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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 概述[1]
隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類的生產(chǎn)、生活方式趨于集中，城市的規(guī)模越來(lái)越大，人們?cè)诔鞘欣锏纳婵臻g卻越來(lái)越小，于是出現(xiàn)了要利用空間的理念，城市中開始建設(shè)立體建筑、立體交通和立體停車。作為現(xiàn)代大都市的標(biāo)志，城市中心商住區(qū)高樓大廈林立；社區(qū)道路、高架交通干道、立交橋和地下鐵路，編織出城市立體交通網(wǎng)；汽車的住宅--停車場(chǎng)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，由平面停車向立體停車，由簡(jiǎn)單的機(jī)械停車設(shè)備向計(jì)算機(jī)管理高度自動(dòng)化的現(xiàn)代立體停車演變，成為具有較強(qiáng)的實(shí)用性、觀賞性和適合城市環(huán)境的建筑。伴隨著汽車進(jìn)入家庭，城市動(dòng)態(tài)、靜態(tài)交通管理制度的不斷完善和人們對(duì)居住環(huán)境要求的提高，給停車產(chǎn)業(yè)提供了前所未有發(fā)展機(jī)遇，停車產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景廣闊。
目前世界停車產(chǎn)業(yè)正向多元化發(fā)展，其停車技術(shù)幾乎包含了當(dāng)今機(jī)械、電子、液壓、光學(xué)、磁控和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的所有成熟先進(jìn)技術(shù)。機(jī)械方面，應(yīng)用了許多新材料、新工藝。設(shè)備結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于組合使用，易于安裝拆卸。鋼結(jié)構(gòu)選用新型優(yōu)質(zhì)鋼材，既提高了設(shè)備的強(qiáng)度和剛度，又使設(shè)備輕巧美觀，載車板采用一次成型的鍍鋅板或彩涂板組裝，美觀、強(qiáng)韌、耐用?？刂萍夹g(shù)方面，廣泛采用可編程序控制器和矢量變頻變壓調(diào)速閉環(huán)控制技術(shù)，使運(yùn)行高速平穩(wěn)，節(jié)省電力，振動(dòng)和噪音也趨于最小。控制形式有，按鈕式、鎖匙式、IC卡式、鍵盤式、觸摸屏式、遙控式等。安全元件采用各種光柵顯示屏、光電管、機(jī)械式行程開關(guān)、磁性接近開關(guān)、光敏感應(yīng)開關(guān)等，安全保護(hù)裝置日臻完善，如汽車出入聲光引導(dǎo)和定位、汽車尺寸和重量自動(dòng)識(shí)別、限速保護(hù)與多重機(jī)構(gòu)互鎖、停車泊位自動(dòng)跟蹤、鏈條和鋼絲繩長(zhǎng)度超范圍報(bào)警和彈性變形自動(dòng)補(bǔ)償、汽車圖象攝影對(duì)比安全檢測(cè)、自動(dòng)消防滅火等。
我國(guó)城市停車還處在初級(jí)階段，專用和公共停車位數(shù)量距合理的車位與車輛比率相差甚遠(yuǎn)，停車難到處可見(jiàn)。目前我國(guó)的停車場(chǎng)仍以平面停車場(chǎng)、路上停車場(chǎng)、路外停車場(chǎng)、自行式停車場(chǎng)為主，立體停車庫(kù)和機(jī)械式停車場(chǎng)數(shù)量還很少。以我國(guó)停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的廣州、上海為例，路上、路外停車仍占有相當(dāng)比例，已建設(shè)的停車場(chǎng)大部分是地下自行式停車場(chǎng)和在自行式停車場(chǎng)的基礎(chǔ)上安裝簡(jiǎn)易停車設(shè)備，增加存容數(shù)量。自行式停車場(chǎng)存有較多缺陷，如車位平均占地多、管理和保安人員多、投資多、存車效率低、耗電量大、對(duì)環(huán)境有污染等；由于允許人員進(jìn)入，易發(fā)生盜車、毀車、施暴等停車場(chǎng)犯罪，近年來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家已很少新建，大量興建的是具有現(xiàn)代水平的機(jī)械式立體停車庫(kù)。
車輛無(wú)處停放的問(wèn)題是城市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)展到一定程度產(chǎn)生的結(jié)果，立體停車設(shè)備的發(fā)展在國(guó)外，尤其在日本已有近30-40年的歷史，無(wú)論在技術(shù)上還是在經(jīng)驗(yàn)上均已獲得了成功。我國(guó)也于90年代初開始研究開發(fā)機(jī)械立體停車設(shè)備，距今已有十年的歷程。由于很多新建小區(qū)內(nèi)住戶與車位的配比為1:1，為了解決停車位占地面積與住戶商用面積的矛盾，立體機(jī)械停車設(shè)備以其平均單車占地面積小的獨(dú)特特性，已被廣大用戶接受。機(jī)械車庫(kù)與傳統(tǒng)的自然地下車庫(kù)相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性。首先，機(jī)械車庫(kù)具有突出的節(jié)地優(yōu)勢(shì)。以往的地下車庫(kù)由于要留出足夠的行車通道，平均一輛車就要占據(jù)40平方米的面積，而如果采用雙層機(jī)械車庫(kù)，可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上多層（21層）立體式車庫(kù)的話，50平方米的土地面積上便可存放40輛車，這可以大大地節(jié)省有限的土地資源，并節(jié)省土建開發(fā)成本。
機(jī)械車庫(kù)與地下車庫(kù)相比可更加有效地保證人身和車輛的安全，人在車庫(kù)內(nèi)或車不停準(zhǔn)位置，由電子控制的整個(gè)設(shè)備便不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)該說(shuō)，機(jī)械車庫(kù)從管理上可以做到徹底的人車分流。
在地下車庫(kù)中采用機(jī)械存車，還可以免除采暖通風(fēng)設(shè)施，因此，運(yùn)行中的耗電量比工人管理的地下車庫(kù)低得多。機(jī)械車庫(kù)一般不做成套系統(tǒng)，而是以單臺(tái)集裝而成。這樣可以充分發(fā)揮其用地少、可化整為零的優(yōu)勢(shì)，在住宅區(qū)的每個(gè)組團(tuán)中或每棟樓下都可以隨機(jī)設(shè)立機(jī)械停車樓。這對(duì)眼下車庫(kù)短缺的小區(qū)解決停車難的問(wèn)題提供了方便條件。
1.2 機(jī)械式立體車庫(kù)的分類[2]
目前，立體車庫(kù)主要有以下幾種形式：升降橫移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式。
（1）升降橫移式
升降橫移式立體車庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì)，每單元可設(shè)計(jì)成兩層、三層、四層、五層、半地下等多種形式，車位數(shù)從幾個(gè)到上百個(gè)。此立體車庫(kù)適用于地面及地下停車場(chǎng)，配置靈活，造價(jià)較低。
（2）巷道堆垛式
巷道堆垛式立體車庫(kù)采用堆垛機(jī)作為存取車輛的工具，所有車輛均由堆垛機(jī)進(jìn)行存取，因此對(duì)堆垛機(jī)的技術(shù)要求較高，單臺(tái)堆垛機(jī)成本較高，所以巷道堆垛式立體車庫(kù)適用于車位數(shù)需要較多的客戶使用。
（3）垂直提升式立體車庫(kù)
垂直提升式立體車庫(kù)類似于電梯的工作原理，在提升機(jī)的兩側(cè)布置車位，一般地面需一個(gè)汽車旋轉(zhuǎn)臺(tái)，可省去司機(jī)調(diào)頭。垂直提升式立體車庫(kù)一般高度較高（幾十米），對(duì)設(shè)備的安全性，加工安裝精度等要求都很高，因此造價(jià)較高，但占地卻最小。
（4）垂直循環(huán)式
垂直循環(huán)式立體車庫(kù)占地少，兩個(gè)泊位面積可停6-10輛車，外裝修可只加頂棚，消防可利用消防栓，價(jià)格低，地基、外裝修、消防等投資少，建設(shè)周期短，可采用自動(dòng)控制，運(yùn)行安全可靠。
1.3 升降橫移式立體車庫(kù)的特點(diǎn)[2]
在眾多的停車設(shè)備中，升降橫移式立體停車的優(yōu)點(diǎn)比較突出，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）節(jié)約占地面積，充分利用空間。一般來(lái)說(shuō)，升降橫移立體停車庫(kù)的占地面積約為平面停車場(chǎng)的1/2-1/25，空間利用率比建筑自走式停車庫(kù)提高了75%。
（2）相對(duì)造價(jià)比較低。升降橫移式立體停車庫(kù)每個(gè)泊位約需1.5萬(wàn)元，而建筑自走式停車庫(kù)每個(gè)車位的造價(jià)約為15萬(wàn)以上。
