1、关键词：立体车库 钢结构 结构优化 有限元Abstract The three-dimensional garage is the storage which is used for automatic parking and scientific storage of kinds of automobile. As the quantity of urban automobile has increased continuously in nowadays ,the hard-to-park problem has become a common phenomenon mechanical
2、stereo garage can use land resource sufficiently and bring space advantage into play ,and maximize the number of parking cars .It has become an important way for static traffic problem of cites .The issue studies the topic mechanical parking system which named up-down and translation stereo garage ,
3、and regards of the two factors of cost of manufacture and operational efficiency synthetically ,and analyses and optimizes the structure and the control strategies of the garage . On the basis of investigation on current situation and developing trend of garage in domestic an abroad, we choose three
4、-layer and four-formulistic garage structure as the research model .The paper simply introduces main structure and characteristics of garage and also gives a short introduction to its control system .The finite element analysis of steel structure of garage is utilized .In order to the guarantee the
5、security of garage, it is checked according to the strength theory. Based on the finite element analysis, reasonable optimization of steel structure of garage is performed .The weight of steel structure of garage is reduced by 14% or so and the manufacturing cost is reduced.Keywords: stereo garage s
6、teel structure structural optimization finite element 升降横移式立体车库的机械结构设计机械与电气工程系 机械设计及其自动化专业06城建机械（2）班：王朋朋 指导老师： 陈奇第一章 绪 论 课题的来源和研究意义 由于经济的发展，城市人口、城市车辆逐年增多，市区停车问题亟待解决。特别是汽车工业和建筑业两大支柱产业的快速发展，在一些大、中城市相继出现了停车难和乱停车的现象。传统的单层平面停车场占用大量宝贵的土地资源，越来越不能满足需求。在解决城市城市停车难的问题中，机械式立体停车设备以其独特的优点，引起了各界的重视，得到了广泛的应用图1-1停车难
7、和乱停车的现象我国自改革开放以来，房地产业和汽车工业两大支柱产业得到了高速发展，尤其随着我国城市建设速度的加快和人民生活水平的提高，轿车进入家庭己成为必然趋势。据国家统计局的统计，截止到年底，我国汽车保有量达到2421万辆，比增加万辆，年增长率。其中私人轿车保有量达到万辆，七年增加万辆，年增长率。全国轿车产量在上世纪年代和年代各有一次爆发性增长期，分别是年1986年1988年，年增幅度在60%以上;1990年1993年，年增幅在40%以上;2002年开始进入又一增长期;2003年全国轿车产量首次突破200万辆，达到万辆，比2002年增长%;同时，2003年全年轿车销售204万辆;2004年全国
