黃健明

摘要：登機橋作為飛機外部結構的重要組成部分之一，是連接飛機與候機樓固定廊橋的一種擺渡設備，因其影響旅客安全而顯得十分重要，目前國內外對登機橋的研究主要是通道結構力學性能等研究，很少有學者對其結構性能進行研究，本文將結合國內實際工況，提出一種登機橋結構設計，并利用ANSYS對結構進行有限元分析，改進結構存在的不足，確保登機橋設計的可靠性與合理性。

關鍵詞：登機橋;機構設計;可靠性分析;理論支持

1.??? 引言

人們的物質生活水平得到極大提升，飛機也逐漸成為很多人出行的首選，對飛機出行服務提出更高的要求。候機廳與飛機之間的可移動升降通道稱之為登機橋，登機橋的兩端分別為候機樓的某個登機口與飛機艙門，游客從登機口進入到飛機。登機橋作為機電設備，基本機構與傳統(tǒng)的機電設備類似，是由主體結構驅動系統(tǒng)等組成的，很多系統(tǒng)與技術并沒有太大的改進，同時由于登機橋的使用十分頻繁，在長期的使用下出現(xiàn)了很多問題，比如安全問題等，因此設計一種新型登機橋設備顯得十分有必要，然后以ANSYS軟件對登機橋的結構進行有限元分析，對結構的應力和變形數(shù)據(jù)進行計算，校核結構的強度和剛度并在此基礎上對結構作相應的改善，使其滿足設計要求。

2.??? 登機橋結構組成

登機橋是指旋轉伸縮式活動橋，登機橋的主要組成部分為電氣系統(tǒng)與機械結構，在實際使用期間，需要較大的活動范圍，且要靈活的教學布置，具有較強的適應性，能針對實際情況進行合理布置。其結構主要有9 部分組成，分別如下：

（1）?? 旋轉平臺：登機橋與航站樓或固定橋的連接部分，是建立在機坪基礎的，由立柱進行支撐，也是支撐登機橋水平旋轉運動中心、升降運動的關鍵部位。

（2）?? 接機平臺：該平臺是接機口旋轉運動的中心，員工在使用時，可以針對客戶的需求，選安裝裝服務門和服務梯供，也可以將其作為經(jīng)濟疏散的出口，工作人員在開展維修工作時，接機平臺能提供便利;

（3）?? 接機口：登機橋的前端與飛機艙門相接部分，通常裝有控制臺;（4）行走機構：該機構可以實現(xiàn)登機橋的選擇與伸縮;

（5）?? 活動通道A、B：航站樓與飛機之間的主體，升降運動的實現(xiàn)是基于降機構以及其自身與旋轉平臺鉸接完成的，伸縮運動與水平旋轉是通過行走機構實現(xiàn)的;

（6）?? 升降機構：登機橋實現(xiàn)升降運動的驅動機構;

（7）?? 維修通道：維修通道也叫做服務梯，登機橋與機坪有階梯通道，移動與登機橋同步。

（8）?? 立柱：底部固定在機坪基礎上，頂部與旋轉平臺連接;（9）其他輔助部分：電纜、控制以及照明設備等等。

3.??? 登機橋結構設計與可靠性分析

3.1? 結構的設計要求

登機橋結構在這些年，人們對其提出更高的要求，安全性與可靠性是基本要求之一，同時也要保證滿足服務需求，確保符合當下的“綠色”運行，降低運行期間造成的能源消耗，并且加強綠色材料的使用。最后也要對其美觀性與功能性進行考慮，使其與現(xiàn)代化的候機樓成為城市一大風景線，考慮我國實際工況，設計安全可靠、環(huán)保節(jié)能的新一代登機橋，結構方面通過驅動系統(tǒng)的優(yōu)化以及降低運行阻力來降低運營消耗，減少維修費用，并采用新材料和結構優(yōu)化來降低登機橋鋼材使用量和成本。