（3）使用方便，對(duì)操作人員的要求不高，操作簡(jiǎn)單、安全、可靠，存取車快捷，維護(hù)也很方便。一般存取一輛車為80秒。
（4）減少因路邊停車而引起的交通事故。在許多城市的主要地段，司機(jī)往往沒(méi)有找到停車場(chǎng)而把車?？吭诼愤叄@樣就很容易造成交通阻塞，甚至引起交通事故。
（5）增加了汽車的防盜性和防護(hù)性，在車庫(kù)的系統(tǒng)中配置有智能防盜裝置、防火裝置等，增強(qiáng)了車庫(kù)的整體安全。
升降橫移式立體停車庫(kù)是全自動(dòng)化的停車方式，也是今后停車改革的主要方向。尤其是寸土寸金的大城市。采用機(jī)械式立體停車方式，顯得尤為重要，而升降橫移式立體停車庫(kù)也在機(jī)械式立體停車庫(kù)中顯得更加普遍化、居民化、實(shí)用化。
1.4 研究升降橫移式立體停車庫(kù)的意義
我國(guó)近幾十年的改革開放使汽車行業(yè)得到了飛速的發(fā)展，我國(guó)城市的汽車數(shù)量急劇增加，據(jù)有關(guān)專業(yè)統(tǒng)計(jì)，平均5-6年汽車的數(shù)量就增加一倍，這不但給動(dòng)態(tài)交通，也給靜態(tài)交通帶來(lái)很大的難題，突出表現(xiàn)在停車空間的不足上。同時(shí)，我國(guó)城市人口基數(shù)大，密度高的特點(diǎn)，城市小區(qū)的用地十分有限，建造機(jī)動(dòng)的停車設(shè)施顯然不經(jīng)濟(jì)，但飛速增長(zhǎng)的汽車數(shù)量又使得小區(qū)不得不面臨建設(shè)停車設(shè)備的問(wèn)題。[3]
前面已經(jīng)介紹了升降橫移式立體車庫(kù)的特點(diǎn)，成本低，使用方便，擁有占地面積小等特點(diǎn)的小型的升降橫移式立體停車庫(kù)正是解決小區(qū)停車緊張一個(gè)有效的措施。
本章小結(jié)
本章主要介紹了立體車庫(kù)出現(xiàn)的背景，以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，特別是我國(guó)立體車庫(kù)的發(fā)展?fàn)顩r。另外介紹了立體車庫(kù)的分類及各自的特點(diǎn)，通過(guò)比較比較強(qiáng)調(diào)了升降橫移式立體車庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)，從而引出了本文研究升降橫移式立體車庫(kù)的意義。
第2章 車庫(kù)的整體設(shè)計(jì)思路和方案的選擇
2.1 車庫(kù)工作原理
升降橫移式立體車庫(kù)的七個(gè)車位均有載車板，所需存取車輛的載車板通過(guò)升降橫移運(yùn)動(dòng)到達(dá)地面層，駕駛員進(jìn)入車庫(kù)，存取車輛，完成存取過(guò)程。其工作原理是：底層只能平移，頂層只能升降，中間層既可平移又可升降。除頂層外，中間層和底層必須預(yù)留一個(gè)空車位，供進(jìn)出車升降之用。當(dāng)?shù)讓榆囄贿M(jìn)出車時(shí)，無(wú)需移動(dòng)其他托盤就可直接進(jìn)出車；中間層、頂層進(jìn)出車時(shí)，先要判斷其對(duì)應(yīng)的下方位置是否為空，不為空時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的平移處理，直到下方為空才可進(jìn)行下降和進(jìn)出車動(dòng)作，進(jìn)出車后再上升回到原位置。其運(yùn)動(dòng)總原則是：升降復(fù)位，平移不復(fù)位。如圖2-1所示，1 、2號(hào)車位可以直接存放車輛；7 號(hào)車位需下降后再存放車輛；3 號(hào)車位，則需先將1 號(hào)和2號(hào)載車板右移，再將3號(hào)載車板下降;；4 號(hào)車位，則需先將2 號(hào)載車板右移，再將4號(hào)存車板下降；5號(hào)車位需要先將1、2、3、4號(hào)四個(gè)載車板右移，再將5號(hào)載車板下降；6號(hào)車位則需要先將2、4號(hào)載車板右移，再將6號(hào)載車板降下。
圖2-1 七車位升降橫移式立體車庫(kù)工作原理圖
2.2 車庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成[4]
以三層三列式立體車庫(kù)為模型建立研究對(duì)象。升降橫移式立體車庫(kù)主要由結(jié)構(gòu)框架部分、載車板部分、橫移系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)六大部分組成，如圖2-2所示。
圖2-2 升降橫移式立體車庫(kù)主要組成
2.2.1 結(jié)構(gòu)框架的方案[5]
立體車庫(kù)一般主要以鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土為主，在升降橫移式車庫(kù)中選用鋼架結(jié)構(gòu)，如圖2.2所示。鋼架結(jié)構(gòu)與其它建筑結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點(diǎn)：
（1）可靠性高
（2）材料的強(qiáng)度高，鋼結(jié)構(gòu)自重小
（3）材料的塑性和韌性好
（4）鋼結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便，施工工期短
（5）鋼結(jié)構(gòu)密閉性好
（6）鋼材的耐銹蝕性差
結(jié)構(gòu)主體采用熱制H 型鋼、槽鋼、角鋼和鋼板等型材制造，具有較好的強(qiáng)度和剛度，輕巧、美觀，并可二次拆卸安裝，運(yùn)輸方便。
在升降橫移式立體車庫(kù)中其主要結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)，有兩部分：主體框架部分和載車板部分。主體框架部分的鋼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)用了“H”型鋼、角鋼、槽鋼等數(shù)種型鋼形式，就其連接形式而言比較單一，即焊接和螺栓連接兩種形式。載車板部分的鋼結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其框架部分為數(shù)段矩形方鋼對(duì)焊而成，其它輔助結(jié)構(gòu)則以角焊代之。焊接和螺栓連接是車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)部分的兩種主要的連接方式，其連接方式的質(zhì)量?jī)?yōu)劣將直接影響車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)良與否，所以在車庫(kù)的設(shè)計(jì)和建造中具有很重要的位置。立體車庫(kù)在連接過(guò)程中主要運(yùn)用對(duì)焊、角焊和螺栓連接。
2.2.2 載車板設(shè)計(jì)
載車板用來(lái)承載庫(kù)存車輛，按結(jié)構(gòu)形式有框架式和拼板式兩種?？蚣苁禽d車板用型鋼和鋼板焊接承載框架，并多數(shù)采用中間突起結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)停車通道和中間凸起的頂面鋪設(shè)不同厚度的鋼板。這種載車板的優(yōu)點(diǎn)是可按需要設(shè)置行車通道寬度，并具有較好的導(dǎo)入功能，適合車型變化較多的小批量生產(chǎn)。拼板式載車板用鍍鋅鋼板一次沖壓或滾壓成組裝件，采用咬合拼裝成載車板，用螺栓緊固連接，拼裝前可以先對(duì)組件進(jìn)行各種表面處理，如電鍍、烤漆等，使載車板輕巧、美觀。如圖2-3所示。
圖2-3 平板式載車板及拼合示意圖
2.2.3 提升系統(tǒng)的方案
每塊上載車板都配有一套獨(dú)立的電機(jī)減速機(jī)與鏈傳動(dòng)組合的傳動(dòng)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示 ，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，載車板上升，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，載車板下降。根據(jù)載車板及車重確定鏈條所需的傳動(dòng)力。根據(jù)傳動(dòng)力及載車板的移動(dòng)速度確定電機(jī)功率。根據(jù)車身高度確定上下載車板間的距離，根據(jù)這個(gè)距離確定鏈條的長(zhǎng)度，最后根據(jù)傳動(dòng)力確定鏈輪大小，鏈節(jié)形狀及大小。
圖2-4 提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.4 橫移系統(tǒng)的方案
立體車庫(kù)橫移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪、地面鋪設(shè)導(dǎo)軌組成。升降橫移機(jī)構(gòu)則為升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與橫移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)合。升降橫移式立體車庫(kù)底層與中間層載車板為橫移機(jī)構(gòu)，上層載車板為升降機(jī)構(gòu)。升降裝置由傳動(dòng)系統(tǒng)、升降架等組成。
