登机桥的结构离散设计与可靠性分析

黄健明

摘要：登机桥作为飞机外部结构的重要组成部分之一，是连接飞机与候机楼固定廊桥的一种摆渡设备，因其影响旅客安全而显得十分重要，目前国内外对登机桥的研究主要是通道结构力学性能等研究，很少有学者对其结构性能进行研究，本文将结合国内实际工况，提出一种登机桥结构设计，并利用ANSYS对结构进行有限元分析，改进结构存在的不足，确保登机桥设计的可靠性与合理性。

关键词：登机桥;机构设计;可靠性分析;理论支持

1.    引言

人们的物质生活水平得到极大提升，飞机也逐渐成为很多人出行的首选，对飞机出行服务提出更高的要求。候机厅与飞机之间的可移动升降通道称之为登机桥，登机桥的两端分别为候机楼的某个登机口与飞机舱门，游客从登机口进入到飞机。登机桥作为机电设备，基本机构与传统的机电设备类似，是由主体结构驱动系统等组成的，很多系统与技术并没有太大的改进，同时由于登机桥的使用十分频繁，在长期的使用下出现了很多问题，比如安全问题等，因此设计一种新型登机桥设备显得十分有必要，然后以ANSYS软件对登机桥的结构进行有限元分析，对结构的应力和变形数据进行计算，校核结构的强度和刚度并在此基础上对结构作相应的改善，使其满足设计要求。

2.    登机桥结构组成

登机桥是指旋转伸缩式活动桥，登机桥的主要组成部分为电气系统与机械结构，在实际使用期间，需要较大的活动范围，且要灵活的教学布置，具有较强的适应性，能针对实际情况进行合理布置。其结构主要有9 部分组成，分别如下：

（1）   旋转平台：登机桥与航站楼或固定桥的连接部分，是建立在机坪基础的，由立柱进行支撑，也是支撑登机桥水平旋转运动中心、升降运动的关键部位。

（2）   接机平台：该平台是接机口旋转运动的中心，员工在使用时，可以针对客户的需求，选安装装服务门和服务梯供，也可以将其作为经济疏散的出口，工作人员在开展维修工作时，接机平台能提供便利;

（3）   接机口：登机桥的前端与飞机舱门相接部分，通常装有控制台;（4）行走机构：该机构可以实现登机桥的选择与伸缩;

（5）   活动通道A、B：航站楼与飞机之间的主体，升降运动的实现是基于降机构以及其自身与旋转平台铰接完成的，伸缩运动与水平旋转是通过行走机构实现的;

（6）   升降机构：登机桥实现升降运动的驱动机构;

（7）   维修通道：维修通道也叫做服务梯，登机桥与机坪有阶梯通道，移动与登机桥同步。

（8）   立柱：底部固定在机坪基础上，顶部与旋转平台连接;（9）其他辅助部分：电缆、控制以及照明设备等等。

3.    登机桥结构设计与可靠性分析

3.1  结构的设计要求

登机桥结构在这些年，人们对其提出更高的要求，安全性与可靠性是基本要求之一，同时也要保证满足服务需求，确保符合当下的“绿色”运行，降低运行期间造成的能源消耗，并且加强绿色材料的使用。最后也要对其美观性与功能性进行考虑，使其与现代化的候机楼成为城市一大风景线，考虑我国实际工况，设计安全可靠、环保节能的新一代登机桥，结构方面通过驱动系统的优化以及降低运行阻力来降低运营消耗，减少维修费用，并采用新材料和结构优化来降低登机桥钢材使用量和成本。

3.2  登机桥部分结构优化设计

3.2.1      旋转平台的结构优化设计

结构是由立柱、固定架、旋转支架等构成，作为登机桥整体运动支承点和旋转中心，旋转平台是是连接固定通道和活动通道的设施，也可以对登机桥活动端的载荷和震动传至固定端进行有效规避。

优化前：通过方管拼焊的方式确定旋转平台主体结构，在焊接期间，由于存在耗时较长与焊缝不规则的问题，无法实现自动焊接，且方管的拼接需要符合设计要求;同时在实际制作过程中，对工艺的要求考虑较少，在装配完之后，需要进行二次打砂喷漆。

优化后：钢板箱形是转架的主体结构，压满足通道的安装标准;下降转台铰耳中心的高度，确保转台地板的高度与通道地板的高度一样;将凸缘增加到转架圆筒上部封板孔圆周，避免有雨水流入;同时也要做好封堵工作，防止在打砂时钢砂进入。

3.2.2      行走装置的结构优化设计

行走装置是由上横梁、回转支承、驱动轮架机构及行走轮架旋转角度测量系统等组成，该部分是登机桥水平运动的机构，变频器无级调速下，可以实现平稳的运行，轮架旋转幅度较大，可左90°/右 90°旋转，电气限位装置装设在极限位置，保证在操作期间的安全性。

优化前：原材料的选择为球墨铸铁，但是在社会的快速发展过程中，走轮架的球墨铸铁材料不再满足实际需求，需要较长的生产周期;铸铁时具有较大的问题，气孔与夹渣等十分常见，需要对轮架进行全检，使用的方法为射线探伤，这样会增加成本。

优化后：登机桥的安全性是轮架关注的焦点，所以选择Q345代替传统的QT400-18，保证焊接的整体性能，同时结构件代替传统铸件可以有效降低成本，实现产品的综合效益。