3.2? 登機橋部分結構優(yōu)化設計

3.2.1????? 旋轉平臺的結構優(yōu)化設計

結構是由立柱、固定架、旋轉支架等構成，作為登機橋整體運動支承點和旋轉中心，旋轉平臺是是連接固定通道和活動通道的設施，也可以對登機橋活動端的載荷和震動傳至固定端進行有效規(guī)避。

優(yōu)化前：通過方管拼焊的方式確定旋轉平臺主體結構，在焊接期間，由于存在耗時較長與焊縫不規(guī)則的問題，無法實現(xiàn)自動焊接，且方管的拼接需要符合設計要求;同時在實際制作過程中，對工藝的要求考慮較少，在裝配完之后，需要進行二次打砂噴漆。

優(yōu)化后：鋼板箱形是轉架的主體結構，壓滿足通道的安裝標準;下降轉臺鉸耳中心的高度，確保轉臺地板的高度與通道地板的高度一樣;將凸緣增加到轉架圓筒上部封板孔圓周，避免有雨水流入;同時也要做好封堵工作，防止在打砂時鋼砂進入。

3.2.2????? 行走裝置的結構優(yōu)化設計

行走裝置是由上橫梁、回轉支承、驅動輪架機構及行走輪架旋轉角度測量系統(tǒng)等組成，該部分是登機橋水平運動的機構，變頻器無級調速下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)的運行，輪架旋轉幅度較大，可左90°/右 90°旋轉，電氣限位裝置裝設在極限位置，保證在操作期間的安全性。

優(yōu)化前：原材料的選擇為球墨鑄鐵，但是在社會的快速發(fā)展過程中，走輪架的球墨鑄鐵材料不再滿足實際需求，需要較長的生產(chǎn)周期;鑄鐵時具有較大的問題，氣孔與夾渣等十分常見，需要對輪架進行全檢，使用的方法為射線探傷，這樣會增加成本。

優(yōu)化后：登機橋的安全性是輪架關注的焦點，所以選擇Q345代替?zhèn)鹘y(tǒng)的QT400-18，保證焊接的整體性能，同時結構件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄件可以有效降低成本，實現(xiàn)產(chǎn)品的綜合效益。

3.3? 有限元可靠性分析

3.3.1????? 登機橋模型簡化

轉臺、活動通道、行走與升降結構、接機平臺是登機橋主體結構的組成部分，活動通道的內部為A通道，外部為B通道，兩個部分之間可以實現(xiàn)相互伸縮，也可以通過鋼軌實現(xiàn)內外通道的滑行。本文研究的是新型登機橋的結構，在設計時主要形式為主弦桿+ 直腹桿+交叉斜腹桿。由于轉臺、通道和升降架之間的相互關系，對模型的計算進行簡化，并且要簡化頂面和地板面的波紋，簡化為2 根交叉桿件，一般情況下，在計算時不考慮通道端部的波紋板，因為通道的剛度比轉臺的剛度低，能保證整橋圍繞回轉中心擺動，所以鋼架結構可以是轉臺結構簡化后的系統(tǒng)，回轉時圍繞回轉中心J-J進行，接機平臺的重量以及由載荷偏心引起的附加外力折算成相應的力加在模型的B通道上其本身不參加模型計算;將升降架簡化為剛架結構，在與通道B連接時，可以通過耦合關系模擬實現(xiàn)，只能繞X軸相對轉動是最終G點與升降架橫梁的耦合關系，在與地面進行接觸時，升降架是在車輪的幫助下完成的，車輪有的作用遠不止承受垂直支反力一個，還可以對單向的云動力進行承擔;轉臺除了以繞回轉中心J-J軸回轉，還能進行其他運動。

結構的各節(jié)點之間截面剛度相差不能太大，為剛節(jié)點連接，用ANSYS中的梁單元模擬;在與其它桿相連接時斜腹桿可以通過鉸鏈的方式實現(xiàn)，由于斜腹桿不存在遞彎矩，模型的建立可以在直接生成法的作用下完成，模擬時在ANSYS中的LINK8單元完成的，有限元模型一共有125個節(jié)點，426個單元，單元類型為2 種，常數(shù)的設置以桿件尺寸為主，類型為10種。

