王新，魏彦哲

（华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210）

引言

伴随中国制造2025和工业4.0，各行各业都蓬勃发展。平面移动式立体车库就是智能立体车库发展的结晶。平行移动式立体车库适应综合化控制管理，适应于立体车库大型化、高自动化发展方向[1-2]，必将成为人口密集区域立体车库发展的的主流方向。

平行移动式智能车库可以分为5个组成部分：车库入口处汽车待搬运平台、车辆提升设备、搬运小车、车辆横移载车平台、车库存车仓库[1-2]。搬运小车在车库中充当着一个汽车搬运工的功能。它是整个平行移动式立体车库车辆搬运的主要移动设备，其重要性不言而喻。搬运小车夹持臂是搬运小车直接受力部位，对其进行有限元分析，可以直接观察其变形，检测夹持臂薄弱结构。

1 搬运小车模型

1.1 搬运小车系统构成

搬运小车的系统不是单独存在的，搬运小车执行原件、感应和辅助原件、控制原件相互配合，构成自行走搬运小车的整体结构。

1.2 搬运小车结构

搬运小车主要包括五部分，分别为伸缩机构，夹持提升机构，行驶机构，制动机构，和 plc控制感应机构，搬运小车结构如图1所示。

图1 搬运小车结构

2 受力分析

搬运小车夹持臂是搬运小车直接受力部位，传统方法对起重夹持机构进行设计校核虽然有效，但在实际中会随着工况不同，有时合理的设计也会出现错误。所以需要对其进行有限元分析，观察夹持臂变形量，观察其是否满足强度要求。通过ANSYS进行有限元分析，能够更加真实放映受力情况，较传统分析有更加直接的显示效果，具有更好的可信度[3-5]。

图2 夹持轮胎的示意图

通过图1和图2可知，搬运小车分为前后两个车体，车体总共包括4对夹持臂，每组夹持臂分担待搬运车辆车重的1/4。

车辆设计标准重量为2.5t，安全系数为1.3，如公式（1）所示：

其中：Fn—搬运小车搬运极限量，N；k—搬运小车安全系数；Fa—搬运小车设计标准量，N。

计算得到搬运小车搬运车辆的极限量为3.25t。

通过对搬运小车夹持情况进行受力分析。4组夹持臂同时夹持汽车，受力情况大致相同，因此可以选择其中一个夹持臂的进行受力分析，G1为一对夹持臂所受重力，可以认为汽车所受重力 1/4，对夹持臂夹持轮胎静力学分析可得夹持臂斜面和轮胎之间压力Fn与Fm大小，来对夹持臂所受应力和应变进行分析。

夹持臂斜面和轮胎之间压力Fn与Fm在x坐标与y坐标上分别进行分解，其中，Fnx与Fny为Fn分别在x与y坐标方向上的力，Fmx与Fmy为Fm在x与y坐标方向上的力。如图3所示为分解后受力简图。

图3 夹持臂静力学分析图

列出平衡方程，如公式（2）所示：

式中：Fn—左侧夹持臂对待搬运车辆的支持力，N；θ—重力与夹持臂对待搬运车辆作用力夹角，°；Fm—右侧夹持臂对待搬运车辆的作用力，N；

G1—一对夹持臂分担的重力，N；

G—汽车的极限重力，N。

夹持臂斜面对汽车轮胎作用力与水平面的夹角为30˚，G等于搬运小车搬运车辆的极限量Fn，带入公式可以得：

在夹持臂对汽车轮胎夹持时，可以把搬运小车夹持臂看做悬臂梁结构分析。

夹持臂受力属于均匀的分布载荷，由于轮胎大小不同，车辆重量不同，致使受力面积在一定范围内变动，此外轮胎作用到夹持臂位置的不同夹持臂受力情况也不同。

根据压强公式（4）：

式中P—夹持臂所受压强，F—待搬运车辆对夹持臂的压力，S—受力面积

当作用力在右侧，如图4所示为夹持臂受力情况，其中，P夹持臂所受压强，L为夹持臂总长，a为斜面载荷长度，b为夹持臂剩余长度。

夹持臂总长L=560mm，斜面载荷长度a=215mm，受力面积S=0.055m2，得所受压强P=48221.8Pa，也就是说夹持臂所受压强在48221.8Pa左右。

图4 夹持臂受力图

式中：MA—弯矩大小，kN·m；q—均匀载荷分布，kN/m，带入数据得Ma=1200.12N/m。

根据悬臂梁挠度公式（6）。

式中：ω—夹持臂挠度，mm；

P—夹持臂所受压强，kN/m；E—45号钢弹性模量， MPa；L—夹持臂总长，mm；b—无载荷长度，mm。

代入数据求得，搬运小车的夹持臂最右端最大挠度为0.76mm。

3 有限元分析

通过ANSYS对夹持臂进行静力分析和疲劳分析，反应夹持臂的应力分布情况﹑夹持臂受力变形情况和疲劳寿命。

3.1 模型导入与材料分析

搬运小车夹持臂工况条件为低速、高负载。根据承载能力、安全可靠性分析，选用材料为45号钢。

3.2 有限元分析条件约束

根据搬运小车加持臂的实际受力情况，施加作用力。由于右侧带座轴承连接部分连接车体，可以设置其为固定约束。右侧楔形机构的斜面是受力表面，所以在其上施加作用力。当搬运小车通过夹持抬起汽车时，由于待搬运汽车轮距不同，作用力添加分左﹑右两种情况，综合分析夹持手臂受力情况。

（1）网格的化分

在 Mesh中生成网格。查看网格划分结果，统计结果Nodes 307559个Elements 207913个。

3.3 后处理

添加总变形量和等效应力后求解，可以得到应力云图和应变云图。可以看出两种情况都是左侧变形量最大，右侧等效应力最大，其中在右边施加压力时，变形量和等效应力最大，最大位移为0.69，最大等效应力217.87Mp如图5所示。

图5 夹持臂优化后应力和应变云图

（2）夹持臂疲劳分析

夹持臂的疲劳分析在静力分析之后，得到夹持臂疲劳寿命显示云图和安全因子显示云图。如图所示可以看出，当作用力施加在左侧时安全因子最小，红色区域最大。当作用力施加在右侧位置时安全因子最大，红色区域最少。

疲劳寿命显示云图选择显示方式为周期显示，得到次数可以等同于夹持臂夹持搬运车辆的次数。如图6所示，作用力施加在左侧时寿命为 18810次，施加在右侧位置寿命为111470次，可以看出作用力施加在左侧和右侧位置有明显差别。

图6 夹持臂疲劳寿命显示云图

4 结论

论文对夹持臂受力分析和对夹持臂有限元分析结果一致，都是左侧变形最大，右侧应力最大。夹持臂应变最大0.69mm、应力217.87MPa，搬运小车夹持臂搬运车辆时应最大程度靠近内侧，可大大提高夹持臂寿命。

[1] 张炜.立体车库中自动搬运小车的研究[D].上海:上海大学, 2008.

[2] 何聪,肖素梅.电梯式立体车库升降系统设计与安全研究[J].西南科技大学学报:自然科学版, 2014, 29(4):82-86.

[3] 樊炳辉,焦浩,贾娜,等.基于AnsysWorkBench的排爆机器人机械手静力学分析[J].制造业自动化, 2014(4):34-36.

[4] 张俊,宋轶民,张策,等. 基于ANSYS的三环减速器静力学分析[J].农业机械学报, 2007, 38(3):141-143.

[5] 邓俊秀,朱海清.基于ANSYS分析的安全阀研磨支架优化设计[J].轻工机械, 2016, 34(5):90-94.