某重型軍用越野汽車液壓絞盤系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

胡運(yùn)軍，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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某重型軍用越野汽車液壓絞盤系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

胡運(yùn)軍，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章簡要介紹了某重型軍用越野汽車液壓絞盤系統(tǒng)的選型計(jì)算、鋼絲繩導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及液壓系統(tǒng)的匹配，并通過絞盤拉力試驗(yàn)驗(yàn)證了液壓絞盤系統(tǒng)匹配的合理性。

液壓絞盤；鋼絲繩導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.009

CLC NO.: U463.93 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-24-04

概述

軍用越野汽車經(jīng)常行駛在野外山區(qū)、沙漠、泥濘、雪地、軟灘等無路地帶，路面狀況極其惡劣，車輪有可能陷入地面而無法駛出。因此，對于越野汽車來說，加裝一套具有自救和救援功能的絞盤系統(tǒng)就顯得格外重要。圖1為加裝了液壓絞盤系統(tǒng)的某重型越野汽車。

圖1　某重型軍用越野汽車

液壓絞盤系統(tǒng)利用液壓油來傳遞能量，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩通過取力器、液壓油泵、液壓馬達(dá)傳遞至絞繩器，把纏繞在絞繩器上的鋼絲繩絞緊，使鋼絲繩產(chǎn)生拉力，實(shí)施牽引作業(yè)。在油泵和液壓馬達(dá)之間加裝有控制閥，通過操縱控制閥可使液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和緊急制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓絞盤系統(tǒng)作業(yè)時(shí)的牽引、滑溜和急停功效?？刂崎y的操縱方式由駕駛室遠(yuǎn)程操縱和車架尾端近距離操縱兩種方式結(jié)合組成。

1、液壓絞盤系統(tǒng)型號(hào)的確定

1.1整車基本配置

整車車型為 6×6驅(qū)動(dòng)型式的越野汽車，設(shè)計(jì)總質(zhì)量21000kg；匹配康明斯ISME 385型發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率283kW，最大扭矩1835Nm；匹配法士特16JSD200TA 型變速器；變速器帶QH70取力器，用于為絞盤系統(tǒng)傳遞動(dòng)力。

1.2絞盤系統(tǒng)選型

分別按照整車“自救”、“救援”兩種作業(yè)方式確定液壓絞盤的最大牽引力Fmax，計(jì)算參數(shù)取地面附著系數(shù)φ=0.8，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.03。

1.2.1按整車坡道“自救”作業(yè)方式確定液壓絞盤的最大牽引力Fmax

GJB 82A-2009《軍用汽車液壓傳動(dòng)絞盤規(guī)范》中規(guī)定：“裝絞盤的車輛應(yīng)能在60%坡道上實(shí)施自救”，按此計(jì)算絞盤最大牽引力Fmax

Fmax＞mgsinα+fmgcosα（其中tanα=0.6）

計(jì)算結(jié)果為Fmax＞111178.3N

1.2.2按整車“救援”作業(yè)方式確定液壓絞盤的最大牽引力Fmax

車輛滿載時(shí)停放在平坦公路上對其它裝備實(shí)施救援，整車可利用的地面附著力和駐車制動(dòng)力均應(yīng)大于絞盤最大牽引力Fmax，即：

（1）按地面附著力計(jì)算絞盤最大牽引力Fmax

Fmax＜φmg=21000×9.8×0.8=164640N

（2）按制動(dòng)力校核

Fmax應(yīng)小于該車型駐車制動(dòng)力188419.6N（駐車制動(dòng)力的計(jì)算過程在此忽略）。

通過上述分析計(jì)算，匹配絞盤系統(tǒng)最大牽引力的合理范圍是：111178.3N＜Fmax＜164640N。通過對比某公司相應(yīng)系列產(chǎn)品10噸級液壓絞盤和15噸級液壓絞盤（最大牽引力分別為：98000N和147000N），選擇15噸級液壓絞盤，其基本參數(shù)見表1：

表1　15噸級液壓絞盤系統(tǒng)參數(shù)表

2、絞盤系統(tǒng)鋼絲繩導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保障車輛自救和救援作業(yè)，鋼絲繩的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前出繩和后出繩兩種方式，二者可以通過中央大導(dǎo)向輪切換。

