垂直循环类停车设备底部弧轨受力分析

潘 皓，李 超，孟和苏乐德

（上海彭浦机器厂有限公司，上海201306）

最早的立体停车设备始建于1918年，位于美国伊利诺斯州芝加哥市华盛顿西大街215号的一家宾馆 (Hotel La Salle)的停车场，设计师是Holabird和Roche。该设备于2005年被推倒在该原址上，后来由Jupiter Realty Corp兴建了一座49层的公寓大楼。

我国立体停车设备起步相对较晚。1989年，河北省承德市建立了国内第一台立体停车设备，该立体停车设备是一套垂向循环类的立体停车设备。该立体车库成为我国立体车库的鼻祖。

2018年1至5 月新增的立体车库项目中，垂直循环类立体停车设备占到了30%,而全国已有200多家企业同时瞄准垂直循环类立体停车设备。

随着垂直循环类立体停车设备的迅猛发展,产品的同质化问题突出，产品的质量和可靠性有待提高。通过对市场上再用的车库进行调研，发现底部弧轨是一个薄弱环节，易发生磨损过快或塑性变形。本文在分析垂直循环机械类停车设备特点、组成及工作原理的基础上针对某个具体型号的车库，进行分析，提出底部弧轨的强度计算方法。

1 垂直循环类机械式停车设备的特点

垂直循环类机械式停车设备之所以受到人们的喜爱，主要有以下原因：

（1）安全性好，可靠性高。

每辆汽车停放在单独的载车吊篮内，互不影响。集中传动，故障率小，不到升降横移类车库的1/5，整机结构受力明确，传动原理简单，可靠性高。设备上安装有十余种安全检测设备，保证设备安全运行。

（2）占地面积小、空间利用率高。

在两个停车位上可以停放16辆或以上的车辆，大大节省了土地资源，提高了空间利用率，减少了建设成本。

（3）安装方便、布置灵活。

整机多采用模块化设计思想，安装周期一般不超过五天。可多组不同规格车库组合使用也可单组使用。

（4）环境适用性强、功能可拓展。

因其占地面积小，布置灵活，特别适合城市中心医院、商场、小区等土地资源相对紧张的区域。同时，为满足不同车主需要，本设备可拓展充电、远程遥控等功能。

2 设备组成及工作原理

以某企业落成的PCX16D九层垂直循环类停车设备为例，如图1所示，整机主要由前后框架主体结构1、载车吊篮总成2、起重链条总成3、减速电机4和传动轴总成5和电气控制系统6等组成。

图1 PCX16D垂直循环停车设备

工作原理：减速电机上的小链轮通过传动链条驱动传动轴总成中的大链轮旋转，大链轮同时带动拨链轮拨动起重链条（滚轮）在框架结构中预定轨道内作大循环往复运动，载车吊篮安装在起重链条外伸的三角链板上，即载车吊篮跟随起重链条作循环动作，从而达到存取车辆的目的。

存车时，驾驶员在设备提示下把车开入最下方的载车吊篮内，关好车门退出车库，按动操作按钮或刷卡，电动机启动，起重链条带动载车吊篮随着运动，待另一个空的载车吊篮转动到进口位置即停止，这时可进行下一个存车操作。取车时，按动操作装置上的车位编号按钮或刷卡，电动机启动，在可编程序控制器作用下使其按最短路程运行至出口，驾驶员进入载车吊篮内，把车开出车库。

本设备主要参数如下：

（1）适停车辆：总长≤5 000 mm，总宽≤1 850 mm，总高≤1 550 mm，总重≤1 700 kg；

（2）最大停车辆数：16辆；

（3）起重链条滚轮半径：r=85 mm；

（4）起重链条节距：P=460 mm；

（5）底部弧轨半径：R=659.3 mm；

（6）底部弧轨踏面厚度：B=25 mm；

（7）中心距：H=488.26 mm.

3 易损坏位置

在本类型停车设备中，由于其特定的传动形式：拨链轮驱动起重链条在固定轨道内运行，使得框架主体结构底部的起重链条弧形导轨（固定轨道最低处）容易发生破坏。以某企业落成的PCX16D九层垂直循环类停车设备为例。该设备在型式试验过程中，前框架结构底部弧形导轨发生塑性变形，失效形式见图2.