（1）鏈傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠，維修簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉;缺點(diǎn)是沖擊比較大，有提升高度的限制，安裝調(diào)試時(shí)需要注意是否有咬鏈的情況出現(xiàn)。
（2）鋼絲繩傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是對(duì)車庫(kù)底盤可以提升的高度可以不加限制，造價(jià)比較低；缺點(diǎn)是因?yàn)樾枰饧愉摻z繩桶和剎車盤增加了安裝調(diào)試的時(shí)間和造價(jià)。
（3）液壓傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，結(jié)構(gòu)緊湊，功率與重量比高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、誤差小精度高、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬、介質(zhì)自身可起冷卻潤(rùn)滑作用、安全防爆等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)也具有元件昂貴、成本高、密封技術(shù)要求高、油液易污染、能源傳輸不便等缺點(diǎn)。
綜上所述，本車庫(kù)為三層，從提升高度上選鏈傳動(dòng)或鋼絲繩傳動(dòng)都可以，但從方案經(jīng)濟(jì)及可行性角度考慮，選擇鏈傳動(dòng)更為有利；在橫移運(yùn)動(dòng)中，采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鏈驅(qū)動(dòng)，也能達(dá)到精確、穩(wěn)定地傳動(dòng)，如圖2-5所示。
由于下載車板不需懸掛鏈條，所以為了節(jié)省材料，下載車板比上載車板要短。每塊下載車板后部都配有一套獨(dú)立的電機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，藏于載車板內(nèi)。在下載車板底部裝有四只鋼輪，可以在導(dǎo)軌上行走，其中兩只為主動(dòng)輪，裝于長(zhǎng)傳動(dòng)軸兩端，另兩只為獨(dú)立安裝的從動(dòng)輪。電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，長(zhǎng)傳動(dòng)軸上的主動(dòng)鋼輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)行走從而使下載車板作橫向平移運(yùn)動(dòng)。根據(jù)載車板及車輛的重量、行走速度、滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)確定橫移電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。
圖2-5 橫移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.5 安全防護(hù)機(jī)構(gòu)的方案
車庫(kù)的安全防護(hù)措施非常重要，在眾多的車庫(kù)中車輛的高價(jià)性與車庫(kù)自身的價(jià)值相差很大，并與客戶對(duì)車庫(kù)的信任度有著密切的聯(lián)系。對(duì)于升降橫移式立體車庫(kù)，它的安全防護(hù)措施要做到以下幾點(diǎn)，并配備有相應(yīng)的防護(hù)裝置。
（1）防火措施：在車庫(kù)中安裝有溫?zé)焸鞲衅?，可?duì)車庫(kù)的火情實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并把監(jiān)控信號(hào)傳給中央控制系統(tǒng)。
（2）急停措施：在發(fā)生異常情況時(shí)能使停車設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在操作盒上安裝有緊急停止開關(guān)，并設(shè)為紅色，以示醒目。
（3）阻車裝置：在很多情況下停車時(shí)，司機(jī)必須要把車停在載車板合適的位置上，一般在載車板的后端一側(cè)安裝上一高25mm以上的阻車擋鐵。
（4）防止超限運(yùn)行裝置：停車設(shè)備在升降過(guò)程中，在定位開關(guān)上方裝有限位開關(guān)，當(dāng)定位開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，由限位開關(guān)使設(shè)備停止工作，起超程保護(hù)作用。
（5）人車誤入檢出裝置
設(shè)備運(yùn)行時(shí)，必須裝有防止人車誤入裝置，以確保安全，一般采用紅外裝置。一旦檢測(cè)到在車庫(kù)運(yùn)作時(shí)，有人或其它物體進(jìn)入車庫(kù)，系統(tǒng)就會(huì)使這個(gè)車庫(kù)停止運(yùn)作。
（6）防止載車板墜落裝置
上載車板上裝有上下行程極限開關(guān)和防墜落安全裝置。防墜落安全裝置裝在縱梁與上載車板上停位之間，在縱梁兩測(cè)各裝兩只掛鉤，上載車板兩側(cè)相應(yīng)位置處各裝兩只耳環(huán)，當(dāng)上載車板上升到位后，縱梁下面的四只掛鉤便自動(dòng)套入四只耳環(huán)內(nèi)，以防止升降電機(jī)常閉制動(dòng)器慢釋放后，上載車板在汽車和載車板本身的重力作用下慢慢下滑，壓壞下層汽車。另外也防止制動(dòng)器一旦失靈，上載車板從上停車位墜落，砸壞下層汽車，如圖2-6所示。下載車板的安全裝置主要是行程極限開關(guān)和防碰撞板。行程極限開關(guān)的作用是使載車板橫移到位后自動(dòng)停止。
載車板的防墜落裝置是立體車庫(kù)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，在泊車安全方面起著決定性的作用。防墜落裝置中解鎖動(dòng)作由電磁鐵完成。解鎖動(dòng)作要求，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)以推桿觸動(dòng)安全鉤解鎖;當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)推桿自動(dòng)縮回。
圖2-6 防止載車板墜落裝置
2.3控制系統(tǒng)工作原理和方案
升降橫移式立體車庫(kù)的系統(tǒng)控制原理：操作者(人)要通過(guò)控制系統(tǒng)信息交流的平臺(tái)(界面)把操作信息傳送給控制系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)處理后，系統(tǒng)把可識(shí)別的控制信息通過(guò)輔助設(shè)備驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，來(lái)完成車庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)作。其系統(tǒng)控制原理框圖，如圖2-7所示。
用戶
狀態(tài)檢測(cè)單元
控制器
操作平臺(tái)
車位執(zhí)行單元
圖2-7 車庫(kù)系統(tǒng)控制原理框圖[6]
立體車庫(kù)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容。硬件集中安放在控制箱內(nèi)，控制箱采用的金屬外殼起到屏蔽作用，以保證系統(tǒng)欲行的可靠性?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制。車庫(kù)控制系統(tǒng)硬件主要分為4個(gè)部分：
(1)電源部分：采用380V，50HZ三相交流電供電。
(2)PLC部分：采用OMRON的C60P-CDR-AE型可編程序控制器。
(3)電機(jī)部分：采用5臺(tái)2.2KW減速電機(jī)控制頂層和中間層載車板的升降，4臺(tái)0.2KW的減速電機(jī)控制中間層和下層載車板的橫移。
(4)信號(hào)檢測(cè)部分：采用傳感器檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)。
PLC硬件系統(tǒng)如圖2-8所示，PLC是車庫(kù)控制系統(tǒng)的核心，整個(gè)車庫(kù)設(shè)計(jì)由一臺(tái)PLC對(duì)車庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和監(jiān)控，通過(guò)PLC控制載車板縱橫傳動(dòng)裝置以完成對(duì)車輛的存取操作。各車位內(nèi)車輛的調(diào)入調(diào)出由PLC根據(jù)當(dāng)前各車位的車輛存放情況，按照相應(yīng)的調(diào)度策略調(diào)度車輛進(jìn)出。其操作大致分為3類:
（1）以故障診斷和處理為主的操作；
（2）聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)狀況的數(shù)據(jù)操作；
（3）執(zhí)行用戶程序和服務(wù)及外部設(shè)備的命令操作。
