PSH5D二层升降横移机型计算书毕业设计论文.docx

PSH5D二层升降横移机型计算书

PSH5D机型为二层升降横移类停车设备。二层升降横移机型的工作原理为：一层车台可以直接存取车辆，并可以左右移动。二层车台使用升降马达工作，载车板及车辆可以升降，当某个二层车台的载车板下方一层车台横移留出空间后，该载车板下降至地面，车辆便可自由进出。
设备采用框架式结构，由立柱、前后横梁、上中纵梁以及左右纵梁构成金属框架，材料为Q235型钢。四根立柱为150×150mm，壁厚6mm方管；前、后横梁为H300×150×6.5×9规格H型钢；上中纵梁为H250×125×6×9规格H型钢；左右纵梁为H250×125×6×9规格H型钢。钢构部分简图见附件。

一、 设计计算依据和主要参考资料
《机械式停车设备通用安全要求》GB 17907-2010；
《升降横移类机械停车设备》JB/T 8910-1999 ；
《机械式停车设备类别、形式与基本参数》JB/T 8713-1998
《机械设计手册》化学工业出版社2009.01北京第五版第29次印刷
《材料力学》王吉民主编，中国电力出版社，北京，2010年8月第一版
《钢结构设计规范》GB50017-2003

二、立柱的强度、稳定性计算
根据JB/T 8713-1998表2规定，大型轿车质量≤1700kg。根据GB 17907-2010第5.2.2.2条，将汽车质量按6：4分配到前轴和后轴，并以受力大的一侧作集中载荷计算，由此根据PSH5D钢结构受力特性需要对前左、前右2根前立柱作强度和稳定性计算。单根前立柱高度为2214mm，材料为Q235型钢，截面为150×150mm，壁厚6mm方管。其底部通过地脚螺栓固定于地面。计算工况为PSH5D停车设备的二层车位全部停入重量为1700kg轿车的满载工况。载车板的重量454.5kg；轿车重量1700kg，一根前横梁的重量为295kg；一根后横梁的重量为365kg；两根上中纵梁总重为490kg；两根左右纵梁总重为466kg。
据此，两根前立柱承载的垂直载荷为
（454×50%+1700×60%）×3+295+490×50%+466×50%=4514kgf，单根前立柱承载的垂直载荷为2257kgf。
2.1前立柱的强度计算
根据《机械设计手册》第五版3-134页，规格150×150mm，壁厚6mm方管的截面积为33.63平方厘米。
垂直载荷作用下前立柱的正应力为

6.57MPa小于Q235钢材本身的屈服极限235MPa，符合要求。
2.2前立柱的稳定性计算
立柱底端通过地脚螺栓与地面固定，可视为一端固定、一端自由的压杆。
根据《机械设计手册》第五版1-171页表1-1-124，取其长度系数μ=2，稳定系数η=2.467。
根据《机械设计手册》第五版3-134页，规格150×150mm，壁厚6mm方管的截面惯性矩为1145.9；惯性半径5.837厘米。
已知立柱高度为l=2295mm=229.5cm；根据《机械设计手册》第五版1-170页表1-1-123柔度计算公式，
其柔度λ=
属于中等柔度压杆。据同表中提供的直线经验公式，其临界应力

其中a、b值由《机械设计手册》第五版1-173页表1-1-127确定，对于Q235钢材a=30400 ，b=112
因此=30400-112×78.64=21592.74
临界载荷
稳定安全系数，大于《机械设计手册》第五版1-169页表1-1-120推荐参考值，符合稳定性要求。

