胡克明

（蒂森克虜伯機(jī)場系統(tǒng)（中山）有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

登機(jī)橋直接連接了飛機(jī)和航站樓，其橋身可左右移動、伸縮和升降，且接機(jī)口有折棚可柔性向外延伸，密合地銜接機(jī)艙門，因而能提供一個令人舒適的環(huán)境，讓旅客不受天氣影響，無需日曬雨淋地方便登機(jī)，給機(jī)場管理也帶來了便利。首座旅客登機(jī)橋于1959年7月29日在美國的舊金山國際機(jī)場搭建以來。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢和生活水平的提高，登機(jī)橋得到了越來越廣泛的應(yīng)用，需求量也越來越大。

登機(jī)橋的生產(chǎn)早期主要是在美國、德國，憑其深厚工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)優(yōu)勢，登機(jī)橋產(chǎn)業(yè)走在世界的前列，產(chǎn)品暢銷世界各地。登機(jī)橋研究和制造至今已過了半個多世紀(jì)，但其主體結(jié)構(gòu)[1]基本上沒有改變，如圖1所示。

圖1 登機(jī)橋的典型結(jié)構(gòu)

隨著后起登機(jī)橋生產(chǎn)廠家的興起，登機(jī)橋市場的競爭已不斷加劇。伴隨著發(fā)達(dá)國家勞動力成本等因素，德國、美國登機(jī)橋企業(yè)開始了產(chǎn)業(yè)的國際轉(zhuǎn)移。日本登機(jī)橋廠商為抑制生產(chǎn)成本，先后在新加坡和越南設(shè)立公司，將大型的部件生產(chǎn)移到海外，如通道生產(chǎn)放到訂貨機(jī)場附近進(jìn)行，這樣通過削減大型部件的運(yùn)輸費(fèi)用，不僅能抑制成本，對引進(jìn)國來說，帶來的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，也有利于產(chǎn)品的競爭。

現(xiàn)在泰國、馬來西亞、印度尼西亞、韓國、中國等都有登機(jī)橋制造企業(yè)，加上有些國家的地方保護(hù)主義觀念，出于貿(mào)易保護(hù)，即使質(zhì)量存在問題，一般也會傾向采購本國生產(chǎn)的設(shè)備。所以僅靠質(zhì)量和價(jià)格在國際市場上去競爭也有一定的難度。目前，國際主要企業(yè)在將生產(chǎn)中一些部件外包給其他企業(yè)完成，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新作為其核心競爭力，以不斷創(chuàng)新的技術(shù)來豐富產(chǎn)品性能，提高舒適性，通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)，來拓展鞏固企業(yè)在市場上的地位。

1 開發(fā)新型支線飛機(jī)登機(jī)橋

通用的登機(jī)橋主要是針對中、大型客機(jī)來研發(fā)的，隨著旅游和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小型客機(jī)使用日益增多，為了適應(yīng)這種需求，作為一種創(chuàng)新的旅客處理解決方案，Jetway開發(fā)了為支線飛機(jī)旅客登機(jī)設(shè)計(jì)的新型TeleRadial登機(jī)橋。它適用于大多數(shù)區(qū)域的渦輪螺旋槳飛機(jī)、商用飛機(jī)和窄體飛機(jī)，能夠使登機(jī)橋從較高的航站樓地板高度向下伸展，與很低的支線噴氣機(jī)的機(jī)艙門欄相連，具有保護(hù)旅客、操作者和支線飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。TeleRa?dial登機(jī)橋如圖2、圖3所示。

2 無障礙式登機(jī)橋的研發(fā)[2-3]

