某越野車絞盤選用及固定座輕量化設(shè)計(jì)

張曉強(qiáng)，劉慧芬，俞 飛，閻慧杰，李坦汀，王武魁

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 長治 046000）

0 引言

某越野車工作環(huán)境惡劣，為完成野戰(zhàn)條件下對(duì)特定、大噸位車輛的伴隨保障任務(wù)，需具備救援和自救的能力，其車載大牽引力絞盤就顯得格外重要。

作為救援保障的關(guān)鍵設(shè)備，絞盤的性能指標(biāo)、固定座強(qiáng)度及安裝位置的合理性和科學(xué)性，均會(huì)影響其最大作業(yè)效能的發(fā)揮［1］。

絞盤救援保障對(duì)象一般都是在野外復(fù)雜的地帶行駛，在牽引救援過程中絞盤會(huì)承受各種無法避免的沖擊和振動(dòng)載荷，所以絞盤和固定座結(jié)構(gòu)必須具備較高的安全系數(shù)。

本文以絞盤及其固定座為研究對(duì)象，借助有限元分析技術(shù)，研究絞盤固定座在最大工作負(fù)載下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形情況，并驗(yàn)證在復(fù)雜工況下絞盤固定座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)固定座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

1 絞盤分類

車載大牽引力絞盤按動(dòng)力源劃分一般有3種：電動(dòng)絞盤、機(jī)械絞盤、液壓絞盤。

（1）電動(dòng)絞盤。動(dòng)力源為電機(jī)，容易操作，方便維護(hù)，但車輛自帶的電力系統(tǒng)存在局限性，只能間歇工作，若長時(shí)間工作，電機(jī)發(fā)熱影響使用效率。車載電動(dòng)絞盤功率一般在2kW～5kW之間，這對(duì)底盤電瓶容量和整個(gè)電路系統(tǒng)提出較高的要求。

（2）機(jī)械絞盤。動(dòng)力源為底盤分動(dòng)箱，其作業(yè)時(shí)間長，發(fā)熱少，是一般越野車絞盤首選。但若發(fā)動(dòng)機(jī)拋錨或分動(dòng)箱出現(xiàn)故障無法工作時(shí)，絞盤也將無法正常使用。另外，機(jī)械絞盤對(duì)綜合功能集成程度高的越野車的整車布局和結(jié)構(gòu)有一定的影響。

（3）液壓絞盤。動(dòng)力源為液壓馬達(dá)，設(shè)備通用化，可長時(shí)間工作，效率和可靠性均高，便于維護(hù)。液壓絞盤牽引力介于電動(dòng)絞盤和機(jī)械絞盤二者之間。液壓絞盤需用底盤取力器系統(tǒng)作為源驅(qū)動(dòng)力，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須持續(xù)工作，若液壓馬達(dá)或者取力器系統(tǒng)等出現(xiàn)故障，絞盤也將無法使用［2］。

2 絞盤選用

某越野車搶救時(shí)限要求嚴(yán)格，必須保證絞盤性能可靠，可長時(shí)間連續(xù)工作，因此采用液壓絞盤，另外，越野車自身配備的搶救用起重機(jī)可以和液壓絞盤共用同一液壓動(dòng)力源。

3 絞盤安裝位置及受力分析

3.1 安裝位置

考慮越野車的車身長度和鋼絲繩繞進(jìn)或繞出絞盤卷筒時(shí)偏離螺旋槽兩側(cè)的角度不大于推薦值3.5°［3］，為防止鋼絲繩回收時(shí)出現(xiàn)亂繩現(xiàn)象，大牽引力液壓絞盤一般安裝在越野車長度中間靠近駕駛室位置來保證足夠的出繩角度。絞盤與固定座應(yīng)可靠連接，連接用螺栓強(qiáng)度不小于10.9級(jí)。絞盤安裝后應(yīng)保證與前置搶救用起重機(jī)之間留有足夠的安全距離，且保證絞盤的液壓管路空間布置不受影響。

3.2 絞盤受力分析

考慮某越野車整車布局及結(jié)構(gòu)形式，絞盤采用下出繩方式經(jīng)導(dǎo)向輪進(jìn)行施救，出繩方式如圖1所示。

絞盤受力最大時(shí)，鋼絲繩纏繞在卷筒最外層，絞盤收繩過程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)最大極限受力位置，如圖2所示。