當(dāng)進(jìn)行存取操作時(shí)，PLC接收和分析操作人員在控制面板按鈕（或上位機(jī))輸人的指令，做出合理的工控安排:判斷檢測(cè)元件的狀態(tài)，讀取車庫(kù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分的信息，反饋信息到執(zhí)行元件，拖動(dòng)車位板，實(shí)現(xiàn)其位置移動(dòng)，完成車輛的存取操作和信號(hào)顯示(指示燈)。整個(gè)動(dòng)作區(qū)域配有光、電檢測(cè)及多重安全系統(tǒng)，以防異常情況發(fā)生。通過(guò)光電檢測(cè)、軟硬件信號(hào)聯(lián)鎖、限位、防墜保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等裝置，來(lái)確保整個(gè)系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。
系統(tǒng)輸入端有自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)，自動(dòng)工作時(shí)有總開、總停按鈕，有上、下、左、右移動(dòng)按鈕，車位號(hào)信號(hào)輸入若干。輸出端需要控制9臺(tái)電機(jī)(4臺(tái)橫移小電機(jī)和5臺(tái)升降大電機(jī))，加上一些用于人機(jī)交流及安全檢測(cè)的數(shù)字量輸入輸出，如數(shù)字鍵盤輸入、LED數(shù)碼顯示、安全檢測(cè)、及各種操作按鈕等。再考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，選用OMRON公司的CZOOH系列的160點(diǎn)可編程序控制器(96個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)，64個(gè)繼電器輸出點(diǎn))完全滿足容量的要求。在分配輸入輸出點(diǎn)時(shí)按照控制功能分段，相同功能的輸入板和輸出板組成一組。一般情況下輸入點(diǎn)與輸入信號(hào)，輸出點(diǎn)與輸出控制一對(duì)應(yīng)。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。在本系統(tǒng)中報(bào)警器是幾個(gè)信號(hào)共用一個(gè)輸出點(diǎn)，各報(bào)警因素邏輯關(guān)系并聯(lián)后接到報(bào)警輸出點(diǎn)。
圖2-8 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[7]
PLC程序設(shè)計(jì)方案如下：
（1）初始化程序提出系統(tǒng)的控制信息，掃描各到位開關(guān)信號(hào)；
（2）主控制程序按照進(jìn)車優(yōu)先的原則，將最多的車位保持在進(jìn)車位置。每個(gè)載車板運(yùn)動(dòng)之前，需要先判斷目的地是否有空位，有空位才可以動(dòng)作，前后動(dòng)作互鎖。判斷是否有空位是根據(jù)橫移電機(jī)所對(duì)應(yīng)的到位行程開關(guān)動(dòng)作信息來(lái)確定的。液壓升降系統(tǒng)啟、停動(dòng)作也是根據(jù)相應(yīng)的到位行程開關(guān)來(lái)確定；
（3）故障報(bào)警程序故障報(bào)警程序能夠?qū)崟r(shí)地采集設(shè)備異常信息，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒司機(jī)和管理人員進(jìn)行處理。若在程序執(zhí)行過(guò)程中，有人、物侵入車庫(kù)空間或車輛超長(zhǎng)，PLC將按照閉鎖關(guān)系停止設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警。該程序完整而高效的完成了二層升降平移式車庫(kù)全部動(dòng)作，具有安全可靠性。完全達(dá)到了作為民用機(jī)電一體化設(shè)備所應(yīng)具備的條件，充分發(fā)揮了它的作用。
2.4 車庫(kù)外圍的設(shè)計(jì)
由于本文設(shè)計(jì)的升降橫移式立體車庫(kù)規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，占地少，因此外圍只考慮車庫(kù)庫(kù)前空地設(shè)計(jì)，因?yàn)檐噹?kù)庫(kù)前空地是車輛出入庫(kù)時(shí)保持車輛暢通和安全的必要保證。由于車庫(kù)所處的位置、車庫(kù)周邊建筑物條件、車庫(kù)所對(duì)支路情況、車庫(kù)所對(duì)主路情況、車流數(shù)量和車速等條件的不同，庫(kù)前空地大小和形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)不同。
本車庫(kù)采用前進(jìn)入庫(kù)、后退出庫(kù)、沒(méi)有的車庫(kù)，其庫(kù)前空地要能滿足在允許停放最大尺寸車輛出庫(kù)時(shí)所需的轉(zhuǎn)向空間和一輛允許停放最大尺寸車輛將要入庫(kù)的暫時(shí)停放空間。兩者要保留足夠的安全距離，并能保證入庫(kù)車輛在暫時(shí)停放位能順利駛?cè)霂?kù)內(nèi)，保證車輛在出入庫(kù)作業(yè)時(shí)不能發(fā)生相互干擾和危險(xiǎn)事情。
汽車在某速度下的最小轉(zhuǎn)變變徑計(jì)算公式為：
mν22r=μmg
其中，m為汽車質(zhì)量，ν為汽車行駛速度，r為汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，μ為汽車輪胎與路面的摩擦系數(shù)，正常干燥瀝青路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天路面摩擦系數(shù)降為0.4，雪天則為0.28，因此汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑主要與汽車行駛速度、汽車輪胎質(zhì)量和路面狀況有關(guān)。
由上式可估算車長(zhǎng)4700mm，寬1700mm的汽車在一擋以20km/s速度在μ=0.5的路面上行駛時(shí)，汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑約為3m，因此空地距離車庫(kù)最近不應(yīng)小于4.7m。
為保證安全，設(shè)計(jì)空地距車庫(kù)的最小距離不小于9m，以保證充足空間使車出入庫(kù)。
2.5 車庫(kù)整體設(shè)計(jì)參數(shù)
本課題給出轎車的幾何參數(shù)為：車身長(zhǎng)為4700mm，車身寬為1700mm，車身高為1550mm,總重是1600Kg。載車板為載車容器，其尺寸應(yīng)該大于轎車的尺寸，故載車板的尺寸初步定為：長(zhǎng)L=4825mm,寬W=2000mm.為了保證載車板的自由運(yùn)動(dòng)，左右兩個(gè)立柱間的距離應(yīng)該大于載車板的寬度，因?yàn)檫@樣既有利于轎車的存取，也有利于載車板的安放，所以把左右兩個(gè)立柱間的距離定為7200mm,基坑的長(zhǎng)度為6230mm。這是載車板和車庫(kù)框架的大體尺寸。
本章小結(jié)
本章從三層三列式立體車庫(kù)的原理和基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，針對(duì)每一個(gè)基本結(jié)構(gòu)如鋼架結(jié)構(gòu)、載車板、升降橫移系統(tǒng)、安全防護(hù)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等的分析比較提出了合理的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)車庫(kù)外圍進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了車庫(kù)的基本尺寸參數(shù)。
第3章 車庫(kù)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)分析校核
3.1 鋼結(jié)構(gòu)的分析校核
3.1.1 進(jìn)行受力分析的基本假設(shè)[5]
由于車庫(kù)的實(shí)際受力情況很復(fù)雜，必須對(duì)它進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)后才能進(jìn)行進(jìn)一步的受力分析，基本假設(shè)如下：
(1)停車庫(kù)單獨(dú)建立，不與其它建筑物相接;
(2)不計(jì)由于結(jié)構(gòu)陰面與陽(yáng)面溫差引起的熱應(yīng)力;
(3)整體結(jié)構(gòu)無(wú)初始變形和缺陷：
(4)在靜態(tài)環(huán)境里，地震載荷與風(fēng)載荷作用忽略不計(jì)。
3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)骨架的受力情況
鋼結(jié)構(gòu)受力主要包括：鋼結(jié)構(gòu)本身自重，結(jié)構(gòu)架上各停車位的車輛及固定叉梳重量，提升系統(tǒng)制動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，驅(qū)動(dòng)裝置的重力，頂部梁架所受滑輪組和配重的重力，它們以集中或均布方式作用。按基本載荷作用情況，將停車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)骨架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算工況分為表3-1所示的4種工況。
