影响车库整体结构性能的优良与否，所以在车库的设计和建造中具有很重要的位置。
立体车库在连接过程中主要运用对焊、角焊和螺栓连接。
、焊缝连接要求
1•焊缝金属宜于基本金属相适应，当不同强度的钢材连接时，可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
2•在设计中，不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝，同时，焊缝的布置应尽可能对称于构件的重心。
3•对接焊缝的坡口形式，应根据板厚和施工条件按现行标准《手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》和《埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》的要求选用o
4•在对接焊缝的拼接处，当焊接的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向，从一侧或两侧做成坡度不大于1/4的斜角，当厚度不同时，焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度选定基本形式与尺寸。
5•当采用不焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其有效厚度he不得小于匸5“,t为坡口所在焊件的较大厚度。
在承受动力载荷的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝o
6.角焊缝两焊脚边的夹角a—般为90度（直角角焊缝）。
夹角a>120度或a<60度的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。
7.角焊缝的尺寸应符合下列要求：
（1）角焊缝的焊角尺寸h不得小于1.5t，t为较厚焊件厚度。
但对自动焊，最小焊角尺寸可减小1mm;对于T形连接的单面角焊缝，应增加1mm。
当焊件厚度等于或小于4mm时，则最小焊角尺寸应与焊件尺寸相同o
（2）角焊缝的焊角尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管结构除外）。
但
板件（厚度为t）边缘的角焊缝最大焊角尺寸，当t6mm时，hf\当t>6mm
槽孔短径的1/3。
（3）角焊缝的两焊角尺寸一般为相等，当焊件的厚度相差较大，且焊脚尺寸不能符合上列要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边以及与较厚焊件接触的焊脚边应分别符合上列要求。
（4）侧面脚焊缝或正面脚焊缝的计算长度不得小于和4mmo
（5）侧面脚焊缝的计算长度不宜大于60h（承受静力荷载或间接承受动力载荷时）或40h（承受动力载荷时）；当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。
若内力沿侧面焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。
8.在直接承受动力载荷的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形。
焊脚
尺寸的比例：
对正面脚焊缝宜为1：
1.5（长边顺应力方向）；对侧面脚焊缝
应为1:
1。
9.在次要构件或次要焊件连接中，可采用断续焊接。
断续焊接之间的净距，
不应大于巧t（对受压焊件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件厚度。
10•当角焊缝的端部在构件转角处作长度为的绕脚焊时，转角处必须连续施焊。
二、螺栓连接要求
在立体车库的钢结构中，主立柱与横移导轨“H”型钢的连接是整体结构中的主连
接，高强度螺栓连接则是主连接中常用的连接形式。
高强度螺栓连接按其受力的性能可分
为：
摩擦型和承压型。
摩擦型高强度螺栓连接一摩擦型高强度螺栓连接完全依靠被连接的构件间的摩擦阻力
来传力，完全不靠孔壁承压和栓杆受剪。
摩擦阻力的大小决定于作用在构件摩擦面上的压力
（螺栓的预紧力），同时也与被连接构件的材料及表面处理情况有矢。
施工时不得在摩擦
面上误涂丹红、油漆、淋雨、受潮等。
