旅客登機(jī)橋升降系統(tǒng)輔助制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)及分析

胡克明

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

旅客登機(jī)橋是可靠性要求很高的設(shè)備，其升降系統(tǒng)直接關(guān)系到人、接駁飛機(jī)和整個(gè)登機(jī)橋的安全，所以在設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性要求很高。一旦制動(dòng)器失靈，登機(jī)橋?qū)⒖焖偎?，?duì)人員和設(shè)備會(huì)造成傷害，甚至可能使飛機(jī)受到損傷。

1 升降系統(tǒng)概述

登機(jī)橋的升降系統(tǒng)為垂直布置，要求在升降一定的高度后，能保持位置的固定，如利用蝸輪或螺旋副傳動(dòng)的自鎖性能，可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，但此類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率低，所需電機(jī)的功率大，能源消耗也會(huì)增大。故常用的登機(jī)橋升降系統(tǒng)采用的是滾珠絲桿，滾珠絲桿傳動(dòng)效率高，但滾珠絲桿不能自鎖，必須有制動(dòng)裝置[1]。

通常登機(jī)橋的升降機(jī)構(gòu)如圖1 所示，升降系統(tǒng)都是由滾珠絲桿、聯(lián)軸器、減速器和制動(dòng)電機(jī)等零部件組成。

制動(dòng)電機(jī)由普通電機(jī)的尾部裝有勵(lì)磁圓盤(pán)式制動(dòng)器，用電磁力使制動(dòng)器釋放，由彈簧產(chǎn)生制動(dòng)作用，其制動(dòng)力矩一般不小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，設(shè)計(jì)的原理是斷電制動(dòng)，這樣升降系統(tǒng)可克服橋的重力，保持橋的靜止，升降時(shí)，制動(dòng)器打開(kāi)，運(yùn)行。這符合登機(jī)橋基本的安全要求。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)與人密切相關(guān)設(shè)備的安全要求也越來(lái)越高，如EN115:1995 12.6標(biāo)準(zhǔn)中就有自動(dòng)扶梯必須裝設(shè)附加制動(dòng)器的相關(guān)規(guī)定。電梯的制動(dòng)器除需要做超載試驗(yàn)外，另外還有安全鉗，以備制動(dòng)失靈、鋼絲繩斷裂等引起安全事故。登機(jī)橋比電梯、扶梯等特種設(shè)備通行的人更多，一旦出事，問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重，還也可能給與之接駁的飛機(jī)造成損害。所以開(kāi)發(fā)研究登機(jī)橋輔助制動(dòng)裝置很有必要[2]。

圖1 普通機(jī)電橋升降機(jī)構(gòu)

2 升降棘輪制動(dòng)器的組成及工作原理

在升降傳動(dòng)鏈的那個(gè)環(huán)節(jié)加制動(dòng)器，用那種方式來(lái)制動(dòng)，對(duì)升降機(jī)構(gòu)的布局及成本影響很大。經(jīng)綜合考慮采用棘輪輔助制動(dòng)方式，安裝位置在升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的尾端，輔助制動(dòng)升降機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輔助制動(dòng)升降機(jī)構(gòu)

主要由制動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、檢測(cè)裝置、棘輪、棘爪驅(qū)動(dòng)裝置、滾珠絲桿等零件構(gòu)成。該方式較常規(guī)的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體布局沒(méi)變化，成本低，比較適合登機(jī)橋升降系統(tǒng)失靈時(shí)，只需單向制動(dòng)防止登機(jī)橋急速下落而引發(fā)事故的場(chǎng)合。

輔助制動(dòng)工作原理：登機(jī)橋升降系統(tǒng)由通道兩側(cè)各有一組滾珠絲桿，兩組電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器由同一電源，同一組正、反轉(zhuǎn)接觸器供電給并聯(lián)電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器，用來(lái)保證兩邊升降機(jī)構(gòu)的同步性，為了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及升降高度及故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，每組滾珠絲桿都裝有感應(yīng)檢測(cè)裝置，通過(guò)PLC 對(duì)檢測(cè)出來(lái)的數(shù)字脈沖信號(hào)作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別，并可顯示結(jié)果，報(bào)警，制動(dòng)。當(dāng)從電機(jī)到聯(lián)軸器中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，會(huì)引起滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)異常，登機(jī)橋控制系統(tǒng)把檢測(cè)裝置得到的數(shù)據(jù)與正常值作比較，就可以判斷傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠裼泄收稀２⒓皶r(shí)輸出制動(dòng)信號(hào)，使輔助制動(dòng)器動(dòng)作，棘爪嵌入棘輪的槽內(nèi)，阻止棘輪和滾珠絲桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可對(duì)半聯(lián)軸器前面的任一環(huán)節(jié)的損壞都能起到保護(hù)作用，從而防止升降電機(jī)斷軸、工作制動(dòng)器失靈，減速器的齒輪斷齒或中間連接件松脫引起登機(jī)橋的快速下墜，造成設(shè)備、人身傷害的事故。

圖3 升降輔助制動(dòng)器

圖4 棘爪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分解圖

棘輪輔助制動(dòng)結(jié)構(gòu)、組成：升降輔助制動(dòng)器如圖3、棘爪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分解如圖4。機(jī)構(gòu)采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)棘爪，主要由電磁鐵、回位彈簧、電磁鐵支架、棘爪、棘爪軸，軸座等組合而成。制動(dòng)棘爪在彈簧的作用下靠向棘輪，在滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)0～3度內(nèi)，即高度最多降0.2毫米內(nèi)，棘爪會(huì)鑲?cè)爰啿?，通過(guò)棘爪與棘輪的咬合，直接對(duì)滾珠絲桿施加制動(dòng)力矩、制止登機(jī)橋下墜、提高登機(jī)橋的可靠性和安全性的目的。