表3-1 車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算工況
計(jì)算工況
計(jì)算載荷
序號(hào)
工況
說(shuō)明
1
空載
每個(gè)車位均無(wú)車輛載荷
剛結(jié)構(gòu)自重、傳動(dòng)系統(tǒng)重量和配重
2
對(duì)稱滿載
每個(gè)車位均有對(duì)稱分布的車輛載荷
工況1的載荷和車位上的車輛載荷
3
非對(duì)稱滿載
每個(gè)車位均按前后輪6:4分配的車輛載荷
工況1的載荷和車位上的車輛載荷
4
最大偏載
車庫(kù)一側(cè)車位無(wú)車，另一側(cè)車位均有按前后輪6:4分配的車輛載荷
工況1的載荷和車位上的車輛載荷
由有限元分析法可知，各工況鋼結(jié)構(gòu)骨架均在前輪放置一側(cè)兩邊立柱與下方橫梁交點(diǎn)處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，其中對(duì)稱載荷工況壓應(yīng)力最大。4種工況分別在鋼結(jié)構(gòu)骨架后輪放置一側(cè)立柱與基礎(chǔ)連接點(diǎn)處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，其中非對(duì)稱載荷工況拉應(yīng)力最大。[5]
3.1.3 校核計(jì)算
在車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括軸心受力構(gòu)件、梁、拉彎和壓彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)。進(jìn)行軸心受力構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，軸心受拉構(gòu)件應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求，軸心受壓構(gòu)件除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還應(yīng)滿足整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定要求。
設(shè)計(jì)時(shí)采用Q235碳素鋼，由文獻(xiàn)[5,131～141]，可知其屈服極限為235Mpa，抗拉強(qiáng)度為375-500Mpa。整體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)許用位移為10mm。本車庫(kù)所限車型為小型車，最大容車重為1600kg，載車板重約700kg，所以每個(gè)車位所承受的最大重量為2300kg，在每個(gè)載車板上模擬汽車前后車輪位置，按照額定載荷6：4比例均勻放置集中載荷。
3.1.3．1 立柱穩(wěn)定性校核
前立柱為等截面立柱，受壓靜力，前立柱受力狀態(tài)簡(jiǎn)化如圖3-1所示。兩中心壓桿的穩(wěn)定條件為：
n=PCP≥nw
其中： Pc--臨界載荷
P--工作載荷
n--安全系數(shù)
nw--許用安全系數(shù)
圖3-1 立柱受垂直力簡(jiǎn)圖
（1）立柱的截面力學(xué)特性
由文獻(xiàn)[8，218～230]型鋼表可得HW 300X300型H型鋼
面積： A=120.4cm2
慣性矩：Ix=6760cm4，Iy=2050cm4
慣性半徑：ix=7.49cm，iy=13.05cm
（2）確定壓桿柔度
λ=μlimin=2×5007.49=33.51
其中：
壓桿全長(zhǎng)為l=500cm
由文獻(xiàn)[9,1-153]可得壓桿長(zhǎng)度系數(shù)u=2
求壓桿柔度范圍值λ1：
λ1=πEσP=π206×105220×102=96
其中：
彈性模量 E=206×105N/cm2
比例極限 σp=220×102N/cm2
求壓桿柔度范圍值
λ2=a-σsb
其中：
屈服極限σs=235×102N/cm2
常數(shù)查機(jī)械手冊(cè)1，l-1-07，
a= 30400N/cm2 ;b=112N/cm2
λ2=a-σsb=30400-23500112=1.6
若λ=133.51>λ1=96>λ2=61.6則前立柱屬于細(xì)長(zhǎng)桿，應(yīng)按歐拉公式計(jì)算
臨界載荷。
（3）強(qiáng)度校核
設(shè)立柱空載時(shí)受載車板和上層鋼結(jié)構(gòu)載荷
G1=7000N
滿載時(shí)前立柱承受最大載荷
G2=5×7000×12+5×35×16000=65500N
則立柱的工作載荷
P前=12G2=65500×12=32750N
由歐拉公式得臨界載荷
Pc=nω2π2EI(2l）2
由文獻(xiàn)[9,1-152]查得，金屬結(jié)構(gòu)中的壓桿安全系數(shù)
nω=1.8~3,取nω=3,代入得
Pc=32×π2×206×105×11194.7(2×500)2=2.046×107N
前立柱的穩(wěn)定安全系數(shù)
n=PcP前=20463573.938750=528.09>nω=3
由上式可知安全。
若按插減系數(shù)法計(jì)算：
σ=PφA≤[σ]=σSnS
其中A—受力面積
P—工作載荷
[σ]—安全系數(shù)
ns—許用安全系數(shù)
φ一中心壓桿折減系數(shù)
σ=P前φA=387500.875×118.75=372.93<[σ]=σSnS=235003=7833.3MPa
安全裕度較大。
3.1.3.2 導(dǎo)軌支撐梁強(qiáng)度校核
前后導(dǎo)軌支撐梁均為兩點(diǎn)點(diǎn)支撐，承受作用力相同，故我們分析前導(dǎo)軌支撐梁，如果前導(dǎo)軌支撐梁在允許范圍之內(nèi)，則后導(dǎo)軌梁也必然符合設(shè)計(jì)要求。如圖3-2所示，簡(jiǎn)支梁AB為兩點(diǎn)支撐，受均布載荷的作用，兩端全約束，且同樣為均布載荷。
圖3-2 導(dǎo)軌支撐梁受力分析簡(jiǎn)圖
已知A、B兩點(diǎn)全約束 lAB=5.2m,E=2.1Gpa,Ix=6120cm4
均布載荷為：
q=2×12×（7000+16000）5.2=4423N/m
最大撓度為：
fmax=ql4384EI
計(jì)算得：
fmax=4423×5.24374×2.1×1011×6120×10-8=6.73×10-4m
面積A=117cm2
梁所承受的彎矩為
Mx=ql212(6ωRδ-1)
則導(dǎo)軌支撐梁所承受的最大彎矩為
Mmax=ql28=4423×5.228=14.95×103N.m
最大應(yīng)力為
σmax=MmaxWZ=14.95×1034.81×102=31.08MPa
根據(jù)文獻(xiàn)[8]“失效、安全系數(shù)和強(qiáng)度”理論，由于鋼結(jié)構(gòu)選用材料為Q235，
屈服強(qiáng)度為235MPa，取安全系數(shù)下n=2，所以許用應(yīng)力σ=74.9422Mpa。
可得σmax<[σ]，由強(qiáng)度理論可知：導(dǎo)軌支撐梁穩(wěn)定。
3.1.3.3 三層橫梁強(qiáng)度校核
三層橫梁可以簡(jiǎn)化為固定梁，受力狀態(tài)如圖3-3所示。橫梁兩端固定，A、
B兩點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的支反力RA和RB。
圖3-3 三層橫梁受力簡(jiǎn)圖及彎矩圖
所承受的主要是拉壓受力，所以我們只對(duì)其正應(yīng)力進(jìn)行分析。
梁所承受的彎矩為：Mx=Pl(ε-ωRa)
最大彎矩為：
Mmax=Pa2l
其中P=F1=F2=12F車+F載=13.5KN
代入得：
Mmax=Pa2l=16.875Mpa
最大正應(yīng)力為：
σmax=MmaxWx
其中Wx為抗彎截面系數(shù)，由文獻(xiàn)[9]查得W=325cm3
由此可得
σmax=MmaxWx=16.875×1063.25×105MPa=51.92MPa<[σ]=117.5MPa
則由彎曲強(qiáng)度理論可知：三層橫梁穩(wěn)定。
3.2 立體車庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在鋼結(jié)構(gòu)骨架上，由傳動(dòng)部件和張緊裝置組成。停車托架與傳動(dòng)鏈條相連，驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)托架循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車輛的存取和停放。
3.2.1 橫移載車板動(dòng)力計(jì)算
3.2.1.1 主要參數(shù)的確定
橫移運(yùn)動(dòng)行程 s = 2400mm
橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t = 20s
橫移速度F，主要由設(shè)備運(yùn)行周期，周圍環(huán)境的安全性，載車運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性等因素確定。
V=St=240020=120mm/s
