陳嬋娟， 任曉鋒

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

立體車庫(kù)是現(xiàn)代化城市建設(shè)中必需的停車設(shè)備[1]，根據(jù)外形結(jié)構(gòu)分為升降橫移式、巷道堆垛式、塔式(垂直升降式)[2].不同類型立體車庫(kù)所采用的橫移裝置結(jié)構(gòu)不同，常用的有叉梳式、齒輪齒條式、勾拉軸式等[3].國(guó)內(nèi)所使用的塔式立體車庫(kù)橫移裝置為勾拉軸式，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械構(gòu)件將圓弧曲線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)[4]，實(shí)現(xiàn)將車輛從庫(kù)位到工作臺(tái)的往復(fù)橫移.其橫移過程分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)前及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后兩步完成；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)前原理示意如圖1所示，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后原理示意如圖2所示.

圖1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)前

圖2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后

該過程傳動(dòng)精度要求高，部分零件依靠進(jìn)口，導(dǎo)致成本上升[5].隨著機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)在不同領(lǐng)域已經(jīng)顯示出良好的使用性能，通過分析塔式立體車庫(kù)的橫移原理，將直線電機(jī)應(yīng)用于此處,能有效提高橫移傳動(dòng)精度、替代部分進(jìn)口零件，使整體橫移裝置結(jié)構(gòu)更緊湊.

1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 原裝置原理及主要存在問題

分析原橫移裝置可知，其橫移運(yùn)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

1.載車板曲邊 2.軸套 3.軸承 4.固定軸圖3 勾拉軸式結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能[6]，且啟停響應(yīng)速度快，延遲遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)電機(jī)[7].在完成橫移工作時(shí)，直線電機(jī)直接輸出直線位移，無需不同曲線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化[8]；電機(jī)滑塊上安裝垂直立柱代替原工作臺(tái)上的勾拉軸，直接與載車板曲邊接觸推拉載車板，實(shí)現(xiàn)“取出”或“存放”車輛的橫移動(dòng)作.由此解決原橫移裝置曲線轉(zhuǎn)換復(fù)雜，零件成本高的問題.

直線電機(jī)初級(jí)滑塊驅(qū)動(dòng)載車板曲邊橫移代替原有勾拉軸驅(qū)動(dòng)，將初級(jí)滑塊、載車板曲邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì).如圖4所示.

1.載車板曲邊 2.初級(jí)滑塊立柱 3.初級(jí)滑塊圖4 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 直線電機(jī)的選型

直線電機(jī)主要分為扁平型、圓筒形(或管型)、圓盤形和圓弧形等[9]，此處選擇扁平型直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)為扁平矩形.其特點(diǎn)是加速度大、推力特性平滑、行程可任意延長(zhǎng)、靜音、免維護(hù).電機(jī)型號(hào)主要根據(jù)額定負(fù)載、持續(xù)推力、電機(jī)次級(jí)鐵芯長(zhǎng)度確定[10].以轎車滿載考慮，載車板所安裝的滑輪與導(dǎo)軌間為滾動(dòng)摩擦.在扁平型直線電機(jī)中選擇短初級(jí)單邊型.該結(jié)構(gòu)中，初級(jí)與次級(jí)的長(zhǎng)度不同，保證在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的行程內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合始終保持不變.

電機(jī)的型號(hào)主要由以下3個(gè)參數(shù)確定：峰值推力Fm、持續(xù)推力F、次級(jí)鐵芯長(zhǎng)度b.

當(dāng)電機(jī)初級(jí)運(yùn)行速度V=0.5 m/s，負(fù)載2.5 T.根據(jù)相關(guān)手冊(cè)公式計(jì)算Fm、F、b.

(1)

式中:m為質(zhì)量，取2.5 T；I2為電流，取2.6 A；R2為次級(jí)電抗折算值，取4.3 Ω；VS為電磁場(chǎng)速度，取5.52 cm/s；代入數(shù)值得F=163.35N.

由電機(jī)持續(xù)推力公式

(2)

式中:Fa為加速度力;Fc為勻速段力；Fd為減速度力；Fw為停滯力；Ta為加速時(shí)間；Tc為勻速時(shí)間；Td為減速時(shí)間；Tw為停滯時(shí)間.

