CC BY
102
УДК 711.553.17, 621.86/.87
ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДДОНОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПАРКОВОЧНЫХ СИСТЕМ
С.Г. Гнездилов, К. О. Кондрашов
Представлено обоснование рационального исполнения поддона для автоматизированных парковочных систем, изложены основные результаты исследования напряженно-деформированного состояния одного конструктивного решения такого исполнения, даны рекомендации по его совершенствованию, а также приведены общие положения алгоритма оптимального проектирования поддонов.
Ключевые слова: система парковки автомобилей, паркинг, оптимальное проектирования, поддон, расчет, напряженно-деформированное состояние.
В автоматизированных и механизированных системах парковки автомобилей (СПА) важным элементом, обеспечивающим связь паркуемых автомобилей с механизированным устройством, главным образом служат поддоны, в различных решениях СПА зачастую сильно различающиеся по конструктивному исполнению, по-разному влияющие на экономические показатели СПА [1].
Автоматизированными называются СПА [2], в которых принимающиеся на хранение автомобили через специальное помещение (далее -терминал) подаются на механизированное устройство, которое в автоматизированном режиме по определенному алгоритму без участия человека обеспечивает сообщение мест хранения с терминалами системы. Большинство неавтоматизированных (механизированных) парковочных систем могут быть автоматизированы, посредством добавления к ним терминала, соответствующего совершенствования их системы управления и т.п., что однако во многих случаях экономически нецелесообразно.
Российские разработчики автоматизированных СПА на этапе проектирования новых решений неизбежно сталкиваются с проблемой поиска подходящих конструктивных исполнений поддонов с хорошими техническими и экономическими показателями.
1. Общие сведения о поддонах
В СПА поддон выполняет функции переходного устройства между компонентами СПА и паркуемыми автомобилями, колесная база (расстояние между осями пар колес) которых может принимать различные значения. В таких системах одна парковочная операция по постановке автомобиля на хранение, как правило, включает следующие этапы: транспортирование пустого поддона в помещение для передачи автомобилей, передача пользователем автомобиля механизированному устройству, транспортирование поддона с автомобилем к месту хранения, хранение автомобиля.
В СПА с подвижными местами хранения в ряде случаев выполне-
ние парковочной операции (постановка автомобиля на хранение и/или его выдача) сопровождается одновременным перемещением большого числа поддонов, в том числе с хранящимися на них автомобилями, что неблагоприятно отражается на энергопотреблении системы в целом. В связи с этим целесообразна разработка методики оптимального проектирования поддонов, энергозатраты на транспортирование которых были бы минимальны.
В автоматизированных СПА (АСПА) на поддонах, имеющих в большинстве своем плоское исполнение, предусмотрена колея с парой желобов, способствующая размещению автомобилей на поддонах в требуемом положении как в поперечном так и продольном (направление въезда автомобиля на поддон) направлениях. Габаритные размеры поддонов принимают исходя из максимальных габаритных размеров ожидаемых к хранению на них автомобилей. Для различных размерных классов автомобилей приняты [3] предельные значения их габаритов (с учетом боковых зеркал заднего вида), а с учетом дополнительных требуемых допусков (5 см с каждой стороны) [3] габаритные размеры поддонов, например в СПА, обслуживающих автомобили среднего и малого размерного класса, могут принимать следующие минимальные значения: 5,1 х 2,1 (м) (длина х ширина).
При отработке одного рабочего цикла (одной парковочной операции) в различных АСПА перегрузка поддонов с одного компонента АСПА на другой может производиться как в продольном или поперечном, так и в продольно-поперечном направлениях. Направление перегрузки зависит от выбранной планировки АСПА, зависящей, в частности, от геометрических характеристик пространства, выделенного для хранения автомобилей.
В решениях АСПА с прямоугольными стеллажами и продольной перегрузкой поддонов путь, преодолеваемый поддоном при каждой перегрузке, существенно протяженнее (более чем в 2 раза), чем в решениях АСПА с поперечной перегрузкой, однако при этом доставка поддонов к местам хранения в среднем при том же количестве мест хранения осуществляется по более короткому пути. При поперечной перегрузке поддонов применяют способ их складирования в два ряда. В зависимости от направления перегрузки поддонов, скоростных характеристик компонентов АСПА и др. параметров определяется суммарное время, затрачиваемое на транспортирование поддонов на участке между терминалом и местами хранения.
