某型軍用運輸機專用保障輔助貨橋的設(shè)計開發(fā)

余文明， 黃新磊， 彭 旭， 梁 敏

(中國船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司，湖北 武漢 430223)

軍用運輸機專用保障輔助貨橋是連接運輸機貨艙與地面的通道，是雙車轍的單元組合式機械化橋，既能保障通過能力較差的自行裝備上下運輸機，又能保障重型非自行裝備上下運輸機，主要用于某型軍用運輸機保障，編配于航空物流投送基地、運輸航空兵場站和重點方向的航空兵場站，具有構(gòu)件簡單、模塊化程度高、裝拆便捷等特點。

1 主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)及要求

1.1 基本組成與功能

本輔助貨橋采用單元組合技術(shù)形式，由滑軌組件、車輛行駛坡道組件、承重組件和連接裝置等組成。

本裝備的基本功能：①滿足低通過能力自行裝備滾裝滾卸方式上某運輸機。②滿足重型非自行裝備滑軌裝卸方式上下某型飛機。

1.2 作業(yè)能力

最大承載重量：非自行裝備重量40 t，自行裝備軸載重量9 t(輪式)；車輛行駛坡道坡度≤5°；有效作業(yè)面水平長度≥28 m；承載面最大使用高度≥2.2 m；承載面最小使用高度≤1.8 m；拼裝、撤收時間≤30 min(作業(yè)人數(shù)12名)；單件裝備滾裝滾卸所需時間≤10 min(自行裝備)；單件裝備滑軌裝卸所需時間≤10 min(非自行裝備)。

1.3 基本性能參數(shù)

自重≤10 000 kg(運輸機吊機起重量)；拆解后，便于使用“5 t空運裝載機”進(jìn)行叉裝，配合“航空運輸集裝托盤”進(jìn)行裝載。

1.4 戰(zhàn)場環(huán)境及勤務(wù)適應(yīng)性

作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性：能在機場停機坪等平整場地作業(yè)；運輸性：可采取公路、鐵路和運輸機運輸。

2 總體方案設(shè)計

由于鋁合金密度小、強度與鋼材差不多，故輔助貨橋結(jié)構(gòu)部件主要采用鋁合金材料[1]。

輔助貨橋采用單元組合式，由兩條物資裝卸通道組成，系統(tǒng)主要構(gòu)件包含橋節(jié)、支腿、支架、坡道模塊、跳板、滑軌、托盤和輔助器材等。

2.1 滾裝滾卸模式

當(dāng)自行裝備物資通過輔助貨橋進(jìn)行滾裝滾卸時，由橋節(jié)、支腿、坡道模塊和跳板組成滾裝滾卸通道；此時坡道為傾斜式平臺結(jié)構(gòu)，坡度約4.6°，可以滿足低通過性自行裝備通行要求。

當(dāng)保障某型運輸機時，前兩段橋節(jié)等高，上面無須放坡道模塊，后方橋節(jié)高度依次降低，上面固定有坡道模塊。圖1、圖2為滾裝滾卸輔助貨橋結(jié)構(gòu)圖。

圖1 滾裝卸方式布置圖(單位：mm)

此時運輸機貨艙的高度為1.85 m，圖中左側(cè)的運輸機斜臺著地。坡道由兩條車轍通道組成，首端跳板搭接在斜臺上，底部由支腿支撐，中部由橋節(jié)傳力，橋節(jié)上固定有坡道模塊，形成傾斜的行車通道。

圖2 滾裝卸方式截面圖(單位：mm)

兩貨橋橋面寬度各為1 m，中間由分布于上下的連桿連接。

2.2 滑軌裝卸模式

當(dāng)非自行裝備物資通過輔助貨橋進(jìn)行滑輪裝卸時，由橋節(jié)、支腿、支架、滑軌和托盤組成水平滑軌裝卸通道；滑軌安裝于橋節(jié)上表面，作為托盤的通行路面，方便非自行貨物上下運輸機。

此模式中運輸機斜臺用支架支撐，坡道首端橋節(jié)上部與斜臺自身的跳板支座連接，橋節(jié)下部與支架進(jìn)行連接。圖3為滑軌裝卸移動坡道結(jié)構(gòu)布置圖。

圖3 滑軌裝卸方式布置圖(單位：mm)

此時橋節(jié)長度為30 m，可以保證輔助貨橋在吊裝40英尺集裝箱的同時不至于使集裝箱邊緣與運輸機尾翼發(fā)生刮擦。

每條橋節(jié)上有2排滑軌，外側(cè)滑軌裝有限位擋板，如圖4所示。非自行裝備通過縱橫捆扎于托盤上，再將托盤放置于滑軌滾輪上，通過機艙內(nèi)絞車將裝備拉入貨艙。

