垂直循環(huán)機(jī)械式停車設(shè)備主軸軸承座受力分析

魏 興，李 豪，黃迎春，孟和蘇樂德，李 超，白朝陽

（大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連 116023）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，機(jī)動(dòng)車的保有量正在高速增長，特別是私家車的數(shù)量呈現(xiàn)出了井噴狀態(tài)。城市配套停車位建設(shè)嚴(yán)重滯后，尤其是大城市中心公共停車場地極其匱乏，停車難的問題相應(yīng)而生。對于寸土寸金的城市，大規(guī)模建設(shè)平面停車場顯然不合適。立體停車設(shè)備，由于平均占地面積小，使得土地使用費(fèi)大幅降低，從而大幅壓縮了每個(gè)車位的費(fèi)用。因此，建設(shè)立體停車庫設(shè)備成為解決城市停車難的有效途徑。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，機(jī)械式停車設(shè)備主要分9種類型。其中垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備，具有占地面積小、布置靈活、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛應(yīng)用。垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備，如圖1所示。主要由框架、起重鏈、載車吊籃總成、防擺導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)組成。2016年落成的1臺(tái)PCXLD9型垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備，適停車輛長 ≤5300 mm，寬 ≤1950 mm，高 ≤1800 mm，重≤2200 kg，最大停車數(shù)16輛，額定最大出庫時(shí)間163 s，升降速度（0.65～6.5）m/min。

PCXLD9型垂直循環(huán)機(jī)械式停車設(shè)備的主軸系統(tǒng)如圖2所示，主要由驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承、驅(qū)動(dòng)側(cè)撥鏈輪、大鏈輪、軸、非驅(qū)動(dòng)側(cè)撥鏈輪和非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承組成。在試驗(yàn)過程中，位于車庫驅(qū)動(dòng)側(cè)的軸承座（圖 2） 發(fā)生斷裂（圖 3）。

原設(shè)計(jì)中，選用的是帶立式座的標(biāo)準(zhǔn)外球面球軸承（GB/T 7810—1995），代號(hào) UCP328，基本額定靜載荷Co=212 kN，額定動(dòng)載荷Cor=272 kN。

1 載荷計(jì)算

主軸系統(tǒng)主要承受起重鏈條通過撥鏈輪引起的載荷和傳動(dòng)鏈條通過大鏈輪引起的載荷。這兩種載荷均沿著輪的切向，二者引起的主軸扭矩大小相等，方向相反。主軸系統(tǒng)受力和相關(guān)尺寸見圖4。

圖2 主軸系統(tǒng)

圖3 斷裂的軸承座

圖4 主軸系統(tǒng)受力示意圖

2個(gè)撥鏈輪受到的切向力可用式（1）計(jì)算。

式中F1——驅(qū)動(dòng)側(cè)撥鏈輪受到的切向力

F2——非驅(qū)動(dòng)側(cè)撥鏈輪受到的切向力

n——可停放車輛的數(shù)量

Φ2——?jiǎng)虞d系數(shù)，可取Φ2=1.1

mi——適停車輛的質(zhì)量

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2

驅(qū)動(dòng)側(cè)是汽車入庫口，即汽車停放后，后軸位于驅(qū)動(dòng)側(cè)方向，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，將汽車質(zhì)量按6∶4分配到前軸和后軸，則有F1=0.4（F1+F2），F(xiàn)2=0.6（F1+F2）。根據(jù)扭轉(zhuǎn)平衡，則大鏈輪受到的切向力 F，見式（2）。

式中d——撥鏈輪的節(jié)圓直徑

D——大鏈輪的節(jié)圓直徑

主軸系統(tǒng)的受力簡圖見圖5。

圖5 主軸系統(tǒng)受力

對E點(diǎn)求矩，有式（3）。

支反力RA見式（4），即為驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承座受力。

對A點(diǎn)求矩，有式（5）。

支反力RE見式（6），即為非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承座受力。

將已知條件 n=16，mi=2.2 t，d=780 mm，D=1516 mm 及其他尺寸數(shù)據(jù)代入以上各式，得到2個(gè)支反力，即2個(gè)軸承座的受力。F1=75.89 kN,F2=113.84 kN，F(xiàn)=97.62 kN，RA=-13.12 kN，RE=105.23 kN。

可見，兩端的帶座軸承受到的載荷均小于基本額定載荷，且受到載荷較小的帶座軸承發(fā)生了斷裂，實(shí)際情況與理論計(jì)算不符。該機(jī)垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，并未發(fā)現(xiàn)卡阻，而且試驗(yàn)過程中循環(huán)次數(shù)有限，可知不是疲勞破壞。

2 有限元分析

為了進(jìn)一步研究軸承座的破壞原因，對軸承座和附近結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。采用實(shí)體建模。對附近結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，約束方式為全約束，并施加水平方向載荷。為安全起見，盡管非驅(qū)動(dòng)側(cè)的帶座軸承未發(fā)生破壞，由于該側(cè)載荷較大，仍施加該側(cè)的載荷。載荷的方向分為水平方向、豎直方向和45°方向3種。

2.1 水平方向

約束位置和載荷施加情況如圖6所示。分析結(jié)果見圖7和圖8。

圖6 施加約束和載荷（水平方向）的有限元模型

圖7 整體應(yīng)力云圖H向

圖8 軸承座應(yīng)力云圖H向

2.2 豎直方向

沿豎直方向施加載荷，約束條件不變，如圖9所示。分析結(jié)果見圖10和圖11。

2.3 45°方向

軸承座內(nèi)表面45°方向的節(jié)點(diǎn)施加總載荷，約束條件不變，如圖12所示。分析結(jié)果見圖13和圖14。

2.4 小結(jié)

3種工況的應(yīng)力情況見表1。

該立體車庫的結(jié)構(gòu)的材料為Q235B，許用應(yīng)力［σ1］見式（7）。

式中σs——Q235B的屈服強(qiáng)度，σs=235 MPa

n——結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)，取n=1.34

圖9 施加約束和載荷（豎直方向）的有限元模型

圖11 軸承座應(yīng)力云圖V向

圖12 施加約束和載荷（45°方向）的有限元模型

圖13 整體應(yīng)力云圖45°方向

圖14 軸承座應(yīng)力云圖45°方向

表1 各工況應(yīng)力

軸承座的材料為 QT400-18，許用應(yīng)力［σ2］見式（8）。

式中σb——QT400-18的抗拉強(qiáng)度，σb=400 MPa

n2——機(jī)械零件的安全系數(shù)，鑄鐵取n2=2.2

可見各工況下，無論是結(jié)構(gòu)還是軸承座，最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過計(jì)算和分析可知，主軸系統(tǒng)兩端選用的UCP328帶立式座的外球面球軸承（GB/T 7810—1995）滿足使用要求，而且有較大的安全裕度，軸承座破壞的原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題。更換同型號(hào)的立式座外球面球軸承后，再次進(jìn)行試驗(yàn)，并經(jīng)過近1 a的運(yùn)轉(zhuǎn)，未發(fā)現(xiàn)任何異常。