赵攸乐1 段威林2 邱 郡1 童耀庭1
1 上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062 2 重庆建设汽车系统股份有限公司 重庆 400054
摘 要：由于后悬臂机械式停车设备的结构特点，相较其他形式机械式停车设备，立柱在运行中受到较大载荷。文中基于检验规程及相关标准，对该形式停车设备立柱受到的静载荷情况进行分析，同时对检验中应注意的相关事项进行探究。
关键词：后悬臂机械式停车设备；立柱；静力学分析
0 引言
近年来机械式停车设备得到广泛应用，该设备属于特种设备范畴，是涉及生命安全和存在较大危险性的设备，对安全性要求高。升降横移类机械式停车设备使用十分广泛，其中，后悬臂升降横移类机械式停车设备，相比其他型式升降横移类停车设备，前段无链条遮挡，汽车停入驶出更方便，被部分使用单位选用。但后悬臂式机械停车设备前端无支撑立柱，对后立柱力学性能要求高，相对易发生立柱变形甚至弯折事故，造成设备损坏及人员受伤。本文结合工况，对该型式停车设备立柱进行静力学分析及仿真，为后悬臂停车设备立柱的检验提供思路。
GB 17907—2010《机械式停车设备通用安全要求》5.2.1 规定承载金属结构应有足够的强度、刚度、局部及整体的稳定性；5.2.2 对停车设备应能够承受的载荷进行了概括，同时规定汽车质量按6:4 分配在前后轴，载车板质量各自承担50% 用于集中载荷计算；5.3.3 对停车位尺寸进行了规定，其中对高度要求为不小于适停汽车的高度和微升降动作之和加50 mm；5.4 中规定机械工作部件应有足够的强度、寿命及正常工作能力。TSG Q7013—2006《机械式停车设备型式试验细则》附录B4 中规定，超载型式试验中载荷大小为1.1 倍额定载荷；同时规定超载试验时，结构件、机构无损坏、裂纹、永久变形。
JB/T8910—2013《升降横移类机械式停车设备》5.2.2规定金属结构的设计应符合GB/T 3811—2008 的有关规定；5.2.5 规定后悬臂式停车设备在额定载荷下载车板悬臂端挠度不应大于L/300（L 为载车板长度）；5.3.1规定金属结构件（如立柱、梁）的材料应选用力学性能不低于GB/T 700—2006 中表2 的Q235 钢[1-6]。
2 立柱的静力学分析
由于后悬臂机械式停车设备设计型式及立柱加固方式等的多样性，导致在其检验过程中，对设备立柱是否符合强度要求、安全余量大小等缺少量化数据。同时，进行静力学分析，对长期使用导致的疲劳磨损及塑性变形的位置进行分析，这有利于检验效率及准确性的提高。
2.1 无加固立柱静力学分析
图1 所示为一种两层升降横移类后悬臂机械式停车设备，以下简称后悬臂停车设备。下层载车板承托车辆在下层移动，而上层载车板后端滚轮沿立柱内侧上下移动存取上层车辆。后悬臂车库的最主要承载结构为后端立柱及载车板。而立柱的主体结构通常由型钢构成，下端与地面通过螺栓连接、混凝土浇筑等方式固定，图1为采用H 形钢中的HM 型立柱后悬臂机械式停车设备。
图1 后悬臂机械式停车设备
在检验中，常对立柱去除加固后的力学性能是否满足要求存在疑问。图2a 所示为去除加固后截面尺寸为250 mm×175 mm 的 HM 型钢立柱，图2b 为该立柱受力简图。载车板的滚轮对立柱的作用力为压力F1 和F2。材料选用Q345B，根据TSG Q7013—2006 超载试验时选用1.1 倍额定载荷，对其进行静力学分析，有
式中：F1 为载车板下滚轮对H 形钢的作用力，为88 200 N；F2 为载车板上滚轮对H 形钢的作用力；G1为汽车的最大额载，为1 800 kg；G2 为载车板的质量，为400 kg； Lx 为载车板质心距H 形钢距离，为3.098 m；LAB 为载车板上下滚轮的距离，LAB=H-h=2.9-2.05=0.85 m；Mmax 为H 形钢受到的最大弯矩；Mo 为H 形钢O 点受到的弯矩； σmax 为H 形钢受到的最大应力； σo 为H 形钢O 点受到的最大应力；WZ 为H 形钢弯曲截面系数，为5.02×10-4 m3。
图2 无加固立柱简图
