垂直循環機械式停車設備主軸軸承座受力分析

魏 興，李 豪，黃迎春，孟和蘇樂德，李 超，白朝陽

（大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連 116023）

0 引言

伴隨著我國經濟的飛速發展和城市化水平的不斷提高，機動車的保有量正在高速增長，特別是私家車的數量呈現出了井噴狀態。城市配套停車位建設嚴重滯后，尤其是大城市中心公共停車場地極其匱乏，停車難的問題相應而生。對于寸土寸金的城市，大規模建設平面停車場顯然不合適。立體停車設備，由于平均占地面積小，使得土地使用費大幅降低，從而大幅壓縮了每個車位的費用。因此，建設立體停車庫設備成為解決城市停車難的有效途徑。

根據相關標準的規定，機械式停車設備主要分9種類型。其中垂直循環類機械式停車設備，具有占地面積小、布置靈活、空間利用率高等優點，近年來得到廣泛應用。垂直循環類機械式停車設備，如圖1所示。主要由框架、起重鏈、載車吊籃總成、防擺導軌、驅動系統和主軸系統組成。2016年落成的1臺PCXLD9型垂直循環類機械式停車設備，適停車輛長 ≤5300 mm，寬 ≤1950 mm，高 ≤1800 mm，重≤2200 kg，最大停車數16輛，額定最大出庫時間163 s，升降速度（0.65～6.5）m/min。

PCXLD9型垂直循環機械式停車設備的主軸系統如圖2所示，主要由驅動側軸承、驅動側撥鏈輪、大鏈輪、軸、非驅動側撥鏈輪和非驅動側軸承組成。在試驗過程中，位于車庫驅動側的軸承座（圖 2） 發生斷裂（圖 3）。

原設計中，選用的是帶立式座的標準外球面球軸承（GB/T 7810—1995），代號 UCP328，基本額定靜載荷Co=212 kN，額定動載荷Cor=272 kN。

1 載荷計算

主軸系統主要承受起重鏈條通過撥鏈輪引起的載荷和傳動鏈條通過大鏈輪引起的載荷。這兩種載荷均沿著輪的切向，二者引起的主軸扭矩大小相等，方向相反。主軸系統受力和相關尺寸見圖4。

圖2 主軸系統

圖3 斷裂的軸承座

圖4 主軸系統受力示意圖

2個撥鏈輪受到的切向力可用式（1）計算。

式中F1——驅動側撥鏈輪受到的切向力

F2——非驅動側撥鏈輪受到的切向力

n——可停放車輛的數量

Φ2——動載系數，可取Φ2=1.1

mi——適停車輛的質量

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2

驅動側是汽車入庫口，即汽車停放后，后軸位于驅動側方向，根據規范規定，將汽車質量按6∶4分配到前軸和后軸，則有F1=0.4（F1+F2），F2=0.6（F1+F2）。根據扭轉平衡，則大鏈輪受到的切向力 F，見式（2）。

式中d——撥鏈輪的節圓直徑

D——大鏈輪的節圓直徑

主軸系統的受力簡圖見圖5。

圖5 主軸系統受力

對E點求矩，有式（3）。

支反力RA見式（4），即為驅動側軸承座受力。

對A點求矩，有式（5）。

支反力RE見式（6），即為非驅動側軸承座受力。

將已知條件 n=16，mi=2.2 t，d=780 mm，D=1516 mm 及其他尺寸數據代入以上各式，得到2個支反力，即2個軸承座的受力。F1=75.89 kN,F2=113.84 kN，F=97.62 kN，RA=-13.12 kN，RE=105.23 kN。

可見，兩端的帶座軸承受到的載荷均小于基本額定載荷，且受到載荷較小的帶座軸承發生了斷裂，實際情況與理論計算不符。該機垂直循環類機械式停車設備在實際運轉中，并未發現卡阻，而且試驗過程中循環次數有限，可知不是疲勞破壞。

2 有限元分析

為了進一步研究軸承座的破壞原因，對軸承座和附近結構進行有限元分析。采用實體建模。對附近結構進行約束，約束方式為全約束，并施加水平方向載荷。為安全起見，盡管非驅動側的帶座軸承未發生破壞，由于該側載荷較大，仍施加該側的載荷。載荷的方向分為水平方向、豎直方向和45°方向3種。

2.1 水平方向

約束位置和載荷施加情況如圖6所示。分析結果見圖7和圖8。

圖6 施加約束和載荷（水平方向）的有限元模型

圖7 整體應力云圖H向

圖8 軸承座應力云圖H向

2.2 豎直方向

沿豎直方向施加載荷，約束條件不變，如圖9所示。分析結果見圖10和圖11。

2.3 45°方向

軸承座內表面45°方向的節點施加總載荷，約束條件不變，如圖12所示。分析結果見圖13和圖14。

2.4 小結

3種工況的應力情況見表1。

該立體車庫的結構的材料為Q235B，許用應力［σ1］見式（7）。

式中σs——Q235B的屈服強度，σs=235 MPa

n——結構件的安全系數，取n=1.34

圖9 施加約束和載荷（豎直方向）的有限元模型

圖11 軸承座應力云圖V向

圖12 施加約束和載荷（45°方向）的有限元模型

圖13 整體應力云圖45°方向

圖14 軸承座應力云圖45°方向

表1 各工況應力

軸承座的材料為 QT400-18，許用應力［σ2］見式（8）。

式中σb——QT400-18的抗拉強度，σb=400 MPa

n2——機械零件的安全系數，鑄鐵取n2=2.2

可見各工況下，無論是結構還是軸承座，最大應力均小于許用應力。

3 結論

通過計算和分析可知，主軸系統兩端選用的UCP328帶立式座的外球面球軸承（GB/T 7810—1995）滿足使用要求，而且有較大的安全裕度，軸承座破壞的原因是產品質量問題。更換同型號的立式座外球面球軸承后，再次進行試驗，并經過近1 a的運轉，未發現任何異常。