集裝箱運輸?shù)牡菣C橋模塊化設(shè)計*

彭 恒，牛福維，顧曉勤

(1.蒂森克虜伯機場系統(tǒng)(中山)有限公司,廣東 中山 528437; 2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

集裝箱運輸?shù)牡菣C橋模塊化設(shè)計*

彭 恒1，牛福維1，顧曉勤2

(1.蒂森克虜伯機場系統(tǒng)(中山)有限公司,廣東 中山 528437; 2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

模塊化設(shè)計可將登機橋各部分分解為一個個較小的標(biāo)準模塊，以裝入集裝箱運輸，節(jié)省運輸成本，提高生產(chǎn)效率。主要探討登機橋的模塊化設(shè)計方案，并與當(dāng)前的登機橋進行了成本比較分析，對運輸線路較遠的項目具有明顯的優(yōu)勢。

登機橋;模塊化設(shè)計;通道;接機口;螺栓連接

1 引 言

登機橋是用于實現(xiàn)飛機與機場航站樓之間的活動聯(lián)接，是供旅客上、下飛機通行的封閉通道。當(dāng)前機場使用比較多的是旋轉(zhuǎn)伸縮式機坪驅(qū)動型登機橋，其主要的機械結(jié)構(gòu)包括立柱、旋轉(zhuǎn)平臺、活動通道、接機口、升降系統(tǒng)、接機平臺、行走系統(tǒng)和服務(wù)梯。由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積大，產(chǎn)品主要以散貨的方式通過海運或車輛運輸方式運至機場安裝，如圖1所示。這種運輸方式只能對登機橋產(chǎn)品進行簡單的包裝后固定在平板車或輪船甲板上，得不到很好的保護，運輸過程中受路面和天氣情況的影響會發(fā)生顛簸和碰撞，易造成登機橋運輸過程中的碰傷和損壞，使得運抵機場的登機橋不能直接安裝使用。為印度新德里機場制造的登機橋，從廣東中山運往新德里機場經(jīng)過了陸運和海運，有多條登機橋出現(xiàn)了局部的損壞。

圖1 在機場安裝登機橋

如果能將登機橋拆開，分成模塊裝進集裝箱，將會大大降低運輸過程中登機橋碰壞損毀的概率，還可節(jié)省運輸成本。模塊化設(shè)計可很好的解決該問題，設(shè)計重點是模塊的劃分和連接。

2 基于集裝箱運輸?shù)牡菣C橋模塊化設(shè)計

機械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計是工業(yè)發(fā)達國家近20年來一直采用的一種先進的機械產(chǎn)品設(shè)計方法[1-2]，它將系統(tǒng)根據(jù)功能或結(jié)構(gòu)劃分為若干模塊，通過模塊的不同組合得到不同品種和不同規(guī)格的產(chǎn)品?？商岣弋a(chǎn)品的標(biāo)準化、通用化程度。

模塊是指一組具有同一功能和結(jié)合要素，但性能、規(guī)格或結(jié)構(gòu)不同卻能互換的單元。模塊化設(shè)計對這些模塊進行不同的選擇和組合，即可得到相應(yīng)的不同規(guī)格的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計的優(yōu)點：

(1) 互換性強，便于維修。模塊化產(chǎn)品是由一些具有互換特性的標(biāo)準化模塊組成的，可直接更換模塊，大大簡化產(chǎn)品的維護和修理。

(2) 便于運輸，對于體積較大的結(jié)構(gòu)，可拆分成多個小模塊運至現(xiàn)場后組裝，對運輸工具要求降低。

(3) 適合批量生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，各種模塊可集中在專門工廠進行專業(yè)化批量加工，提高了生產(chǎn)效率。

登機橋各個組成部件中通道的尺寸最大，不同的橋型通道長度尺寸也不同，最長的可達20 m，遠遠大于集裝箱的允許長度。為便于集裝箱運輸，需將通道分為兩個、甚至多個模塊，以減小尺寸便于裝入集裝箱。所以模塊的劃分除需考慮各部分功能外，還需考慮各模塊的外觀尺寸及連接。

3 登機橋各主要部分的模塊化設(shè)計

如圖2所示，為旋轉(zhuǎn)伸縮式機坪驅(qū)動型登機橋的典型結(jié)構(gòu)[3]，其各組成部分中，立柱、旋轉(zhuǎn)平臺、行走系統(tǒng)、服務(wù)梯均已經(jīng)模塊化，可進行簡單改進后直接裝入集裝箱。需改進的是活動通道(A/B/C三個通道)、接機平臺、接機口和升降系統(tǒng)。