因登機(jī)橋是依靠大小不同的矩形筒狀通道套接來達(dá)到伸縮功能，這樣通道間產(chǎn)生臺階就沒法避免，三菱重工將解決臺階問題作為課題，另辟蹊徑，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新的機(jī)構(gòu)，顛覆傳統(tǒng)伸縮通道的踏板過渡結(jié)構(gòu)。利用人行步道踏板傳動方式與通道結(jié)合成能伸縮構(gòu)造的活動踏板，將半個世紀(jì)以來基本結(jié)構(gòu)幾乎不變的通道踏板及兩邊的雨水槽取消，完全實(shí)現(xiàn)了通道無障礙，提高了旅客的安全性，用全新獨(dú)創(chuàng)的亮點(diǎn)來吸引客戶，也大大地增強(qiáng)了產(chǎn)品的競爭力。普通與無障礙登機(jī)橋構(gòu)造及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4、5、6所示。

圖4 普通登機(jī)橋與無障礙登機(jī)橋構(gòu)造圖

圖2 TeleRadial登機(jī)橋接泊支線飛機(jī)

圖3 TeleRadial登機(jī)橋接機(jī)口

3 機(jī)電橋升降驅(qū)動下置的開發(fā)研究[4]

傳統(tǒng)機(jī)電登機(jī)橋的升降結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由減速電機(jī)、鏈?zhǔn)铰?lián)軸節(jié)、推力調(diào)心滾子軸承、滾珠絲桿幅及內(nèi)外套管組成。減速電機(jī)、鏈?zhǔn)铰?lián)軸節(jié)、調(diào)心推力滾子軸承、滾珠絲桿與外套管組成一體通過螺栓與通道相聯(lián)接，滾珠絲桿的螺母與內(nèi)套管相配合，當(dāng)電機(jī)通過減速系統(tǒng)驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動時，內(nèi)、外套管間將產(chǎn)生伸縮運(yùn)動，從而帶動登機(jī)橋升降，配合行走機(jī)構(gòu)達(dá)到接泊飛機(jī)的目的。因減速電機(jī)、鏈?zhǔn)铰?lián)軸節(jié)等動力傳動部件位于通道的上部，安裝、維護(hù)保養(yǎng)等工作都處于高空作業(yè)，時常需起重設(shè)備配合作業(yè)，這樣不僅保養(yǎng)不太方便、也存在高空作業(yè)的安全隱患。據(jù)資料顯示確有在深夜對登機(jī)橋點(diǎn)檢作業(yè)時，不幸從高空墜落身亡事例。

圖5 研制中的活動踏板機(jī)構(gòu)與樣橋

圖6 內(nèi)部效果比較圖（普通橋兩邊有雨水槽、踏板，無障礙橋內(nèi)部寬敞、平坦、友善）

圖7 傳統(tǒng)機(jī)電登機(jī)橋升降構(gòu)造圖

所以如果能從結(jié)構(gòu)上探討避免或減少高空作業(yè)對安全來說是有意義的。基于此考慮，在仍采用導(dǎo)向性好、剛度高、承載力強(qiáng)的傳統(tǒng)導(dǎo)套式升降結(jié)構(gòu)的前提下，如何將升降驅(qū)動部分下置成了課題。

通用的登機(jī)橋的機(jī)電升降系統(tǒng)常用的是絲桿旋轉(zhuǎn)，螺母固定的垂直螺桿傳動方式，即通過絲桿轉(zhuǎn)動，帶動外套管升降來完成的，驅(qū)動系統(tǒng)是隨外套管同時升降的。