8、汽车产量达到55万辆，比2003年增长25%，其中轿车产量达到280万辆，比2003增长40%；预计2010年我国汽车保有量将达到5500万辆左右，轿车保有量将达到2000万辆（如图1-2）所示。图1-2汽车保有量与私人轿车保有量随时间变化曲线图速许多大中城市交通设施落后，道路堵塞严重，停车难、乱停车与不断增长的机动车保有量间的矛盾日益突出，早己是社会普遍关注的焦点问题。怎样解决这个日益突出的矛盾难道要限制汽车增长吗显然这不合经济发展的潮流，只有充分利用现有的有限资源，大力加强静态交通的建设，才能有效解决“停车难”问题，因此“立体车库”应运而生。机械立体车库是一种多平面的空间立体车库，它以单层
9、平面停车库为核心，通过微机（即通过上位机对车库进行统一的管理、监控1与PLC控制来进行车位的空间位置变动，使车位实现由空间到平面的转化，从而实现多层平面停车的功能。它具有占地少、停车多、投资少、停车方式先进等优点。智能立体车库由机械传动系统、电气控制系统、检测系统、收费系统及其相应的设备组成。机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发
10、展在国外，尤其在日本已有近3040年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有十年的历程。由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。首先，机械车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高8090，如果采用地上多层（21层）立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发
11、成本。在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。立体车库的国内外现状及发展趋势立体车库是根据自动物流系统物料传输的原理。采用多层高架式存放车辆的大型停车设备。它发祥于20年代的美国,是在繁华拥挤的都市里,为了解决停车难所采取的一种措施。50年代以后,伴随着私人小汽车的大量涌现,美国、西欧相继发明了多种形式的立体车库。到了六七十年代,德国、日本
12、、韩国等国家以及香港和台湾等地区则大有后来居上之势。近年来,立体车库从造型、结构、控制、驱动、监测、材料、保险等方面不断更新换代,日趋完美,井广泛应用于宾馆、商业大楼、各种娱乐场所、机场、码头及繁华商业街等车辆密集地区。立体车库的诞生,尽管仍有不尽人意之处,但它的确为缓解交通拥挤解决停车难开辟了一条新的途径。图1-3 垂直提升式立体车库 我国在20世纪年代初开始研制机械式立体车库，进入90年代，有了突飞猛进的发展。从1992年进口第一座垂直循环式车库到1996年成立立体停车设备协会，短短几年时间就完成了从产品和技术引进到自主开发、制造的过程。几年来各种类型的车库设备相继出现，协会成员己发展到6
13、0多家企业和研究院所。目前上海、北京、深圳、广州、天津、成都、大连、南京、济南、福州、沈阳等城市都相继出现了立体车库。库型以小型车库为主，100个车位以下的占64%，100-500个车位的占33%，500个车位以上的大型车库占3%，但已有增长的势头。使用地以商业住宅小区为主，用于小区配套的占50%，单位自用停车库占30%，公共停车库占20%。我国立体停车设备的技术主要来自日本。生产初期大多是仿制日本等国的产品，经过多年的努力，到目前己经形成一定的生产规模和市场。据有关方面统计，目前约有生产企业100余家，成立了由国家认可的立体停车设备制造企业资质认证中心。产品有很大部分来自自开发项目，生产技术
14、水平也有了很大提高。目前国内立体停车设备是以升降横移类为主，约占总量的84%。此外还有垂直升降类和平面移动类。在技术方面，由最初的机械传动式逐步在发展液压传动式、机械液压传动式、电传动式。控制方式也由单纯的手动控制发展到电气控制、控制和现场总线控制。与各种先进技术的融合将促进停车场向高技术方向的发展，形成停车场产业。我国停车场的需求在不断增大，尽管我国立体停车设备工业起步较晚，但人们己经认识到立体停车场建设的必要性和紧迫性。我国机械停车行业从第一台机械式立体停车设备的建成到现在，己经走过了二十多个年头时间。从姗姗起步到近几年的高速蓬勃发展机械式停车设备，从最初人们对它的陌生和排斥使用到如今在大
15、中城市的现代化建筑、居民小区等场合被大量采用，最终成为解决城市“停车难”的一种有效工具，立体车库经历了它发展的低谷和高潮，特别是机械式立体车库在最近几年发展尤其迅速，可以预见在未来时间里立体车库将会呈现处越来越多的优势，使立体车库技术会像汽车一样得到飞跃式的发展，。虽然我国停车设备行业和技术得到了快速发展，但与停车设备的市场需求还相差甚远。停车设备需要进一步降低制造成本，提高技术含量以及设备使用的安全性和可靠性。随着当今社会各种高新技术的引入，立体车库正在向专业化、复杂化、智能化和高自动化方向发展，重点表现为以下几个方面专业化立体车库系统稳定可靠，能正常运行而不出故障是用户的首要要求，也是一套
16、停车场系统的重中之重。因此，必须提高制造厂家的专业化程度，才能保证设备的可靠性，立体车库的软硬件设施及各种设备的配套也应当达到专业化程度。复杂化立体车库产业正在向多元化方向发展，它已经不仅是纯粹的机械设备，还包含了当今机械、电子、建筑、液压、光学、磁控、管理和计算机技术等领域的大量先进技术。立体停车系统己经日臻完善，如汽车出入车库时采用声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车安全检测、图像识别技术、科学管理等，各种领域先进技术的综合使用，已经使立体车库成为一个独立的大型复杂的高技术设备。智能化立体车库的发展越来