此時托盤與限位擋板留有8 mm的間隙。

3 系統(tǒng)組成

3.1 橋節(jié)

圖4 滑軌裝卸方式截面圖(單位：mm)

橋節(jié)是荷載通行坡道(滑軌)的承載主體，整體材質(zhì)為鋁合金。橋節(jié)安裝有剪刀撐機構(gòu)，伸展性強、穩(wěn)定性高、高度可調(diào)，既能滿足通載狀態(tài)對其不同高度的需要，又能保障在收攏狀態(tài)達(dá)到運輸要求[2]。

橋節(jié)長×寬為1 500 mm×1 000 mm，單重約150 kg。

根據(jù)剪刀撐內(nèi)側(cè)活動支座的檔位調(diào)節(jié)，可以將橋節(jié)分為7個高度，分別為1 370 mm、1 170 mm、1 100 mm、900 mm、700 mm、500 mm、和300 mm，如圖5所示。

圖5 橋節(jié)示意圖(單位：mm)

3.2 支腿

機械化橋一般通過支腿來架設(shè)形成多跨橋，作為橋節(jié)的支撐主體[3]。本輔助貨橋支腿主要材質(zhì)為鋁合金，其中螺紋升降部分為鋼質(zhì)，剛性螺母與鋁合金結(jié)構(gòu)間采用鉚釘連接。

支腿礎(chǔ)板直徑340 mm，單重15 kg，高度調(diào)節(jié)范圍為580～780 mm。支腿示意圖見圖6。

圖6 支腿示意圖(單位：mm)

支腿采用側(cè)面水平向接頭與橋節(jié)連接，如圖7所示，進(jìn)一步降低了橋節(jié)離地高度，從而降低了貨橋的重心，增加了貨橋穩(wěn)定性。

3.3 坡道模塊

圖7 支腿、橋節(jié)連接

坡道模塊(見圖8)安裝固定于橋節(jié)上，為自行裝備提供裝卸通道。

圖8 坡道模塊示意圖

由于單塊坡道模塊重量偏大，人工搬運不方便，故將其分成兩部分，每部分重量不到55 kg,方便人員搬運，減少了貨橋架設(shè)時間。

3.4 跳板

跳板整體材質(zhì)為鋁合金，一端與首端橋節(jié)連接，另一端搭放在斜臺上形成面接觸，面板焊接有“V”型防滑條，增加車輛摩擦力，方便自行裝備進(jìn)出貨艙。

跳板長4 480 mm，寬980 mm，高213 mm，重約170 kg，見圖9。

圖9 跳板示意圖(單位：mm)

單塊跳板與斜臺為面接觸，接觸面大小約為818 mm×980 mm，如圖10所示，避免車輛通行時對斜臺產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖10 跳板布置圖(單位：mm)

此過程跳板對斜臺的壓強要小于自行裝備直接進(jìn)出運輸機時對斜臺和貨艙地板的壓強。

3.5 滑軌

滑軌安裝于橋節(jié)上，帶有數(shù)個高強尼龍滾輪，為非自行裝備提供裝卸平臺?；夐L度統(tǒng)一，僅有內(nèi)外之分，外側(cè)滑軌裝有限位擋板。一個橋節(jié)上安裝4個滑軌，單件滑軌重約15 kg，見圖11。

圖11 滑軌布置圖

3.6 托盤

航空運輸中非自行裝備一般通過專用集裝托盤輔助裝機。本輔助貨橋托盤是滑軌裝卸的承接部件，裝備需要放置于托盤之上，再將托盤放置于滑軌滾輪上。托盤整體采用鋁合金材質(zhì)，尺寸高56 mm×寬2 230 mm×長2 740 mm，重量約160 kg，見圖12。

圖12 托盤示意圖(單位：mm)

3.7 支架

當(dāng)輔助貨橋保障非自行裝備時，運輸機斜臺面需要與貨橋面保持同一高度，斜臺底部需要支架支撐。

支架頂部支板可以在豎直方向隨意轉(zhuǎn)動，使支板與斜臺底面時刻保持面接觸，見圖13。

圖13 支架示意圖(單位：mm)

3.8 輔助器材

輔助器材包括插銷、捆扎帶、橫向連接桿、掛鉤等，其中橫向連接桿用于連接左右兩條橋節(jié)，提高輔助貨橋整體穩(wěn)定性，見圖14。

圖14 橫向連接桿示意圖

掛鉤在滾裝滾卸模式用來連接輔助貨橋與斜臺(見圖15)，在滑軌裝卸模式既要連接輔助貨橋與斜臺，又要連接輔助貨橋與支架(見圖16)。

圖15 滾裝滾卸模式掛鉤布置圖

圖16 滑軌裝卸模式掛鉤布置圖

4 設(shè)計計算分析

4.1 基本設(shè)計參數(shù)