將減速電機(jī)下置后并不能簡單地直接將原傳動系統(tǒng)反過來配置，因?yàn)橄轮煤篁?qū)動減速電機(jī)不能相對地面做升降運(yùn)動。為此本結(jié)構(gòu)采用螺桿固定、螺母旋轉(zhuǎn)的傳動方式，即滾珠絲桿與外套管頂部的絲桿座通過關(guān)節(jié)軸承固定一起，因要滿足升降行程的需要，螺母必需置于內(nèi)套管的上部，但如何將下置的減速電機(jī)的動力傳遞到位于高處的螺母呢，考慮到登機(jī)橋升降時轉(zhuǎn)速只有60 r/min，屬低速重載傳動，在此設(shè)計(jì)了特殊的傳動軸套，傳動導(dǎo)套的動力傳動結(jié)構(gòu)，將減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)距離傳遞給滾珠絲桿螺母，滾珠絲桿經(jīng)螺母置于傳動軸套的內(nèi)部，升降立柱的內(nèi)、外套管是方管結(jié)構(gòu)，套管之間鑲有Nylatron滑塊（一種經(jīng)過填充的酰胺纖維化合物），所以內(nèi)、外套管不能有相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，只能作相對軸向移動。這樣電機(jī)帶動滾珠絲桿螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠絲桿將隨著螺母轉(zhuǎn)動方向不同，而產(chǎn)生升降運(yùn)動。在減速電機(jī)的下端裝有感應(yīng)檢測裝置，通過PLC對檢測到的因電機(jī)轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行實(shí)時采集或監(jiān)控，并將算出的高度值等信息反映在接機(jī)口控制臺的顯示屏上，機(jī)電橋升降驅(qū)動下置的具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 機(jī)電橋升降驅(qū)動下置結(jié)構(gòu)圖

機(jī)電橋升降驅(qū)動下置升降系統(tǒng)分解如圖9所示，具體實(shí)施是傳動軸套上端帶設(shè)計(jì)有凹形爪槽，其下端帶有方孔，減速電機(jī)的驅(qū)動軸的前端部有方頭，與傳動軸下端方孔相配合，傳動導(dǎo)套有凸起的撥動爪，可鑲?cè)雮鲃虞S套的凹形爪槽中，傳動導(dǎo)套與滾珠絲桿螺母用螺栓相聯(lián)，螺母的下方裝有推力調(diào)心滾子軸承，推力調(diào)心滾子軸承外圈鑲裝在內(nèi)導(dǎo)管的頂端，這樣登機(jī)橋的負(fù)載通過升降立柱的外套管、滾珠絲桿傳遞到螺母，再由螺母經(jīng)推力調(diào)心軸承傳到立柱的內(nèi)套管上，推力調(diào)心軸承與內(nèi)套管起到承受整個登機(jī)橋的負(fù)載作用，這樣設(shè)計(jì)傳動軸套只受減速電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，而不承受登機(jī)橋負(fù)載產(chǎn)生的軸向載荷。當(dāng)然也可將傳動軸套設(shè)計(jì)成既承受負(fù)載又承受傳動扭矩，但這樣結(jié)構(gòu)會復(fù)雜，且為避免傳動軸套失效，強(qiáng)度要求更高。

登機(jī)橋是對安全性要求很苛刻的設(shè)備，一旦有閃失，后果將是非常嚴(yán)重的。香港國際機(jī)場曾發(fā)生過登機(jī)橋碰撞倒塌意外，位于經(jīng)濟(jì)艙門的登機(jī)橋突然移動，撞向頭等艙位登機(jī)橋，兩橋相繼倒塌，連同頭等艙機(jī)門亦被扯脫，操作員從約五米高墮下地面受傷。所以登機(jī)橋的設(shè)計(jì)要做失效分析，對重要的承載構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)的強(qiáng)度校核并需進(jìn)行苛刻的試驗(yàn)，這對預(yù)防事故的發(fā)生有著很重要的意義。

圖9 機(jī)電橋升降驅(qū)動下置升降系統(tǒng)分解圖

經(jīng)典的數(shù)學(xué)工具有時不能求出近似解，常求助于“數(shù)值方法”，進(jìn)行定量分析，有限元法屬于數(shù)值方法，工程技術(shù)人員的任務(wù)是：首先將復(fù)雜的工程實(shí)際問題簡化，選擇合適的程序，向計(jì)算機(jī)輸入全部所需的數(shù)據(jù)和信息，最后檢查計(jì)算結(jié)果的合理性[5]。根據(jù)登機(jī)橋標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)載荷，如通道內(nèi)地板面載荷、通道頂?shù)难┹d及自重包括掛在通道下的FCA、FGP等，通過解析式形式可求出升降立柱所承受的載荷為38.35 t，經(jīng)對已建模型施加約束條件及載荷并運(yùn)算求解，可得相關(guān)結(jié)構(gòu)件的靜態(tài)性能分析結(jié)果，應(yīng)力和位移如圖10～11所示。

