直线电机在立体车库横移装置中的应用

陈婵娟， 任晓锋

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

立体车库是现代化城市建设中必需的停车设备[1]，根据外形结构分为升降横移式、巷道堆垛式、塔式(垂直升降式)[2].不同类型立体车库所采用的横移装置结构不同，常用的有叉梳式、齿轮齿条式、勾拉轴式等[3].国内所使用的塔式立体车库横移装置为勾拉轴式，由旋转电机驱动工作台转动，通过机械构件将圆弧曲线运动转化为直线运动[4]，实现将车辆从库位到工作台的往复横移.其横移过程分为旋转运动前及旋转运动后两步完成；旋转运动前原理示意如图1所示，旋转运动后原理示意如图2所示.

图1 旋转运动前

图2 旋转运动后

该过程传动精度要求高，部分零件依靠进口，导致成本上升[5].随着机电技术的发展，直线电机在不同领域已经显示出良好的使用性能，通过分析塔式立体车库的横移原理，将直线电机应用于此处,能有效提高横移传动精度、替代部分进口零件，使整体横移装置结构更紧凑.

1 直线电机驱动的横移装置结构设计

1.1 原装置原理及主要存在问题

分析原横移装置可知，其横移运动的具体实现方法为：

1.载车板曲边 2.轴套 3.轴承 4.固定轴图3 勾拉轴式结构示意图

1.2 直线电机驱动结构设计

直线电机作为驱动电机，可将电能直接转换成直线运动机械能[6]，且启停响应速度快，延迟远小于旋转电机[7].在完成横移工作时，直线电机直接输出直线位移，无需不同曲线运动相互转化[8]；电机滑块上安装垂直立柱代替原工作台上的勾拉轴，直接与载车板曲边接触推拉载车板，实现“取出”或“存放”车辆的横移动作.由此解决原横移装置曲线转换复杂，零件成本高的问题.

直线电机初级滑块驱动载车板曲边横移代替原有勾拉轴驱动，将初级滑块、载车板曲边结构进行重新设计.如图4所示.

1.载车板曲边 2.初级滑块立柱 3.初级滑块图4 直线电机驱动结构示意图

1.3 直线电机的选型

直线电机主要分为扁平型、圆筒形(或管型)、圆盘形和圆弧形等[9]，此处选择扁平型直线电机，其结构为扁平矩形.其特点是加速度大、推力特性平滑、行程可任意延长、静音、免维护.电机型号主要根据额定负载、持续推力、电机次级铁芯长度确定[10].以轿车满载考虑，载车板所安装的滑轮与导轨间为滚动摩擦.在扁平型直线电机中选择短初级单边型.该结构中，初级与次级的长度不同，保证在电机正常运转的行程内初级与次级之间的耦合始终保持不变.

电机的型号主要由以下3个参数确定：峰值推力Fm、持续推力F、次级铁芯长度b.

当电机初级运行速度V=0.5 m/s，负载2.5 T.根据相关手册公式计算Fm、F、b.

(1)

式中:m为质量，取2.5 T；I2为电流，取2.6 A；R2为次级电抗折算值，取4.3 Ω；VS为电磁场速度，取5.52 cm/s；代入数值得F=163.35N.

由电机持续推力公式

(2)

式中:Fa为加速度力;Fc为匀速段力；Fd为减速度力；Fw为停滞力；Ta为加速时间；Tc为匀速时间；Td为减速时间；Tw为停滞时间.

由电机学原理可知：次级铁芯长度b，电机极距τp计算公示为：

b=βτp/2 (m)

(3)

(4)

将(4)代入(3)可得

(5)

式中f为电源频率，取50 Hz；选取β=0.637 5.代入相关参数由式(5)可得次级铁芯长度b=2.152 m.

根据计算所得参数，选取MLCD0200-255-00型单边直线电机，其结构示意如图5 所示.

1.滑块立柱 2.初级滑块 3.挡板 4.次级图5 短初级单边型直线电机

1.4 整体横移装置结构设计

工作台部分运动包括旋转、横移两个部分，此处着重研究横移部分.横移运动由直线电机滑块立柱驱动载车板曲边完成.

