户外地面立体车库设计含3张CAD图
户外地面立体车库设计含3张CAD图,户外,地面,立体车库,设计,cad
摘要首先根据功能和特征的分析对立体车库的总体方案进行了设计,确定了立体车库的系统构成,针对立体车库存取车的工作流程确定了立体车库的运行原理。立体车库机械结构的设计,主要包括钢结构、受力承重结构、载车板设计,接着对立体车库的运输结构进行了设计,完成了立体车库的动力运转。立体车库的电控部分是通过对立体车库的功能模块进行分析,结合硬件和程序控制,实现了通过用户的指令,结合传感器的信号检测,对立体车库的操控进行自动控制,实现自动化的存取车操作。通过以上部分的设计,实现了立体车库的自动存取车功能,达到了预期的效果和目的。对立体车库的发展和研究有一定的引导作用,具有十分积极的意义。关键词:立体车库 控制系统 机械结构AbstractFirst of all, according to the analysis of functions and characteristics, the overall scheme of the three-dimensional garage is designed, the system composition of the three-dimensional garage is determined, and the operation principle of the three-dimensional garage is determined according to the work flow of the storage and access car of the three-dimensional garage.The design of the mechanical structure of the three-dimensional garage mainly includes the steel knot structure, the load-bearing structure, and the design of the vehicle carrying plate. Then, the transportation structure of the three-dimensional garage is designed to complete the dynamic operation of the three-dimensional garage.The electronic control part of the three-dimensional garage realizes the automatic control of the operation of the three-dimensional garage through the analysis of the functional modules of the three-dimensional garage, the combination of hardware and program control, and the instruction of a user and the signal detection of a sensor, thus realizing the automatic vehicle access operation.Through the design of the above part, the function of automatic access vehicle of the three-dimensional garage is realized, and the expected effect and purpose are achieved. It has a certain guiding effect on the development and research of three-dimensional garage, and has a very positive significance.Key words:Three-dimensional garage;Control system;Mechanical structure.目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题的来源11.2立体车库国内外现状11.2.1国内立体车库发展现状11.2.2国外立体车库发展现状21.3立体车库的种类31.4 本文研究的主要内容6第2章 立体车库的总体方案设计72.1立体车库的工作原理82.2立体车库的系统构成92.3车辆的存取流程11第3 立体车库机械结构设计133.1 框架结构设计133.1.1受力梁的计算143.1.2受力柱的计算213.2车辆运输结构的设计233.2.1载车板的设计233.2.2升降装置设计233.2.3横移装置设计25第4 立体车库电控部分设计334.1 硬件电路的设计334.1.1控制器的选型344.1.2 I/O口模块的设计364.1.3 PLC的主电路设计404.1.4 供电电路设计404.1.5保护电路设计404.2 软件部分设计414.2.1 功能模块设计414.2.2 PLC控制程序设计424.2.3 触摸屏操作界面设计49第5 工程定额预算515.1体车库制作过程的成本预算515.2程项目管理525.3工程项目的环境和可持续发展的问题53总结54致谢55参考文献56IV第1章 绪论1.1课题的来源近些年,随着我国经济的快速腾飞和人们对于生活的期待值逐步提升,尤对于生活品质和精神生活的消费升级。