胡克明

（蒂森克虜伯機場系統(tǒng)（中山）有限公司，廣東中山 528437）

旅客登機橋是可靠性要求很高的設備，其升降系統(tǒng)直接關(guān)系到人、接駁飛機和整個登機橋的安全，所以在設計、制造以及檢驗過程中，對升降機構(gòu)傳動系統(tǒng)的安全可靠性要求很高。一旦制動器失靈，登機橋?qū)⒖焖偎?，對人員和設備會造成傷害，甚至可能使飛機受到損傷。

1 升降系統(tǒng)概述

登機橋的升降系統(tǒng)為垂直布置，要求在升降一定的高度后，能保持位置的固定，如利用蝸輪或螺旋副傳動的自鎖性能，可簡單實現(xiàn)，但此類傳動機構(gòu)效率低，所需電機的功率大，能源消耗也會增大。故常用的登機橋升降系統(tǒng)采用的是滾珠絲桿，滾珠絲桿傳動效率高，但滾珠絲桿不能自鎖，必須有制動裝置[1]。

通常登機橋的升降機構(gòu)如圖1 所示，升降系統(tǒng)都是由滾珠絲桿、聯(lián)軸器、減速器和制動電機等零部件組成。

制動電機由普通電機的尾部裝有勵磁圓盤式制動器，用電磁力使制動器釋放，由彈簧產(chǎn)生制動作用，其制動力矩一般不小于電機額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，設計的原理是斷電制動，這樣升降系統(tǒng)可克服橋的重力，保持橋的靜止，升降時，制動器打開，運行。這符合登機橋基本的安全要求。隨著社會的發(fā)展，對與人密切相關(guān)設備的安全要求也越來越高，如EN115:1995 12.6標準中就有自動扶梯必須裝設附加制動器的相關(guān)規(guī)定。電梯的制動器除需要做超載試驗外，另外還有安全鉗，以備制動失靈、鋼絲繩斷裂等引起安全事故。登機橋比電梯、扶梯等特種設備通行的人更多，一旦出事，問題會更加嚴重，還也可能給與之接駁的飛機造成損害。所以開發(fā)研究登機橋輔助制動裝置很有必要[2]。

圖1 普通機電橋升降機構(gòu)

2 升降棘輪制動器的組成及工作原理

在升降傳動鏈的那個環(huán)節(jié)加制動器，用那種方式來制動，對升降機構(gòu)的布局及成本影響很大。經(jīng)綜合考慮采用棘輪輔助制動方式，安裝位置在升降機構(gòu)傳動鏈的尾端，輔助制動升降機構(gòu)如圖2所示。

圖2 輔助制動升降機構(gòu)

主要由制動電動機、減速器、聯(lián)軸器、檢測裝置、棘輪、棘爪驅(qū)動裝置、滾珠絲桿等零件構(gòu)成。該方式較常規(guī)的制動器結(jié)構(gòu)簡單，整體布局沒變化，成本低，比較適合登機橋升降系統(tǒng)失靈時，只需單向制動防止登機橋急速下落而引發(fā)事故的場合。

輔助制動工作原理：登機橋升降系統(tǒng)由通道兩側(cè)各有一組滾珠絲桿，兩組電動機和制動器由同一電源，同一組正、反轉(zhuǎn)接觸器供電給并聯(lián)電動機和制動器，用來保證兩邊升降機構(gòu)的同步性，為了對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及升降高度及故障進行實時監(jiān)控，每組滾珠絲桿都裝有感應檢測裝置，通過PLC 對檢測出來的數(shù)字脈沖信號作實時數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別，并可顯示結(jié)果，報警，制動。當從電機到聯(lián)軸器中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，會引起滾珠絲桿轉(zhuǎn)動異常，登機橋控制系統(tǒng)把檢測裝置得到的數(shù)據(jù)與正常值作比較，就可以判斷傳動鏈是否有故障。并及時輸出制動信號，使輔助制動器動作，棘爪嵌入棘輪的槽內(nèi)，阻止棘輪和滾珠絲桿停止轉(zhuǎn)動，這樣就可對半聯(lián)軸器前面的任一環(huán)節(jié)的損壞都能起到保護作用，從而防止升降電機斷軸、工作制動器失靈，減速器的齒輪斷齒或中間連接件松脫引起登機橋的快速下墜，造成設備、人身傷害的事故。

圖3 升降輔助制動器

圖4 棘爪驅(qū)動結(jié)構(gòu)分解圖

棘輪輔助制動結(jié)構(gòu)、組成：升降輔助制動器如圖3、棘爪驅(qū)動結(jié)構(gòu)分解如圖4。機構(gòu)采用電磁鐵驅(qū)動棘爪，主要由電磁鐵、回位彈簧、電磁鐵支架、棘爪、棘爪軸，軸座等組合而成。制動棘爪在彈簧的作用下靠向棘輪，在滾珠絲桿轉(zhuǎn)動0～3度內(nèi)，即高度最多降0.2毫米內(nèi)，棘爪會鑲?cè)爰啿?，通過棘爪與棘輪的咬合，直接對滾珠絲桿施加制動力矩、制止登機橋下墜、提高登機橋的可靠性和安全性的目的。