當(dāng)排除故障后，登機(jī)橋再需作升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，由PLC 控制滾珠絲桿反時(shí)針轉(zhuǎn)3 度左右，同時(shí)給電磁鐵送電，在電磁鐵的電磁力作用下，棘爪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪與棘輪分離后，登機(jī)橋再按操作控件信號(hào)，進(jìn)行登機(jī)橋升或降的運(yùn)動(dòng)。

為了合理布局、結(jié)構(gòu)緊湊、減少占用空間。聯(lián)軸器采用的是彈性聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器的上聯(lián)軸節(jié)直接開(kāi)有檢測(cè)用的感應(yīng)槽，下聯(lián)軸節(jié)直接加工出扁方，棘輪也加工出帶扁方的孔，通過(guò)該孔棘輪與下聯(lián)軸節(jié)組合成一個(gè)剛性體，當(dāng)然也可將下聯(lián)軸節(jié)與棘輪直接做成一剛性整體，下聯(lián)軸節(jié)通過(guò)鍵聯(lián)接方式與滾珠絲桿組裝一起。棘輪裝配分解如圖5。

圖5 棘輪裝配分解圖

下聯(lián)軸節(jié)通過(guò)星形彈性體與上聯(lián)軸節(jié)嵌合，上聯(lián)軸節(jié)通過(guò)平鍵與減速器輸出軸聯(lián)接。因?yàn)槭且怨こ趟芰献鲝椥栽苎a(bǔ)償滾珠絲桿與減速器輸出軸一定的相對(duì)偏移，并有緩沖、減振的性，這樣對(duì)制造精度要求不必過(guò)嚴(yán)，達(dá)到能滿足性能要求，又能降低成本。該方式，所需零件數(shù)量少，制動(dòng)迅速，止動(dòng)可靠。不過(guò)在動(dòng)作時(shí)沒(méi)有緩沖過(guò)程，故稱(chēng)之為剛性輔助制動(dòng)，在速度不高時(shí)適用。電梯的安全保護(hù)裝置，在電梯速度小于1 000 mm/s 時(shí)可用瞬時(shí)剛性制動(dòng)鉗，考慮到登機(jī)橋的升降速度只有20 mm/s 左右以及自重或升降行程等因素，認(rèn)為采用瞬時(shí)動(dòng)作棘輪制動(dòng)是可行的。

根據(jù)需要可做成得電動(dòng)作型，也可做成失電動(dòng)作型，不過(guò)采用得電動(dòng)作時(shí)，需通過(guò)控制系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔對(duì)棘爪驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行安全功能檢測(cè)，以避免導(dǎo)線松動(dòng)、線圈絕緣損壞等原因引起棘爪不動(dòng)作現(xiàn)象，保證輔助制動(dòng)裝置的可靠性。

參考GB16899-1997 14.2.2 所有停止運(yùn)行裝置應(yīng)通過(guò)切斷電流起作用，而不是通過(guò)一個(gè)繼電器電路接通來(lái)完成。EN115:1995 14.2.2 All stopping devices shall act by interrupting current and not by the completion of a circuit of a relay[3].

這表明正常運(yùn)行時(shí)保持通電狀態(tài)，而當(dāng)需要附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，應(yīng)通過(guò)切斷其電流起作用，即失電動(dòng)作。所以采用失電動(dòng)作的方式更適合安全方面要求。

3 棘輪棘爪設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核[4]

棘輪棘爪的材料均采用：45號(hào)鋼、屈服強(qiáng)度600 N/mm2。

熱處理要求：

棘輪：45～50HRC；

棘爪：工作表面淬硬至52～56HRC。

根據(jù)使用功能，選棘輪齒數(shù)為12。

齒寬系數(shù)取 ψm＝2。

由強(qiáng)度公式計(jì)算模數(shù)m：

通過(guò)計(jì)算可得到模數(shù)m，查手冊(cè)表格可得相應(yīng)棘輪、棘爪的詳細(xì)尺寸，由此做出三維模型，再運(yùn)用軟件將載荷分別加載到棘輪和棘爪上做強(qiáng)度校核，最大應(yīng)力及應(yīng)力分布狀況如圖6棘輪應(yīng)力圖解及圖7棘爪應(yīng)力圖解所示。

圖6 棘輪應(yīng)力圖解

圖7 棘爪應(yīng)力圖解

棘輪安全系數(shù)=600/167=3.6，即使加上瞬間制動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷還是有一定的安全裕度。

棘爪安全系數(shù)=600/87=6.8 強(qiáng)度足夠。

通過(guò)計(jì)算及強(qiáng)度校核，證明在不用更改原機(jī)電升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，增加結(jié)構(gòu)緊湊的棘輪輔助制動(dòng)器方案可行。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于旅客登機(jī)橋的需求已日益旺盛，從滿足顧客不斷增加的要求，給顧客提供高可靠性、安全性的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)研究登機(jī)橋輔助制動(dòng)器很有必要。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高、制造成本低、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)保證登機(jī)橋的安全有重大意義。

［1］林其駿.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)-機(jī)械設(shè)計(jì)的錯(cuò)例與禁忌［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［3］GB16899-1997.自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造和安裝安全規(guī)范［S］.

［4］聯(lián)合編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.