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升降旋转式立体车库的结构设计

2020-02-14王雨生赵建军董方晨

科技创新与应用 2020年1期
关键词:立体车库结构设计

王雨生 赵建军 董方晨

摘  要:设计了一款升降旋转式的立体车库结构,使用Unigraphics NX将其进行参数化的三维建模,预估其使用方式及运动路径,并通过对于不同固定方式的情况进行了静力学分析,从而确定了其运动情况。又对模型进行了模态分析,得出车库的正常工作环境以及在某特定环境下的最大变形量。

关键词:升降旋转;立体车库;结构设计;Unigraphics NX

中图分类号:TP273         文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2020)01-0053-03

Abstract: A three-dimensional garage structure is designed.Use the Unigraphics NX to parameterize the three-dimensional modeling and predict the use mode and motion path.And then determine the motion situation by the static analysis of different fixed modes. Finally the modal analysis of the model is carried out, obtained the normal working environment of the garage and the maximum deformation under a specific environment.

Keywords: lifting and rotating; three-dimensional garage; structural design; Unigraphics NX

前言

近年來,随着生产力的不断发展,人们的生活水平不断提高。汽车的持有量和使用量节节攀升,导致道路更加拥堵,与此同时,汽车的停放空间不断减少,已经成为社会中亟待解决的问题之一。目前,我国立体车库的技术还在发展阶段,其平面露天式的车库相对于发达国家的立体车库还具有不小的差距[1]。而现在市场上虽有已投入使用的立体车库,但都有其难以忽视的缺点[2]。

随着社会生活越来越依赖汽车,只有不断对停车装置进行创新改进才能适应社会的快速发展[2]。现有车库虽类型较多,但一般存在稳定性低下、立体车库无法大范围推广、存取效率低等问题。本课题通过使用升降旋转的结构构建了一种新型立体车库,并从多角度探究其稳定性、存取效率等实际问题。根据分析可知,该车库解决了其他车库存在的部分问题和隐患,具有体积小,占地面积小,设备结构简单,稳定性好,停取车时间短等优点,且该类立体车库制造成本低,适用于车站、医院、公园、小区等各类公共场所。

1 设计方案

1.1 设计思路

目前国内机械式立体车库的主要库型为升降横移式立体车库,此款车库存在着取车时间较长、结构复杂、可靠性低、环境适应性差等缺点。本设计结合此库型的缺点进行了重新规划和设计,目标为探寻更优秀的互补库型。

具体设计目标为以下三点:

(1)进一步缩短地上面积的使用空间,可通过地上地下车库的嵌套模式来扩大使用面积。

(2)传动路线简洁明了,传动高效,减少检修难度。

(3)前期投入成本低,有足够的推广价值。

1.2 结构设计

该升降旋转式立体车库设计为三层,地上两层,地下一层,高度约为12m,截面半径为8m,单层载车箱为高3m,截面形状为扇环,其中车位最低宽度为3m,长度为5m。整体形状为圆柱体,内有旋转轴,提供可移动层的旋转动力。车辆存放于由载车板改进而来的“载车箱”中,载车箱依靠中心轴上的滑键槽来进行上下移动。装置内可存放的车辆数为两个完整的圆周,满载时每层六辆车,共计可存放12辆。

三层车库中有一层为闲置转存层,用来保证其余两层可以正常移动到取车的地方。具体结构如图1所示,图中1为闲置转存层,用来保证车库具有足够的转移空间,2、3为存放车辆层,用来存放车辆。

1.2.1 传动部分设计

结合车库使用情况,传导的动力主要分为由液压马达提供给中心轴的转矩和液压千斤顶提供给顶举件的正压力,转矩为液压提供动力使用齿轮传导,正压力则为完全的液压传动。

中心轴的旋转动力是取车过程中的主要动力,该部分主要由液压泵、液压马达、齿轮组、中心轴、传动轴和载车箱部分构成。其中齿轮与中心轴间为平键连接,中心轴与传动轴间为“锥滑键”连接,传动轴与载车箱间为滑键连接。具体结构如图2所示。

液压千斤顶的位置是在载车箱正下方,主要由液压泵、液压杆和载车箱构成。

1.2.2 载车箱的设计

出于增强稳定性的考虑,本设计将传统车库用载车板改进为更加稳定的载车箱,将每一个“车位”进行模块化,且与中心轴间使用滑键连接,保证其可以进行上下移动。载车箱具有厚度的“墙壁”,使得下层载车箱可以承受上层的重量,减少了中心轴上滑键承受的倾覆力矩,增加了使用时的可靠性。载车箱具体结构如图3所示。

2 力学模型分析

2.1 运行原理

空间结构上来分析,对于载车箱的运动来说,闲置转存层用来为车库的垂直移动提供足够的空间,空出一个载车箱单位高度的空间,便于进行移动。而在图1中的2层内的轴可以为一整层的车库提供旋转动力。