计算得出该立柱 σmax=149 MPa，小于Q345B 材料的抗拉强度极限470 MPa。但此处仅进行静载荷分析，考虑GB 17907—2010 5.2.2 中规定，根据停车设备使用现场情况，还可能承受地震载荷、风雪载荷、动载荷等其他载荷。当现场工况复杂时，可能出现立柱强度安全余量不足的情况。因此，应结合工况，对后悬臂停车设备无加固立柱进行支撑加固。
2.2 加支撑梁的立柱计算
图3a 所示为常见后悬臂停车设备立柱加固型式，在图2 基础上，在立柱上部后侧焊接支撑梁，从而减小立柱所受最大弯矩。利用莫尔积分对可支撑梁的端面受到的载荷进行计算，有
式中：ΔiFn 为载荷Fn 沿Xi 方向的位移， δij 为Xj 单位力单独作用下沿Xi 方向的位移，X1,2,3 为沿X1,2,3 方向的单位力， Mi为 Xi=1 单独作用于基本静定系时的弯矩，Mn 为载荷Fn 引起的弯矩，Xi 为沿相应方向的单位力，EI 为H 形钢截面抗弯刚度。
图3b 为该加支撑梁立柱的受力图，LOD=3 m，计算得到X1=130 813 N，X2=22 133 N，X3=13 953 N·m。依此校核支撑梁的强度是否符合要求以及整个立柱结构最大弯矩和最大应力[7，8]。
图3 加支撑立柱简图和受力图
3 立柱的有限元仿真及检验
由于不同生产厂产品结构设计不同，同时也会依据使用实际情况对该型式设备进行加固，导致立柱结构较复杂，采用传统力学计算难度较大，本文采用有限元仿真对立柱受静载情况进行分析。
3.1 立柱有限元仿真
如图4 所示，该立柱在底部增加了底座，同时在底座与立柱之间焊接角铁，在H 形钢翼缘板外侧焊接一层U 形钢，上部与墙面间增加支撑梁，其端面与建筑物通过螺栓进行连接。这些加固措施在很大程度上增加了立柱的强度及刚度。
1.H 型钢 2. 导轨 3. 底座 4. 支撑梁 5. 支撑梁端面6. 加固U 形钢 7. 加固角铁
图4 立柱结构图
本文利用SolidWorks 软件建立立柱的三维模型，将其导入到Ansys Workbench 软件进行有限元分析。首先，输入Q345B材料属性，然后对模型添加约束条件和载荷，如图5 所示，再进行网格划分，并对受力区域细化网格。最后，对其进行静力学分析，仿真得到载车板位于上限位时立柱的等效应力云图和等效总变形云图，如图6 和图7 所示。
图5 立柱约束条件及载荷
3.2 仿真结果分析
由立柱等效应力云图6a 可知，模型不同色块代表不同应力值，立柱的大部分区域应力相对较小。但部分区域所受应力较大，分别在底座与立柱连接处3、载车板与立柱接触区域2 以及支撑梁与立柱焊接处1。同时，观察图6a 及立柱和滚轮接触区域应力云图发现，载车板滚轮与立柱导轨的接触位置存在应力集中。所受应力较大区域以及应力集中区域为重要位置，在运行过程中更易发生结构失效。在检验过程中，依据GB 17907—2010 的5.2.1 条款等重点进行检查。
（a） （b）
图6 等效应力云图
图7 等效总变形云图
观察图7 立柱变形云图可知，等效变形最大位置发生在立柱与载车板下端滚轮接触位置，检验中可重点观察该区域是否发生塑性变形情况。同时，立柱下端角铁加固位置左侧受到拉应力，右侧受到压应力。依据材料的力学特性，许用压应力大于许用拉应力，因此，仅一侧有空间加装角铁时，后端加装更合适。还应注意，不同生产厂对设备的结构设计各不相同，应根据不同型式分别分析变形情况。
4 结论
参考文献
[1] TSG Q7016—2016 起重机械安装改造重大修理监督检验规则[S].
[2] GB/T 6067.1—2010 起重机械安全规程 第一部分：总则[S].
[3] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].
[4] GB 17907—2010 机械式停车设备通用安全要求[S].
[5] TSG Q7013—2006 机械式停车设备型式试验细则[S].
[6] JB/T8910—2013 升降横移类机械式停车设备[S].
[7] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社,2011.
[8] 孙庆巍. 谈结构力学图乘法应用中复杂图形的图乘技巧[J]. 土木建筑教育改革理论与实践,2009（11）：26-29.
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