1.前出繩支架 2-4、6-9.小導(dǎo)向輪 5.中央大導(dǎo)向輪支架10.絞繩器 11.后出繩支架

如圖2所示，大導(dǎo)向輪支架（5）由A輪和B輪組成，調(diào)整鋼絲繩通過A輪向前可實(shí)現(xiàn)前出繩，通過B輪向后實(shí)現(xiàn)后出繩。各小導(dǎo)向輪均起鋼絲繩限位導(dǎo)向作用。當(dāng)后出繩時(shí)，中央大導(dǎo)輪將受到最大30噸的牽引力，通過設(shè)計(jì)連接件（如圖3），將大導(dǎo)輪支架與車架左右縱梁連接到一起，以提高大導(dǎo)向輪支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖3　中央大導(dǎo)向輪支架

通過有限元計(jì)算，該大導(dǎo)向輪支架的最大應(yīng)力為137.1MPa，安全系數(shù)：3.72，設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖4　有限元模型

圖5　中央大導(dǎo)輪支架強(qiáng)度分析結(jié)果

3、絞盤液壓系統(tǒng)的匹配計(jì)算

3.1液壓系統(tǒng)工作原理

圖6　液壓絞盤系統(tǒng)工作原理圖

如圖6所示，取力器帶動(dòng)齒輪泵（2）工作，齒輪泵（2）的出口高壓油首先通過組合式控制閥（3）的液壓制動(dòng)器油口頂開液壓制動(dòng)器（5），使絞繩器（7）處于松剎狀態(tài)；另一路通過組合式控制閥（3）的操縱閥進(jìn)入液壓馬達(dá)（4），馬達(dá)葉片受進(jìn)出口壓差的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器（6）旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絞繩器（7）工作。絞繩器（7）內(nèi)部為多級行星減速器，主要作用是降低轉(zhuǎn)速，達(dá)到增大輸出扭矩的目的。液壓油通過液壓馬達(dá)（4）回油口、泄油口返回液壓油箱（1）。

組合式控制閥（3）有“絞繩”、“制動(dòng)”、“放繩”三個(gè)工況，通過操縱控制閥（3）的手柄至“絞繩”位置，齒輪泵（2）出口高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，絞繩器（7）進(jìn)入絞繩牽引工況；操縱控制閥（3）的手柄至“制動(dòng)”位置，液壓制動(dòng)器（5）油路斷開，液壓馬達(dá)（4）制動(dòng)，絞繩器（7）進(jìn)入停轉(zhuǎn)制動(dòng)工況；操縱控制閥（3）的手柄至“放繩”位置，齒輪泵（2）出口高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)放轉(zhuǎn)，絞繩器（7）進(jìn)入牽引放繩工況；組合式控制閥（3）還可以通過操縱氣閥（10）遠(yuǎn)距離聯(lián)動(dòng)操縱。

組合式控制閥（3）帶過載保護(hù)功能，在牽引過程中若負(fù)載超過額定牽引噸位的1.25倍時(shí)，溢流閥自動(dòng)開啟，使系統(tǒng)油壓不再繼續(xù)增高，可避免綱絲繩不正常斷裂和其它零部件的損壞。

為方便絞繩器放繩掛鉤，絞繩器（7）尾部設(shè)有離合器（8），放繩時(shí)通過拔出離合器氣閥（9）手柄，絞繩器（7）卷筒與減速機(jī)構(gòu)處于分離狀態(tài)，可以獨(dú)手拉出鋼絲繩至掛鉤位置。

3.2液壓系統(tǒng)的匹配校核

為簡化計(jì)算，僅按絞繩器底層鋼絲繩（鋼絲繩中心半徑R為0.184m）最大拉力（按照設(shè)計(jì)要求Fmax為147000N，繩速umax為 5m/min）進(jìn)行反向計(jì)算，取機(jī)械效率η繩=95%，η減速器=95%，η聯(lián)軸器=95%，液壓系統(tǒng)傳遞效率η液=70%，絞繩器減速器速比i減速器=150∶1分別計(jì)算絞繩器、液壓馬達(dá)、液壓油泵的輸出功率、輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速以及液壓馬達(dá)、液壓油泵液壓油的壓力。