承压型高强度螺栓连接一靠孔壁承压和栓杆受剪，与普通的螺栓相似，其连接多为螺
纹连接和绞制孔用螺栓连接。
对于同时承受剪力和螺栓杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓，
Nv
其中1-2
式中Nv,M——每个承受型高强度螺栓所受的剪力和拉力；
Nv,N：
NC——每个承压型高强度螺栓的受剪、受拉、承压承载力设计值
立体车库钢结构受力主要包括：
钢结构本身自重，结构架上各停车位的车辆及载车板重力，提升系统起制动所产生的惯性力，驱动装置的重力，顶部梁架受滑轮组、轿箱和配重的重力，整体结构所受的风力、地震载荷以及结构由于外界环境温度变化而引起的温度应力等，它们均以集中或分布方式作用。
由于该立体车库为三层三列式，属于低层钢结构建筑。
因此，我们对该车库模型进行受力分析时作如下假设：
1、车库单独建立，不与其它建筑物相连接，属于最常见状况
2、不计由于结构阴面与阳面温差引起的热应力；
3、整体结构无初始变形和缺陷；
4、在静态环境里，地震载荷与风载荷作用忽略不计。
三、立体车库钢结构分析校核
在车库钢结构设计中，包括轴心受力构件、梁、拉弯和压弯构件的设计。
进行轴心受力构件设计时，轴心受拉构件应满足强度和刚度要求，轴心受压构件除应满足强度、刚度要求外，还应满足整体稳定和局部稳定要求。
在梁的设计中，梁的刚度和强度对截面设计起控制作用，因此应先进行这二者的计算。
由于车库系统对于系统的安全要求特别高，所以还应对其整体稳定进行计算，此外，梁的接点处均应采取构造措施，以防止其端截面发生扭转。
在进行梁的截面设计时，考虑强度，腹板宜既高又薄，考虑整体稳定，翼缘宜既宽又薄，所以在荷载作用下，受压翼缘与腹板有可能发生波形屈曲，即梁发生局部失稳。
发生局部失稳后，梁的部分区域退出工作，将使梁的有效截面积减小，强度承载力和整体稳定性降低，这时可以采取增大板厚度或设置加强肋等措施。
对于压变构件，需要进行强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性计算。
对于拉弯构件，一般只需要进行强度和刚度计算。
在对立体车库钢结构骨架的分析中，我们先从单根梁的受力进行分析，适当简化力学模型，在正确分析各梁的约束和受力的基础上，先对各梁和立柱的刚度和强度进行分析，找出系统薄弱处所在，然后在整体分析之中给予特别尖注。
导轨梁
图22立体车库简化模型
立体车库钢结构骨架由立柱、横梁、纵梁和支承动力及附属装置的上、下支承梁等组成，其立柱通过螺栓与基础相连，其余钢梁靠焊接或者螺栓相互连接。
立柱主要承受压力和其他因素造成的扭矩，即压应力和部分剪应力；前后两个面的纵梁主要承受拉伸和弯矩造成的拉应力和弯曲应力；侧面的横梁承受较小的拉应力和剪应力。
为了减小振动和提高稳定性，各部分都必须保证足够的强度和刚度。
机械传动系统安装在钢结构骨架上，由传动部件和张紧装置组成。
停车托架与传动链条相连，驱动装置和机械传动系统驱动托架循环运行，实现车辆的存取和停放。
设计时采用Q235碳素钢，其屈服极限为235Mpa，抗拉强度为375・500Mpa。
整体车库钢结构许用位移为10mm。
本车库所限车型为小型车和中型车，最大容车重为2000kg,载车板重约700kg，所以每个车位所承受的最大重量为2000+700=2700kg,在每个载车板上模拟汽车前后车轮位置，按照额定载荷6:
4的比例均匀放置集中载荷。
1、支撑柱受力分析
钢结构的支撑住是由H型钢制成，前面有两根立柱均匀分布，后面有两根立柱，均匀分布。
由于每一个立柱承受的力都是均布载荷，所以可以简化为一个集中载荷附加一个弯矩。
在各种受力的工况中，立柱均为受力杆，在竖直方向上，车库骨架承受的力作用到地基，不足以引起立柱的压溃变形，所以可以暂时忽略不计，主要分析在两个弯矩作用下立柱的最大偏移位移量。
立柱的弯矩Me1与Me2
由作用的均布载荷决定，因此支撑住的最大偏移发生在最大受力状态下，即为车
库满载时。
前立柱为三根，后立柱为三根，当车库空载时，
311
P前总70005N13125N
222
每一根前立柱所受载荷卩前总总大于后立柱所受载荷P后总'因此我们重点分析前
己知A点为全约束，
施加在
B点的弯矩
Mei
且\AB2.6m,hBC2.4m,h
CD0.5m,E
1
Mei-（7000
3
20000
?
0.054
558Nm
1
（7000
3
20000
3
?