在汽车价格持续层次化以及国内汽车产业井喷式发展的情况下,国内汽车拥有量在迅速增加,人们把汽车作为一种必需的出行工具。然而由于快速增长的汽车数量与我国城市建设初期关于车辆相关的设施和配置出现了极大的不匹配,于是,人们在享受汽车带来的便利和快捷的同时,日常活动也开始受到交通、环境等问题的困扰。在中国一些人口稠密的城市,尤其是现代大都市,因停车引发的交通拥堵、停车难、停车难等纠纷屡见不鲜。面对这些问题,我们不得不思索出一个可以很完整的解决这个问题的方案。经过调查研究发现,现在国内外普遍通过设立立体车库这种装置来解决这个问题,立体式的车库对于解决城市所具有的停车难和提高城市空间利用率问题是一个非常有效的方案。本文对设计一个户外地面立体车库做一个研究。1.2立体车库国内外现状1.2.1国内立体车库发展现状我国的立体车库行业起始于1993年,最初是引入国外的立体停车技术,生产停车设备,起初主要在一些大型城市有所使用。后来我国预测到国内对立体车库的重大需求,开始着手于立体车库的自主研发,在借鉴国外技术的基础上,突破创新,并针对我国的使用环境和社会背景,发展出了诸多新类型的立体车库,如将电梯技术及先进控制理念与立体车库结合的电梯升降式立体车库、智能的多层多列立体式立体车库等。从1989年,河北承德的华一机械车库集团建造了我国第一个垂直循环式的机械式立体车库,到目前我国在立体车库的研发,生产技术方面已经形成了完善的产业。在立体车库的机械、电气、和上位机的控制方面已经取得了很大的成效,制造出的立体车库更加高效、平稳、空间利用率更高、操作更加便捷,控制方面已经不局限于传统的按钮式更有触摸屏式、遥控式、密码钥匙式、智能设备操控式等,目前更有人工智能AI的方式加入。在结构上普遍采用模块化工艺结构,使得立体车库的建造成本的运行质量都得到了保障。另一方面,我国政府对于立体车库的发展给予了极大的支持,将自动化立体车库作为国家重点发展的企业,出台指导相关标准,对立体车库政策和资金上的扶持,使其具有积极正向的经济效益,与我国快速发展的经济和庞大的汽车工业相适应。从我国目前众多城市所面临的“停车难”问题来看,立体车库对于解决“停车难”问题有独有的巨大的优势,在不远的将来,国内立体车库的潜在市场和发展趋势都是巨大的。尤其在人口集中的现代化大都市,既能满足对城市空间的巨大利用,满足城市的停车需求,还能增加人民生活的便利。发展立体车库是国内解决停车问题和面对城市化进程的必经之路。图1-1 国内立体车库图片1.2.2国外立体车库发展现状 1920年,美国建造了世界上第一个立体车库。随着世界经济的发展,和城市用地资源逐渐紧张的情况下,日本、韩国、德国等国家都开始了立体车库的研发,韩国通过对日本技术的引进派生,形成了自己的优势。立体车库的产业逐渐形成,世界多国也都发展出了立体车库技术,目前国际上以美国、德国、韩国、日本的技术最为先进。日本的立体车库由于国土面积狭小、人口稠密,立体车库的使用性最广,是世界上拥有立体车库最多的国家,技术主要以密集型立体车库为主,拥有众多的立体车库生产厂家包括:三菱重工、日精、新明和等知名立体车库企业。韩国国内由于政府的支持,停车设备得到普遍开发和利用,立体车库的的技术得到迅猛发展。德国和美国等欧洲国家技术发展较早,技术较为先进,车库形式以巷道堆垛式,多层升降横移式产品为主。但由于土地资源比较充足,停车问题表现不是很突出,停车设备的应用不是很多。 国外立体车库最具代表性的是德国的德国沃尔夫斯堡大众汽车城立体车库:图1-2 德国沃尔夫斯堡大众汽车城立体车库1.3立体车库的种类立体车库作为一种在我国解决“停车难”问题有突出优势的设备,在不同的需求,不同的现场下均能适用。根据其独特的结构和运行原理,国家质量监督检验检疫总局颁布的特种设备目录中,将立体车库分为,(1)升降横移类PSH;(2)垂直循环类PCX;(3)水平循环类PSX;(4)多层循环类PDX;(5)平面移动类PPY;(6)巷道堆垛类PXD;(7)垂直升降类PCS;(8)简易升降类PJS;(9)汽车升降机类PQS九大类。表1-1 立体车库的分类和对比类型代号结构及特点分析升降横移类PSH利用载车板的升降和横移对车辆进行存取,操作简单。车库可以根据具体环境和需求灵活组装,形式美观,对城市市容影响不大,结构相对简单,设计和建造灵活通用,维护相对容易,安全稳定,建造的费用较低,目前使用率最广,达到60%以上。垂直循环类PCX通过机械设备驱动,将各载车板链式连接,形成过一个类似于摩天轮式的升降循环运动,车库外形通常呈条塔状,一般两列多层结构,可与地面以下或者地面以上进行封闭、敞开建设。能够节省较大的空间,可以通过PLC自动化操作。取车时间短,存取效率高。结构复杂,稳定性差,整体的故障率较高。水平循环类PSX采用一个水平循环的结构来实现车辆存取,不用设置专门的出入通道,一般建设在狭长的区域,对通风要求不高,建设成本相对较低。一般只有一个出入口,存取车效率低,尤其在高峰期会导致存取车时间较长。运行过程相对安静,结构简单。多层循环类PDX车辆搬运器在垂直平面内排列成2层或2层以上做连续移动,两端有升降机构进行循环层间转换移动,实现车辆的存取。