滑塊是通道A、B接觸的主要設備，內外通道的接觸情況是在計算模型中，通過節(jié)點自由度耦合的方式實現(xiàn)模擬，A、B兩通道各對應點的位移是耦合確定的前提，題目的距離會在兩者唯一的情況下增加，這時滑道會與滑塊松開，且在這兩點上兩通道存在自由度不耦合。

3.3.2????? 加載和約束方式

1）? 計算工況工況1（全伸狀態(tài)）自重+ 雪載+ 風載（工作）+接機口90°+復合運動順風剎車時的慣性力;工況2（全伸狀態(tài)）自重+ 風載（工作）+接機口90°+登機橋地板面載荷（人載）;工況3（全縮狀態(tài)）自重+ 雪載+ 風載（錨泊）+接機口90°。

2）? 在弦桿的各節(jié)點上承載載荷施加處理外部作用力，在整個結構上，可以通過慣性載荷下的慣性加速度產(chǎn)生作用力;通過計算接機平臺上的載荷可以轉化，且能作用在通道B末端的4 個節(jié)點上，施加自重載荷時可以在慣性力完成。

3）在對轉臺軸線上的2 個節(jié)點進行約束處理時，在Y軸方向上的沒有轉動約束外，剩下的全都為被約束，在升降架下端的位移約束有2 個，車輪轉動方向則是另一個位移自由度，不予約束。

3.4? 計算結果分析

3.4.1????? 應力結果

3種工況下結構各桿件的最大綜合應力（Von Mises應力）是在ANSYS計算下得到的，具體為表1 所示：

3.4.2????? 位移結果

通過分析可以對三向位移的大小進行確定，其中最大的為側向位移，其次為沿登機橋軸向位，最小的為，垂直方向。B最右端上點的結構位移最大，且為水平位移，得到的數(shù)值為74.334mm，Y向最大位移與X向最大位移分別為25.861mm與8.532mm。

3.5? 結果分析與結構改進

通過以上計算，可知工況2 為最不利的情況，材料為Q235，許用應力為170Mpa，而結構的最大應力為193.815Mpa，不符合強度要求。

結構全長L為30.648m，Z向與Y向的許用位移為分別為[f]=L/350=30648/350=84mm與[f]=L/1000=30648/1000=30.648mm，可以通過分析得到，無論是垂直還是水平位置的位移均在許用范圍內，這就說明結構的靜剛度符合要求，但是結構未能滿足要求，依然需要改善。最好的方法是將登機橋的斜腹桿尺寸進行改進，一般將直徑改進為30mm，在驗算后，可以確定改進后的結構應力達到26.956Mpa，符合要求。也可以對斜腹桿進行改進，選擇與直徑30的圓鋼截面積類似的方鋼管，以焊接的方式代替原來的方式，方鋼管的尺寸為60mm*40mm*4mm，最后應力為138.589Mpa。通過上面的兩種方式，可以發(fā)現(xiàn)結構自重的增加量較小，最大應力減少較多，兩個值分別為3.15%與35%，符合強度的相關要求，且結構在實際應用中更加的安全可靠。

4???? .結論

（1）???? 在建模過程中，把結構簡化為空間桁架類結構，采用直接生成法建模，節(jié)省時間。

（2）???? 節(jié)點耦合可以對結構內部的滑塊或滾輪結構進行反映，耦合點的耦合方向可以在加附加桿的方式確定，既簡單又方便。

（3）???? 對于復雜力，進行等效施加，提高分析效率。

（4）???? 基于有限元分析登機橋結構，對結構的強度和剛度進行了改進，能滿足相關的要求，且更加的安全與可靠。

參考文獻：

[1]?? 任金虎.張鐵.旅客登機橋的結構優(yōu)化與設計分析華南理工大學.2018

[2]?? 黃建明、曾敏.新一代智能旅客登機橋研發(fā).華南理工大學.2018[3]陳景宇.登機橋安全穩(wěn)定性影響因素的分析[J].科學與研究.

[4]劉太平.影響旅客登機橋安全的因素[J].自動化與儀器儀表，2015（1）：151-153.