圖2 登機橋總裝圖

筆者主要以蒂森克虜伯公司的登機橋為例，對其進行模塊化設(shè)計以達到集裝箱運輸?shù)哪康摹?/p>

3.1 通道的模塊化設(shè)計

當(dāng)前國際通用的集裝箱箱體尺寸最長12 m，頂部封閉的集裝箱內(nèi)高2 330 mm左右，對于三通道的登機橋，其3個通道由內(nèi)至外依次為通道A、通道B、通道C，它們的長度根據(jù)橋型不同，最短的不到6 m左右，最長的超過20 m。為使通道能滿足裝入集裝箱的條件，對于通道A或B，可將其分為兩段甚至多段，如圖3所示，用螺栓進行連接。采用這種方式，可將通道分成5種不同長度的標(biāo)準的通道模塊，這些模塊進行不同的組合即可得到不同長度的登機橋通道。

圖3 通道A、B的模塊化設(shè)計

根據(jù)中國民航標(biāo)準，登機橋內(nèi)部最小截面高度不得低于2 100 mm，通道A是登機橋內(nèi)部最小截面，確定其內(nèi)高為2 100 mm。通道A在通道B內(nèi)伸縮活動，通道B在通道C內(nèi)伸縮活動，內(nèi)外通道之間有通道主梁、伸縮滾輪裝置，都要占一定的空間。對于通道B外輪廓尺寸可控制在2.3 m以內(nèi)，但通道C的高度尺寸至少大于2 500 mm，遠遠大于2 330 mm，為使其高度上能滿足裝入集裝箱的條件，可采用以下兩種方式：

方式一 采用40尺的開頂柜運輸，開頂柜允許柜內(nèi)貨物高出柜頂，如圖4所示。

方式二 將通道C沿著高度方向分為兩段，通過螺栓連接，如圖5所示。

圖4 通道C模塊化設(shè)計方案1

圖5 通道C模塊化設(shè)計方案2

方式一只需將通道運輸用的集裝箱改為40尺的開頂柜即可。方式二將通道C沿著高度方向分為兩段，如圖5所示。對于長度大于12 m的通道，要將原通道沿著長度和高度方向切分兩次，改為螺栓連接，使通道在長度方向和高度方向通過螺栓連接組合起來。這樣，一個通道由四個模塊進行組裝。

3.2 接機平臺與接機口的模塊化設(shè)計

一般的登機橋，接機口通過上、下支撐與接機平臺相連，而接機平臺與外通道直接焊接在一起。在實際設(shè)計中，為保證內(nèi)部空間的一致性，接機平臺、接機口內(nèi)高度均與通道C一致，需對接機平臺及接機口進行拆分。

如圖6所示，可將接機平臺與通道C的焊接改為螺栓連接，得到接機平臺和維修間，以便裝入集裝箱。對于接機口，可將其頂部鋼板的焊接改為螺栓連接，下面的主體部分從中間分開，改為螺栓連接，如圖7所示。

3.3 升降系統(tǒng)

如圖8所示，升降系統(tǒng)為U型焊接結(jié)構(gòu)，可將其從橫梁處分段，通過螺栓連接組裝在一起。

圖6 接機平臺與通道C的焊接改為螺栓連接的形式

圖7 接機口拆分為三部分螺栓連接

圖8 升降系統(tǒng)拆分方案

4 模塊之間的連接設(shè)計

為便于安裝，各模塊之間的連接均采用摩擦型高強螺栓連接。螺栓連接需滿足承載要求，為此需通過計算選取適合大小的螺栓及預(yù)緊力。由于登機橋設(shè)計壽命一般為20年或20年以上，螺栓連接需考慮疲勞壽命。

由于連接節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點處存在應(yīng)力集中。登機橋運動或者乘客通過時，將承受動載荷，這時鋼結(jié)構(gòu)中缺陷作為裂紋源，存在的應(yīng)力集中使缺陷尖端區(qū)域金屬的應(yīng)力達到鋼材的屈服強度，在循環(huán)荷載作用下不斷擴展，形成疲勞裂紋。所以合理選取節(jié)點構(gòu)造形式，是提高摩擦型高強度螺栓連接節(jié)點疲勞性能的有效措施。螺紋聯(lián)接中各圈螺牙上的負荷為不均勻分配，一般以螺母與被聯(lián)接件接觸處的第一圈螺牙所傳遞的載荷為最大，因此螺紋聯(lián)接一般在第一圈螺牙的根部應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞破壞。高強度螺栓的排列方式、螺栓數(shù)量、螺栓孔直徑等節(jié)點構(gòu)造都會對節(jié)點主體金屬的疲勞性能產(chǎn)生影響。

在滿足靜力承載能力要求的前提下，選用小直徑螺栓可提高節(jié)點承受的名義應(yīng)力幅。采用橢圓螺栓孔也可在一定程度上改善節(jié)點的疲勞性能?？紤]疲勞時高強螺栓的強度條件[4-6]：