无需坡道,节省占地,自动存取,建于地形细长且地面只允许设置一个出入口的场所。设有安全保护装置,使用安全可靠,;一般不需要强制通风,无大面积照明,节约能量。但设备结构复杂,相对故障率高,维护成本高。最远车位一般一次取车需2分钟,高峰取车时间依次取车时间过长,实用性差。平面移动类PPY在每层上通过运输平台移动车辆实现存取停放车辆,也可用搬运台车和升降机配合实现多层平面移动存取停放车辆。运输平台和升降装置协同合作,存取车的效率相对较高,自动化程度高,硬件复杂,故障相对较高。巷道堆垛类PXD利用堆垛起重机,运输设备和升降机构实现车辆的存取。不仅可以直接在地面上设置,还能够在地下设置。全封闭式管理还能有效的提升立体车库整体的可靠性和安全性。升降操作和行走操作能够同时进行,存取车效率较高,自动化程度也非常高,低噪音,能耗相对较低,可靠性高。垂直升降类PCS用提升机将车辆升降到指定层,并用存取机械存取车辆。类似于电梯的工作原理,在提升机的两侧布置车位,一般地面需一个汽车旋转台,可省去司机调头。该类立体车库一般高度较高(几十米),对设备的安全性、加工安装精度要求很高,造价相对较高;空间利用率最高,结构杂杂,安全性低,高峰期存取车时间过长。简易升降类PJS把单独一个停车位通过建设结构装置位分成上、下两层或两层以上,借助升降机构或俯仰机构,使车辆存入或取出,多用于私人住宅、企事业单位、地下室等;该类停车设备可充分利用地下室空间场所,一般仅满足部分单位和个人住宅的存取需求,整体花费不高,施工简单,结构紧凑,可在室外及地下室建设,不需要外墙等特殊地面设备。灵活性差,整个过程需要人为操作,灵活性较差。汽车升降机类PQS专门用作不同平层的汽车搬运的升降机,它只起搬运作用,无直接存取功能;常常用于地下或屋顶存放汽车的搬运,也可与智能小车配合使用。可以解决立体停车库中因场地狭小无法采用自走式坡道的问题,大大节省空间,提高车库利用率。常用于地下或屋顶或建筑自走式车库存取汽车的搬运。升降横移类PSH垂直循环类PCX水平循环类PSX多层循环类PDX平面移动类PPY巷道堆垛类PXD垂直升降类PCS简易升降类PJS汽车升降机类PQS图1-3 各类立体车库的图片1.4 本文研究的主要内容本文对户外地面立体车库的设计,根据本文研究的主要内容及安排分为以下八个部分:第1章:介绍了立体车库的社会需求和研究现状;对立体车库的特征和原理做了一个分类。第2章:根据对题目要求分析,确定选用升降横移式作为本文户外地面立体车库的运行方式,对本文设计户外立体车库的工作原理和系统构成进行分析,阐述了本设计中车辆的存取流程。第3章:对立体车库的机械机构进行了设计,包括框架、受力结构、车辆运输结构,完成了立体车库的结构设计。第4章:立体车库电控部分的设计。结合立体车库的功能要求和控制要求,对控制系统的硬件进行设计。然后,针对系统软件的功能模块,设计并编写了PLC控制程序和触摸屏触摸操作系统。第5章:对本文立体车库整体做了一个建造的经济预算。总结:对本次做毕设的一个总结及不足之处的分析。 致谢参考文献第2章 立体车库的总体方案设计根据以上对各种方式立体车库的分析和题目的要求,最终选定用升降横移方案作为立体车库的操作方式。升降横移式立体车库相对其他车库而言结构简单、形式灵活多样、空间利用率高、存取车方便高效。图2-1 升降横移式立体车库图片假如车库的规模为A层B列,则整个车库可以存取的车的数量为:ZAB(A1)因此,针对题目给出的33个停车位,为达到此规模最终选定采用4行9列的排布,可以达到题目的需求。如下表2-1所示:表2-1 立体车库车位的规划设计第四层401402403404405406407408409第三层301302303304305306307308309第二层201202203204205206207208209第一层101102103104105106107108109层数 列数第一列第二列第三列第四列第五列第六列第七列第八列第九列选用升降横移方式来设计立体车库,排布的方式为4行9列的排布。第一层、第二层、第三层、均留有一个空位作为整个车库运行存取车的预留通道,整个车库共有493=33个停车位,共有33个载车板,可以停放33辆车。立体车库车位的指标表示:根据上表所示,用第一个数字表示车位所在的层数,第三个数字表示车位所在的列数。如“302”,即表示第三层第二列的车位;“109”即代表第一层第九列的车位;“409”即表示第四层第九列的车位。2.1立体车库的工作原理在所设计的4行9列的升降横移式户外地面立体车库中有36个车位,在每个车位中由一个横移矩形框架及一个载车板组成一个停车位。车辆在载车板上通过载车板的升、降、横移运动到达指定车位,完成车辆的存取过程。基于这类立体车库的运行方式,地面一层的载车板只做横移操作;不能进行升降操作,第二层、第三层的载车板既可以做横移操作,也可以做升降操作;第四层即最顶层的载车板只能做升降操作,通过这四层载车板的升降和横移操作可以把停在立体车库内任意车位的车辆取出或存放在车库内的任意车位。存取地面一层的车时,车主可直接进入车库第一层进行存取操作;存取其他的层的车辆时,需通过将所要存取目标车位的正下方或正上方的载车板横移,挪出空位,将目标车位的载车板上升或下降到地面一层,车主可以进入车库内在地面一层的载车板上将车辆开出或开进,完成存取操作。