三、横梁的强度、刚度、稳定性计算
本机型的钢结构中，前、后横梁两端由立柱支撑，左右纵梁和上中纵梁对称分布，两端通过螺栓固定在前后横梁上。因为左右纵梁对前、后横梁的压力于与立柱对前、后横梁的支反力方向重合，所以左右纵梁载荷直接由立柱承载，其对前、后横梁只有压力作用。搭在前、后横梁1/3与2/3长度位置上的上中纵梁，其载荷使得前、后横梁均承受弯矩和扭矩。根据GB 17907-2010第5.2.2.2条，将汽车质量按6：4分配到前轴和后轴，受力大的一侧作集中载荷计算，因此需要对前横梁进行强度、刚度、稳定性计算。
3.1已知条件
前横梁可视为简支梁。在一般情况下，钢梁的自重可以略去。轿车和升降车板的载荷通过链条、链轮和传动轴传递到上中纵梁上，受力情况如下图
前横梁与四根纵梁（左纵梁、右纵梁、上中纵梁）连接，其中左、右纵梁与前横梁连接点处的集中载荷大小为454×25%+1700×60%×50%+233×50%=740Kgf；中纵梁与前横梁连接点处集中载荷大小为454×50%+1700×60%+245×50%=1369.5Kgf。其中左、右纵梁位置正好位于左右支点（也即左右立柱）上方，对于横梁的弯曲变形讨论没有影响，因此可以在讨论过程中略去，问题简化为下图所示：

两支点间距，也即前左立柱和前右立柱中心距为7500mm。
根据《机械设计手册》第五版3-12页表3-1-6可知，Q235钢材屈服强度为235MPa，抗拉强度为370MPa。前横梁材料为H300*150*6.5*9型钢，据《机械设计手册》第五版3-120页表3-1-59可知其惯性矩，截面系数，惯性半径，，截面积为46.78平方厘米。
根据 《材料力学》（王吉民主编，中国电力出版社，北京，2010年8月第一版）第55页，对于塑性材料，许用切应力[τ]与许用正应力[]的关系是
[τ]=（0.5～0.577）[]
取其最小值，得Q235钢材的许用切应力[τ]为0.5×235=117.5MPa。
力学特性可以查手册19-45
3.2前横梁的正应力强度条件校核
梁、载荷均左右对称，易求得左右支点反力1369.5Kgf。
弯矩最大值出现在BC段，其值为
1369.5×9.8×2.5=33552.75N·m
H型钢对中性轴对称，其最大正应力
σmax=MmaxWx=33552.75455.3=73.69MPa
因73.69MPa＜235MPa，且73.69MPa＜370MPa，故此前横梁正应力强度满足需求。

3.3前横梁的切应力强度条件校核
BC段剪力为零，AB段与CD段剪力相等，
Kgf
最大切应力为MPa
因2.87MPa＜钢材的许用切应力[τ] =117.5MPa，故此前横梁切应力强度满足需求。

3.4前横梁的刚性校核
根据《机械设计手册》第五版1-7页表1-1-6，碳钢的弹性模量E为196～206GPa，这里取最小值196Gpa计算。
196Gpa=1.96×Pa=1.96×N/=1.96×N/

据《机械设计手册》第五版1-126页表1-1-96，前横梁的最大挠度为
cm
根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录表A1.1.1第四项规定，对于工作平台的主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架），同时考虑永久和可变载荷标准值产生的挠度的容许值为/400。据此，前横梁长度为7500mm，挠度容许值为7500/400=18.75mm=1.875cm。
因1.50cm＜1.875cm
所以刚度满足要求。

3.5前横梁的稳定性校核
根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.2.2条规定，梁的整体稳定条件为

式中，为绕强轴的最大弯矩，由3.2节的计算，本例中33552.75 N·m=3355275 N·cm；
为抗弯截面系数；
为梁的弯曲许用应力，对于Q235钢，当梁的截面厚度不超过16mm时，为215MPa；查机械设计手册
为梁的整体稳定系数，其值由《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B部分B.1-1公式计算：

式中：
为梁整体稳定的等效临界弯矩系数，按《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B部分表B.1采用，在本例中为1；
为梁在侧向支承点间对弱轴y-y的长细比，在本例中为=227.96；
A为梁的截面面积，在本例中为46.78平方厘米；
h为梁截面全高，在本例中为30厘米；
为受压翼缘厚度，在本例中为0.9厘米；
为截面不对称影响系数，在本例中截面双轴对称，因此为0。
为钢材屈服强度。
因此=0.474
所以
而155.6MPa＜=215MPa，因此满足稳定要求。

