机场行李处理系统关键节点输送失稳的力学机理与参数匹配优化研究

随着全球航空运输量的持续增长，机场旅客吞吐量屡创新高，对行李处理系统（Baggage Handling System,BHS）的处理能力与可靠性提出了更高要求。然而，在实际的工程应用中，行李在高密度输送场景下往往会出现卡滞、打转、翻滚等输送失稳现象，不仅会导致行李损坏、跟踪丢失，甚至可能引发系统拥堵，造成航班延误，影响旅客满意度和机场运营。

当前，国内外学者围绕 BHS 的优化研究已取得一定成果，但研究多集中于系统中单一故障的问题解决方案 [1,2] 以及可靠性分析研究 [3]，缺乏覆盖多关键节点的统一力学分析模型，难以从本质上揭示行李输送过程中顺畅性的失稳机理；同时优化方案多为定性建议 [4]，缺乏可量化的工程配置参考。

针对上述不足，本文依托某机场 BHS 实际的工程项目，以探索输送顺畅性的关键参数为核心目标，建立了行李输送过程的统一力学模型，揭示了各关键参数影响对行李输送的力学机理；同时搭建了涵盖多处关键节点的测试环线，系统探究输送速度匹配、输送面高差及行李物理特征三大类参数对输送失稳的影响规律，并形成可量化的工程优化配置方案。

依托某机场行李处理系统项目，搭建了一套实验环线平台（如图 1），包含值机注入、水平合流、水平分流、上下坡、转盘注入等核心功能分区。实验严格遵循 MH/T 6123-2021《行李处理系统》行业标准 [5]，选取 5kg、10kg、20kg、30kg 四种典型重量的行李，涵盖标准行李箱、帆布箱、正方形截面行李等常见类型，测试变量包括输送速度、输送面落差、行李物理特征三项。

图 1 机场 BHS 实验测试环线平台示意图

由于行李在输送过程中的状态多样，为定量评价输送顺畅性，对顺畅运输、失稳运输做出如下定义：顺畅输送是指行李以稳定姿态通过输送，无打转、卡滞、翻滚等现象；失稳输送是指行李在输送过程中出现贴边（行李在输送过程中紧贴侧板运行）、冲出转盘（行李在转盘注入口冲出转盘边缘）、打转（行李发生连续旋转滞留）、翻滚（行李在输送过程中发生连续翻滚）、卡包（行李在测试工况中出现卡包滞留，需人工干预处理）等现象。

凡在输送过程中出现任一种失稳输送现象的行李，即判定为异常行李。基于异常行李数据，行李异常率定义为某工况下异常行李件数占该工况下测试行李总件数的百分比。当异常率“＜10%"时，视为轻微异常；当异常率"≥10%"时，视为严重异常。

为了从本质上解释实验中所出现的行李输送失稳现象，本文预先建立行李输送过程的力学分析模型，后续将直接引用所得到的力学模型分析参数影响规律。为简化计算，提出以下合理假设：将行李视为均匀质量的刚体，忽略自身的变形，重心位置固定；忽略空气阻力、设备振动等次要因素的影响，仅考虑重力、摩擦力、冲击力等主要作用力。

1. 行李转向的动量变化

图 2 行李转向示意图

BHS 系统中一般采用皮带输送机传输行李，设行李重量为 m，当行李从注入段 A 转向进入接收段 B 时（如图 2 左），其动量方向发生变化。设注入段的速度为v_in­，接收段的速度为v_out，两者相对速度方向垂直。行李从开始进入接收段时减速，考虑行李与输送带之间通过滑动摩擦力做功使其减速，由动能定理的微分形式得：

解得 v(t)=v_in-ugt，令 v(t)=0 得到行李的停止时间，积分得行李从初速度v_in减速至零所需的滑行距离为：

设行李从重心离开注入段到其完全进入接收段所经过的距离长度为 L，该 L 值由行李箱尺寸与设备尺寸综合而定（如图 2 右）。当 S 远大于 L 时，行李在完全离开注入输送机时仍具有较大的原方向速度，由此导致行李向外侧滑移。当 S 小于 L 时，行李过早停止注入输送机方向的运动，由此将导致擦边运行。最优工况对应 S 轻微大于 L，此时行李刚好在转向完成后位于接收段中部。