17、越向着智能化方向发展，一些新技术正在迅速进入该领域，如变频技术、全电脑控制系统、导航定位技术、图像识别技术、传感技术、光纤通讯技术、防火防盗系统、停电及电源故障的自动判别排除及处理系统等。对于全电脑自动控制系统，要开发、设计专用硬件系统和专用软件，使之适用于存取车全过程的管理和控制，尤其是对于“模块”阁架式立体车库的电梯调配，自动送车找位、自动平层，应快捷、准确、可靠。系统安全装置的设置要与动态过程安全检测形成闭环，确保存取车过程的安全运行。高自动化立体车库的高自动化主要表现为先进的自动控制技术和科学的管理方法。控制技术和管理方法互为所长，大幅度提高了存取车效率。在控制方法上采用了遥控技术和自
18、动识别系统车辆停靠稳妥在车库外面需要自动转向后，车库可以将汽车自动停放到合适的位置，可实现无人操作在科学管理方面，计算机中心对停车场实行全方位管理，整个停车场完全在计算机监控之下，包括设备监控、出入口监控、停车场内部监控，整个停车场运行的状态信息都可以存入计算机，通过便捷的人机管理界面，实现车流量统计、系统故障查询、收费状况查询、进出车辆信息查询、系统运行状态的实时查询，同时可以设置打印报表功能。未来的车库系统管理更开放、更灵活，整个管理系统能够实现控制与管理一体化，系统操作更加简便，功能更加强大。整个车库的管理可以纳入楼宇自动化系统，联入网络，形成一个综合的计算机管理网络信息系统，真正实现立
19、体车库的无人化管理。课题的主要研究内容随着土地资源的不断开发，城市人均占地面积不断缩小，代表着机械与电气控制最新科技的立体车库将是未来商业宾馆、酒店、办公娱乐场所及居民小区的主要停车方式。本课题以升降横移式立体车库为主要研究对象，通过对国内知名立体车库制造企业和济南等地立体车库实际使用情况的市场调研，针对立体车库的钢结构和系统控制中排队论和控制策略进行了研究。立体车库的钢结构是车库重量的主要部分，钢结构的材质型号及板料厚度对车库的安全性起着至关重要的作用由于车库在停放车辆的时候，需要将汽车进行横移或升降，汽车的重量本身会对车库产生一定的作用力，存取车动作时的动力势能也会加重这种作用，因此，如果
20、车库板材厚度不够，会影响车库整体的刚度和强度，对车库的安全性有一定的隐患如果车库板材过厚，一方面会加重车库的总重量，不便于移动和运输，同时也会增加车库自身的制造成本另一方面，会对钢铁造成浪费，这与国家“十一五”规划强调的“节能减排”约束性指标相矛盾。因此，为了满足企业的发展需求，同时使车库整体刚度和强度满足使用要求，达到车库停放车辆的安全性指标，也为了满足减少材料浪费的目标，课题研究了以下几个内容：（1）立体车库的方案选型和确定通过对立体车库各种型号结构、原理及其特点的分析研究，确定出企业开发车库的类型，并对车库的机械结构方案和控制方案进行初步规划。（2）立体车库受力情况分析，确定主要受力构件
21、，分析其稳定性，并对车库进行模型简化 考虑车库在运行过程中所要承受的力和其他各种外部因素，对车库钢结构进行受力情况分析，确定出存取车过程中的主要影响因素和关键受力部件，并对车库模型进行简化。 （3）通过分析软件对机械结构进行分析优化 运用分析软件对简化后的车库钢结构模型进行分析优化，得到最优化结构尺寸，并与原先设计的钢结构进行比较。第二章 升降横移式立体车库的总体方案设计产品的选型和定位 多层式立体车库普遍采用高架式存放，它的特点是节省土地面积，即在一个单位的面积上可以容纳多个车位同时，可以根据场地的大小、形状排列，具有灵活多变的特性。停车位有一个横移矩形框架及一个载车板组成，载车板为保安全采
22、用链条传动或钢丝绳传动。传动件密封于横移框架中，可免受风吹雨淋，对延长寿命及降低维护费用有明显效果。除以上独特性以外，现代先进的立体车库更具备详尽完善的安全保护功能以及引进国外技术与器件的电脑全自动操作的管理系统。另外，对于不同型号的立体车库，又具备其独特的结构和运行模式，能适用于不同的场地和现有停车空间。因此，如何选择一款合适的立体车库型式作为企业进行市场推广的切入点，对于企业未来生存和市场竞争力有着紧密的联系。下面我们通过对系列不同车库的原理和适用情况的分析，来确定作为该企业市场切入口的车库类型。立体车库的类别根据JB/T8713-1998机械行业标准，按其工作原理区分主要包括以下九种:（
23、1）升降横移类SH;（2）垂直循环类CX；（3）水平循环类SX;（4）多层循环类DX;（5）平面移动类PY;（6）巷道堆垛类XD;（7）垂直升降类CS;（8）简易升降类JS;（9）汽车升降机类QS。（1）升降横移类利用存车板升降或横移存取车辆，适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低。它以钢结构框架为主体，采用电机驱动钢丝绳或链条带动载车板做升降横移运动，实现存取车辆。每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升降横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库内地面的车辆只作横移，不必升降，而停泊在顶层的车辆只作升降，不作横移。中间层则通过升降横移运动为顶层车辆