四、中纵梁的强度、刚性、稳定性计算
上中纵梁两侧均有吊点，其载荷是只有单侧吊点的左/右纵梁的2倍。因此以中纵梁进行计算，如果中纵梁满足强度、刚性、稳定性要求，则左右纵梁亦满足要求。
4.1已知条件
中纵梁可视为简支梁。在一般情况下，钢梁的自重可以略去，受力情况如下图：

中纵梁两端与前后横梁连接，距前横梁1095mm处布置有前吊点，集中载荷大小为454×50%+1700×60%=1247Kgf；距后横梁1155mm处布置有后吊点，集中载荷为454×50%+1700×40%=907Kgf。
两支点间距，也即前横梁和后横梁中心距为5650mm。
根据《机械设计手册》第五版3-12页表3-1-6可知，Q235钢材屈服强度为235MPa，抗拉强度为370MPa。中纵梁材料为H250×125×6×9型钢，据《机械设计手册》第五版3-120页表3-1-59可知其惯性矩，截面系数，惯性半径，，截面积为36.97平方厘米。
根据 《材料力学》（王吉民主编，中国电力出版社，北京，2010年8月第一版）第55页，对于塑性材料，许用切应力[τ]与许用正应力[]的关系是
[τ]=（0.5～0.577）[]
取其最小值，得Q235钢材的许用切应力[τ]为0.5×235=117.5MPa。

4.2中纵梁的正应力强度条件校核
首先求解前支点反力和后支点反力。
由平衡方程及，
可得
，前支点反力1190kgf
，后支点反力963kgf
做出梁的弯矩图如下：

弯矩最大值出现在前吊点处，其值为13.026 kN·m。
H型钢对中性轴对称，其最大正应力
σmax=MmaxWx=13026309.4=42.10MPa
因42.10MPa＜235MPa，且42.10MPa＜370MPa，故此中纵梁正应力强度满足需求。

4.3中纵梁的切应力强度条件校核
做出梁的内力图如下：

最大剪力出现在MN段，为1190Kgf
最大切应力为 MPa
因4.37MPa＜Q235钢材的许用切应力[τ] =117.5MPa，故此中纵梁切应力强度满足需求。

4.4中纵梁的刚性校核
根据《机械设计手册》第五版1-7页表1-1-6，碳钢的弹性模量E为196～206GPa，这里取最小值196Gpa计算。
196Gpa=1.96×Pa=1.96×N/=1.96×N/
用叠加法计算中纵梁的挠度。
中纵梁为H250×125×6×9规格H型钢，其惯性矩3868。
据《机械设计手册》第五版1-125页表1-1-96，前吊点载荷导致的最大挠度为
=0.341cm
后吊点载荷导致的最大挠度为
=0.260cm
两者叠加值为0.341cm+0.260cm=0.601cm。根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录表A1.1.1第四项规定，对于工作平台的主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架），同时考虑永久和可变载荷标准值产生的挠度的容许值为/400。据此，中纵梁长度为5650mm，挠度容许值为5650/400=14.125mm=1.4125cm。
因0.601cm＜1.4125cm
所以刚性满足要求。

4.5中纵梁的稳定性校核
根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.2.2条规定，梁的整体稳定条件为

式中，为绕强轴的最大弯矩，本例中为13.026KN·m=1302600N·cm；
为抗弯截面系数，本例中为309.4立方厘米；
为梁的弯曲许用应力，对于Q235钢，当梁的截面厚度不超过16mm时，为215MPa；
为梁的整体稳定系数，其值由《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B部分B.1-1公式计算：

式中：
为梁整体稳定的等效临界弯矩系数，按《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B部分表B.1采用，在本例中为1.67；
为梁在侧向支承点间对弱轴y-y的长细比，在本例中为=200.4；
A为梁的截面面积，在本例中为36.97平方厘米；
h为梁截面全高，在本例中为25厘米；
为受压翼缘厚度，在本例中为0.9厘米；
为截面不对称影响系数，在本例中截面双轴对称，因此为0。
为钢材屈服强度。
因此=1.0306
所以
而40.85MPa＜=215MPa，因此满足稳定要求。