3.3  有限元可靠性分析

3.3.1      登机桥模型简化

转台、活动通道、行走与升降结构、接机平台是登机桥主体结构的组成部分，活动通道的内部为A通道，外部为B通道，两个部分之间可以实现相互伸缩，也可以通过钢轨实现内外通道的滑行。本文研究的是新型登机桥的结构，在设计时主要形式为主弦桿+ 直腹杆+交叉斜腹杆。由于转台、通道和升降架之间的相互关系，对模型的计算进行简化，并且要简化顶面和地板面的波纹，简化为2 根交叉杆件，一般情况下，在计算时不考虑通道端部的波纹板，因为通道的刚度比转台的刚度低，能保证整桥围绕回转中心摆动，所以钢架结构可以是转台结构简化后的系统，回转时围绕回转中心J-J进行，接机平台的重量以及由载荷偏心引起的附加外力折算成相应的力加在模型的B通道上其本身不参加模型计算;将升降架简化为刚架结构，在与通道B连接时，可以通过耦合关系模拟实现，只能绕X轴相对转动是最终G点与升降架横梁的耦合关系，在与地面进行接触时，升降架是在车轮的帮助下完成的，车轮有的作用远不止承受垂直支反力一个，还可以对单向的云动力进行承担;转台除了以绕回转中心J-J轴回转，还能进行其他运动。

结构的各节点之间截面刚度相差不能太大，为刚节点连接，用ANSYS中的梁单元模拟;在与其它杆相连接时斜腹杆可以通过铰链的方式实现，由于斜腹杆不存在递弯矩，模型的建立可以在直接生成法的作用下完成，模拟时在ANSYS中的LINK8单元完成的，有限元模型一共有125个节点，426个单元，单元类型为2 种，常数的设置以杆件尺寸为主，类型为10种。

滑块是通道A、B接触的主要设备，内外通道的接触情况是在计算模型中，通过节点自由度耦合的方式实现模拟，A、B两通道各对应点的位移是耦合确定的前提，题目的距离会在两者唯一的情况下增加，这时滑道会与滑块松开，且在这两点上两通道存在自由度不耦合。

3.3.2      加载和约束方式

1）  计算工况工况1（全伸状态）自重+ 雪载+ 风载（工作）+接机口90°+复合运动顺风刹车时的惯性力;工况2（全伸状态）自重+ 风载（工作）+接机口90°+登机桥地板面载荷（人载）;工况3（全缩状态）自重+ 雪载+ 风载（锚泊）+接机口90°。

2）  在弦杆的各节点上承载载荷施加处理外部作用力，在整个结构上，可以通过惯性载荷下的惯性加速度产生作用力;通过计算接机平台上的载荷可以转化，且能作用在通道B末端的4 个节点上，施加自重载荷时可以在惯性力完成。

3）在对转台轴线上的2 个节点进行约束处理时，在Y轴方向上的没有转动约束外，剩下的全都为被约束，在升降架下端的位移约束有2 个，车轮转动方向则是另一个位移自由度，不予约束。

3.4  计算结果分析

3.4.1      应力结果

3种工况下结构各杆件的最大综合应力（Von Mises应力）是在ANSYS计算下得到的，具体为表1 所示：

3.4.2      位移结果

通过分析可以对三向位移的大小进行确定，其中最大的为侧向位移，其次为沿登机桥轴向位，最小的为，垂直方向。B最右端上点的结构位移最大，且为水平位移，得到的数值为74.334mm，Y向最大位移与X向最大位移分别为25.861mm与8.532mm。

3.5  结果分析与结构改进

通过以上计算，可知工况2 为最不利的情况，材料為Q235，许用应力为170Mpa，而结构的最大应力为193.815Mpa，不符合强度要求。

结构全长L为30.648m，Z向与Y向的许用位移为分别为[f]=L/350=30648/350=84mm与[f]=L/1000=30648/1000=30.648mm，可以通过分析得到，无论是垂直还是水平位置的位移均在许用范围内，这就说明结构的静刚度符合要求，但是结构未能满足要求，依然需要改善。最好的方法是将登机桥的斜腹杆尺寸进行改进，一般将直径改进为30mm，在验算后，可以确定改进后的结构应力达到26.956Mpa，符合要求。也可以对斜腹杆进行改进，选择与直径30的圆钢截面积类似的方钢管，以焊接的方式代替原来的方式，方钢管的尺寸为60mm*40mm*4mm，最后应力为138.589Mpa。通过上面的两种方式，可以发现结构自重的增加量较小，最大应力减少较多，两个值分别为3.15%与35%，符合强度的相关要求，且结构在实际应用中更加的安全可靠。

4     .结论

（1）     在建模过程中，把结构简化为空间桁架类结构，采用直接生成法建模，节省时间。

（2）     节点耦合可以对结构内部的滑块或滚轮结构进行反映，耦合点的耦合方向可以在加附加杆的方式确定，既简单又方便。

（3）     对于复杂力，进行等效施加，提高分析效率。

（4）     基于有限元分析登机桥结构，对结构的强度和刚度进行了改进，能满足相关的要求，且更加的安全与可靠。

参考文献：

[1]   任金虎.张铁.旅客登机桥的结构优化与设计分析华南理工大学.2018

[2]   黄建明、曾敏.新一代智能旅客登机桥研发.华南理工大学.2018[3]陈景宇.登机桥安全稳定性影响因素的分析[J].科学与研究.

[4]刘太平.影响旅客登机桥安全的因素[J].自动化与仪器仪表，2015（1）：151-153.