2. 行李跌落冲击力

当行李从落差高度 h 处跌落至接收段时（如图 2 右），获得竖直速度分量；行李在接触接收段 B 的皮带面瞬间，在极短的时间内速度迅速减为零。根据动量定理，输送带对行李施加的平均法向冲击力为： 

其中Δt 为冲击持续时间，取决于皮带弹性与行李刚度。冲击力 Fy 是导致行李姿态失稳、输送不顺畅的重要原因，由式（3）可知冲击力与落差 h 成正比，落差增大将增加行李所受到的冲击能量。

3. 行李倾倒的临界条件

行李在斜坡上输送或受到瞬态冲击时，可能出现失稳倾倒的现象。设行李重心高度为 hg，支撑面宽度为 w，行李所受水平加速度为 a（输送机启停或受到冲击时）。

在输送过程中产生倾倒的力矩为惯性力，其力矩为：

抵抗倾倒的力矩为重力，其力矩为：

在倾倒临界时刻两力矩相等，推导得到倾倒的临界条件为：

进一步消元，即：

当满足时，行李即可能出现倾倒。由公式可以得出行李重心越高（hg 大）、支撑面越窄（w 小）、倾斜角度越大（θ大），则其产生的倾倒力矩越大，行李在输送过程中越容易倾倒。式（7）将作为分析行李特征影响的重要理论依据。

1. 输送速度匹配对输送失稳的影响

输送速度匹配是为了解决行李在不同输送设备衔接点处的动态协调问题。行李本质上是一种依靠外部皮带驱动、具有惯性和随机姿态的货物，上下游输送速度的差异会直接导致行李受力失衡，引发卡滞、打转、冲出等异常现象。

本节综合各场景的实验数据，结合式（2）所示的减速距离模型，分析速度匹配的通用影响规律，使行李以合适的输送速度在过渡区保持受控的运动。

（1）转盘注入口的速度匹配

转盘注入口测试了 70m/min、85m/min、100m/min 的常见注入速度，接收段转盘速度为行业标准的 30m/min。测试所得实验数据见表 1。

表 1 转盘注入口不同速度匹配的输送效果

从表 1 可以看出注入速度 85m/min 时输送效果最好，对应各重量行李的“贴边”与“冲出”发生率均控制在较低水平。速度过低（70m/min）时，行李易贴内侧运行；速度过高（100m/min）时，行李易冲出转盘边缘。

根据式（2）减速距离取行李与转盘橡胶鳞片的摩擦系数 u=0.3，计算各速度下对应的减速距离见表 1。当 Vin=85m/min时，S 轻微大于 L，行李刚好完成转向位于转盘中部；当 Vin=70m/min 时，S 小于 L，行李过早停止注入运动，被转盘“拉”向内侧进而贴边运行；当 Vin=100m/min 时，S 远大于 L，行李离开注入机时仍具有原方向的速度，导致向外冲出。理论分析结果与测试的实际数据基本吻合。据此确定 85m/min 为转盘注入口的最优注入速度。

（2）合流口的速度匹配

合流口测试了注入速度及接收速度 30～100m/min 的多种组合。测试数据同样分析表明当注入速度为 85m/min 时，多数行李能够居中进入接收输送机，速度过低则贴边严重，速度过高则易冲出通道撞击对侧的挡板。测试数据见表 2。合流口的转向机制与转盘注入口类似，同样适用减速距离公式（2），与 85m/min 对应的减速距离最为接近，因此该速度下行李的转向轨迹最优。

表 2 合流口不同速度匹配的输送效果

（3）分流口的速度匹配

分流口的速度匹配核心是喇叭口输送机速度与分流器输送机速度的差值控制，实验测试了多种速度组合，典型实验数据见表 3。

表 3 分流口不同速度匹配的输送效果

图 3 分流口输送速度示意

实验结果表明，当喇叭口输送机速度 vh 大于分流器输送机速度 vs 时（如图 3），行李进入喇叭口后受到向前的拉伸力，使其姿态趋于稳定居中，分流效果更优，且实验中未观察到任何异常失稳现象。速度差产生的惯性力可表示为：