2. Рациональное исполнение поддона
В многокомпонентных АСПА процесс транспортирования поддонов на участке между терминалом и местами хранения включает передачу (перекатывание) поддонов от одного компонента системы на другой (далее - перегрузка). Причем катки, по которым перекатывается поддон, могут быть закреплены либо на самом поддоне, либо на неподвижных элементах
парковочной системы (рис. 1). Во втором случае каждый поддон опирается не менее чем на 4 пары катков. Далее отметим преимущества и недостатки способов закрепления катков.
3 4 12 5 12
А б
Рис. 1. Фрагменты вариантов конструктивного исполнения поддонов: а - решение поддона без катков, б - решение поддона с катками; 1 - поддон, 2 - колесо автомобиля, 3 - неподвижно закрепленный каток, 4 - неподвижно закрепленный направляющий ролик,
5 - каток поддона
Поддоны без закрепленных на них катков по сравнению с поддонами с катками имеют следующие преимущества: меньшая масса поддона, поскольку в нее не входит масса катков, конструкция поддонов проще и они более компактны, отсутствуют специальные стационарные рельсы/направляющие, роль которых выполняют сами поддоны, обеспечивается более высокий уровень безопасности за счет одновременного контакта поддона с большим числом катков, а потому выход из строя какого-либо катка не будет иметь негативных последствий; при сохранении достаточно простой конструкции поддона возможна его перегрузка как в продольном, так и в поперечном направлениях. При этом общее число катков и роликов в АСПА значительно выше, а их обслуживание более трудоемко. С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о большей перспективности бес-каткового исполнения поддонов.
На рис. 2 представлена схема бескаткового конструктивного исполнения поддона, предназначенного для перегрузки в продольном направлении, взятая за основу в настоящем исследовании. Ввиду его симметрии по двум плоскостям он показан лишь на четверть. Основу поддона составляет пара сваренных друг с другом стальных гнутых листов (далее - основной лист поддона), по краям которых наварены другие элементы, обеспечивающие поперечную жесткость поддона и образующие на нем желоба. По бокам поддона предусмотрены боковые борта, через которые он опирается на стационарно закрепленные катки.
-1
и 3000 5000
А-А 8
7 ~Т~
700 600
2050
Рис. 2. Конструктивное исполнение поддона без катков: разрез вдоль поддона (сверху), разрез поперек поддона (снизу)
Спуск автомобиля в желоба поддона осуществляется по наклонному участку. Автомобиль, из числа допускаемых к хранению в СПА, с наибольшей колесной базой помещается между наклонными участками поддона, от которых его отделяет суммарный зазор в 2-5 см.
3. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивного решения поддона
В процессе эксплуатации поддоны воспринимают нагрузки, значения которых близки к номинальным. Количество обращений к СПА в течение суток может превышать число мест хранения в среднем от одного до двух раз (в СПА с местами хранения личного пользования, а также в СПА ограниченного доступа при офисных помещениях и т.п.) и много раз - в СПА открытого доступа [1]. Усредненная частота использования одного поддона в сутки, зависящая от частоты пользования СПА, в различных СПА неодинакова и зависит от ряда факторов, таких как: тип доступа к СПА, интенсивность востребованности этих мест посетителями близлежащих объектов и ее распределение в течение суток.
При выполнении парковочной операции поддон воспринимает различные сочетания нагрузок, образующиеся в результате: перемещения автомобиля по поддону (разгон и торможение; наезд на препятствие на поддоне, ведущее к изменению траектории движения колес автомобиля - наезд колес на выступающие элементы поддона, их «падение» с высоты и др.) [4], перегрузки поддона с одного компонента механизированного устройства на другой и транспортирования поддона на участке между терминалом и местом хранения (поддон испытывает подвижную нагрузку от роликов, по которым он перемещается, а также инерционную нагрузку, передающуюся на него от автомобиля; при вертикальном перемещении поддонов в СПА — несовпадение уровней, например, подъемника и каретки).
Помимо эксплуатационных нагрузок поддон воспринимает нагрузки испытаний (статические), а также нагрузки, образующиеся при доставке поддонов от места изготовления к месту эксплуатации. Особые нагрузки могут возникать в результате накопления жидкости в желобах колеи поддона, перемещения людей по поддонам (может иметь значение для центральной части поддона), в результате штабелирования поддонов и др.
Для исследования НДС поддона при различных расчетных сочетаниях нагрузок построена трехмерная модель половины поддона, включающей один желоб ездового пути. Основанное на учете симметрии конструкции применение в расчетной модели лишь части геометрии поддона позволяет уменьшить общее число конечных элементов в модели и, как следствие, существенно сократить продолжительность вычислений. Хотя поддон симметричен по двум плоскостям (продольная и поперечная), из твердотельной модели может быть отброшена лишь отсеченная вертикальной продольной плоскостью половина, поскольку в ряде случаев поддон несимметрично нагружен в продольном направлении. Исключения могут составлять случаи, когда одна пара колес располагается посредине поддона и когда все четыре колеса автомобиля находятся в желобах поддона.