各模塊的連接處，除保證螺栓的疲勞壽命外，還應(yīng)確保各連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，結(jié)構(gòu)設(shè)計中確保焊縫質(zhì)量，避免應(yīng)力集中。重要的焊縫采用合適的探傷方法，從工藝和設(shè)計上確保焊接的質(zhì)量，提高接頭的壽命。基于模塊化設(shè)計后的登機橋各部分組成如圖9所示。

圖9 模塊化設(shè)計的登機橋

5 模塊化設(shè)計后登機橋的裝箱

如圖10所示，為通道采用集裝箱開頂柜運輸?shù)姆桨笀D，圖中TA1，TA2分別表示通道A的第1個模塊和第2個模塊，通道B，C的表示方法相同。

圖10 通道裝箱方案

對于兩通道登機橋，可用兩個普通高柜來運輸兩個通道，而對于三通道的登機橋，其三個通道可用兩個集裝箱開頂柜運輸，其他較小的附件可一并放入集裝箱中，包括立柱、行走系統(tǒng)、服務(wù)梯、維修間等。

可見，通過模塊化設(shè)計，可將登機橋各個部分拆分成不同的小模塊，便于裝入集裝箱。

6 模塊化設(shè)計的登機橋成本分析

(1) 相對于原登機橋，模塊化設(shè)計后主要增加了以下成本：①連接件增多，為確保各部分的螺栓連接均為高強螺栓；②現(xiàn)場安裝成本增加。原登機橋通常是將接機口、通道一起運輸，到現(xiàn)場后直接與立柱上的旋轉(zhuǎn)平臺相連即可。而模塊化后，需在現(xiàn)場將各個模塊組裝起來后再進行總裝，增加了安裝成本。

(2) 模塊化設(shè)計提高了生產(chǎn)效率，相對于原登機橋，采用集裝箱運輸，節(jié)省運輸成本。同時由于橋體均放于集裝箱內(nèi)，有集裝箱箱體的保護，減小乃至杜絕了運輸過程中與外部異物碰撞損壞的幾率，這一點是原運輸方式無法做到的。尤其是對許多國外項目，路途遠，需經(jīng)陸運和海運多次轉(zhuǎn)運。

以制造一條三通道45 m長的登機橋為例，基于模塊化設(shè)計的登機橋總成本僅增加1%左右，對于國外項目，運輸成本較高，采用集裝箱橋可節(jié)省至少40%的運輸成本，地理位置越遠，登機橋的數(shù)量越多，運輸成本降低越多。采用組合式登機橋，整個項目的總成本至少可降低10%。

7 結(jié) 語

作為一種全新的思路，模塊化設(shè)計，將原登機橋分為一個個標(biāo)準的較小尺寸的模塊，放入集裝箱運輸，雖然增加了一定的安裝成本，但減小了運輸成本，提高了生產(chǎn)效率，同時也減小了運輸過程中登機橋橋體損壞的幾率，對于運輸距離較遠、成本較大的項目而言，可大大降低項目的總成本，具有明顯優(yōu)勢和市場前景。

[1] 張德文.港口散糧裝卸系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計分析[J].港口機械，2007(5):1-4.

[2] 歐陽中和.淺談機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2007(11):104-105.

[3] EN1915-2 Aircraft Ground Support Equipment-General Requirements-Part 2: Stability and Strength Requirements, Calculations and Test Methods[s].

[4] GB 50017-2003, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 景文明.現(xiàn)代機械抗疲勞設(shè)計方法概述[J].裝備制造技術(shù), 2012(1):154-155.

[6] 顧曉勤，羅良清.組合式登機橋高強度螺栓群的強度計算[J].機械工程與技術(shù), 2013(2):35-39.

Modular Design of Available Passenger Boarding Bridge for Container Transportation

PENG Heng1，NIU Fu-wei1，GU Xiao-qin2

(1.ThyssenKruppAirportSystem(Zhongshan)Co.，Ltd，ZhongshanGuangdong528437，China；2.ZhongshanSchool，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，ZhongshanGuangdong528402，China)

Based on modular design, the bridge can be divided into several little parts, which makes the passenger boarding bridge to transport the container. This design saves a lot of transportation costs and improves production efficiency. The solutions for block-based design of passenger boarding bridge are introduced, and a cost comparative analysis is made. It has an obvious advantage for the long route transport project.

passenger boarding bridge；blockbased design；tunnel；cabin；screw connection

2013-12-05

中山市科技計劃項目《組合式旅客登機橋》(編號：20114A157)，企業(yè)項目《登機橋結(jié)構(gòu)力學(xué)分析》

彭 恒(1981-)，男，湖北天門人，工程師，碩士，主要從事登機橋設(shè)計及結(jié)構(gòu)方面的科研工作。

TH112

A

1007-4414(2014)01-0107-04