立体车库载车板的升降功能是由一台电机驱动,通过钢丝绳牵引载车板完成载车板的垂直升降动作,载车板横向移动也是通过电机驱动,带动传动轴和滚轮转动,借助滚轮在导轨上实现载车板的横向移动,它的主要优点主要在于同一层的载车板移动独立,互不干扰,横向移动时,需要调整的载车板一致动作,缩短了存取车的时间。各个载车板之间互不冲突,具有非常高的稳定性。如需开出立体车库内地面一层的车辆,驾驶员可直接进入相应车位直接将车开出。如要开出201车位的车辆,即需要将其垂直正下方的101车位及101其右侧车位的载车板向右移动,让101车位的载车板作为201车辆下降通过的预留通道,然后201车位载车板通过升降机构下降直接到达地面一层即101车位,车主可直接进入101车位将车直接开出。如需要开出306车位的车辆,应该把位于其正下方的第二层的206车位和第一层的106车位的载车板向左或者向右移动,使其正下方形成一个预留通道,让306车位的载车板通过升降机构下降到到达地面一层,车主进入106车位将车辆开出。如需开出403车位的车辆,需要把其垂直正下方的303、203、103车位载车板通过横移机构相应的向左或者向右移动,让303、203、103车位形成一个让403车位的载车板垂直下降通过的车道,403车位的载车板通过升降机构下降直接到达地面一层即103车位,驾驶员可直接进入101车位将车直接开出。载车板继续留在101车位,无需做任何调动。存车操作同理。通过该系统四层载车板的相互配合运转可以将停于车库内任意位置的车取出,也可以将车辆停放在立体车库的任意一个空的车位上。2.2立体车库的系统构成在综合考虑题目要求,操作方式、机械结构以及实际功效等各种因素之后,以立体车库的实际功能为导向,综合各种结构设施规划设计出以下结构设施作为本题目立体车库的系统构成。如图2-2所示,整个车库共有33个载车板,可以停放33辆车。第一层、第二层、第三层、均留有一个空位可以形成一个任一列位置上的竖向通道,作为整个车库运行存取车的预留通道,第一层的车辆在存取过程中车辆可以直接进行存取操作。第二层和第三层为中间层,可做升降操作和横移操作,第四层只可做升降操作。通过该系统四层结构的相互配合运转可以将停于车库内任意位置的车取出,也可以将车辆停放在立体车库的任意一个空位上。本论文设计的升降横移式立体车库系统主要由钢结构框架、载车板、升降装置、横移装置、安全保护装置和控制系统组成。图2-2 立体车库的结构示意图正视图图2-3 立体车库的结构示意图左视图(1)结构框架框架结构是整个立体车库的支撑主体和结构骨架,主要包括立柱、横梁、纵梁、导轨,顶棚等,用于承重和安装其他相关控制系统装置。框架的坚固程度直接影响着车库的正常运行。目前车库框架大多使用钢结构和钢筋混泥土结构共同结合的结构来使立体车库达到一个可以保证立体车库安全平稳运行且足够抵御一些大风、大雨环境的强度。(2)载车板载车板是立体车库内车辆进行运输的中间媒介,是立体车库实现存取功能的载体。通过载车板的升降或横移操作来完成车辆在目标车位的存入或者取出,所以载车板的设计对立体车库来说非常重要。(3)升降装置和横移装置 升降装置和横移装置是载车板运转动力的来源和完成车辆存取功能的关键。载车板的升降操作是通过升降系统来完成实现的,横向移动操作是通过横移系统来完成实现的,通过这两个装置的配合将车辆运输到指定位置保存或取出。(4)安全防护装置为了保证户外地面立体车库在运行过程中避免可能出现对人或者车造成的危险,在车库设计时针对可能发生的危险设置了具有安全防护和检测的装置,包括载车板的防坠落装置、电路安全保护、停车位置监测等,有了这些装置可以保证户外地面立体车库的安全运行。(5)自动控制系统立体车库的自动控制系统是立体车库自动化正常运作的保证。通过硬件系统与软件系统的结合完成整个立体车库自动控制的构建。控制系统的功能模块包括检测、拖动、控制及安全保护等环节。硬件系统需要对电机、接触器等电子器件进行控制,软件系统需要对传感器信号的进行采集和分析,还需根据程序对信号进行处理,发出控制指令,实现动作的顺序执行、速度的平稳调控、定位的精准及电机安全互锁等控制。2.3车辆的存取流程在户外地面立体车库的存取车的操作中,我们先根据根据系统的取车验证读取的信息来确定具体的工作方式,然后根据传感器信号检测的采集和集中,将信息按层进行划分,分析整个存取车操作过程具体的程序安排。在车主选定存取功能后,接着选定目标车位:若为存车,在存储选中车位信息之前,先将选中车位信息与相应楼层车位载车信息进行匹配或逻辑运算,将结果存入该层的目标车位信息存储单元,若为取车,则将选中车位信息与相应层的车位载车信息进行匹配与逻辑运算,接着将结果存入该楼层的目标车位信息存储单元,系统自动进行相应的的程序操作。在立体车库运行前,首先进行控制系统的启动和对立体车库的安全检查,在确认没有故障后才可进行存取车操作。当车主选定车位进行存取车时,控制系统需要判断目标车位和整个车库停车的状况进行分析,然后控制系统自动按照程序设定移动载车板建立目标车位的下行通道,将目标车位下降到地面一层,然后车主进行存取车操作。当车辆存放结束后,载车板停留在原地等待下次任务。(1)自动存车流程用户通过触摸屏操作界面点击存车,然后选择需要存入的目标车位,控制系统首先判断该车位是否有车,然后判断目标车位正下方是否有下行通道,若有则直接执行载车板下降动作;若无则判断是否在地面层,若在地面层则直接升起安全档杆,等待车主将车辆安全存入,若不在地面层,则通过程序控制,在目标车位下方形成下行通道,然后执行载车板的下降动作,将载车板下降到地面一层,载车板下降动作顺序为:安全挂钩松开,然后载车板下降,降至地面一层后停止,接着安全档杆升起。