В расчетной модели отсутствие геометрии половины поддона компенсируется наложением на модель в месте разреза симметричного закрепления. Наилучшие результаты расчета напряженного состояния поддона могут быть получены в результате решения контактной задачи взаимодействия поддона с катками, на которые он опирается. Однако в целях экономии времени при исследовании, например, напряженного состояния дна желоба ездового пути приемлемые результаты можно также получить в результате решения линейной задачи.
При построении расчетной модели, в частности, принято допущение, в соответствии с которым не учитывается нецентральное расположение автомобилей на поддоне, поскольку предполагается, что автомобиль с наибольшей массой также будет иметь наибольшие габаритные размеры, что сводит к минимуму интервал, в пределах которого возможно боковое смещение автомобиля.
В результате расчета на прочность при различных сочетаниях нагрузок определены наиболее нагруженные области поддона, к которым относятся (рис. 3): дно желобов ездового пути 1, боковой борт 2, область 3 на границе около бокового борта и съезда 5.
Как отмечено, бескатковый поддон, в отличие от поддонов с закрепленными на них катками, опирающихся лишь на четыре катка, в любой момент времени опирается более чем на четыре катка, для чего поддону придается соответствующая жесткость.
Важной задачей проектирования бескатковых решений поддонов является обоснование наиболее рационального количества катков, на которые поддон должен опираться как в приемном помещении (терминале), так
и на местах хранения автомобилей и на транспортных компонентах парко-вочной системы. В первом случае при нахождении поддона в терминале имеет место перемещение автомобиля по поддону, в связи с чем здесь востребовано большее число катков, чем на местах хранения. Количество мест хранения автомобилей в парковочной системе может достигать нескольких десятков и даже сотен, а потому актуально решение задачи поиска рационального числа пар катков на местах хранения, при котором обеспечиваются нормальное функционирование системы в пределах срока службы поддонов.
/ \ 2
Рис. 3. Характерные области поддона
При этом отметим, что минимально допустимое количество пар катков (располагаемых симметрично относительно центральной продольной плоскости поддона), на которые опирается поддон, и их относительное расположение принимаются исходя из требования об обеспечении устойчивого размещения поддона. Отметим также, что чем меньше число катков, на которые опирается поддон, тем выше в нем напряжения и его упругие деформации. Расчеты показали, что вследствие лишь упругих деформаций элементов поддона вертикальное перемещение его угловых точек в определенные моменты может достигать 4 мм.
Рациональное число пар катков, которыми оборудуется одно место хранения, определяется исходя из поиска наиболее экономически эффективного решения связки «поддон-катки» на основе баланса между максимальными упругими деформациями поддона и возникающими в нем напряжениями.
Анализ НДС поддона, в частности, показал, что передача усилия от веса автомобиля на неподвижные элементы парковочной системы осуществляется через катки, расположенные вблизи концевых участков поддона (участки колеи поддона вне желоба). Наибольшие напряжения возникают в области 3 (рис. 3) и почти вдвое меньшие напряжения - на участках бортов
поддона ближе к его середине напротив катка в момент прохождения мимо этого участка пары колес автомобиля. Участки боковых бортов 2 поддона, находящиеся в отдалении от концевых участков, отгибаясь, передают лишь незначительные усилия.
Дно желоба ездового пути поддона в рассматриваемом конструктивном решении (рис. 2) имеет плоское исполнение. Расчет НДС поддона показал, что в области приложения ко дну желоба поддона сосредоточенной силы, имитирующей воздействие от колеса автомобиля, а также на ближайших к ней скруглениях вдоль границы дна образуются относительно высокие напряжения, сопровождающиеся большим местным упругим прогибом дна.
Абсолютные значения этих напряжений могут быть уменьшены за счет увеличения толщины основного листа поддона, находящегося под дном желоба, либо посредством придания профилю поперечного сечения желоба иного вида. Проведен сравнительный анализ различных вариантов геометрии профиля поперечного сечения желоба поддона (разные радиусы скругления по краям дна, его кривизна и др.) и отмечен наиболее перспективный вариант со слегка закругленным вниз дном, которому придана форма эллипса. При этом принималось во внимание то, что изменение формы дна ездового пути поддона не должно приводить к ухудшению его эксплуатационных характеристик (автомобиль не должен самопроизвольно перемещаться в боковом направлении и т. п.). Отмеченное «закругление» позволяет снизить максимальные напряжения более чем на 30 %.
