某型軍用運(yùn)輸機(jī)專(zhuān)用保障輔助貨橋的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

余文明， 黃新磊， 彭 旭， 梁 敏

(中國(guó)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(yùn)輸機(jī)專(zhuān)用保障輔助貨橋是連接運(yùn)輸機(jī)貨艙與地面的通道，是雙車(chē)轍的單元組合式機(jī)械化橋，既能保障通過(guò)能力較差的自行裝備上下運(yùn)輸機(jī)，又能保障重型非自行裝備上下運(yùn)輸機(jī)，主要用于某型軍用運(yùn)輸機(jī)保障，編配于航空物流投送基地、運(yùn)輸航空兵場(chǎng)站和重點(diǎn)方向的航空兵場(chǎng)站，具有構(gòu)件簡(jiǎn)單、模塊化程度高、裝拆便捷等特點(diǎn)。

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(chē)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(mǎn)足低通過(guò)能力自行裝備滾裝滾卸方式上某運(yùn)輸機(jī)。②滿(mǎn)足重型非自行裝備滑軌裝卸方式上下某型飛機(jī)。

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(chē)輛行駛坡道坡度≤5°；有效作業(yè)面水平長(zhǎng)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(shí)間≤30 min(作業(yè)人數(shù)12名)；單件裝備滾裝滾卸所需時(shí)間≤10 min(自行裝備)；單件裝備滑軌裝卸所需時(shí)間≤10 min(非自行裝備)。

1.3 基本性能參數(shù)

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

1.4 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及勤務(wù)適應(yīng)性

作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性：能在機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪等平整場(chǎng)地作業(yè)；運(yùn)輸性：可采取公路、鐵路和運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸。

2 總體方案設(shè)計(jì)

由于鋁合金密度小、強(qiáng)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(pán)和輔助器材等。

2.1 滾裝滾卸模式

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

當(dāng)保障某型運(yùn)輸機(jī)時(shí)，前兩段橋節(jié)等高，上面無(wú)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(shí)運(yùn)輸機(jī)貨艙的高度為1.85 m，圖中左側(cè)的運(yùn)輸機(jī)斜臺(tái)著地。坡道由兩條車(chē)轍通道組成，首端跳板搭接在斜臺(tái)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(chē)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(guò)輔助貨橋進(jìn)行滑輪裝卸時(shí)，由橋節(jié)、支腿、支架、滑軌和托盤(pán)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(pán)的通行路面，方便非自行貨物上下運(yùn)輸機(jī)。

此模式中運(yùn)輸機(jī)斜臺(tái)用支架支撐，坡道首端橋節(jié)上部與斜臺(tái)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(dòng)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(shí)橋節(jié)長(zhǎng)度為30 m，可以保證輔助貨橋在吊裝40英尺集裝箱的同時(shí)不至于使集裝箱邊緣與運(yùn)輸機(jī)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(guò)縱橫捆扎于托盤(pán)上，再將托盤(pán)放置于滑軌滾輪上，通過(guò)機(jī)艙內(nèi)絞車(chē)將裝備拉入貨艙。

此時(shí)托盤(pán)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(jī)構(gòu)，伸展性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、高度可調(diào)，既能滿(mǎn)足通載狀態(tài)對(duì)其不同高度的需要，又能保障在收攏狀態(tài)達(dá)到運(yùn)輸要求[2]。

橋節(jié)長(zhǎng)×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(dòng)支座的檔位調(diào)節(jié)，可以將橋節(jié)分為7個(gè)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(jī)械化橋一般通過(guò)支腿來(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(yùn)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(yùn)，減少了貨橋架設(shè)時(shí)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(tái)上形成面接觸，面板焊接有“V”型防滑條，增加車(chē)輛摩擦力，方便自行裝備進(jìn)出貨艙。

跳板長(zhǎng)4 480 mm，寬980 mm，高213 mm，重約170 kg，見(jiàn)圖9。

圖9 跳板示意圖(單位：mm)

單塊跳板與斜臺(tái)為面接觸，接觸面大小約為818 mm×980 mm，如圖10所示，避免車(chē)輛通行時(shí)對(duì)斜臺(tái)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖10 跳板布置圖(單位：mm)

此過(guò)程跳板對(duì)斜臺(tái)的壓強(qiáng)要小于自行裝備直接進(jìn)出運(yùn)輸機(jī)時(shí)對(duì)斜臺(tái)和貨艙地板的壓強(qiáng)。

3.5 滑軌

滑軌安裝于橋節(jié)上，帶有數(shù)個(gè)高強(qiáng)尼龍滾輪，為非自行裝備提供裝卸平臺(tái)。滑軌長(zhǎng)度統(tǒng)一，僅有內(nèi)外之分，外側(cè)滑軌裝有限位擋板。一個(gè)橋節(jié)上安裝4個(gè)滑軌，單件滑軌重約15 kg，見(jiàn)圖11。