车主将车停在载车板上,离开载车板,通过程序控制,载车板上升到目标车位,然后升起安全档杆,完成存车操作。(2)自动取车流程类似于自动取车流程,用户取车前,首先应对取车信息验证,系统根据取车信息读取目标车位,控制系统首先对目标车位是否有车进行判断,然后判断其正下方是否有下行通道,若有则直接执行载车板下降动作;若无则判断是否在地面层,若在地面层则直接通知车主进入立体车库一层取车;若不在地面层,则通过程序控制,在目标车位下方形成下行通道,然后执行载车板的下降动作。载车板下降动作顺序为:安全挂钩松开,然后载车板下降,降至地面一层后停止,接着安全档杆升起,等待车主将车开出,完成取车操作。第3章 立体车库机械结构设计本论文设计的户外地面立体车库主要用于存取小型车辆,因而查阅了相关标准,明确了设计参数如下:车长:4700mm 车宽:1800mm 车高:1450mm 车重:2000kg横移速度:10.0m/min 升降速度:6.0m/min根据参照的同类资料预估车库尺寸为:单个车库宽度:2500mm 则车库总宽:25009+200=22700mm车库长:6200mm 车库总高度:8600mmm3.1 框架结构设计框架结构是整个车库的主体支撑,是整个立体车库结构的骨架,框架的坚固程度直接影响着车库的正常运行和安全保障,还要用于承重和安装其他相关控制系统装置。查阅了相关资料和对目前国内建造立体车库的考察,得出目前车库框架大多使用钢结构和钢筋混泥土结构共同结合的结构来使立体车库达到一个可以保证立体车库安全平稳运行且足够抵御一些大风、大雨环境的强度。综合钢材的各种优点,本结构采用钢材来加工整个结构。为了使理论研究设计和实际的生产操作更加具有一致性,也增加结构的通用性,选用钢材制作的H型钢、角钢、槽钢与钢板等钢材部件。可以使立体车库的结构制造相对简单通用、安装方便,施工时间短,外观精巧美观,更易于加固、改建和拆迁。考虑力学性能因素,水平方向为梁,垂直方向为柱的刚性连接柱和梁的基本结构力学性能最好。钢的抗弯强度用来承受车辆的重力,因此在设计时应考虑钢结构的刚度要求。立体车库承重结构是H型钢、角钢、槽钢、钢板焊接而成的一种主体框架结构。主框架的设计,我们选用单柱形式作为立体车库的主体结构,单柱形式由于其跨度短,稳定性很好,在强度和刚度方面能支持的负载也比较大。在车主存取车使,驾驶员可以以单立柱作为车辆在车库内移动的参照物。适合用于立体车库的结构设计。图3-1 立体车库钢架结构正视图图3-2 立体车库钢架结构左视图3.1.1受力梁的计算根据对立体车库结构的分析,受力梁分为横梁和纵梁,载车板和汽车的重量直接作用在纵梁上,纵梁则压在横梁上,因此受力梁需要对纵梁和横梁分别进行计算。3.1.1.1纵梁的计算本设计的框架共有4根纵梁,因为两侧的两根纵梁受力是中间两根的一半,当选用4根尺寸相同的纵梁时,只需要只需对中间两根受力较大的纵梁进行校核。中间纵梁的受力分析简图如下:图3-3 纵梁受力简图其中,与为横梁对纵梁的支撑力,与为载车板与汽车对纵梁的拉力,。载车板与汽车重量为,因此重力,其中取10N/kg。则:(1)计算剪力弯矩对于AB段: 对于BC段: 由于AB段与CD段载荷对称,因此不必计算。(2)画剪力弯矩图图3-4 纵梁剪力图图3-5 纵梁弯矩图由上图可看出,AB与CD段受剪力最大,为,BC段受弯矩最大,为。(3)纵梁的选型对于立体车库钢结构一般选择Q235普通碳素结构钢为材料的工字钢作为建筑材料,它具有良好的塑性和焊接性能,成型能力很好,并具有一定的强度,适合于桥梁、建筑等工程结构,实用性能好,价格相对也很便宜,性价比高。查阅机械设计课程设计手册Q235参数如下:表3-1 Q235性能参数钢材抗拉、抗压和抗弯抗剪端面承压牌号厚度或直径(mm)Q235钢215125325选取热轧H型钢尺寸如下:(H-高度,B-宽,t1-腹板厚度,t2-翼缘厚度,r-工艺圆角)图3-6 热轧H型钢截面尺寸表3-2 纵梁热轧H型钢尺寸规格类别型号(高度宽度)截面尺寸(mm)截面面积(cm2)截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩(cm4)惯性半径(cm)截面模数(cm3)IXIYiXiYWXWY3002002942008122073.0311400160012.54.69779160(4)纵梁的校核1、弯曲正应力的强度校核由于梁的BC段受弯矩最大,故只需要对BC段进行校核,根据材料力学中的公式:计算得到,纵梁所受的弯曲正应力强度远远满足要求。2、弯曲切应力强度校核由剪力图可知,梁在AB及CD段受剪力最大,查机械设计手册可知,故对其进行校核:带入上表数据,计算得:因此,纵梁的弯曲切应力强度满足要求。3.1.1.2横梁的计算设计的结构中有四根横梁,受力为纵梁对它的压力以及柱的支撑力,由此可画出横梁的受力分析图如下:图3-7 横梁受力简图其中,与为柱对横梁梁的支撑力,、与为纵梁对横梁的压力,。载车板与汽车重量为,因此单个车位载车时重力,其中取10N/kg。则:(1)计算剪力弯矩对于AB段: 对于BC段: 对于CD段: 由于DE段与EF段分别与BC段、AB段载荷对称,因此不必计算。(2)画剪力弯矩图图3-8 横梁剪力图图3-9 横梁弯矩图由上图可看出,AB与EF段受剪力最大,为,CD段受弯矩最大,为。