Съезд автомобиля в желоба колеи поддона сопровождается соударением пар колес о дно желоба в одном из его концов [5]. Из-за этого максимальные напряжения на дне желоба образуются в области соударения и, как следствие, влияют на выбор толщины основного листа поддона. Максимальные напряжения в упомянутой области можно снизить, посредством размещения под ней (под дном желоба) дополнительных опорных катков, воспринимающих часть нагрузки от веса автомобиля [1].
4. Алгоритм оптимального проектирования поддонов
При проектировании поддонов применение оптимизационных методов позволяет получить их более рациональные конструктивные исполнения. Вопросы оптимального проектирования металлоконструкций автомобильных накопителей элеваторного типа подробно рассмотрены в работе [6]. Применительно к поддонам в качестве критерия оптимальности могут выступать: минимум массы, а также минимум себестоимости изготовления. Однако с позиции минимизации эксплуатационных затрат первый критерий является более приемлемым, разумеется, не без учета второго критерия.
Основной этап оптимального проектирования поддона - его параметрическая оптимизация, в рамках которой при варьировании значений параметров поддона (толщина основного листа, отдельных элементов) с
учетом ряда ограничений (конструктивные, прочностные и др. [7]) производится поиск сочетания их значений, при котором масса поддона минимальна.
Параметрическая оптимизация выполняется в несколько заходов: после завершения очередной оптимизационной процедуры выявляются случаи достижения в процессе оптимизации ограничений и в модель поддона при сохранении значений варьируемых параметров оптимизированного решения вносятся конструктивные изменения, усиливающие наиболее слабые места конструкции. Параметрическая оптимизация считается завершенной, когда конструкция поддона принимает удовлетворительное исполнение, отвечающее требованиям минимальной массы и себестоимости изготовления изделия.
Заключение
В работе обосновано наиболее рациональное исполнение поддона для автоматизированных систем парковки автомобилей, представлены основные результаты исследования напряженно-деформированного состояния одного конструктивного решения такого исполнения, даны рекомендации по его совершенствованию, а также приведены общие положения алгоритма оптимального проектирования поддонов.
Статья подготовлена при содействии гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских учёных и средств поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (МК-1023.2014.8).
Список литературы
1. Гнездилов С. Г. Пути повышения энергоэффективности систем парковки автомобилей // Механизация строительства. 2014. № 5. С. 37-41.
2. Гнездилов С. Г. Устройство автоматизированной системы парковки автомобилей // Механизация строительства. 2012. № 10. С. 39-42.
3. VDI 4466 Blatt 1. Automatische Parksysteme - Grundlagen. B.: Beuth Verlag GmbH, 2001. 15 p.
4. Кубышкин Ф. Е., Ромашко А. М. Рациональный выбор параметров наклонных подъемников для инвалидов // Механизация строительства. 2014. № 5. С. 26-29.
5. Соловьев В. И. Исследование механизмов упруго-пластического деформирования и разрушения барабанов высоконагруженных лебедок и разработка мер увеличения их долговечности (на примере траловых лебедок крупнотоннажных рыбопромысловых судов): автореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06. Челябинск, 2011. 19 с.
6. Гнездилов С. Г. Разработка методики оптимального проектирования несущей металлоконструкции автомобильного подъёмника элеваторного типа гаражного комплекса: автореф. дис. ... канд. техн. наук:
05.05.04. М., 2011. 16 с.
7. Лагерев А. В., Лагерев И. А. Оптимизация конструкции крана-манипулятора машины для сварки магистральных трубопроводов при модернизации // Подъемно-транспортное дело. 2013. № 1. С. 7-10.
Гнездилов Сергей Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., gnezdilov@,bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Кондрашов Константин Олегович, студент, rs21014@yahoo.com, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
BASICS OF RA TIONAL DESIGNING OF PALLETS FOR CAR PARKING SYSTEMS
S.G. Gnezdilov, K.O. Kondrashov
Substantiation of rational construction of pallets for automated car parking systems is presented here; main results of investigation into state of strain under stress in a design version of such construction are examined and recommendations for perfecting of the said pallet construction are suggested; general points of algorithm of pallets" design optimization are outlined.
Key words: car parking system, parking, design optimization, pallet, analysis, calculation, state of strain under stress.
Sergey Ggennadievich Gnezdilov, candidate of technical sciences, docent, gnezdi-lov@bmstu.ru, Russia, Mascow, Bauman Moscow State Technical University,
Konstantin Olegovich Kondrashov, student, rs21014@yahoo. com, Russia, Mascow, Bauman Moscow State Technical University
