浅析登机桥发展现状及机电桥升降驱动下置的研发

2014-03-26胡克明

机电工程技术 2014年4期

胡克明

（蒂森克虏伯机场系统（中山）有限公司，广东中山 528437）

0 引言

登机桥直接连接了飞机和航站楼，其桥身可左右移动、伸缩和升降，且接机口有折棚可柔性向外延伸，密合地衔接机舱门，因而能提供一个令人舒适的环境，让旅客不受天气影响，无需日晒雨淋地方便登机，给机场管理也带来了便利。首座旅客登机桥于1959年7月29日在美国的旧金山国际机场搭建以来。随着全球经济一体化趋势和生活水平的提高，登机桥得到了越来越广泛的应用，需求量也越来越大。

登机桥的生产早期主要是在美国、德国，凭其深厚工业基础和技术优势，登机桥产业走在世界的前列，产品畅销世界各地。登机桥研究和制造至今已过了半个多世纪，但其主体结构[1]基本上没有改变，如图1所示。

图1 登机桥的典型结构

随着后起登机桥生产厂家的兴起，登机桥市场的竞争已不断加剧。伴随着发达国家劳动力成本等因素，德国、美国登机桥企业开始了产业的国际转移。日本登机桥厂商为抑制生产成本，先后在新加坡和越南设立公司，将大型的部件生产移到海外，如通道生产放到订货机场附近进行，这样通过削减大型部件的运输费用，不仅能抑制成本，对引进国来说，带来的先进生产技术和管理经验，也有利于产品的竞争。

现在泰国、马来西亚、印度尼西亚、韩国、中国等都有登机桥制造企业，加上有些国家的地方保护主义观念，出于贸易保护，即使质量存在问题，一般也会倾向采购本国生产的设备。所以仅靠质量和价格在国际市场上去竞争也有一定的难度。目前，国际主要企业在将生产中一些部件外包给其他企业完成，将产品设计、技术研发创新作为其核心竞争力，以不断创新的技术来丰富产品性能，提高舒适性，通过先进的设计，来拓展巩固企业在市场上的地位。

1 开发新型支线飞机登机桥

通用的登机桥主要是针对中、大型客机来研发的，随着旅游和经济的发展，小型客机使用日益增多，为了适应这种需求，作为一种创新的旅客处理解决方案，Jetway开发了为支线飞机旅客登机设计的新型TeleRadial登机桥。它适用于大多数区域的涡轮螺旋桨飞机、商用飞机和窄体飞机，能够使登机桥从较高的航站楼地板高度向下伸展，与很低的支线喷气机的机舱门栏相连，具有保护旅客、操作者和支线飞机的优点。TeleRa⁃dial登机桥如图2、图3所示。

2 无障碍式登机桥的研发[2-3]

因登机桥是依靠大小不同的矩形筒状通道套接来达到伸缩功能，这样通道间产生台阶就没法避免，三菱重工将解决台阶问题作为课题，另辟蹊径，创新设计出新的机构，颠覆传统伸缩通道的踏板过渡结构。利用人行步道踏板传动方式与通道结合成能伸缩构造的活动踏板，将半个世纪以来基本结构几乎不变的通道踏板及两边的雨水槽取消，完全实现了通道无障碍，提高了旅客的安全性，用全新独创的亮点来吸引客户，也大大地增强了产品的竞争力。普通与无障碍登机桥构造及内部结构如图4、5、6所示。

图4 普通登机桥与无障碍登机桥构造图

图2 TeleRadial登机桥接泊支线飞机

图3 TeleRadial登机桥接机口

3 机电桥升降驱动下置的开发研究[4]

传统机电登机桥的升降结构如图7所示，主要由减速电机、链式联轴节、推力调心滚子轴承、滚珠丝杆幅及内外套管组成。减速电机、链式联轴节、调心推力滚子轴承、滚珠丝杆与外套管组成一体通过螺栓与通道相联接，滚珠丝杆的螺母与内套管相配合，当电机通过减速系统驱动滚珠丝杆转动时，内、外套管间将产生伸缩运动，从而带动登机桥升降，配合行走机构达到接泊飞机的目的。因减速电机、链式联轴节等动力传动部件位于通道的上部，安装、维护保养等工作都处于高空作业，时常需起重设备配合作业，这样不仅保养不太方便、也存在高空作业的安全隐患。据资料显示确有在深夜对登机桥点检作业时，不幸从高空坠落身亡事例。

图5 研制中的活动踏板机构与样桥

图6 内部效果比较图（普通桥两边有雨水槽、踏板，无障碍桥内部宽敞、平坦、友善）

图7 传统机电登机桥升降构造图

所以如果能从结构上探讨避免或减少高空作业对安全来说是有意义的。基于此考虑，在仍采用导向性好、刚度高、承载力强的传统导套式升降结构的前提下，如何将升降驱动部分下置成了课题。