由電機(jī)學(xué)原理可知：次級(jí)鐵芯長(zhǎng)度b，電機(jī)極距τp計(jì)算公示為：

b=βτp/2 (m)

(3)

(4)

將(4)代入(3)可得

(5)

式中f為電源頻率，取50 Hz；選取β=0.637 5.代入相關(guān)參數(shù)由式(5)可得次級(jí)鐵芯長(zhǎng)度b=2.152 m.

根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)，選取MLCD0200-255-00型單邊直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示.

1.滑塊立柱 2.初級(jí)滑塊 3.擋板 4.次級(jí)圖5 短初級(jí)單邊型直線電機(jī)

1.4 整體橫移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)部分運(yùn)動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)、橫移兩個(gè)部分，此處著重研究橫移部分.橫移運(yùn)動(dòng)由直線電機(jī)滑塊立柱驅(qū)動(dòng)載車板曲邊完成.

結(jié)構(gòu)布局以橫移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)步驟為原則：

(1)車輛由庫(kù)位橫移至工作臺(tái)上時(shí)，僅有初級(jí)滑塊立柱與載車板曲邊接觸受力，力的方向與電機(jī)次級(jí)長(zhǎng)度方向平行，電機(jī)不承受載車板及轎車重力.

(2)載車板及轎車被橫移至工作臺(tái)時(shí)，其擺放位置與駛出立體車庫(kù)門口所需要位置相互垂直[11]，當(dāng)車輛降至一層被取走前需要做90 °旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)工作臺(tái)將車輛“托起”，此時(shí)載車板重量由工作臺(tái)承擔(dān)，但需保證同時(shí)安裝在工作臺(tái)上的直線電機(jī)不承受載車板及轎車重力.

針對(duì)以上原則，本設(shè)計(jì)中重力載荷由導(dǎo)軌、工作臺(tái)依次承擔(dān)，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

(1)直線電機(jī)初級(jí)滑塊立柱與載車板曲邊裝配方式如圖4所示，橫移運(yùn)動(dòng)初始載車板、工作臺(tái)上表面、直線電機(jī)初級(jí)滑塊之間位置關(guān)系如圖5所示.

1.載車板曲邊 2.初級(jí)滑塊立柱 3.載車板載車面 4.工作臺(tái)上表面 5.初級(jí)滑塊圖6 橫移初始位置

此時(shí)載車板處于立體車庫(kù)車位內(nèi)，直線電機(jī)初級(jí)滑塊進(jìn)入正確橫移位置；由升降電機(jī)提升整體載車臺(tái)，使初級(jí)滑塊立柱嵌入載車板曲邊進(jìn)行橫移驅(qū)動(dòng)，橫移運(yùn)動(dòng)中圖6所示位置變換為如圖7所示，圖中V表示載車板運(yùn)動(dòng)速度.

圖7 橫移中位置

(2)橫移運(yùn)動(dòng)完成后,車輛送至底層待取.直線電機(jī)安裝槽深度大于直線電機(jī)高度[12]，使直線電機(jī)擋板上表面低于工作臺(tái)上表面.工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)“托起”載車板及轎車時(shí)工作臺(tái)上表面接觸載車板載車面承擔(dān)重力載荷.此時(shí)圖6中所示位置變換為如圖8所示.

圖8 橫移后位置

三維建模使用Pro/Engineer Wildfire 5.0按1∶1設(shè)計(jì).裝置尺寸影響的主要因素為載車板尺寸，此處不考慮卡車等大型車輛，以轎車為對(duì)象.載車板尺寸選為：5 300 mm×2 000 mm×5 mm.工作臺(tái)的設(shè)計(jì)要求承重可靠、制造簡(jiǎn)單、節(jié)約材料、成本低，采用框架式結(jié)構(gòu)，可鑄造成型，亦可由板件焊接而成[13]，材料選擇普通鋼材，工作臺(tái)中心線對(duì)稱的左右兩邊設(shè)置安裝直線電機(jī)的槽位.載車板曲邊結(jié)構(gòu)及與電機(jī)初級(jí)滑塊的裝配方式如圖4所示，當(dāng)直線電機(jī)次級(jí)長(zhǎng)度大于載車板寬度時(shí)可將載車板自庫(kù)位橫移至工作臺(tái).所設(shè)計(jì)橫移裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示.