圖11 滑軌布置圖

3.6 托盤(pán)

航空運(yùn)輸中非自行裝備一般通過(guò)專(zhuān)用集裝托盤(pán)輔助裝機(jī)。本輔助貨橋托盤(pán)是滑軌裝卸的承接部件，裝備需要放置于托盤(pán)之上，再將托盤(pán)放置于滑軌滾輪上。托盤(pán)整體采用鋁合金材質(zhì)，尺寸高56 mm×寬2 230 mm×長(zhǎng)2 740 mm，重量約160 kg，見(jiàn)圖12。

圖12 托盤(pán)示意圖(單位：mm)

3.7 支架

當(dāng)輔助貨橋保障非自行裝備時(shí)，運(yùn)輸機(jī)斜臺(tái)面需要與貨橋面保持同一高度，斜臺(tái)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(dòng)，使支板與斜臺(tái)底面時(shí)刻保持面接觸，見(jiàn)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(xiāo)、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(jiàn)圖14。

圖14 橫向連接桿示意圖

掛鉤在滾裝滾卸模式用來(lái)連接輔助貨橋與斜臺(tái)(見(jiàn)圖15)，在滑軌裝卸模式既要連接輔助貨橋與斜臺(tái)，又要連接輔助貨橋與支架(見(jiàn)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(jì)計(jì)算分析

4.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1.1 輪式荷載參數(shù)

橋面系局部強(qiáng)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(chē)輛荷載作為參考對(duì)象。

4.1.2 集裝箱荷載參數(shù)

集裝箱滿(mǎn)載重量40 t，按均布荷載計(jì)算。

4.1.3 動(dòng)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(hào)為AA6061。

4.3 計(jì)算分析對(duì)象

輔助貨橋的計(jì)算分析過(guò)程是為了驗(yàn)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(jì)算分析。

4.4 橋節(jié)有限元計(jì)算分析

4.4.1 自行裝備

當(dāng)輪式荷載通過(guò)貨橋坡面時(shí)，與運(yùn)輸機(jī)斜臺(tái)連接的首端橋節(jié)上沒(méi)有固定坡道模塊，此時(shí)橋節(jié)承受來(lái)自車(chē)輪的局部荷載；其余橋節(jié)上固定有坡道模塊，此時(shí)橋節(jié)承受來(lái)自坡道模塊的均布荷載，選取最?lèi)毫庸r來(lái)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(chē)輪接觸面)，橋節(jié)高度為1 370 mm。

(1)強(qiáng)度校核：計(jì)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(jiàn)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(jiǎn)支梁橋節(jié)結(jié)構(gòu)由靜止的車(chē)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(zhǎng)度。

橋節(jié)的長(zhǎng)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)剪刀撐機(jī)構(gòu)穩(wěn)性校核：

由軟件分析結(jié)果中提取的剪刀撐機(jī)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(jì)長(zhǎng)度l=1 156 mm，兩端鉸接，即：

L=μ長(zhǎng)度l=1×1 156 mm=1 156 mm

式中：L為壓桿計(jì)算長(zhǎng)度；μ長(zhǎng)度為壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)于兩端鉸接情況取值1；l為壓桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

式中：iy為截面對(duì)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(zhǎng)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(jī)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(guò)坡道時(shí)，由于裝備放置于托盤(pán)之上，可將此過(guò)程視為均布荷載，按最大荷載情況即40英尺集裝箱滿(mǎn)載重量40 t計(jì)算分析。

由于40英尺集裝箱長(zhǎng)約12 m，橋節(jié)長(zhǎng)度為2.5 m，由此可知集裝箱托盤(pán)共與10個(gè)橋節(jié)接觸，則每個(gè)橋節(jié)分配到的荷載為4 t。計(jì)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(jiàn)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(jī)型貨艙地板高度來(lái)確定支腿的高度，使貨橋橋節(jié)面與機(jī)艙地板面平齊，還需要確保裝卸物資、機(jī)艙的中心軸線平齊；然后將裝備吊至貨橋托盤(pán)上進(jìn)行捆扎；之后借助機(jī)場(chǎng)叉車(chē)或吊車(chē)將裝備放置于貨橋滑軌之上，首端托盤(pán)與艙內(nèi)絞車(chē)通過(guò)繩索連接；最后借助飛機(jī)自帶的絞車(chē)將物資拉入機(jī)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(jī)艙的中心軸線平齊，自行裝備通過(guò)坡道模塊和跳板駛上貨橋進(jìn)入機(jī)艙。