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PSH5D二层升降横移机型计算书毕业设计论文

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

MPa 58.6Pa 657704410

33.639.82257A P 4-111≈=??==σ 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1145.94cm ；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=78.645.837

229.52i min =?=l

μ 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

λσb a c -=

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 2·

-cm N ，b=112 2·-cm N 因此λσb a c -==30400-112×78.64=21592.742·

-cm N 临界载荷Kgf 40987726163.71N 63.3374.21592≈=?==A P c C σ

稳定安全系数32.832257/74098/===P P S c ，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46829cm I x =，截面系数33.455cm W x =，惯性半径cm i x 08.12=，cm i y 29.3=，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[σ]的关系是

[τ]=（0.5～0.577）[σ]

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==D A R R 1369.5Kgf 。

弯矩最大值出现在BC 段，其值为

==A B max L ·B P M 1369.5×9.8×2.5=33552.75N ·m

H 型钢对中性轴对称，其最大正应力

MPa

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，

5.1369====C B CD AB P P Q Q Kgf 最大切应力为87.210

46.789.85.3691A Q 4-AB max =??==τMPa 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=1.96×1110Pa=1.96×1110N/2m =1.96×710N/2cm

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

50.17502504-368291096.1247505029.85.3691L L 4-3·24EI L · L ·P 2722AD AB x 2AD AB A max =???

????????? ????????=???????????? ??=f 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l /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

P x

M σ?≤W b max 式中，ma x M 为绕强轴的最大弯矩，由 3.2节的计算，本例中=

max M 33552.75 N ·m=3355275 N ·cm ；

x W 为抗弯截面系数；

P σ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，P σ为215MPa ；查机械设计手册

b ?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：

y b y x b f h t W Ah 2354.41·4320·212y b ???

?????+???? ??+=ηλλβ? 式中：

b β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；

y λ为梁在侧向支承点间对弱轴y-y 的长细比，

在本例中为y i L /AD =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；

1t 为受压翼缘厚度，在本例中为0.9厘米；

b η为截面不对称影响系数，在本例中截面双轴对称，因此b η为0。

y f 为钢材屈服强度。

因此2352350304.40.9227.961455.33046.78227.96432000.122b ????????+???? ????+???=?=0.474 所以.6MPa 551cm ·N 15561.27455.3

474.03355275W 2-b max ≈=?=x M ? 而155.6MPa ＜P σ=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43868cm I x =，截面系数34.309cm W x =，惯性半径cm i x 23.10=，cm i y 82.2=，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[σ]的关系是

[τ]=（0.5～0.577）[σ]

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E R 和后支点反力N R 。

由平衡方程0=∑E M 及0=∑N M ，

可得

MN M FN F EN E l P l P l R · · ·+=，前支点反力=E R 1190kgf

EM M EF F EN N l P l P l R · · ·+=，后支点反力=N R 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

MPa

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EF max -4Q 11909.8 4.37A 26.6710

τ?===? 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=1.96×1110Pa=1.96×1110N/2m =1.96×710N/2cm

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=X I 38684cm 。

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

3)5.091455.52(455.5565

38681096.195.0919.812473)L L 2(L ·9EI L ·P 32 73EF FN FN 2x EF F max ??+??????=+=EN F L f =0.341cm

后吊点载荷导致的最大挠度为

3115.5)449.52(449.5565

86831096.195.1519.89073)L L 2(L ·9EI L ·P 3273MN FM FM 2x MN M max ??+??????=+=EN M L f =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l /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

P x

M σ?≤W b max

式中，max M 为绕强轴的最大弯矩，

本例中为13.026KN ·m=1302600N ·cm ； x W 为抗弯截面系数，本例中为309.4立方厘米；

P σ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，P σ为215MPa ；

b ?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：

y b y x b f h t W Ah 2354.41·4320·212y b ???

?????+???? ??+=ηλλβ? 式中：

b β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；

y λ为梁在侧向支承点间对弱轴y-y 的长细比，

在本例中为y i L /EN =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；

1t 为受压翼缘厚度，在本例中为0.9厘米；

b η为截面不对称影响系数，在本例中截面双轴对称，因此b η为0。

y f 为钢材屈服强度。

因此b 2432036.97252351.670200.4309.4235φ???=????

=1.0306 所以MPa 85.40cm ·N 08.40854

.3090306.11302600W 2-b max ==?=x M ? 而40.85MPa ＜P σ=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

==9550/N L L n T P 777.53×17.46/9550=1.42 kW

已知电机额定功率=N P 2.2kW ，

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。