五、链条安全系数计算
载车板的质量454kg，汽车质量≤1700kg。根据GB 17907-2010第5.2.2.2条，将汽车质量按6：4分配到前轴和后轴，并以受力大的一侧作集中载荷计算。据此，单个前吊点的载荷为
（454×50%+1700×60%）/2=623.5Kgf
由《机械设计手册》第五版13-101页表13-2-1，规格为16A的单排滚子链抗拉载荷为55.6KN=55600N。
安全系数为55600/（623.5×9.8）=9.1
根据GB 17907-2010第5.4.3.1条，准无人式停车设备起升用链条安全系数应不小于7.
9.1≥7
因此链条强度符合要求。

六、提升马达扭力与功率校核及升降速度计算
6.1 传动系统说明：
提升电机采用停车设备专用马达型号：JNAP-50DX
规格：AC380V,50Hz,2.2kW;
减速比：1/80；
输出轴转速：17.46rpm；
输出轴额定扭距：106kgf·m;
以上引自电机产品手册。
马达输出轴端安装主动链轮（齿数15），通过链条与主轴中部的大链轮（齿数27）连接，主轴两端各有一个双排链轮（齿数15，匹配链条节距为25.4mm，链轮分度圆半径为61.1mm），以驱动左前、右前、左后、右后四根起升链条。
单个前起升链条的载荷如前文所述，为623.5kgf；单个后起升链条的载荷为（454×50%+1700×40%）/2=453.5Kgf。
根据《机械设计手册》第五版1-5页表1-1-3，滚子链传动效率为0.96。
6.2 电机输出轴扭力校核
据前文所述，主轴所受扭矩为
623.5×2×0.0611+453.5×2×0.0611=131.61 Kgf·m
通过大链轮和主动链轮传递到马达输出轴端的扭矩为
131.61×15/27/0.96/0.96=79.34 Kgf·m
79.34kgf·m小于
输出轴额定扭距106kgf·m，因此扭矩满足要求。

6.3电机功率校核
据6.2节计算结果，传递到马达输出轴端的负载转矩为79.34kgf·m=777.53N·m，已知马达输出轴端额定转速为17.46rpm，
因此负载功率为
777.53×17.46/9550=1.42 kW
已知电机额定功率2.2kW，
，因此功率满足要求。

6.4提升速度计算
已知马达输出轴端额定转速为17.46rpm，车台升降速度为
17.46×15/27×3.14×0.1222=3.72 m/min
七、提升马达扭力与功率校核及升降速度计算
7.1横移速度计算：

马达输出轴端安装主动链轮（齿数17），通过链条与主轴中部的大链轮（齿数25）连接，主轴两端各有一个双排链轮（齿数15，匹配链条节距为25.4mm，链轮分度圆半径为61.1mm），以驱动左前、右前、左后、右后四根起升链条。
单个前起升链条的载荷如前文所述，为623.5kgf；单个后起升链条的载荷为（454×50%+1700×40%）/2=453.5Kgf。
根据《机械设计手册》第五版1-5页表1-1-3，滚子链传动效率为0.96。
6.2 电机输出轴扭力校核
据前文所述，主轴所受扭矩为
623.5×2×0.0611+453.5×2×0.0611=131.61 Kgf·m
通过大链轮和主动链轮传递到马达输出轴端的扭矩为
131.61×17/25/0.96/0.96=97.11 Kgf·m
97.11kgf·m小于
输出轴额定扭距106kgf·m，因此扭矩满足要求。

6.3电机功率校核
据6.2节计算结果，传递到马达输出轴端的负载转矩为97.11kgf·m=951.66N·m，已知马达输出轴端额定转速为17.46rpm，
因此负载功率为
951.66×17.46/9550=1.74 kW
已知电机额定功率2.2kW，
，因此功率满足要求。

6.4提升速度计算
已知马达输出轴端额定转速为17.46rpm，车台升降速度为
17.46×17/25×3.14×0.1222=4.56 m/min

七、提升马达扭力与功率校核及升降速度计算
7.1速度计算：
已知横移马达输出轴端额定转速为28.81rpm，车台升降速度为
17.46×15/27×3.14×0.1222=3.72 m/min
双键改单键强度校核
σp=2T×103kld≤[σp]
2×131.61*9.8*1000/(5.5×92×55)=92.69MPa
查表得知钢材静载荷状态下[σp]为120~150MPa
满足要求
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