3.2.1絞繩器輸出功率P卷、扭矩T卷、轉(zhuǎn)速n卷的計(jì)算

由P卷η繩=Fmaxumax，T卷η繩=FmaxR，umax=2πRn卷得出∶

3.2.2液壓馬達(dá)輸出功率P馬達(dá)、扭矩T馬達(dá)、轉(zhuǎn)速n馬達(dá)及液壓馬達(dá)輸出壓力M馬達(dá)、流量q馬達(dá)的計(jì)算

由 P馬達(dá)η聯(lián)軸器η減速器=P卷，T馬達(dá)η聯(lián)軸器η減速器i減速器=T卷，n馬達(dá)/i減速器=n卷，得出：

由P馬達(dá)=M馬達(dá)q馬達(dá)，q馬達(dá)=V馬達(dá)n馬達(dá)（其中V馬達(dá)=100ml/r，為液壓馬達(dá)的排量），得出：

q馬達(dá)=V馬達(dá)n馬達(dá)=100×649.5=64950ml/min

該計(jì)算結(jié)果小于液壓馬達(dá)的額定入口壓力 15.7MPa，說明液壓馬達(dá)的匹配滿足鋼絲繩最大拉力、最大出繩速度的設(shè)計(jì)要求。

3.2.3液壓油泵輸出功率P泵、扭矩T泵、轉(zhuǎn)速n泵及液壓油泵輸出壓力M泵、流量q泵的計(jì)算

由P泵=M泵q泵，q泵=V泵n泵（其中V泵=71.67ml/r，為液壓油泵的排量，油泵額定壓力M泵=16MPa），得出：

3.2.4油泵與取力器的匹配

該車型匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1800r/min，變速器為16JSD200TA型變速器，取力器為QH70取力器，取力器最大傳遞扭矩為685Nm，大于泵的實(shí)際輸出扭矩182.5Nm。

16JSD200TA型變速器配QH70取力器各檔輸出總速見表2。

表2　變速器檔位----取力器速比對比表

當(dāng)變速器采用 7檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 1495×1.02= 1525r/min即可滿足最大拉力時(shí)5m/min的出繩要求。

當(dāng)變速器采用 7檔時(shí)，即使發(fā) z動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1800r/min時(shí)，油泵的輸入轉(zhuǎn)速只有1800÷1.02=1765r/min，小于油泵的額定轉(zhuǎn)速1800r/min。

因此，使用絞盤時(shí)，變速器采用7檔，通過油門踏板調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)絞盤正常作業(yè)。

4、絞盤拉力試驗(yàn)結(jié)果

車輛在承受標(biāo)定拉力情況下，進(jìn)行工作循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3：

表3　標(biāo)定拉力試驗(yàn)結(jié)果

5、結(jié)論

匹配液壓絞盤后，車輛可適用于惡劣環(huán)境下的搶險(xiǎn)救援及車輛自救，具有高度的使用可靠性，通過上述分析計(jì)算及試制、試驗(yàn)、證明， 該車在動(dòng)力匹配、結(jié)構(gòu)布置、技術(shù)性能等方面達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足使用需求。

[1] 液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng).(第三版) 華中科技大學(xué)出版社.2007.

[2] 汽車?yán)碚?(余制生.第3版)北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

[3] 軍用汽車液壓傳動(dòng)絞盤規(guī)范.(GJB 82A-2009) 中國人民解放軍總裝備部 2009年12月22日發(fā)布.

[4] ANSYS 工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例.清華大學(xué)出版社.2004.

Development and design of a heavy military off-road vehicle hydraulic winch system

Hu Yunjun, Nie Wenfu

( Shaanxi heavy duty automobile Co.Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

This paper describes the selection of a computing heavy military off-road vehicle hydraulic winch system, matching the wire rope guide mechanism design and hydraulic system,And tensile testing by winch hydraulic winch system to verify the matching is reasonable.

Hydraulic winch; Wire rope guide mechanism

胡運(yùn)軍，就職于陜西重型汽車股份有限公司。

U463.93

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1671-7988 （2016）06-24-04