圖2 絞盤受力極限位置

圖1 絞盤出繩方式示意圖

4 有限元分析

4.1 建立有限元模型

根據(jù)絞盤位置及其自身支架尺寸設(shè)計(jì)絞盤固定座。通過三維建模軟件UG建立了絞盤固定座三維模型（包括部分副車架），如圖3所示。

由于副車架采用HG785D高強(qiáng)度鋼板，考慮其使用量和減少材料種類，絞盤固定座也采用HG785D鋼板。對(duì)于≥0.7的鋼材，基本許用應(yīng)力［4］按式（1）計(jì)算：

其中：［σ］為鋼材的基本許用應(yīng)力；σs為鋼材屈服極限；σb為鋼材抗拉強(qiáng)度；n為強(qiáng)度安全系數(shù)。

HG785D鋼板屈服極限為685MPa，抗拉強(qiáng)度極限為785MPa，考慮絞盤救援作業(yè)時(shí)受沖擊和振動(dòng)，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.48。將以上參數(shù)代入式（1）計(jì)算得HG785D鋼板基本許用應(yīng)力［σ］為417MPa。

對(duì)固定座模型通過自動(dòng)劃分法進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，獲得113 104個(gè)節(jié)點(diǎn)、49 154個(gè)單元，固定座的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖3 絞盤固定座三維模型

圖4 固定座網(wǎng)格劃分

忽略鋼絲繩在絞盤卷筒繩槽接觸面上產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，不計(jì)鋼絲繩在繩槽內(nèi)偏移的影響及鋼絲繩的卷繞阻力［5］，對(duì)固定座有限元模型添加約束邊界和施加載荷后進(jìn)行仿真分析。

4.2 仿真分析

利用Workbench仿真軟件對(duì)鋼絲繩處于位置1時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算，求解完成后得到絞盤固定座等效應(yīng)力云圖和總變形云圖，如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可看出，其最大應(yīng)力為150.22MPa，絞盤固定座最大變形為0.32mm。安全系數(shù)為2.78，安全系數(shù)較大，存在優(yōu)化的空間，可以通過拓?fù)鋬?yōu)化來去除對(duì)固定座整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響的區(qū)域，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量［6］，使其符合精益設(shè)計(jì)理念。

圖5 固定座等效應(yīng)力云圖

圖6 固定座總變形云圖

5 拓?fù)鋬?yōu)化

在Shape Optimization中將優(yōu)化減重目標(biāo)設(shè)置為35%，對(duì)絞盤固定座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，固定座優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。

完成固定座拓?fù)鋬?yōu)化后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)絞盤固定座進(jìn)行三維模型修改，優(yōu)化后固定座質(zhì)量減小了28%，改進(jìn)后固定座模型如圖8所示。

對(duì)固定座拓?fù)鋬?yōu)化后的模型通過自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)為106 622個(gè)，單元數(shù)為45 789個(gè)，優(yōu)化后固定座的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。

圖7 固定座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖8 優(yōu)化后固定座模型

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化后固定座網(wǎng)格劃分

利用Workbench仿真軟件對(duì)鋼絲繩處于位置1時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)更新后模型添加同樣約束和載荷再次進(jìn)行仿真分析，拓?fù)鋬?yōu)化后固定座應(yīng)力云圖與總變形云圖分別如圖10、圖11所示，最大應(yīng)力為120.33 MPa，最大變形為0.41mm。

圖10 優(yōu)化后固定座等效應(yīng)力云圖（鋼絲繩在位置1）

圖11 優(yōu)化后固定座總變形云圖（鋼絲繩在位置1）

利用Workbench仿真軟件對(duì)鋼絲繩處于位置2時(shí)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)更新后模型添加約束和載荷再次進(jìn)行仿真分析，固定座應(yīng)力云圖、總變形云圖分別如圖12、圖13所示，最大應(yīng)力為199.76MPa，最大變形為0.617mm，安全系數(shù)為2.08。通過分析比較可以得出絞盤固定座在鋼絲繩處于位置2時(shí)受力最大，考慮沖擊和振動(dòng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。

圖12 優(yōu)化后固定座等效應(yīng)力云圖（鋼絲繩在位置2）

圖13 優(yōu)化后固定座等效 應(yīng)力云圖（鋼絲繩在位置2）

6 結(jié)論

（1）確定了大牽引力車載絞盤選用原則和絞盤固定座安裝位置。

（2）對(duì)絞盤固定座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，使絞盤固定座質(zhì)量減小了28%，降低了生產(chǎn)成本。

（3）通過后期現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，絞盤固定座能夠滿足使用要求。