4.1.1 輪式荷載參數(shù)

橋面系局部強度控制荷載為輪式載軸壓力90 kN，按照標(biāo)準(zhǔn)(GJB 435-1988)的規(guī)定，選用LT20輪式車輛荷載作為參考對象。

4.1.2 集裝箱荷載參數(shù)

集裝箱滿載重量40 t，按均布荷載計算。

4.1.3 動載沖擊系數(shù)

4.2 材料選擇

輔助貨橋橋節(jié)主要采用鋁合金材料，牌號為AA6061。

4.3 計算分析對象

輔助貨橋的計算分析過程是為了驗證系統(tǒng)是否能安全可靠的提供指標(biāo)中規(guī)定荷載的正常通行。本節(jié)選取輔助貨橋的橋節(jié)進(jìn)行計算分析。

4.4 橋節(jié)有限元計算分析

4.4.1 自行裝備

當(dāng)輪式荷載通過貨橋坡面時，與運輸機斜臺連接的首端橋節(jié)上沒有固定坡道模塊，此時橋節(jié)承受來自車輪的局部荷載；其余橋節(jié)上固定有坡道模塊，此時橋節(jié)承受來自坡道模塊的均布荷載，選取最惡劣工況來定義荷載：輪式荷載位于跨中，橫向偏心100 mm，荷載面尺寸為600 mm×200 mm(車輪接觸面)，橋節(jié)高度為1 370 mm。

(1)強度校核：計算結(jié)果等效應(yīng)力云圖如圖17所示。

圖17 橋節(jié)等效應(yīng)力云圖

從圖中可見最大等效應(yīng)力為148 MPa，小于材料AA6061的拉壓應(yīng)力σ=160 MPa。

(2)橋節(jié)撓度校核：鋁合金簡支梁橋節(jié)結(jié)構(gòu)由靜止的車輛荷載產(chǎn)生的垂直撓度最大容許值為f=l/150[4]。式中：f為撓度容許值；l為橋節(jié)的長度。

橋節(jié)的長度l=2 500 mm，撓度最大容許值[f]=16 mm，圖17中讀取的結(jié)構(gòu)最大撓度值為f=10 mm<[f]，滿足設(shè)計要求。

(3)剪刀撐機構(gòu)穩(wěn)性校核：

由軟件分析結(jié)果中提取的剪刀撐機構(gòu)軸向力N=2.6e4 N ，彎矩M=15.4e4 N ·mm。 由于剪刀撐斜桿設(shè)計長度l=1 156 mm，兩端鉸接，即：

L=μ長度l=1×1 156 mm=1 156 mm

式中：L為壓桿計算長度；μ長度為壓桿的長度系數(shù)，對于兩端鉸接情況取值1；l為壓桿設(shè)計長度。

式中：iy為截面對y軸的慣性半徑；Iy為y軸的慣性矩。

式中：λy為構(gòu)件彎曲平面內(nèi)的長細(xì)比。

由AA6061鋁合金材料的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表得：φ1=0.863。

=38.12 N/mm2<[σ]=160 N/mm2

剪刀撐機構(gòu)穩(wěn)性符合要求。

4.4.2 非自行裝備

當(dāng)非自行裝備通過坡道時，由于裝備放置于托盤之上，可將此過程視為均布荷載，按最大荷載情況即40英尺集裝箱滿載重量40 t計算分析。

由于40英尺集裝箱長約12 m，橋節(jié)長度為2.5 m，由此可知集裝箱托盤共與10個橋節(jié)接觸，則每個橋節(jié)分配到的荷載為4 t。計算可得最大等效應(yīng)力為62.35 MPa，小于材料AA6061的拉壓應(yīng)力σ=160 MPa，見圖18。

圖18 集裝箱壓載橋節(jié)等效應(yīng)力云圖

5 系統(tǒng)工作模式

5.1 滑軌裝卸模式

在滑軌裝卸模式下，先根據(jù)保障機型貨艙地板高度來確定支腿的高度，使貨橋橋節(jié)面與機艙地板面平齊，還需要確保裝卸物資、機艙的中心軸線平齊；然后將裝備吊至貨橋托盤上進(jìn)行捆扎；之后借助機場叉車或吊車將裝備放置于貨橋滑軌之上，首端托盤與艙內(nèi)絞車通過繩索連接；最后借助飛機自帶的絞車將物資拉入機艙內(nèi)。

5.2 滾裝滾卸模式

在滾裝滾卸模式下，應(yīng)確保裝卸物資、機艙的中心軸線平齊，自行裝備通過坡道模塊和跳板駛上貨橋進(jìn)入機艙。