0.054
837Nm
根据下列公式进行分析
MeX2
苴中0
挠曲方程为：
2EI八屮
3
0.260491710m
由梁的迭加原理得出立柱顶端D端为最大挠度点
3
yDyDiyD20.0670667100.19342510
2、立柱稳定性校核
两中心
前立柱为等截面立柱，受压静力，前立柱受力状态简化如图2.3所示
n空riw
压杆的稳定条件为：
P
其中：
Pc—临界载荷
P—工作载荷
n—安全系数
许用安全系数
P
L
/7T77777~
图24立柱受垂直力简图
（1）立柱的截面力学特性
查简明材料力学附录A型钢表可得HW300X300型H型钢2
面积：
A120.4cm
lx6760cm
求压杆柔度范围值1:
求压杆柔度范围值
（3）强度校核
设立柱空载时受载车板和上层钢结构载荷
Gi7000N
满载时前立柱承受最大载荷
由欧拉公式得临界载荷
n22EI
巳2
21
由机啊论1，1452页^1-1-100查得，金属结构中的压杆安全系数my,取2,取n,=3代入得
2.046107N
辽06105111947
（2500）2
Pc
P
前
n
前立柱的稳定安全系数由上式可知安全。
20463573.9
528.09n3
38750
若按插减系数法计算:
其中
A—受力面积P—工作载荷
—安全系数
—许用安全系数一中心压杆折减系数
P前38750
A0.875118.75
372.93
s235oo7833.3N/cm3
n3
，安全裕度较
3、导轨支撑梁强度校核
前后导轨支撑梁均为两点点支撑，承受作用力相同，故我们分析前导轨支撑梁，
如果前导轨支撑梁在允许范围之内，则后导轨梁也必然符合设计要求。
如图2.5所示，
简支梁AB为两点支撑，受均布载荷的作用，两端全约束，且同样为均布载荷。
A1
图2.5导轨支撑梁受力分析简图
我们先来分析一下图2.5中的梁的受力。
ad厂厂is十1AB5.2m,E2.1Gpa,L6120cm已知A、B两点全约束Kx
1
2—700020000/5.25192N/m,
2
ql2x22
R
理
384EI
均布载荷为:
挠曲方程为:
max
最大挠度为:
max
计算得:
qi4
384EI3742.1
4
51925.21011
87:
6666710
6120108
面积A117cm
Mx
梁所承受的弯矩为
M
max
2
51925.2
则导轨支撑梁所承受的最大弯矩为
皿怖纵17.5447
maxWz4.81105
106
36.4733Mpa
最大应力为
根据材料力学“失效、安全系数和强度”理论，由于钢结构选用材料为
3
10Nm
Q235,
屈服强度为235MPa,取安全系数下所以许用应力
74.9422Mpa
可得max，由强度理论可知：
导轨支撑梁稳定
4、三层横梁强度校核
三层横梁可以简化为固定梁，受力状态如图
B两点产生相应的支反力只人和RB<>
PP
ai_.
图2.6三层横梁受力简图及弯矩图
所承受的主要是拉压受力，所以我们只对其正应力进行分析
梁所承受的弯矩为：
MxPIRa
最大弯矩为：
p
FiF2-F车
F载13.5KN
其中
2车
代入
M
max
Pa2
16.875Mpa
得：
I
Mmax
最大正应力为：
max
Wx
MmaxPa2
325cm3
max
由此可得
max
16.875106
石齐Mpa51.92Mpa
117.5Mpa
Wxw
其中为抗弯截面系数，根据机械设计手册可以得知
则由弯曲强度理论可知：
三层横梁稳定
2.2立体车库升降横移机构设计
2.2.1横移机构设计
立体车库横移传动机构由减速电机、驱动轮和从动轮、地面铺设导轨组成升降横移机构则为升降传动机构与横移传动机构的结合。
升降横移式立体车库底层与中间层载车板为横移机构，上层载车板为升降机构。
升降装置由传动系统、升降架等组成。
1、横移方案选择
其中提升方式分为下列六种，可根据不同要求任意选用。
（1）钢丝绳式提升型式
（2链条式提升型式
（3）
液压式提升型式
（4）
螺杆式提升型式
（5）
液压缸、钢丝绳组合提升型式
（6）
链条、钢丝绳组合提升型式
在立体车库设计中，各种提升方式特点如下：
（1）采用链传动：
优点是传动简单可靠，维修简单，造价低廉；缺点是冲击比较大，有提升高度的限制，安装调试时需要注意是否有咬链的情况出现。
（2采用钢丝绳传动：
优点是对车库底盘可以提升的高度可以不加限制，造价比较低;;缺点是因为需要外加钢丝绳桶和刹车盘增加了安装调试的时间和造价。
（3）采用液压传动：
优点是可以真正实现无级调速，结构紧凑，功率与重量比高、响应速度快、抗干扰能力强、误差小精度高、低速平稳性好、调速范围宽、介质自身可起冷却润滑作用、安全防爆等优点；同时也具有元件昂贵、成本高、密封技术要求高、油液易污染、能源传输不便等缺点o
综上所述，本车库为三层，从提升高度上选链传动或钢丝绳传动都可以，但从方案经济及可行性角度考虑，选择链传动更为有利；在横移运动中，采用异步电机驱动，通过链驱动，也能达到精确、稳定地传动。
