垂直循環類停車設備底部弧軌受力分析

潘 皓，李 超，孟和蘇樂德

（上海彭浦機器廠有限公司，上海201306）

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

我國立體停車設備起步相對較晚。1989年，河北省承德市建立了國內第一臺立體停車設備，該立體停車設備是一套垂向循環類的立體停車設備。該立體車庫成為我國立體車庫的鼻祖。

2018年1至5 月新增的立體車庫項目中，垂直循環類立體停車設備占到了30%,而全國已有200多家企業同時瞄準垂直循環類立體停車設備。

隨著垂直循環類立體停車設備的迅猛發展,產品的同質化問題突出，產品的質量和可靠性有待提高。通過對市場上再用的車庫進行調研，發現底部弧軌是一個薄弱環節，易發生磨損過快或塑性變形。本文在分析垂直循環機械類停車設備特點、組成及工作原理的基礎上針對某個具體型號的車庫，進行分析，提出底部弧軌的強度計算方法。

1 垂直循環類機械式停車設備的特點

垂直循環類機械式停車設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的載車吊籃內，互不影響。集中傳動，故障率小，不到升降橫移類車庫的1/5，整機結構受力明確，傳動原理簡單，可靠性高。設備上安裝有十余種安全檢測設備，保證設備安全運行。

（2）占地面積小、空間利用率高。

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

（3）安裝方便、布置靈活。

整機多采用模塊化設計思想，安裝周期一般不超過五天。可多組不同規格車庫組合使用也可單組使用。

（4）環境適用性強、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院、商場、小區等土地資源相對緊張的區域。同時，為滿足不同車主需要，本設備可拓展充電、遠程遙控等功能。

2 設備組成及工作原理

以某企業落成的PCX16D九層垂直循環類停車設備為例，如圖1所示，整機主要由前后框架主體結構1、載車吊籃總成2、起重鏈條總成3、減速電機4和傳動軸總成5和電氣控制系統6等組成。

圖1 PCX16D垂直循環停車設備

工作原理：減速電機上的小鏈輪通過傳動鏈條驅動傳動軸總成中的大鏈輪旋轉，大鏈輪同時帶動撥鏈輪撥動起重鏈條（滾輪）在框架結構中預定軌道內作大循環往復運動，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動作，從而達到存取車輛的目的。

存車時，駕駛員在設備提示下把車開入最下方的載車吊籃內，關好車門退出車庫，按動操作按鈕或刷卡，電動機啟動，起重鏈條帶動載車吊籃隨著運動，待另一個空的載車吊籃轉動到進口位置即停止，這時可進行下一個存車操作。取車時，按動操作裝置上的車位編號按鈕或刷卡，電動機啟動，在可編程序控制器作用下使其按最短路程運行至出口，駕駛員進入載車吊籃內，把車開出車庫。

本設備主要參數如下：

（1）適停車輛：總長≤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：16輛；

（3）起重鏈條滾輪半徑：r=85 mm；

（4）起重鏈條節距：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

在本類型停車設備中，由于其特定的傳動形式：撥鏈輪驅動起重鏈條在固定軌道內運行，使得框架主體結構底部的起重鏈條弧形導軌（固定軌道最低處）容易發生破壞。以某企業落成的PCX16D九層垂直循環類停車設備為例。該設備在型式試驗過程中，前框架結構底部弧形導軌發生塑性變形，失效形式見圖2.

圖2 底部弧形導軌失效形式

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

圖3 框架底部結構及傳動形式

4 受力分析

4.1 工作循環過程

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

圖4 撥鏈輪逆時針工作狀態示意圖

4.2 起重鏈條拉力與弧軌壓力的關系

如圖5所示，設弧軌圓心為A，撥鏈輪回轉中心為B，即將入槽的滾輪圓心為C，槽內滾輪圓心為D.則在撥鏈輪工作過程中，如果不考慮摩擦因素的影響，槽內的滾輪主要承受以下三個力：

（1）起重鏈條拉力：FDC，沿鏈板方向；

（2）撥鏈輪驅動力：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1-7中，∠BAC起始角度為54°（狀態1），終止角度為18°（狀態7）。而當起重鏈條拉力與撥鏈輪驅動力的方向成180°時，認為弧軌壓力為零（狀態2），此時直線CD與直線DB相互垂直，則：

本文重點研究范圍為工作狀態2-7，即∠BAC=18°～46.8°.

在圖5中，直線CE與直線DF平行，與直線AD的交點為E，則直線CE與直線BD垂直，可知：

注：上式中的∠BDA有正負之分，逆時針為正，順時針為負。

設FED/FDC=n，則各狀態下n的數值如表1所列。

表1 起重鏈條拉力與弧軌壓力線性關系表

從計算結果可知，在撥鏈輪逆時針旋轉的1/4周期內，弧軌壓力FED隨∠BAC的減小而變大，呈線性增長，且最大值出現在工作狀態7時，即滾輪即將脫槽的時候，與實際破壞位置相符。

4.3 底部弧軌強度計算

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7時，設備單側最大停車數量，z=7；k為車輛質量分配系數，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）根據赫茲公式[7]，底部弧軌的最大接觸應力為：

（1）工作狀態7時，起重鏈條DC節的受力為：

在本臺設備中，底部弧軌的材料為調質后的40Cr，參考50#鋼在HB230狀態下的許用線接觸應力為1 050～1 400 MPa，可知，滿足使用要求。

5 事故原因排查

出現問題后，相關人員對設備進行了排查分析，發現撥鏈輪回轉中心安裝高度有問題，實際安裝中心高度比設計圖紙中要求H高出12 mm，造成槽輪與滾輪之間存在干涉現象，即撥鏈輪與底部弧軌、滾輪三者之間存在幾何干涉，撥鏈輪通過壓迫滾輪擠壓底部弧軌。長期運行后，該三者之間最薄弱者將產生變形。因撥鏈輪、滾輪硬度較高，使底部導軌踏面壓潰。干涉區域A如圖6所示。

圖6 底部弧軌干涉區域示意圖

6 結束語

本文介紹了機械式立體停車設備的國內外發展狀況，說明了近年比較火爆的垂直循環類機械式停車設備的特點、構造及工作原理。并以某企業PCX16D型垂直循環類機械式停車設備為例，闡述了該類型車庫易損部位的計算方法，對該設備前框架結構底部弧軌塑性變形問題進行計算分析，雖然計算結果表明，原始設計滿足使用要求。問題是由于安裝錯誤造成的。本設備重新整改后，底部弧軌使用狀況良好，證明了計算的正確性。但同時也可以看出框架結構底部弧軌應力較大。本文提出的計算方法可為本類型車庫設計提供一定的參考。