结构布局以横移、旋转运动步骤为原则：

(1)车辆由库位横移至工作台上时，仅有初级滑块立柱与载车板曲边接触受力，力的方向与电机次级长度方向平行，电机不承受载车板及轿车重力.

(2)载车板及轿车被横移至工作台时，其摆放位置与驶出立体车库门口所需要位置相互垂直[11]，当车辆降至一层被取走前需要做90 °旋转，旋转时工作台将车辆“托起”，此时载车板重量由工作台承担，但需保证同时安装在工作台上的直线电机不承受载车板及轿车重力.

针对以上原则，本设计中重力载荷由导轨、工作台依次承担，具体实现步骤为：

(1)直线电机初级滑块立柱与载车板曲边装配方式如图4所示，横移运动初始载车板、工作台上表面、直线电机初级滑块之间位置关系如图5所示.

1.载车板曲边 2.初级滑块立柱 3.载车板载车面 4.工作台上表面 5.初级滑块图6 横移初始位置

此时载车板处于立体车库车位内，直线电机初级滑块进入正确横移位置；由升降电机提升整体载车台，使初级滑块立柱嵌入载车板曲边进行横移驱动，横移运动中图6所示位置变换为如图7所示，图中V表示载车板运动速度.

图7 横移中位置

(2)横移运动完成后,车辆送至底层待取.直线电机安装槽深度大于直线电机高度[12]，使直线电机挡板上表面低于工作台上表面.工作台旋转“托起”载车板及轿车时工作台上表面接触载车板载车面承担重力载荷.此时图6中所示位置变换为如图8所示.

图8 横移后位置

三维建模使用Pro/Engineer Wildfire 5.0按1∶1设计.装置尺寸影响的主要因素为载车板尺寸，此处不考虑卡车等大型车辆，以轿车为对象.载车板尺寸选为：5 300 mm×2 000 mm×5 mm.工作台的设计要求承重可靠、制造简单、节约材料、成本低，采用框架式结构，可铸造成型，亦可由板件焊接而成[13]，材料选择普通钢材，工作台中心线对称的左右两边设置安装直线电机的槽位.载车板曲边结构及与电机初级滑块的装配方式如图4所示，当直线电机次级长度大于载车板宽度时可将载车板自库位横移至工作台.所设计横移装置结构示意图如图9所示.

1.支撑架 2.直线电机 3.载车板 4.工作台 5.载车台图9 横移装置结构示意图

2 基于Workbench的力学模型分析

本结构中用直线电机初级滑块上设计的立柱驱动载车板，带负载横移时立柱为主要的受力元件，采用Workbench提取出整机中的滑块立柱部分做应力应变分析[14]，观测在额定载荷条件下立柱变形是否处于正常范围.

初级滑块立柱与载车板曲边接触部分承受均布载荷，其尺寸位置如图10所示.

图10 初级滑块立柱受力分布

Workbench参数的设定.滑块立柱部分的载荷主要源自由汽车重力产生的摩擦力[15].

满载载荷：G=2.5 T；摩擦力形式：滚动摩擦；立柱材料：45#钢；动摩擦因素：0.25；弹性模量：E=200 GPa；动摩擦力公式：F=μN；泊松比：μ=0.3.

载荷方向如图11所示，选取立柱顶端至下方100 mm的距离为受力范围，其余部分为机架不受载荷影响.

图11 载荷施加方向

载荷添加：选择滑块大面为机架，受力不变形.设置后可进行力学分析，得立柱部分应变结果如图12所示.

图12 立柱受力变形

根据上述力学分析结果可知，立柱部分受力变形小，可满足对车辆横移要求.

3 结论

该研究分析表明，采用直线电机设计的立体车库横移装置比原有装置结构简单，可提高存取车辆的准确可靠性.通过有限元软件分析观测并通过材料力学建模分析可知，所设计的滑块立柱部分可以满足车辆横移驱动的强度要求，使整体横移装置结构更紧凑合理，能够取代原结构中的勾拉轴，降低了塔式立体车库横移装置对进口元件的依赖.

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