垂直循环机械式停车设备主轴轴承座受力分析

魏 兴，李 豪，黄迎春，孟和苏乐德，李 超，白朝阳

（大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连 116023）

0 引言

伴随着我国经济的飞速发展和城市化水平的不断提高，机动车的保有量正在高速增长，特别是私家车的数量呈现出了井喷状态。城市配套停车位建设严重滞后，尤其是大城市中心公共停车场地极其匮乏，停车难的问题相应而生。对于寸土寸金的城市，大规模建设平面停车场显然不合适。立体停车设备，由于平均占地面积小，使得土地使用费大幅降低，从而大幅压缩了每个车位的费用。因此，建设立体停车库设备成为解决城市停车难的有效途径。

根据相关标准的规定，机械式停车设备主要分9种类型。其中垂直循环类机械式停车设备，具有占地面积小、布置灵活、空间利用率高等优点，近年来得到广泛应用。垂直循环类机械式停车设备，如图1所示。主要由框架、起重链、载车吊篮总成、防摆导轨、驱动系统和主轴系统组成。2016年落成的1台PCXLD9型垂直循环类机械式停车设备，适停车辆长 ≤5300 mm，宽 ≤1950 mm，高 ≤1800 mm，重≤2200 kg，最大停车数16辆，额定最大出库时间163 s，升降速度（0.65～6.5）m/min。

图1 垂直循环机械式停车设备

PCXLD9 型垂直循环机械式停车设备的主轴系统如图2所示，主要由驱动侧轴承、驱动侧拨链轮、大链轮、轴、非驱动侧拨链轮和非驱动侧轴承组成。在试验过程中，位于车库驱动侧的轴承座（图 2）发生断裂（图 3）。

原设计中，选用的是带立式座的标准外球面球轴承（GB/T 7810—1995），代号 UCP328，基本额定静载荷Co=212 kN，额定动载荷Cor=272 kN。

图2 主轴系统

1 载荷计算

主轴系统主要承受起重链条通过拨链轮引起的载荷和传动链条通过大链轮引起的载荷。这两种载荷均沿着轮的切向，二者引起的主轴扭矩大小相等，方向相反。主轴系统受力和相关尺寸见图4。

2个拨链轮受到的切向力可用式（1）计算。

图3 断裂的轴承座

图4 主轴系统受力示意图

式中F1—— 驱动侧拨链轮受到的切向力

F2—— 非驱动侧拨链轮受到的切向力

n— 可停放车辆的数量

Φ2— 动载系数，可取Φ2=1.1

mi—— 适停车辆的质量

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2

驱动侧是汽车入库口，即汽车停放后，后轴位于驱动侧方向，根据规范规定，将汽车质量按6∶4分配到前轴和后轴，则有F1=0.4（F1+F2），F2=0.6（F1+F2）。根据扭转平衡，则大链轮受到的切向力F，见式（2）。

式中d—— 拨链轮的节圆直径

D—— 大链轮的节圆直径

主轴系统的受力简图见图5。

图5 主轴系统受力

对E点求矩，有式（3）。

支反力RA见式（4），即为驱动侧轴承座受力。

对A点求矩，有式（5）。

支反力RE见式（6），即为非驱动侧轴承座受力。

将已知条件n=16，mi=2.2 t，d=780 mm，D=1516 mm 及其他尺寸数据代入以上各式，得到2个支反力，即2个轴承座的受力。F1=75.89 kN,F2=113.84 kN，F=97.62 kN，RA=-13.12 kN，RE=105.23 kN。

可见，两端的带座轴承受到的载荷均小于基本额定载荷，且受到载荷较小的带座轴承发生了断裂，实际情况与理论计算不符。该机垂直循环类机械式停车设备在实际运转中，并未发现卡阻，而且试验过程中循环次数有限，可知不是疲劳破坏。

2 有限元分析

为了进一步研究轴承座的破坏原因，对轴承座和附近结构进行有限元分析。采用实体建模。对附近结构进行约束，约束方式为全约束，并施加水平方向载荷。为安全起见，尽管非驱动侧的带座轴承未发生破坏，由于该侧载荷较大，仍施加该侧的载荷。载荷的方向分为水平方向、竖直方向和45°方向3种。

2.1 水平方向

约束位置和载荷施加情况如图6所示。分析结果见图7和图8。

图6 施加约束和载荷（水平方向）的有限元模型

图7 整体应力云图H向

图8 轴承座应力云图H向

2.2 竖直方向

沿竖直方向施加载荷，约束条件不变，如图9所示。分析结果见图10和图11。

2.3 45°方向

轴承座内表面45°方向的节点施加总载荷，约束条件不变，如图12所示。分析结果见图13和图14。

2.4 小结

3种工况的应力情况见表1。

该立体车库的结构的材料为Q235B，许用应力［σ1］见式（7）。

式中σs——Q235B的屈服强度，σs=235 MPa

n— 结构件的安全系数，取n=1.34

图9 施加约束和载荷（竖直方向）的有限元模型

图10 整体应力云图V向

图11 轴承座应力云图V向

图12 施加约束和载荷（45°方向）的有限元模型

图13 整体应力云图45°方向

图14 轴承座应力云图45°方向

表1 各工况应力

轴承座的材料为 QT400-18，许用应力［σ2］见式（8）。

式中σb——QT400-18的抗拉强度，σb=400 MPa

n2——机械零件的安全系数，铸铁取n2=2.2

可见各工况下，无论是结构还是轴承座，最大应力均小于许用应力。

3 结论

通过计算和分析可知，主轴系统两端选用的UCP328带立式座的外球面球轴承（GB/T 7810—1995）满足使用要求，而且有较大的安全裕度，轴承座破坏的原因是产品质量问题。更换同型号的立式座外球面球轴承后，再次进行试验，并经过近1 a的运转，未发现任何异常。

［1］魏兴.机械式垂直循环停车设备设计［D］.大连：大连理工大学.2017.

［2］JB/T 10215—2000，垂直循环类机械式停车设备［S］.北京：机械科学研究院，2000.

［3］GB/T 3811—2008，起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.