图2.7载午板横移原理图
2、横移载车板动力系统计算
运动原理如图27载车板横移原理图所示，减速电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）主要参数的确定
横移运动行程S=2400mm
横移运动时间t=205
横移速度F，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。
S2400
V120mm/s
80mm。
t20
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
横移载车板自重W下700kgf7000N
载车板额定载荷2000k9f20000N
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-M0查得:
行走轮与钢导数的静摩擦系数：
静=0.15
行走轮与钢导数的滚动摩擦系数：
滚动1=0.05
轴承的摩擦系数：
正压2=0.0015
力：
PWW则：
27000N
土口-十加-十十卅.M，厂PR27000.040.15162Nm
起动驱动力矩・起仃
走驱动力矩：
MPR（i2）27000.04（0.050.0015）55.58Nm
M起162c—
2.91
M55.58
M9549"
电机功率计算：
n
kiMn55.58
N
9549
28.7
0.163KW
9549
M-un
16228.7
0.481KW
9549
9549
0.481
2.95倍
0.163
由于结构紧凑，容纳电机的空间狭小，选择台湾明椿电气的减速电机，其参
数如下:
输出扭矩：
75834Nm
输出转速：
码349/m功率：
N0.2KW
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10OOkgM600kgf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。
2.2.2载车板设计
载车板用来承载库存车辆，按结构形式有框架式和拼板式两种。
框架是载车板用型钢和钢板焊接承载框架，并多数采用中间突起结构，在两侧停车通道和中间凸起的顶面铺设不同厚度的钢板。
这种载车板的优点是可按需要设置行车通道宽度，并具有较好的导入功能，适合车型变化较多的小批量生产。
拼板式载车板用镀锌钢板一次冲压或滚压成组装件，采用咬合拼装成载车板，用螺栓紧固连接，拼装前可以先对组件进行各种表面处理，如电镀、烤漆等，使载车板轻巧、美观。
如图2.8所示
图2.8平板式载车板及拼合示意图
2.2.3安全防护机构
车库的安全防护措施非常重要，在众多的车库中车辆的高价性与车库自身的价值相差很大，并与客户对车库的信任度有着密切的联系。
对于升降横移式立体车库，它的安全防护措施要做到以下几点，并配备有相应的防护装置。
1.防火措施：
在车库中安装有温烟传感器，可对车库的火情实行实时监控，并把监控信号传给中央控制系统。
2急停措施：
在发生异常情况时能使停车设备立即停止运转，在操作盒上安装
有紧急停止开矢，并设为红色，以示醒目。
3•阻车装置：
在很多情况下停车时，司机必须要把车停在载车板合适的位置上，一般在载车板的后端一侧安装上一高25mm以上的阻车挡铁。
月•防止超限运行装置：
停车设备在升降过程中，在定位开尖上方装有限位开尖，当定位开尖出现故障时，由限位开笑使设备停止工作，起超程保护作用。
5•人车误入检出装置：
设备运行时，必须装有防止人车误入装置，以确保安全，一般
再考虑应力集中等方面的因素，按交变应力状态的疲劳强度的公式进行该截
面安全系数的校核计算,
其中：
■对称循环应力时的疲劳极限和扭转疲劳极限
K,K_
■正应力有效应力集中系数和剪应力有效应力集中系数
——表面质量系数
——尺寸系数
[S]——许用安全系数值通过校核就可以确定轴的直径
1、横移传动空轴校核
横移电机型号为CLPK22040303，输出的最大扭矩为6.594kgf.M
6.594kgf.M=65.94NM
链传动最大传动效率为0.98
故轴满足强度要求提升传动空轴校核
载车板自重VV700kgf7000N
鬲甲反额定载荷W车2000kgf20000N
、电机0.96n
T电机27000—1155.8Nm
0.96
为安全和稳定起见选用
横移电机型号台湾明椿MLPK55370603，功率3.7KW，输出的最大扭矩为
151.582kgf.m151.582kgf.m=1515.82Nm
链传动最大传动效率为0.98
T0.98T电机0.981515.821485.503Nm
钢管型号为60x6
空心轴的抗扭截面系数为
44963
60454410970.202106m3
1660
故轴满足强度要求
2、横移转轴的校核
上面章节已求得
起动驱动力矩即最大阻力距：
m
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