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        淺析登機(jī)橋發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)電橋升降驅(qū)動下置的研發(fā)

        2014-03-26 08:25:26胡克明
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:接機(jī)絲桿登機(jī)

        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.

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