行走輪直徑：由結(jié)構(gòu)尺寸及輪壓等因素決定，行走輪直徑確定為140mm。
橫移載車板自重 W下=7000N
載車板額定載荷 W車=16000N
3.2.1.2 功率計(jì)算
電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速n計(jì)算：
n=VπD=120π×140=0.48r /s=16.4r/min
其中：橫移速度V=120mm/s
行走輪直徑D=140mm
驅(qū)動(dòng)力矩M計(jì)算：
由文獻(xiàn)[9]表1-1-7、1-1-9、1-1-10查得：
行走輪與鋼導(dǎo)數(shù)的靜摩擦系數(shù)：μ靜=0.15
行走輪與鋼導(dǎo)數(shù)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)：μ1=0.05
滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)：μ2=0.0015
正壓力：P=W下+W車=23000N
則：
起動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩：M起=PRμ=23000×0.04×0.15=138N.m
走驅(qū)動(dòng)力矩：M=PRμ1+μ2=23000×0.04×0.05+0.0015=47.38N.m
M起M=13847.38=2.91
電機(jī)功率計(jì)算 ：
M=9549Nn
N=Mn9549=47.38×16.49549=0.081KW
N起=M起n9549=138×16.49549=0.24KW
N起N=0.240.081=2.96
由于結(jié)構(gòu)緊湊，容納電機(jī)的空間狹小，選擇臺(tái)灣明椿電氣的減速電機(jī)，其參數(shù)如下：
輸出扭矩：T2=58.34N/m
輸出轉(zhuǎn)速：n2=34.9r/min
功率：N=0.2KW
載車板的額定載荷是承載的最高上限，實(shí)際使用概率很小，通?？梢圆窜嚨能囕v的重量都在1000kg-1600kg之間這是由車型所決定的，所以功率不需留余量，選擇0.2KW的電機(jī)比較經(jīng)濟(jì)電機(jī)允許短時(shí)超載，靜摩擦引起的大起動(dòng)阻力矩不會(huì)造成電機(jī)損壞。
3.2.2 傳動(dòng)軸的分析校核
本文中立體車庫(kù)的升降部分和橫移部分均采用鏈傳動(dòng)輸入動(dòng)力。鏈傳動(dòng)由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和繞在鏈輪上的鏈條組成。鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)：能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比；傳動(dòng)效率高，可達(dá)到0.95～0.98；作用在軸上的壓力較?。荒茉诟邷?、油污等惡劣環(huán)境工作。
軸在升降傳動(dòng)系統(tǒng)和橫移傳動(dòng)系統(tǒng)中都是特別重要的，它不但影響著傳動(dòng)的好壞還影響著車輛的安全，在軸的設(shè)計(jì)中，按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)行初算軸，然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定軸徑后，再對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核。
根據(jù)實(shí)際情況確定危險(xiǎn)截面，求出該截面的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)。
σa=σmax=MW
τa=τmax=Twp（循環(huán)特征為對(duì)稱循環(huán)，脈動(dòng)循環(huán)）
再考慮應(yīng)力集中等方面的因素，按交變應(yīng)力狀態(tài)的疲勞強(qiáng)度的公式進(jìn)行該截面安全系數(shù)的校核計(jì)算，
S=SσSτSσSτ≥[S]
Sσ=σ-1Kσβεσσa+ψσσm
Sσ=σ-1Kτβεττa+ψττm
其中： σ-1,τ-1——對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限和扭轉(zhuǎn)疲勞極限
Kσ,Kτ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)和剪應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)
β——表面質(zhì)量系數(shù)
ε——尺寸系數(shù)
[s]——許用安全系數(shù)值
通過(guò)校核就可以確定軸的直徑。
3.2.2.1 橫移傳動(dòng)空軸校核
橫移電機(jī)型號(hào)為CLPK22040303，輸出的最大扭矩為65.94N.m，鏈傳動(dòng)最大傳動(dòng)效率為0.98
T=0.98T電機(jī)=0.98×65.94=64.6212N.m
空心軸的抗扭截面系數(shù)為
Wt=π16D(D4-d4)=π16×50(504-454)×10-9=40.626×10-6m3
軸的最大切應(yīng)力為
τmax=TWt=64.621240.626×10-6=1.59×106Pa=1.59MPa<[τ]=60MPa
故軸滿足強(qiáng)度要求。
3.2.2.2 提升傳動(dòng)空軸校核
載車板自重 W載=7000N
載車板額定載荷 W車=16000N
W總=T電機(jī)×0.96×n
T電機(jī)≥230000.96×16.4=1460.9N.m
為安全和穩(wěn)定起見(jiàn)選用提升電機(jī)型號(hào)臺(tái)灣明椿MLPK55370603，功率3.7KW，輸出的最大扭矩為1515.82N.m。
鏈傳動(dòng)最大傳動(dòng)效率為0.98
T=0.98T電機(jī)=0.98×1515.82=1485.503Nm
鋼管型號(hào)為60x6
空心軸的抗扭截面系數(shù)為
Wt=π16D(D4-d4）=π16×60（604-544）×10-9=70.202×10-6m3
軸的最大切應(yīng)力為
τmax=TWt=1485.50370.202×10-6=21.16×106Pa=21.16MPa<[τ]=70MPa
故軸滿足強(qiáng)度要求。
3.2.2.3 橫移轉(zhuǎn)軸的校核
圖3-4 軸受力示意圖
軸的受力如圖3-4所示，上面章節(jié)已求得：
起動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩即最大阻力距：mA=PRμ=23000×0.04×0.15=138N.m
電機(jī)最大輸出力矩：T=0.98T電機(jī)=0.98×65.94=64.6214N.m
電機(jī)功率為0.2KW
軸采用45#鋼制造，得： A0=126
[τT]=25MPa
n=23r/min
dmin=A03P1n=12630.2×0.9823mm=24.677mm
軸上最小直徑為24mm，可知dmin>24
雖然鍵槽、軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以截面I，II，B均無(wú)需校核。因此，只需要校核截面A。
由文獻(xiàn)[10]表15-4可得
W=πd332-bt(d-t)22d=1250.96N.mm
WT=πd316-bt(d-t)22d=2784.17N.mm
橫移載車框架自重 W上=12000N
載車板額定載荷 W車=16000N
F壓=120004+16000×0.62=7800N
M=F壓×S=7800×50=390000N.mm
σca=（MW）2+4(αT2W)2=36MPa
據(jù)文獻(xiàn)[10]表15-1可知45號(hào)鋼許用彎曲應(yīng)力：[σ-1]=55MPa。
因此σca<[σ-1]，故安全。
3.2.3 載車板提升鏈分析校核
本提升裝置采用鏈條傳動(dòng)型式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)提升，載車板的兩個(gè)端面各有2個(gè)鏈輪，也各有2根定長(zhǎng)的鏈條繞在鏈輪上，初始位置載車板水平，當(dāng)提升電機(jī)帶動(dòng)載車板向上提升時(shí)，由于鏈條是定長(zhǎng)的，所以不管是上升還是下降，載車板始終保持水平。
整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析，載車板在鏈條的約束下，提升過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)的現(xiàn)象，使整個(gè)提升過(guò)程非常平穩(wěn)，對(duì)于升降橫移式立體車庫(kù)，在選擇鏈條時(shí)，按照低速鏈處理(ν<0.6m/s)，而不是按高速鏈的方法來(lái)選擇，由鏈條的靜強(qiáng)度來(lái)確定鏈條節(jié)距。由文獻(xiàn)[10]公式14.21得， 鏈條的靜強(qiáng)度計(jì)算公式為：
S=QFt
Ft=1000Pν
ν=KAPπn6000sin(π2Z)
得：
SKA6×107Psin(π2Z)Pπn=Q
所選擇的鏈條必須滿足：
SKA6×107Psin(π2z)πn≤PQ
式中： S--安全系數(shù)，一般為4～8；
KA--鏈條工況系數(shù)，取KA=1.2
P--提升電機(jī)功率