24、让出空位，或存取车辆（见图2-1）（2）垂直循环类垂直循环类停车库采用垂直方向做循环运动的方式，通过电机带动传动机构，在牵引构件一链条上，每隔一定距离安装一个存车托架，当电机启动时，存车托架随链条一起做循环运动，达到存车目的（见图2-2）。图2-1升降横移类 图2-2垂直循环类（3）水平循环类用一个水平循环运动的车位系统存取停放车辆，减少平面停车的跑车道。该类车库利用机械升降横移原理，由控制车辆存取停放的车位系统在水平面上作循环运动，将所需存取车辆的载车板移到入口处，驾驶员再将汽车存入或取出。车辆通过车位系统定位检出，提供最佳安全防护。它可以省去原平面停车的进出车道，提高土地利用率，最适合建于
25、狭长地形的地方，如地下室即可采用这种型式。由于车辆存取是在出入口，原有行车道由停车机械代替，不仅提高了土地利用率，还减少了废气排放和污染，降低拉通风装置的费用。此种方式连车道空间一起利用，若多层重叠可为大型停车场（见图2-3）。（4）多层循环类通过使载车板作上下循环运动，从而实现车辆多层停放。该类设备适合设置于建筑物的地下室，特别是铁路、高架路的下方、一般道路的地下等，最适宜用于场地窄小，无法设置车道，且只允许设置一个出入口的场地（见图2-4）。（5）平面移动类这类车库采用在同一层上用搬运台车或起重机平面移动车辆，或使载车板平面横移实现存取停放车辆，亦可用搬运台车和升降机配合实现多层平面移动存
26、取停放车辆。主要有搬运式和容纳式两种，搬运式只一个停车板，通过搬运台车把车辆搬到停车位中容纳式是有与停车位相同数量的停车板，停车板下有横移装置。在同样面积内，容纳式比搬运式增加30%-50%的车位数（见图2-5）。 图2-3水平循环类图2-4多层循环类图2-5平面移动类（6）巷道堆垛类采用巷道堆垛机或桥式门式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，对堆垛机的技术要求较高，因此该类车库自动化水平很高另一方面，车库全封闭式建造，存车安全性高。这种停车设备往往用于地上或地下的大型停车库的大型密集式存车，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用（见图2-6）。（7）垂直升降类垂直升
27、降类立体车库又称塔式立体车库，是用提升机将车辆升降到指定层，并用存取机械存取车辆。垂直提升式立体车库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、加工安装精度等要求都很高，因此造价也不菲，但占地却最小（见图2-7）（8）简易升降类把停车位分成上、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，在面积一定时将至少增加二倍以上的停车位。该车库可任意迁移，具备很好的可移动性和易装配性（见图2-8）。（9）汽车升降机类汽车升
28、降机是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。在立体停车库的建设中，往往会遇到因场地狭小无法采用自走式坡道的情况，为了将汽车搬运到不同平层中存取车辆，就需要采用垂直升降的汽车专用升降机。这样可以代替汽车进出车库的斜坡道，大大节省空间，提高车库利用率。这种汽车专用升降机常用于地下或屋顶或建筑自走式车库存取汽车的搬运。 图2-6巷道堆垛类 图2-7垂直升降类图2-8简易升降类通过对我国国内现有停车场停车现状的分析和国内立体车库使用情况的调研，综合各种车库的原理和适用情况，同时考虑到研发成本及维修，我们选择三层四列十
29、位升降横移式立体车库作为企业进行立体车库研发的市场切入点。 升降横移式立体车库由于造价成本较低、配置灵活、拆卸也比较方便，可以最大程度降低风险系数，取得成功，而且，目前我国多数小区采用的也是多层升降横移式立体停车设备，大规模的仓储式机械停车库还很少，因此选择升降横移式立体车库，易于进行后期市场推广，可行性很高。下面我们就对升降横移式立体车库的系统结构和方案原理进行分析。升降横移式立体车库的工作原理 升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中
30、间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库川。升降横移式立体车库变化形式较多，对场地的适应性较强，可根据不同的地形和空间进行组合排列，规模可大可小，因此采用此种形式的停车库十分普及，占现有泊位总量，是所有种类车库中需求量最大的一种。按照布置型式分，升降横移式停车设备可以分为半地下布置型式和全地上布置型式。以全地上布置型三层四列十车位车库模型为研究对象,工作原理图如图2-9所示。 图2-9升降横移式立体工作原理图车库的运行情况如下图中的底层即号车直接进行存取，号车下架到地面层后进行存取，号车位必须通过号车位横移出相应的空位，再下降到地面层存取车。如需在号车位存取车，则可将号和号车位向右移动一个车位，号车位直接下降即可，如需在号车位存取车，则将号车位右移一位，号车下降即可。