图2 底部弧形导轨失效形式

框架底部结构及传动形式如图3所示（去掉底部一节链板）。主要由减速电机1、传动链条2、大链轮3、拨链轮4、底部弧轨5、起重链条6及前框架结构7等组成。

图3 框架底部结构及传动形式

4 受力分析

4.1 工作循环过程

取1/4拨链轮旋转周期为研究对象。即拨链轮逆时针旋转90°.起重链条滚轮从入槽到脱槽过程状态（1-7）如图4所示。

图4 拨链轮逆时针工作状态示意图

4.2 起重链条拉力与弧轨压力的关系

如图5所示，设弧轨圆心为A，拨链轮回转中心为B，即将入槽的滚轮圆心为C，槽内滚轮圆心为D.则在拨链轮工作过程中，如果不考虑摩擦因素的影响，槽内的滚轮主要承受以下三个力：

（1）起重链条拉力：FDC，沿链板方向；

（2）拨链轮驱动力：FDF，方向始终与直线BD垂直；

（3）弧轨压力：FED.

图5 入槽滚轮受力示意图

在图4工作状态1-7中，∠BAC起始角度为54°（状态1），终止角度为18°（状态7）。而当起重链条拉力与拨链轮驱动力的方向成180°时，认为弧轨压力为零（状态2），此时直线CD与直线DB相互垂直，则：

本文重点研究范围为工作状态2-7，即∠BAC=18°～46.8°.

在图5中，直线CE与直线DF平行，与直线AD的交点为E，则直线CE与直线BD垂直，可知：

注：上式中的∠BDA有正负之分，逆时针为正，顺时针为负。

设FED/FDC=n，则各状态下n的数值如表1所列。

表1 起重链条拉力与弧轨压力线性关系表

从计算结果可知，在拨链轮逆时针旋转的1/4周期内，弧轨压力FED随∠BAC的减小而变大，呈线性增长，且最大值出现在工作状态7时，即滚轮即将脱槽的时候，与实际破坏位置相符。

4.3 底部弧轨强度计算

式中：F为竖直段链条所受拉力，不考虑摩擦力的影响，则：

F＝zkmg=7×0.6×1 700×9.8=69 972 N

式中：z为状态7时，设备单侧最大停车数量，z=7；k为车辆质量分配系数，k＝0.6.

（2）底部弧轨所受压力为：

FDE＝0.79FDC＝0.79×73 572.91＝58 122.6 N

（3）根据赫兹公式[7]，底部弧轨的最大接触应力为：

（1）工作状态7时，起重链条DC节的受力为：

在本台设备中，底部弧轨的材料为调质后的40Cr，参考50#钢在HB230状态下的许用线接触应力为1 050～1 400 MPa，可知，满足使用要求。

5 事故原因排查

出现问题后，相关人员对设备进行了排查分析，发现拨链轮回转中心安装高度有问题，实际安装中心高度比设计图纸中要求H高出12 mm，造成槽轮与滚轮之间存在干涉现象，即拨链轮与底部弧轨、滚轮三者之间存在几何干涉，拨链轮通过压迫滚轮挤压底部弧轨。长期运行后，该三者之间最薄弱者将产生变形。因拨链轮、滚轮硬度较高，使底部导轨踏面压溃。干涉区域A如图6所示。

图6 底部弧轨干涉区域示意图

6 结束语

本文介绍了机械式立体停车设备的国内外发展状况，说明了近年比较火爆的垂直循环类机械式停车设备的特点、构造及工作原理。并以某企业PCX16D型垂直循环类机械式停车设备为例，阐述了该类型车库易损部位的计算方法，对该设备前框架结构底部弧轨塑性变形问题进行计算分析，虽然计算结果表明，原始设计满足使用要求。问题是由于安装错误造成的。本设备重新整改后，底部弧轨使用状况良好，证明了计算的正确性。但同时也可以看出框架结构底部弧轨应力较大。本文提出的计算方法可为本类型车库设计提供一定的参考。