(3)横梁的选型选择横梁的材料与纵梁相同,选择的型号如下:表3-2 横梁热轧H型钢尺寸规格类别型号(高度宽度)截面尺寸(mm)截面面积(cm2)截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩(cm4)惯性半径(cm)截面模数(cm3)IXIYiXiYWXWY200150194150691639.7627405088.303.5728367.7(4)横梁的校核1)弯曲正应力强度校核由于梁的CD段受弯矩最大,故对其进行校核,根据材料力学中的公式:因此,横梁所受的弯曲正应力强度满足要求。2)弯曲切应力强度校核由剪力图可知,梁在AB及EF段受剪力最大,查机械设计手册可知,故对其进行校核:带入上表数据,计算得:因此,横梁的弯曲切应力强度满足要求。3.1.2受力柱的计算根据设计,立体车库竖向的受力柱仅受压力,受力简图如下:图3-10 立柱受力简图其中,,,选择H型钢材料梁相同,型号如下:表3-3立柱热轧H型钢尺寸规格类别型号(高度宽度)截面尺寸(mm)截面面积(cm2)截面特性参数HM中翼缘HBt1t2r惯性矩(cm4)惯性半径(cm)截面模数(cm3)IXIYiXiYWXWY150100148100691327.2520401516.172.3514030.2查材料力学和机械设计手册得到:计算压杆柔度范围:计算压杆柔度:其中,为不同条件下的压杆长度因数,对于一端固定,一端自由的杆取,则:因为,故需用欧拉公式计算临界压力,根据欧拉公式:查机械设计手册金属结构中的压杆安全系数,取,则因此立柱足够安全,满足设计需求。3.2车辆运输结构的设计户外地面立体车库中车辆的运输系统是由载车板及载车板上的升降系统和横移系统和两部分构成。对于户外地面立车车库来说车辆的运输系统是其运转动力的来源和完成车辆存取功能的关键。通过载车板的升降系统和横移系统来将车辆运输到指定位置保存或取出。运输系统的动力由电机输出的一个高速小转矩的力,经过减速器或者皮带轮组作用后转化为所需要的低速大转矩的力来驱动载车板横移或升降,从而对车辆进行移动。3.2.1载车板的设计载车板是立体车库内车辆进行运输的中间媒介,是立体车库实现存取功能的载体。通过载车板的升降或横移操作来完成车辆在目标车位的存入或者取出,所以载车板的设计对立体车库来说非常重要。综合各方面的需求,设计采用拼接式载车板。拼接式载车板采用镀锌钢板制作,经过一次相应模具的滚压或冲压后,钢板形成所需形状的组件,再通过连接件螺栓的连接即可形成所需要特定形状的载车板。然后我们可以根据实际需要可以对载车板表面进行处理,如为了使载车板更美观、防锈,可对表面进行烤漆、电镀等处理。另外因为这种载车板是拼接组成的,所以在运输方面十分方便,并且由于材料的刚度很大,应用这种载车板在刚度、强度上都能承受较大的载荷作用,满足设计承载车辆的需求。图3-11 立体车库的拼接式载车板载车板的重量预算:根据户外地面立体车库的内尺寸和车辆的尺寸,确定载车板尺寸为500022005mm,选用45钢为材料制造,则密度为,载车板重量为:考虑到载车板上装配有其他装置,因此预设载车板的质量为。3.2.2升降装置设计升降横移式立体车库的升降系统目前通用的传动方式有钢丝绳式、液压式、螺杆式、链条式、液压缸与钢丝绳组合式、链条与钢丝绳组合式等。可根据不同需求灵活运用。对本次设计的四层结构立体车库分析,从提升高度考虑,鉴于经济效益和方案可行性方面,选择钢丝绳传动更有利。设计选用钢丝绳四点吊挂式的方案,运行平稳,保证车辆的安全。升降过程就由有驱动电机和减速器的组合来提供驱动力,带动卷筒的转动来完成钢丝绳的收缩运动,使载车板上升或者下降到指定层数。下面是这种传动方式的示例。图3-12 升降装置布置图1-驱动电机 2-钢丝绳滚筒 3-支撑钢架4-载车板 5-横移动力装置 6-钢丝绳7-定滑轮 8-横移机构图3-13 升降横移机构整体示图上图所示即为钢丝绳式传动升降的工作示意,钢丝绳6通过两个定滑轮7四点吊挂与载车板5连在一起,钢丝绳的另一端缠绕在滚筒2上,电动机1为滚筒提供动力,电动机的正反转使滚筒可以正反转,随着滚筒的转动钢丝绳的长度伸长或缩短,拽动载车板上升或者下降,让载车板停留在任意层。由于两条钢丝绳被缠绕在同一滚筒上,所以四条钢丝绳的长度的变化量是一致的,这样就保证了载车板保持位置上的水平,避免了停泊在载车板上的汽车在运输过程发生侧翻的现象,保证了运行的安全。升降电机的选型:设计的载车板与汽车重量为,双排带轮传动效率:0.96,电机减速效率为0.95,则总效率,升降速度为v=6.0m/min则升降电动机的功率至少为P=G总上v=245006.0600.9122686.4W可以选用淮安仲益电机科技有限公司生产的JNAP-50DX-55 5HP(3.7KW)型立体停车设备用齿轮减速电机,功率为3.7KW,动力传动稳定,具有40100多个档位的减速机搭配可供选择。3.2.3横移装置设计立体车库横移传动系统的构成主要是由驱动电机和皮带轮组成的驱动机构,由传动轴和滚轮以及轨道组成的执行机构,具体的结构形式如下图:在立体车库的存取车操作中,载车板将首先通过横移装置将目标车位正下方的载车板向左或向右横向移动,为目标车位的升降操作预留出升降通道,然后才能进行载车板的升降操作。具体的设计机构图如下图3-15所示,横移操作的动力来源是通过驱动电机带动皮带轮产生一个较大的驱动力来驱使传动轴转动,带动传动轴上面的滚轮沿着横向的轨道左右移动以使载车板运行到指定位置,完成相应的存取车操作。