圖10 內(nèi)套管及橫梁受載變形分布圖

圖11 傳動軸套承受轉(zhuǎn)矩時的應(yīng)力分布圖

通過結(jié)構(gòu)分析、受力論證，經(jīng)設(shè)計(jì)評審初步認(rèn)為方案有可行性，為此開始下置升降驅(qū)動的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣橋試制，對組裝的樣橋作了全面檢測，局部及整體登機(jī)橋樣橋如圖12、圖13所示。

圖12 登機(jī)橋升降驅(qū)動下置局部圖

圖13 升降驅(qū)動下置登機(jī)橋整體圖

為保證登機(jī)橋安全、可靠性，登機(jī)橋型式實(shí)驗(yàn)除滿足接機(jī)功能方面的要求外，有很多安全、保護(hù)裝置及要求，其中包括有嚴(yán)格的升降系統(tǒng)單臂支撐要求[1]，試驗(yàn)方法為通過電控或手動方式，打開一邊制動器，讓另一邊的升降驅(qū)動系統(tǒng)支承登機(jī)橋，再測量接機(jī)口下降的高度變化是否在要求的范圍內(nèi)，加載方法是按標(biāo)準(zhǔn)地板面載荷使用配重塊和沙袋進(jìn)行，單臂支承在空載和加載情況下的測試結(jié)果如表1、表2所示。

升降驅(qū)動部分下置后，減速電機(jī)處于離地1.3米的高度，站在機(jī)坪上就可以方便地打開電機(jī)罩后，進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)、點(diǎn)檢，如定期檢測制動器磨損情況，有什么異常也容易發(fā)現(xiàn)，檢修驅(qū)動部分用普通叉車就可，而不需要用汽車吊之類，不僅便利了維保，也避免了高空作業(yè)，對安全來說有益處。經(jīng)樣橋初步測試證明機(jī)電橋升降驅(qū)動方案基本可行。

4 結(jié)束語

登機(jī)橋的設(shè)計(jì)與開發(fā)從最初滿足單一基本的功能外，通過不斷創(chuàng)新，登機(jī)橋的接機(jī)范圍擴(kuò)大到了大型A380及支線或小型客機(jī)。借助了電子科技的發(fā)展，登機(jī)橋具備預(yù)置、接機(jī)、調(diào)平、退橋的自動操作以及網(wǎng)絡(luò)控制等智能化功能。目前登機(jī)橋市場競爭激烈，企業(yè)要想在市場上占一席之地，就必須不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，在技術(shù)、成本、產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)上能占優(yōu)勢，才能在市場競爭中求生存和發(fā)展。將來如把自動人行步道與伸縮通道完美結(jié)合起來，整個登機(jī)橋通道的地板設(shè)計(jì)成能收縮、活動的人行步道，那將給旅客帶來更大的便利。

表1 下驅(qū)動式機(jī)電橋單臂支撐測試結(jié)果（空載）

表2 下驅(qū)動式機(jī)電橋單臂支撐測試結(jié)果（加載測試23.2噸）

［1］ BS EN 12312-4-2003.Passenger boarding bridges for Aircraft ground support equipment General requirements［S］.

［2］清水泰明，鳥取勝美，伏屋敏郎，等.世界初バリアフリータイプ旅客搭乗橋（PBB）［J］.三菱重工技報(bào)Vol.46 No.1（2009）特集論文.

［3］岡平幸雄.ボーディングブリッジ［P］.日本國特許庁（JP）P2008-230297A，2008-10-2.

［4］張桂祥，F(xiàn).沃朋伯格，胡克明，等.一種機(jī)電升降驅(qū)動下置式機(jī)電橋［P］.中國專利：201110147699.

［5］應(yīng)錦春，陳錫璞，只輝.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1990.