當排除故障后，登機橋再需作升降運動時，由PLC 控制滾珠絲桿反時針轉(zhuǎn)3 度左右，同時給電磁鐵送電，在電磁鐵的電磁力作用下，棘爪順時針轉(zhuǎn)動，棘爪與棘輪分離后，登機橋再按操作控件信號，進行登機橋升或降的運動。

為了合理布局、結(jié)構(gòu)緊湊、減少占用空間。聯(lián)軸器采用的是彈性聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器的上聯(lián)軸節(jié)直接開有檢測用的感應槽，下聯(lián)軸節(jié)直接加工出扁方，棘輪也加工出帶扁方的孔，通過該孔棘輪與下聯(lián)軸節(jié)組合成一個剛性體，當然也可將下聯(lián)軸節(jié)與棘輪直接做成一剛性整體，下聯(lián)軸節(jié)通過鍵聯(lián)接方式與滾珠絲桿組裝一起。棘輪裝配分解如圖5。

圖5 棘輪裝配分解圖

下聯(lián)軸節(jié)通過星形彈性體與上聯(lián)軸節(jié)嵌合，上聯(lián)軸節(jié)通過平鍵與減速器輸出軸聯(lián)接。因為是以工程塑料作彈性元件，能補償滾珠絲桿與減速器輸出軸一定的相對偏移，并有緩沖、減振的性，這樣對制造精度要求不必過嚴，達到能滿足性能要求，又能降低成本。該方式，所需零件數(shù)量少，制動迅速，止動可靠。不過在動作時沒有緩沖過程，故稱之為剛性輔助制動，在速度不高時適用。電梯的安全保護裝置，在電梯速度小于1 000 mm/s 時可用瞬時剛性制動鉗，考慮到登機橋的升降速度只有20 mm/s 左右以及自重或升降行程等因素，認為采用瞬時動作棘輪制動是可行的。

根據(jù)需要可做成得電動作型，也可做成失電動作型，不過采用得電動作時，需通過控制系統(tǒng)以適當?shù)臅r間間隔對棘爪驅(qū)動裝置進行安全功能檢測，以避免導線松動、線圈絕緣損壞等原因引起棘爪不動作現(xiàn)象，保證輔助制動裝置的可靠性。

參考GB16899-1997 14.2.2 所有停止運行裝置應通過切斷電流起作用，而不是通過一個繼電器電路接通來完成。EN115:1995 14.2.2 All stopping devices shall act by interrupting current and not by the completion of a circuit of a relay[3].

這表明正常運行時保持通電狀態(tài)，而當需要附加制動器動作時，應通過切斷其電流起作用，即失電動作。所以采用失電動作的方式更適合安全方面要求。

3 棘輪棘爪設計及強度校核[4]

棘輪棘爪的材料均采用：45號鋼、屈服強度600 N/mm2。

熱處理要求：

棘輪：45～50HRC；

棘爪：工作表面淬硬至52～56HRC。

根據(jù)使用功能，選棘輪齒數(shù)為12。

齒寬系數(shù)取 ψm＝2。

由強度公式計算模數(shù)m：

通過計算可得到模數(shù)m，查手冊表格可得相應棘輪、棘爪的詳細尺寸，由此做出三維模型，再運用軟件將載荷分別加載到棘輪和棘爪上做強度校核，最大應力及應力分布狀況如圖6棘輪應力圖解及圖7棘爪應力圖解所示。

圖6 棘輪應力圖解

圖7 棘爪應力圖解

棘輪安全系數(shù)=600/167=3.6，即使加上瞬間制動時的動載荷還是有一定的安全裕度。

棘爪安全系數(shù)=600/87=6.8 強度足夠。

通過計算及強度校核，證明在不用更改原機電升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，增加結(jié)構(gòu)緊湊的棘輪輔助制動器方案可行。

4 結(jié)語

隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，對于旅客登機橋的需求已日益旺盛，從滿足顧客不斷增加的要求，給顧客提供高可靠性、安全性的產(chǎn)品，開發(fā)研究登機橋輔助制動器很有必要。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、制造成本低、安裝、維護簡單，對保證登機橋的安全有重大意義。

［1］林其駿.機床數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京：中國科學技術(shù)出版社，1991.

［2］成大先.機械設計圖冊-機械設計的錯例與禁忌［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1997.

［3］GB16899-1997.自動扶梯和自動人行道的制造和安裝安全規(guī)范［S］.

［4］聯(lián)合編寫組.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.