通用的登机桥的机电升降系统常用的是丝杆旋转，螺母固定的垂直螺杆传动方式，即通过丝杆转动，带动外套管升降来完成的，驱动系统是随外套管同时升降的。

将减速电机下置后并不能简单地直接将原传动系统反过来配置，因为下置后驱动减速电机不能相对地面做升降运动。为此本结构采用螺杆固定、螺母旋转的传动方式，即滚珠丝杆与外套管顶部的丝杆座通过关节轴承固定一起，因要满足升降行程的需要，螺母必需置于内套管的上部，但如何将下置的减速电机的动力传递到位于高处的螺母呢，考虑到登机桥升降时转速只有60 r/min，属低速重载传动，在此设计了特殊的传动轴套，传动导套的动力传动结构，将减速电机输出转矩远距离传递给滚珠丝杆螺母，滚珠丝杆经螺母置于传动轴套的内部，升降立柱的内、外套管是方管结构，套管之间镶有Nylatron滑块（一种经过填充的酰胺纤维化合物），所以内、外套管不能有相对旋转运动，只能作相对轴向移动。这样电机带动滚珠丝杆螺母转动时，滚珠丝杆将随着螺母转动方向不同，而产生升降运动。在减速电机的下端装有感应检测装置，通过PLC对检测到的因电机转动而产生的数字脉冲信号进行实时采集或监控，并将算出的高度值等信息反映在接机口控制台的显示屏上，机电桥升降驱动下置的具体结构如图8所示。

图8 机电桥升降驱动下置结构图

机电桥升降驱动下置升降系统分解如图9所示，具体实施是传动轴套上端带设计有凹形爪槽，其下端带有方孔，减速电机的驱动轴的前端部有方头，与传动轴下端方孔相配合，传动导套有凸起的拨动爪，可镶入传动轴套的凹形爪槽中，传动导套与滚珠丝杆螺母用螺栓相联，螺母的下方装有推力调心滚子轴承，推力调心滚子轴承外圈镶装在内导管的顶端，这样登机桥的负载通过升降立柱的外套管、滚珠丝杆传递到螺母，再由螺母经推力调心轴承传到立柱的内套管上，推力调心轴承与内套管起到承受整个登机桥的负载作用，这样设计传动轴套只受减速电机的驱动转矩，而不承受登机桥负载产生的轴向载荷。当然也可将传动轴套设计成既承受负载又承受传动扭矩，但这样结构会复杂，且为避免传动轴套失效，强度要求更高。

登机桥是对安全性要求很苛刻的设备，一旦有闪失，后果将是非常严重的。香港国际机场曾发生过登机桥碰撞倒塌意外，位于经济舱门的登机桥突然移动，撞向头等舱位登机桥，两桥相继倒塌，连同头等舱机门亦被扯脱，操作员从约五米高堕下地面受伤。所以登机桥的设计要做失效分析，对重要的承载构件进行相关的强度校核并需进行苛刻的试验，这对预防事故的发生有着很重要的意义。

图9 机电桥升降驱动下置升降系统分解图

经典的数学工具有时不能求出近似解，常求助于“数值方法”，进行定量分析，有限元法属于数值方法，工程技术人员的任务是：首先将复杂的工程实际问题简化，选择合适的程序，向计算机输入全部所需的数据和信息，最后检查计算结果的合理性[5]。根据登机桥标准中相关载荷，如通道内地板面载荷、通道顶的雪载及自重包括挂在通道下的FCA、FGP等，通过解析式形式可求出升降立柱所承受的载荷为38.35 t，经对已建模型施加约束条件及载荷并运算求解，可得相关结构件的静态性能分析结果，应力和位移如图10～11所示。

图10 内套管及横梁受载变形分布图

图11 传动轴套承受转矩时的应力分布图

通过结构分析、受力论证，经设计评审初步认为方案有可行性，为此开始下置升降驱动的详细设计，并进行了样桥试制，对组装的样桥作了全面检测，局部及整体登机桥样桥如图12、图13所示。

图12 登机桥升降驱动下置局部图

图13 升降驱动下置登机桥整体图

为保证登机桥安全、可靠性，登机桥型式实验除满足接机功能方面的要求外，有很多安全、保护装置及要求，其中包括有严格的升降系统单臂支撑要求[1]，试验方法为通过电控或手动方式，打开一边制动器，让另一边的升降驱动系统支承登机桥，再测量接机口下降的高度变化是否在要求的范围内，加载方法是按标准地板面载荷使用配重块和沙袋进行，单臂支承在空载和加载情况下的测试结果如表1、表2所示。

升降驱动部分下置后，减速电机处于离地1.3米的高度，站在机坪上就可以方便地打开电机罩后，进行维护、保养、点检，如定期检测制动器磨损情况，有什么异常也容易发现，检修驱动部分用普通叉车就可，而不需要用汽车吊之类，不仅便利了维保，也避免了高空作业，对安全来说有益处。经样桥初步测试证明机电桥升降驱动方案基本可行。

4 结束语

登机桥的设计与开发从最初满足单一基本的功能外，通过不断创新，登机桥的接机范围扩大到了大型A380及支线或小型客机。借助了电子科技的发展，登机桥具备预置、接机、调平、退桥的自动操作以及网络控制等智能化功能。目前登机桥市场竞争激烈，企业要想在市场上占一席之地，就必须不断进行技术创新，在技术、成本、产品质量、服务上能占优势，才能在市场竞争中求生存和发展。将来如把自动人行步道与伸缩通道完美结合起来，整个登机桥通道的地板设计成能收缩、活动的人行步道，那将给旅客带来更大的便利。