当 vh>vs 时，行李前部先加速，形成拉伸效应，使行李自动调整至与输送方向一致；当 vh≤vs 时，行李前部先减速，形成压缩效应，易导致行李出现局部打转或卡滞。据此确定分流口的最优速度匹配原则为：喇叭口输送机速度>分流器输送机速度。

（4）值机注入段的速度匹配

值机注入段实验对比了注入机速度与收集线速度的三种关系：大于、等于、小于，典型测试数据见表 4。

表 4 注入机与收集线不同速度匹配输送效果

当注入机速度大于收集线速度时，行李进入收集线后减速，形成“前慢后快”的压缩状态，易使行李发生横向偏转，呈现横向输送姿态。横向输送的行李在下游倒包装置处易发生连续翻转（如图 4 上）。

当注入机速度小于收集线速度时，行李进入收集线后加速，形成“前快后慢”的拉伸状态，易呈现纵向输送姿态。纵向输送的行李可能在下游倒包装置处卡包、打转（如图 4 中）。

图 4 收集线行李输送效果

当注入机速度等于收集线速度时，行李与收集线之间无相对滑动，仅承受竖直方向冲击，水平方向受力平衡。在此条件下，行李以注入时的姿态稳定进入收集线，呈现倾斜输送姿态，经过倒包装置时的卡包、翻滚概率大幅降低（如图 4 下）。

因此，值机注入段的核心规律是注入速度与收集速度相等时输送姿态最稳定。

2. 输送面落差对输送失稳的影响

输送面高差是导致行李姿态失稳的重要因素，当两台输送机之间存在高度落差时，行李跌落过程中会受到一定的冲击力，瞬间破坏稳态，导致行李跳动、移位甚至翻倒；但在部分场景中，合理的高差设置可避免皮带挂包、转盘鳞片挂包等问题发生。本节结合式（3）的跌落冲击模型，综合各关键节点的高差实验数据，分析高差对行李姿态稳定性的影响规律。

（1）合流口的高差影响

合流口测试了 50mm、70mm、85mm、100mm 几种典型高差。数据分析表明高差 50mm 时横向输送行李的翻滚现象最轻微；高差增大至 70mm 以上时，帆布箱、方形箱等行李更易出现连续翻滚。

根据式（3）竖直速度，冲击力。以 50mm 为基准，分别计算各高差对应的竖直速度与相对冲击能量，如表 5。当高差从 50mm 增至 100mm 时，冲击能量增加一倍，更易导致行李弹跳和姿态失稳。实验数据与力学分析一致：高差 50mm 时翻滚最轻微，70mm 以上时显著增加。在转盘注入口实验、值机注入口实验中，该实验结果与分析结果也同样适用，50mm 为最优对接高差。

表 5 合流口不同高差的输送效果

（2）分流口高差影响

与合流口不同，分流口处行李输送方向无竖直下落冲击，但上下游输送面之间的高度落差（正落差或负落差）同样会影响行李的姿态与顺畅性。为兼顾克服接口阻力和保持姿态稳定，本节测试了三组可行的正落差配置：0mm、10～20mm、30～40mm（正落差定义为下游喇叭口输送机的输送面高于上游分流器输送机）。典型测试数据见表 6。

表 6 分流口不同高差的输送效果

从式（3）力学模型角度分析，当正落差较小时（10～20mm），行李获得的竖直向上速度有限，对应的冲击能量较低，不足以引起姿态失稳；同时，微正落差能有效克服行李底面的不平度，使行李在过渡时获得轻微的水平加速度，克服接口微小阻力，当正落差增大至 30～40mm 时，行李在接口处的输送显著受阻造成卡包。

分流口采用微正落差（10～20mm）为最优区间，可在避免卡滞的前提下，保持行李输送顺畅与姿态稳定。

（3）上下坡段高差影响

上下坡段是 BHS 中行李姿态最易失稳的节点之一，实验对比了 25mm 和 50mm 两种上下游对接高差，分析不同倾斜角度下的行李翻滚情况，典型实验数据见表 7。

表 7 上下坡段不同对接高差的输送效果

实验结果表明，25mm 落差下的行李连续翻滚概率显著低于 50mm 落差，结合式（7）的倾倒临界条件，25mm 落差产生的冲击能量较小，行李所受惯性力力矩较小，不易突破倾倒临界值，因此输送稳定性更优。