在结构的设计中,将驱动电机设置在载车板上方并且与横向的预设轨道相平行的位置。图3-14 横移机构示意图图3-15 横移机构整体示意图分析了升降横移式立体车库运行的工作原理可以总结出,第一层的车辆在存取过程中车只做横移操作,不做升降操作。第二层和第三层成为中间层,可做升降操作和横移操作,第四层只可做升降操作,立体车库的第一层、第二层、和第三层的载车板均配备了横移机构。整个立体车库共配备24套横移机构,每套横移机构均由独立的动力装置,主要由横移电机、皮带轮、传动轴以及滚轮组成。横移电机的选型:载车板与汽车重量为,因此重力,其中取10N/kg,由于载车板通过滚轮在横梁上横向移动,在机械设计手册查得钢轮与钢轨之间的滚动摩擦因素为,初取滚轮直径为D=80mm,载车板横移速度为V=10.0m/min,则摩擦力为:驱动力矩为:滚轮转速为:n=VD=100.0839.79r/min根据公式:则需电动机最小功率为:P=Mn9550=4939.7995500.2042KW选用淮安仲益电机科技有限公司生产的JNAP-28DX 1HP(0.75KW)型立体停车设备用齿轮减速电机,额定功率为0.75KW,刹车安全可靠,低噪音,定位功能佳,齿轮制造精度特优,齿轮间隙小,动力传动稳定。,转速为1350r/min,输出转矩为58Nm。传动轴的设计:由横移装置的计算可知,传动轴的轴上功率为其中,0.95为减速机的效率,0.96为皮带轮传动的效率。由上可知传动轴的转速为,则传动轴上的转矩为(1)传动轴的设计1)初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢,经调质处理。查机械设计表15-3,取,于是得到传动轴最小直径是安装皮带轮带轮处直径,取,因此满足皮带轮安装要求。2)轴的结构设计各段直径设计:为了满足皮带轮的轴向定位要求,轴1-2段右端应制出一轴肩,故取2-3段直径。2-3段用于安装外球面轴承,这种轴承室深沟球轴承的一种变形,其适用于安装定位不够精确,轴与座孔的轴线对中性差,或是轴长而挠度大等的情况下,这种轴承两面带密封圈,能严密防止污物侵入,出厂时已装填适量的润滑剂,安装前不需清洗,不需补加润滑剂。由于立体车库体积较大,且传动精度要求不高,完全可以选用这种轴承,选用这种轴承厂家会有配套一体的轴承座,选用UCFL200系列棱形带座轴承,型号为UCFL216,具体参数如下。轴3-4段安装皮带轮,取,因此可以满足皮带轮的安装需求。皮带轮轮右端采用轴肩定位,轴肩高度,故取,则4-5段直径为。轴5-6段安装轴承,轴径,6-7段与1-2段相对应,因此取。表3-4 外球面带座轴承尺寸参数带座轴承型号轴径(mm)外型尺寸(mm)UCFL2168029023318034345883.32533.382.6图3-16 外球面带座轴承外形各段长度设计查机械设计轮毂厚度为:单排皮带轮分度圆直径,皮带轮分度圆直径大于150mm时,则轮毂最小长度,取,考虑到在轴端有挡板定位,需要设计轮毂长度比轴端长度长出2mm,则传动轴1-2段长。皮带轮分度圆直径,皮带轮分度圆直径大于150mm时,则轮毂最小长度,取,传动轴3-4段应比皮带轮轮轮毂长度略短,故取4-5段长。轴2-3段用来安装轴承,轴承和轴承座的总宽度为83.3mm,左端有一段余量,由于外球面轴承不需要轴肩定位,因此不必靠着轴肩安装,考虑到后面皮带轮的安装需要,初步取。轴5-6段也用于安装轴承,综合考虑其长度取。轴6-7段长度对应于轴1-2段,则。轴的设计总长为2400mm,因此经计算可知轴5-6段长度为。图3-17 升降轴结构简图3)轴上零件的周向定位皮带轮的周向定位均采用平键连接。按查机械设计表6-1得平键截面,用键槽铣刀加工一个长为50mm的键槽,同时为了保证皮带轮与轴配合有良好的对中性,故选择皮带轮轮毂与轴的配合为;同样,皮带轮与轴的连接,选用平键为,皮带轮与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是通过国渡配合来保证的,因此选用直径尺寸公差为的轴。4)求轴上的载荷首先做出轴的受力简图如下,根据受力简图和前面计算出的各链轮压轴力,可计算出轴承的反支力,再根据轴承的受力情况画出轴的扭矩图。图3-18 提升轴受力简图上面的简图中,、和分别是3个链轮的压轴力,大小前面已计算出,的4个力分别为轴承的反支力,、和分别为各链轮所受圆周力对轴产生的扭矩,轴的各段长度分别为L1、L2、L4,现分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩,画出弯矩图如下:水平面图3-19 水平方向上提升轴受力简图图3-20 水平方向上提升轴弯矩图垂直面图3-21 垂直方向上提升轴受力简图图3-22 垂直方向上提升轴弯矩图图3-23 提升轴扭矩图由图3-22和图3-21可看出皮带轮安装受力处截面为危险截面,现将皮带轮处、及的值列于下表。表3-5 危险截面所受弯扭值载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T5)根据合成应力对轴强度校核根据轴的弯扭合成强度条件公式和上表中的数据,对轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度校核,轴上的扭转切应力为脉动循环变应力,取,轴的计算应力前面选定轴的材料为45钢,调质处理,查机械设计可知。