z--鏈輪的齒數(shù)
n--鏈輪的轉(zhuǎn)速
p--所選鏈輪的節(jié)距
根據(jù)上式很容易確定所需要的鏈條。
主要參數(shù)確定：
載板升降速度：t下=20s， t上=25s
行程： S=1850mm
V下=St下=185025=74mm/s
V上=St下=185020=92.5mm/s
由上式確定鏈條的型號(hào)，也就是求出鏈條的抗拉載荷。由于動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，而且根據(jù)轎車和托盤的重量，可以知道提升機(jī)構(gòu)屬于中型升降機(jī)，由文獻(xiàn)[11]表14.1可得20A鏈在單排是抗拉載荷是86.7KN，選擇20A號(hào)鏈作為本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)鏈。
由表14.1得到滾子鏈的具體參數(shù)如下：
內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1 18.90㎜
內(nèi)鏈節(jié)外寬b2 27.46㎜
外鏈節(jié)外寬b3 27.51㎜
節(jié)距 p 31.75㎜
滾子直徑d1 19.05㎜
由升降系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖得鏈條的長(zhǎng)度L： L＞1800mm
考慮到鏈條與鏈輪的嚙合和其它因素，決定?。篖=2000mm
則鏈條的節(jié)數(shù)n為：n=L/p=2000/31.75≈63
平衡鏈承重約為提升載荷的1/4，上升時(shí)提升鏈承載是提升載荷的1/2。
載車板自重 w下=7000N
載車板額定載荷 W車=16000N
所以，平衡鏈拉力：
F平=14(W上+W車）=14(7000+16000)=5750N
提升鏈拉力：
F升=12(W上+W車）=12(7000+16000)=11500N
圓周力
Ft=1000PdV
設(shè)計(jì)功率：
Pd=KAP
由文獻(xiàn)[9,2-13-84]表13-2-3查得，KA=1.2
鏈條傳遞功率P=F升V上×10-3=11500×92.5×10-3=1.06KW（N.m/s)
Pd=KA.P=1.2×1.06=1.272KW
Ft=1000PdV=1000×1.4840.12=1.06×104N
因而鏈條靜強(qiáng)度
S=QFt=8670010600=8.18>[S]=8
故滿足要求。
本章小結(jié)
車庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以及合理的動(dòng)力傳遞是車庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，本章首先對(duì)車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析和校核計(jì)算，然后對(duì)升降橫移系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了分析計(jì)算，從而確定了符合安全要求的電機(jī)、傳動(dòng)軸和提升鏈。
第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 整體線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1.1 檢測(cè)點(diǎn)分布
(1) 載車板上汽車停放到位否檢測(cè)
采用光電開關(guān)在底層進(jìn)行掃描檢測(cè)。光電開關(guān)的接收器和發(fā)射器分別安裝在底層左右兩邊， 在載車板前后位置均進(jìn)行檢測(cè)， 當(dāng)有車輛停放不到位時(shí)， 車就把光電關(guān)光源擋住，此時(shí)系統(tǒng)不能動(dòng)作，只有車輛停放到位后,系統(tǒng)才能正常工作。
(2) 載車板上有無(wú)車檢測(cè)在每個(gè)載車板上的一條對(duì)角線上安放一套光電開關(guān)， 用于檢測(cè)載車板上有無(wú)車。
(3) 載車板平移運(yùn)動(dòng)是否到位檢測(cè)
只有下層載車板有平移運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)車位上分別安裝一只限位開關(guān)，用于檢測(cè)載車板平移運(yùn)動(dòng)是否到位。
(4) 載車板升降是否到位檢測(cè)
只有上層載車板有升降運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)載車板垂直運(yùn)動(dòng)的軌道上，在低層和上層分別安裝一只限位開關(guān)，用于檢測(cè)載車板下降和上升是否到位。
(5) 上層載車板吊鉤是否掛好檢測(cè)
控制吊鉤動(dòng)作的電磁鐵上有一反饋信號(hào),可用于指示吊鉤是否已把載車板掛好。
4.1.2 控制點(diǎn)分布
(1) 一層載車板左右平移控制
一層載車板有兩個(gè),每個(gè)載車板只有左右移動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作，采用帶自動(dòng)抱閘的三相交流電機(jī)控制。
(2) 二層載車板升降橫移運(yùn)動(dòng)控制
二層載車板有兩個(gè)，每個(gè)載車板有橫移、升降四個(gè)動(dòng)作,采自動(dòng)抱閘的三相交流電機(jī)控制。
(3) 三層載車板升降運(yùn)動(dòng)控制
三層載車板有三個(gè)，每個(gè)載車板只有升降兩個(gè)動(dòng)作，采用帶自動(dòng)抱閘的三相交流電機(jī)控制。
(4) 吊鉤動(dòng)作控制
只有二、三層的載車板使用吊鉤，每個(gè)載車板用2套吊鉤，吊鉤用電磁鐵控制。
4.1.3 電氣線路圖
根據(jù)依據(jù)需要控制的電機(jī)、電磁鐵和檢測(cè)點(diǎn)等條件，建立電氣線路，如圖4-1所示。
圖4-1 電氣線路圖
4.2 PLC的接線
在升降橫移式立體停車庫(kù)中，控制系統(tǒng)中主控單元的主要控制對(duì)象首先是車庫(kù)內(nèi)的橫移電機(jī)和升降電機(jī)，控制系統(tǒng)就是使它們?cè)诓煌臅r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，其次是車庫(kù)內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈及其各種安全設(shè)施等。為了保證載車板能橫移到預(yù)定位置以及載車板能上升或下降到指定位置，采用了行程開關(guān)。為了判斷載車板上有無(wú)車輛，采用了光電開關(guān)。同時(shí)在車庫(kù)中還采用了一些傳感器如煙溫傳感器以及安全預(yù)警裝置，其接線示意圖如圖4-2。
圖4-2 PLC接線示意圖
4.3 電機(jī)控制及其接線
升降橫移不能同時(shí)進(jìn)行，這兩個(gè)動(dòng)作必須是互鎖的，即當(dāng)上層車位在升降時(shí)，地面層車位在存取車時(shí)車位的升降不能同時(shí)進(jìn)行，車位的升降和不能移動(dòng)，反之亦然，并且上層車位每次只能有一個(gè)車位進(jìn)行上下升降運(yùn)動(dòng)。這些在程序中可采用聯(lián)鎖和互鎖的方法來(lái)解決。如圖4.3所示。
圖4-3 電機(jī)控制原理圖
4.4 PLC控制程序設(shè)計(jì)流程［11］
本文所設(shè)計(jì)的PLC存取車控制系統(tǒng)只針對(duì)上2層和3層的車位，而對(duì)于1層車位，存取車直接開進(jìn)開出即可。控制軟件采用梯形圖語(yǔ)言編寫。程序流程見(jiàn)圖4-4。需要說(shuō)明的是，載車板用鏈條依靠載車板上的吊點(diǎn)懸吊在托架上,在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，防墜（安全）掛鉤掛住載車板。在設(shè)計(jì)不同層進(jìn)出車程序時(shí)運(yùn)用了“ 并行分支與匯合”的技巧，所謂并行分支指的是各分支流程可同時(shí)執(zhí)行，待各流程動(dòng)作全部結(jié)束后，根據(jù)相應(yīng)執(zhí)行條件，匯合狀態(tài)動(dòng)作。即如果選擇第3層載車板進(jìn)出車，可以使一層二層同時(shí)平移左移或右移，這樣，控制系統(tǒng)能自動(dòng)處理設(shè)備動(dòng)作順序之間的聯(lián)鎖或雙重輸出， 而且控制系統(tǒng)的試運(yùn)行及故障檢查非常方便，可節(jié)約大量時(shí)間，提高工作效率。
圖4-4 存取車程序流程圖
程序所用狀態(tài)元件、定時(shí)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均選用具有掉電保護(hù)功能的元件， 當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)元件保持掉電前的狀態(tài)，以保存現(xiàn)場(chǎng)信息，待上電后繼續(xù)完成被中斷的動(dòng)作當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，按下急停按鈕中止系統(tǒng)的運(yùn)行并保存現(xiàn)場(chǎng)斷點(diǎn)信息當(dāng)出現(xiàn)電氣或機(jī)械故障時(shí)，如電機(jī)過(guò)載、過(guò)熱時(shí)自動(dòng)中止系統(tǒng)運(yùn)行，并發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)人手動(dòng)方式進(jìn)行故障處理。[12]