运行分两个方面进行讨论:上下移动的滑动和中心轴带动的旋转上下移动:载车箱的上下移动主要依靠于其与中心轴间的滑键连接,在车库底端设置有液压千斤顶提供动力。

旋转运动:将中间一层车库固定在中心轴上,通过上方使用重载用液压马达通过齿轮传动转动中心轴来实现旋转运动。

为了增加稳定性,车库的旋转运动只支持中段车库移动。且旋转的优先级低于上下移动。

2.2 传力路径

车库除设备外的主要受力为存放车辆的静载荷,力的传输顺序看起来是由载车箱开始依次传递到中心轴上,实际上由于载车箱的改良,理论上在车库静止状态下的受力会由下方的底层载车箱和千斤顶的底座承受,并不会传导到中心轴上。故对于传动轴上的滑键连接来说,减少了承受的倾覆力矩,提高了稳定性。

车库在上下移动时,受力方式与静止时相似。故将旋转工况与升降工况分开讨论。车库在旋转时,动力传输由上端液压马达开始,经过传动齿轮、中心轴及传动轴将动力传导到车库上。对于车辆的负载,对于传动軸的滑键来说,在旋转时会承受一个离心力的作用,且与负载有关。而其圆周力会因为载车箱的结构而减轻其强度,起到了保护滑键的作用。

3 ANSYS静力学分析

考虑到需要证实车库的稳定性,故而用ANSYS对车库的模型进行静力学分析,使得车库在满库状态下拥有足够的稳定性。在此将研究目标设为单个载车箱。

3.1 最大变形量

将载车箱的三维模型文件导入ANSYS。设置滑键为固定面,网格为自动划分。每个载车箱的底板承受25000N的力。得出的最终变形量如图4所示。

如图4所示,在25000N的力下,载车箱的最大变形量为0.0273mm,符合立体车库的设计标准。本课题所设计的载车箱底部固定为三侧固定与底面叠加,而车辆一般放置于载车箱的中部位置而不是外侧,故将底面叠加的状态近似假设为外围轮廓不变,查看其可能的变形。

固定载车箱的外轮廓在Z轴上的移动。得出最终变形量如图5所示。

如图5所示,在约束了车库的外轮廓后,变形量由0.0273mm变为0.0045mm,锐减至原来的百分之五。故垂直爬升装置选择使用可以进行底部支撑的千斤顶以减少底部变形。

且采用力叠加的结构模式,变形量会小于边缘约束。故而得出变形量在0.0273mm以下。符合立体车库的设计标准[3]。

3.2 模态分析

为了得出车库最佳的工作环境,对车库整体进行模态分析,得出车库可能发生共振的频率。

在实际工作中,将尽量避免在此频率下工作,防止产生共振。具体模态分析结果汇总如表1所示。

分析结果表明,车库的使用环境要求频率范围在5.7109~11.579Hz。使用时应避开此频率范围。其中1阶、6阶的固有频率为5.7109Hz与11.579Hz,主要表现模式为扭曲状。变形量约为0.0040mm。2-5阶的固有频率在5.7918~7.0119Hz分布。主要表达形式为整体倾斜,变形量为0.0040~0.0046mm。由分析结果可知,车库结构的设计较为合理,符合车库设计的要求[3]。

4 结论

(1)针对现有车库存在的问题,进行整理分析,设计出新型的升降旋转式立体车库形式,并使用Unigraphics NX进行参数化的三维建模。

(2)讨论了新型升降旋转式立体车库的力传导方式与驱动方式。

(3)通过ANSYS对升降旋转式立体车库的静态受力、震动模态进行了有限元分析,得出新型车库的工作频率为5.71~11.57Hz,最大变形量为0.0273mm的结论,从而验证了车库结构的稳定性,并根据模拟结果优化了传力路径、改进了整体结构。

参考文献:

[1]李宇峰,王庆虎.浅谈机械式立体停车库的发展前景及推广应用[J].现代制造技术与装备,2019(08):105-106.

[2]李薇.我国立体车库的现状及发展策略[J].设备管理与维修,2019(09):12-13.

[3]李欣疏,高路,徐树平,等.模块化立体多结构停车车库的设计[J].吉林化工学院学报,2019,36(01):25-28.

[4]孟广耀,穆国振,王文涛,等.新型立体车库设计及分析[J].中国工程机械学报,2019,17(04):340-344.

[5]上海市交通与建设委员会.机械式停车库(场)设计规程:DGJ08_60_2006[S].上海:上海自动化车库研究所,2006.shanghaiTrafficandConstructionCommission.Designrulesformechanicalparkingyard:DGJ08_60_2006[s].Shanghai:ShanghaiInstituteofAutomatedGarage,2006.

[6]许红胜,杨磊,潘权.升降横移式立体停车库钢构架力学模型分析[J].公路与汽运,2015(04):74-76+112.

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