因此,故安全,符合安装使用的标准第4章 立体车库电控部分设计在户外地面立体车库的机械结构设计完成后,需要配置电控装置来完成立体车库的自动化操作。电控装置在立体车库的运行过程中可以实现升降系统和横移系统的定位控制及顺序操作控制、电机正反转控制、速度控制、以及电路安全保护控制等,可以保证整个立体车库运行状态的平稳、安全、可靠。硬件设计中升降电机、横移电机、开关、启动、急停、保护等电路的设计是保证这一要求的前提条件。立体车库的电控部分设计从硬件和软件方面来完成立体车库的自动控制功能,实现立体车库的智能化、自动化控制。4.1 硬件电路的设计电控设计中硬件的研究与设计是立体车库控制系统设计的基础,在合理的硬件选择设计之后才能进行相应的软件的研究与设计。硬件系统的性能直接决定整个立体车库控制系统运行的稳定性、安全性和快捷性。在硬件电路的设计中为了清晰地阐述立体车库电气控制系统的工作原理,并方便于系统的安装、调试、和维护,将电气控制系统中所用到的各电气元器件用一定的图形符号和文字符号来表示,根据控制要求将其组合在一起,组成完整的电气控制电路,为后续软件设计过程奠定良好基础。硬件电路主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路是指车库内每个存车位的动力主电路图,控制电路主要包括PLC及I/O口拓展模块的相关电路。图4-1 立体车库硬件电路图4.1.1控制器的选型硬件系统设计中,作为下位机的控制器是硬件系统的运行的核心,它的作用就是接收上位机的控制指令,对执行元件进行控制,实现系统的控制功能。在立体车库的运行过程中需要对光电开关、驱动电机、传感器、继电器等进行监测和控制。选择一个足够性能的控制器对于提高控制系统的控制性能起着至关重要的作用。一般用来实现控制的控制器包括单片机、传统电器以及一些专用芯片处理器等。但是针对需要具有一定安全性和实时性和高度自动化的立体车库来说,传统的电器控制拓展性低,控制精度低,可靠性低不能实现自动化控制。现代化工业控制器PLC有着强大的逻辑计算能力,控制精度高、控制能力强、有着极强的拓展性、维护简单、工作可靠、在抗干扰方面有着独特的能力,根据控制特点和控制性能的需求PLC更适合用来对立体车库进行控制。图4-2 硬件总体设计图针对目前各个种类的PLC,从运行速度、CPU存取器的性能、I/O口点数、软件功能、处理器的个数、计时器和计数器的能力、工作环境要求、工作稳定性,性价比等多方面考虑,200系列PLC性能不够控制要求,S7-300和S7-400型PLC价格偏高,因此选用功能强大的西门子SIMATIC S7-1200,CPU型号为CPU1214CAC/DC/RLY。西门子SIMATIC S7-1200拥有强大的扩展能力、结构紧凑、控制精度高,功能强大,同时还集成了工业以太网接口,便于实现控制系统的数据通信,完全可以满足设计的需求。图4-3 西门子SIMATIC S7-1200图片图4-4 西门子1200综述对比4.1.2 I/O口模块的设计I/O口模块是PLC与外界信息交换的通道,在实际的立体车库控制需求当中西门子SIMATIC S7-1200的I/O口不能满足控制系统对于输入输出的需求。因此需要根据立体车库的实际控制需求进行拓展。对立体车库控制系统信号的输入和输出进行统计,本控制系统共有59点数字量输入信号和52点数字量输出信号,而西门子SIMATIC S7-1200自带的输入输出口不能满足控制系统的设计需求。因此,对I/O口进行了扩展,增加了6个16位数字量输入输出模块,输入拓展为SM 1221,输出拓展为SM 1222,通过拓展后的I/O口完全满足了整个系统的控制需求。图4-5 PLC和I/O口模块电路图4-6 PLC及I/O口模块连接参照PLC与I/O模块的连接,分别将输入输出信号与对应的I/O模块的输入端口相连接。输入模块的作用是将传感器检测获得的信号进行接收并存储,然后传送给PLC控制器。输出模块的作用是将PLC的输出指令传递至外部负载,控制继电器、接触器的动作,从而实现对电机、继电器、指示灯的控制。表4-1 I/O口输入地址分配表序号功能说明地址序号功能说明地址1急停I0.031102左移I4.32启动I0.132103左移I4.43停止I0.233104左移I4.54前光电I0.334105左移I4.65后光电I0.435106左移I4.76极限I0.536107左移I5.07下停止I0.637108左移I5.18201上移I0.738108右移I5.29202上移I1.039201左移I5.310203上移I1.140208上移I2.011204上移I1.241301上移I2.112205上移I1.342302上移I2.213206上移I1.443202左移I5.414207上移I1.544203左移I5.515303上移I2.345204左移I5.616304上移I2.446205左移I5.717305上移I2.547206左移I6.018306上移I2.648207左移I6.119307上移I2.749208左移I6.220308上移I3.050208右移I6.321401上移I3.151301左移I6.422402上移I3.252302左移I6.5
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