本升降橫移式立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)分為兩種工作方式：手動(dòng)方式和全自動(dòng)方式，可用開關(guān)來(lái)進(jìn)行選擇。其中手動(dòng)方式主要用于調(diào)試維修或應(yīng)急情況，也就是通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)動(dòng)”，即當(dāng)選擇了車位號(hào)后，再按下“上”、“下”、“左”、“右”鍵，就可以把載車板調(diào)整到預(yù)定的位置。全自動(dòng)方式是立體停車庫(kù)的正常工作方式，當(dāng)鍵入某載車板進(jìn)出命令后，系統(tǒng)可自動(dòng)判斷路徑并移動(dòng)載車板，自動(dòng)完成進(jìn)出載車板動(dòng)作，記憶各載車板新的車位狀態(tài)，并刷新載車板有無(wú)車信息。在立體停車庫(kù)的控制系統(tǒng)中，最主要的是要解決載車板的問(wèn)題，如當(dāng)車輛要從某一載車板取下時(shí)，我們要移開它下面的所有載車板，這樣就涉及到怎樣移開的問(wèn)題，怎樣移動(dòng)才能使得所花的時(shí)間最少，移動(dòng)的方式最簡(jiǎn)單，同時(shí)車位的移動(dòng)引起的車位變化也需要我們用計(jì)算機(jī)進(jìn)行記憶，等下一次存取車的時(shí)候我們才能重新進(jìn)行車位的移動(dòng)，不至于引起混亂。
程序設(shè)計(jì)中，采用了模塊化的編程形式，整個(gè)程序包括主程序模塊、手動(dòng)按鍵子程序模塊、緊急停車按鍵子程序模塊、初始化程序模塊、存取車位號(hào)賦值程序模塊、空車位號(hào)與移動(dòng)車位號(hào)賦值程序模塊、載車板平移運(yùn)動(dòng)程序模塊(如圖4.5所示)、光電開關(guān)子程序模塊、載車板升降運(yùn)動(dòng)程序模塊（如圖4.6所示）和故障報(bào)警子程序模塊。 車位運(yùn)行過(guò)程中只需調(diào)用子程序模塊，這樣大大降低了程序的復(fù)雜程度，方便了程序的修改，而且對(duì)于車位的拓展提供了便利的條件。當(dāng)車位從層數(shù)或排數(shù)上增加時(shí)，只需就其中的一個(gè)子程序和主程序進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，而其它的子程序基本不必改動(dòng)，大大減輕了以后重新編程的任務(wù)。在全自動(dòng)方式下由于載車板的位置是隨機(jī)的，即使對(duì)于二、三層的同一載車板進(jìn)出車時(shí)，它下層載車板的位置也可能不同，我們不可能把每一種情況都編制一個(gè)程序，經(jīng)過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)同一層載車板的進(jìn)出動(dòng)作是相似的，可以把載車板進(jìn)行分層處理，同一層的使用同一類處理程序，就樣就使得程序大大減化了。[13]為了減少進(jìn)出車的時(shí)間，軟件在設(shè)計(jì)不同層處理程序時(shí)采用“并行分支與匯合”的技巧，即如果選擇三層載車板的進(jìn)出，可以使一層和二層同時(shí)平移，這樣可以節(jié)約大量的時(shí)間，提高效率[14]
圖4-5 載車板平移運(yùn)動(dòng)模塊軟件流程[13]
圖4-6 載車板升降運(yùn)動(dòng)程序模塊軟件流程[13]
主程序控制整個(gè)車庫(kù)的運(yùn)行情況，調(diào)用子程序處理各種請(qǐng)求，當(dāng)開機(jī)后，車庫(kù)控制系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行車輛存取時(shí)，先存下層車位，然后再存上層車位，一層車位的存取直接進(jìn)行，一層以上車位的存取要進(jìn)行車位的橫移和升降才能完成。在主程序中有自動(dòng)程序和手動(dòng)程序的轉(zhuǎn)換開關(guān);有出現(xiàn)緊急情況時(shí)的總停開關(guān)；有正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行指示燈，當(dāng)有人進(jìn)入車庫(kù)時(shí)，由于人擋住了光電開關(guān)，運(yùn)行燈停止，車庫(kù)自動(dòng)停止運(yùn)行；還有每個(gè)車位和立柱兩側(cè)的光電開關(guān)用它們來(lái)檢測(cè)車輛，當(dāng)檢測(cè)到不符合規(guī)定的項(xiàng)目時(shí)，車庫(kù)不能運(yùn)行。
本章小結(jié)
控制系統(tǒng)也立體車庫(kù)的另一個(gè)重要部分，本章主要對(duì)車庫(kù)的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，硬件部分主要是總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括光電檢知裝置的分布、控制點(diǎn)的分布、PLC及電機(jī)的接線，軟件部分主要分析了PLC軟件的設(shè)計(jì)流程。
結(jié) 論
隨著汽車在我國(guó)家庭中的普及，停車難已成為影響居民生活的一個(gè)難題，采用機(jī)械式立體車庫(kù)替代平面停車是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。升降橫移式立體車庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì)，每單元可設(shè)計(jì)成兩層、三層、四層、五層、半地下等多種形式，車位數(shù)從幾個(gè)到上百個(gè)。此立體車庫(kù)適用于地面及地下停車場(chǎng)，配置靈活，造價(jià)較低。升降橫移式立體車庫(kù)廣泛被廣泛應(yīng)用，有利于解決我國(guó)居民停車難的問(wèn)題，因此這個(gè)選題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和良好的市場(chǎng)前景。
本文在參閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān)立體停車庫(kù)的大量資料的前提下，對(duì)三層三列式七車位升降橫移式立體車庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致研究。首先，通過(guò)查閱資料和調(diào)研，對(duì)自動(dòng)化立體車庫(kù)的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)幾種常見(jiàn)的立體車庫(kù)進(jìn)行比較，并分析了升降橫移式立體車庫(kù)的特點(diǎn)，總結(jié)了研究升降橫移式立體車庫(kù)的意義。
其次，確定基本設(shè)計(jì)思路和車庫(kù)的結(jié)構(gòu)方案，在掌握車庫(kù)工作原理和基本組成的基礎(chǔ)上，對(duì)車庫(kù)各機(jī)械結(jié)構(gòu)方案、控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定了車庫(kù)車庫(kù)的基本參數(shù),并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和升降橫移機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了校核計(jì)算。
最后，針對(duì)智能立體車庫(kù)的功能要求，提出了控制系統(tǒng)的詳細(xì)方案。為達(dá)到車庫(kù)中的檢測(cè)要求，確定了經(jīng)濟(jì)而適用的傳感器。在車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，選用了歐姆龍公司的CZOOH型PLC可編程控制器，并對(duì)PLC功能和特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，給出了接線圖和部分控制程序流程。
由于時(shí)間和個(gè)人能力的限制，雖然經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)研、查閱資料并認(rèn)真分析計(jì)算，設(shè)計(jì)中存在了錯(cuò)誤和不足仍在所難免，希望得到各位老師的批評(píng)指導(dǎo)。
致 謝
我所選的課題是立體車庫(kù)設(shè)計(jì)。由于立體停車場(chǎng)是一項(xiàng)新興的產(chǎn)業(yè),我對(duì)它的了解很少,僅有的了解也是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上獲得的，選定課題后的一段時(shí)間內(nèi)我都處于在查閱資料的過(guò)程中。在忙于畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我還面臨就業(yè)的壓力，