3. 行李特征对输送失稳的影响

行李物理特征直接影响其在输送过程中的受力平衡与姿态稳定性，尤其是在上下坡、分合流等关键节点，行李的重量、放置方式、形状轮廓、输送姿态等参数会改变其倾倒临界条件，进而影响输送顺畅性。本节结合式（7）的倾倒临界模型，逐个分析各行李特征的失稳影响机制。

（1）重量的影响

上下坡段实验表明（见表 7），5～10kg 轻质行李相较于 20～30kg 行李更容易出现翻滚的问题。根据式（7）倾倒临界条件与质量 m 无关，但轻质行李的动量小，对外部的扰动（如设备振动、启停冲击等）更敏感，且轻质行李与输送带间的附着力较小，在斜坡上受重力分量作用时更易改变姿态，导致异常发生。

（2）放置方式的影响

实验观察发现（见表 7），侧放行李的翻滚概率要高于平放行李。其核心原因是放置方式改变了行李的重心高度 hg 与支撑面宽度 w。侧放时行李重心高度 hg 显著增大，同时支撑面宽度 w 减小（宽度方向变为高度方向），导致 w/hg 减小，临界加速度降低，稳定性变差。

以标准行李箱为例：平放时 hg≈0.15m，w≈0.45m，临界加速度 acrit≈1.5g；侧放时 hg≈0.35，w≈0.25m，临界加速度 acrit≈0.36g。侧放时的稳定性仅为平放的 24%，与实验观察一致。

（3）行李形状的影响

实验对比了标准行李箱、正方形截面行李、帆布箱三种常见形状行李的输送效果，结果表明正方形截面行李和帆布箱相较于标准行李箱更容易连续翻滚。原因在于此类行李平放与侧放时重心高度变化不大（hg 始终较大），根据式（7）无论何种放置方式，其临界加速度均较低，对扰动更敏感。标准行李箱平放时重心低、支撑面大，稳定性显著优于其他类型。

（4）输送姿态的影响

输送姿态通过改变行李的支撑面宽度 w 影响输送稳定性，倾倒临界条件中的支撑面宽度 w 取行李与输送带接触面在倾倒方向上的投影长度。纵向输送时，行李长边与输送通道平行，支撑面宽度 w 最大，w/h 比值最大，临界加速度最高，稳定性最优；横向输送时，行李短边与输送通道平行，支撑面宽度 w 最小，w/h 比值最小，临界加速度最低，稳定性最差；倾斜输送时，支撑面宽度介于纵向与横向之间，稳定性中等。因此，在斜坡段、分合流等关键节点的流程设计中，应优先保证行李以纵向或斜向姿态进入，避免横向输送，降低异常率。

1. 行李特征对参数设计的约束

根据文章第四部分第 3 节（行李特征对输送失稳的影响）的分析结果表明行李的重量、放置方式、形状及输送姿态对稳定性有显著影响。虽然这些行李属性无法直接控制，但在参数优化中应作为设计约束予以考虑：（1）轻质行李对外部扰动更敏感，在上下坡、分合流节点建议优先采用纵向输送姿态。（2）侧放行李和正方形截面行李的临界加速度较低，建议在关键节点前设置导向装置强制调整为平放或纵向姿态。横向输送稳定性最差，关键节点的流程设计应避免行李以横向姿态进入。

2. 设备参数优化配置方案

基于上述约束，结合文章第四部分第 1 节（输送速度匹配对输送失稳的影响）与第 2 节（输送面落差对输送失稳的影响）的实验结果，各关键节点的最优参数配置见表 8。

表 8 各关键节点参数优化配置方案

本文以机场 BHS 输送顺畅的关键节点参数优化为核心目标，建立了行李输送过程的力学分析模型。该模型涵盖转向动量变化、跌落冲击动力学及倾倒临界条件，为分析速度匹配、输送落差、行李特征等参数的影响提供了理论框架。

在值机注入口、分合流等输送环节，通过系统性测试明确了速度匹配、输送落差、行李特征对输送失稳的影响规律，形成了可量化的参数优化方案，可为新建机场 BHS 的设计选型提供量化参考，也可为现有机场的系统改造与运维优化提供技术支撑。