1.支撐架 2.直線電機(jī) 3.載車板 4.工作臺(tái) 5.載車臺(tái)圖9 橫移裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于Workbench的力學(xué)模型分析

本結(jié)構(gòu)中用直線電機(jī)初級(jí)滑塊上設(shè)計(jì)的立柱驅(qū)動(dòng)載車板，帶負(fù)載橫移時(shí)立柱為主要的受力元件，采用Workbench提取出整機(jī)中的滑塊立柱部分做應(yīng)力應(yīng)變分析[14]，觀測(cè)在額定載荷條件下立柱變形是否處于正常范圍.

初級(jí)滑塊立柱與載車板曲邊接觸部分承受均布載荷，其尺寸位置如圖10所示.

圖10 初級(jí)滑塊立柱受力分布

Workbench參數(shù)的設(shè)定.滑塊立柱部分的載荷主要源自由汽車重力產(chǎn)生的摩擦力[15].

滿載載荷：G=2.5 T；摩擦力形式：滾動(dòng)摩擦；立柱材料：45#鋼；動(dòng)摩擦因素：0.25；彈性模量：E=200 GPa；動(dòng)摩擦力公式：F=μN(yùn)；泊松比：μ=0.3.

載荷方向如圖11所示，選取立柱頂端至下方100 mm的距離為受力范圍，其余部分為機(jī)架不受載荷影響.

圖11 載荷施加方向

載荷添加：選擇滑塊大面為機(jī)架，受力不變形.設(shè)置后可進(jìn)行力學(xué)分析，得立柱部分應(yīng)變結(jié)果如圖12所示.

圖12 立柱受力變形

根據(jù)上述力學(xué)分析結(jié)果可知，立柱部分受力變形小，可滿足對(duì)車輛橫移要求.

3 結(jié)論

該研究分析表明，采用直線電機(jī)設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)橫移裝置比原有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可提高存取車輛的準(zhǔn)確可靠性.通過有限元軟件分析觀測(cè)并通過材料力學(xué)建模分析可知，所設(shè)計(jì)的滑塊立柱部分可以滿足車輛橫移驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)度要求，使整體橫移裝置結(jié)構(gòu)更緊湊合理，能夠取代原結(jié)構(gòu)中的勾拉軸，降低了塔式立體車庫(kù)橫移裝置對(duì)進(jìn)口元件的依賴.

[1] 葉紅芳.立體車庫(kù)在中小城市的應(yīng)用及探討[J].科技資訊，2011,9(13):68-71.

[2] 宋秋紅，安豐貞，方 鈾，等.城市立體車庫(kù)的現(xiàn)狀及展望[J].城市公用事業(yè)，2012,6(2)：26-29.

[3] 胡增榮.立體車庫(kù)種類及應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2011,7(5)：15-17.

[4] 劉曉娟,潘宏俠.垂直升降式立體車庫(kù)系統(tǒng)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(5):3-6.

[5] 梁 睦，梁東凱.立體車庫(kù)的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研討[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011,8(6)：5-6.

[6] 章達(dá)眾，廖有用，李國(guó)平.直線電機(jī)的發(fā)展及其磁阻力優(yōu)化綜述[J].機(jī)電工程，2013,11(5)：38-42.

[7] 楊曉君，趙萬華，劉 輝，等.直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,6(4)：14-15.

[8] 王守雨.直線電機(jī)推力分析與隔磁防護(hù)技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[9] 王 利.現(xiàn)代直線電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[10] 孟祥龍.直線電機(jī)在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2012,7(6)：42-46.

[11] 聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:225-237.

[12] 梁 睦，李春廣，張 洪.升降橫移式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)方案研討[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2013,9(4)：61-65.

[13] 陳 婧.垂向循環(huán)橫向平移立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[14] 韓兵兵，張功學(xué)，賈爭(zhēng)憲.基于Workbench的立體車庫(kù)鋼架穩(wěn)定性分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,31(1)：31-35.

[15] 戴紫孔.機(jī)械式立體停車設(shè)備有限元分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011,9(3)：12-15.