某重型軍用越野汽車液壓絞盤系統的開發設計

胡運軍，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的開發設計

胡運軍，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的選型計算、鋼絲繩導向機構的設計以及液壓系統的匹配，并通過絞盤拉力試驗驗證了液壓絞盤系統匹配的合理性。

液壓絞盤；鋼絲繩導向機構

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

軍用越野汽車經常行駛在野外山區、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就顯得格外重要。圖1為加裝了液壓絞盤系統的某重型越野汽車。

圖1　某重型軍用越野汽車

液壓絞盤系統利用液壓油來傳遞能量，將發動機輸出的扭矩通過取力器、液壓油泵、液壓馬達傳遞至絞繩器，把纏繞在絞繩器上的鋼絲繩絞緊，使鋼絲繩產生拉力，實施牽引作業。在油泵和液壓馬達之間加裝有控制閥，通過操縱控制閥可使液壓馬達正轉、反轉和緊急制動，實現液壓絞盤系統作業時的牽引、滑溜和急停功效。控制閥的操縱方式由駕駛室遠程操縱和車架尾端近距離操縱兩種方式結合組成。

1、液壓絞盤系統型號的確定

1.1整車基本配置

整車車型為 6×6驅動型式的越野汽車，設計總質量21000kg；匹配康明斯ISME 385型發動機，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，用于為絞盤系統傳遞動力。

1.2絞盤系統選型

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

1.2.1按整車坡道“自救”作業方式確定液壓絞盤的最大牽引力Fmax

GJB 82A-2009《軍用汽車液壓傳動絞盤規范》中規定：“裝絞盤的車輛應能在60%坡道上實施自救”，按此計算絞盤最大牽引力Fmax

Fmax＞mgsinα+fmgcosα（其中tanα=0.6）

計算結果為Fmax＞111178.3N

1.2.2按整車“救援”作業方式確定液壓絞盤的最大牽引力Fmax

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

（1）按地面附著力計算絞盤最大牽引力Fmax

Fmax＜φmg=21000×9.8×0.8=164640N

（2）按制動力校核

Fmax應小于該車型駐車制動力188419.6N（駐車制動力的計算過程在此忽略）。

通過上述分析計算，匹配絞盤系統最大牽引力的合理范圍是：111178.3N＜Fmax＜164640N。通過對比某公司相應系列產品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，其基本參數見表1：

表1　15噸級液壓絞盤系統參數表

2、絞盤系統鋼絲繩導向機構設計

為保障車輛自救和救援作業，鋼絲繩的導向機構可以實現前出繩和后出繩兩種方式，二者可以通過中央大導向輪切換。

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

如圖2所示，大導向輪支架（5）由A輪和B輪組成，調整鋼絲繩通過A輪向前可實現前出繩，通過B輪向后實現后出繩。各小導向輪均起鋼絲繩限位導向作用。當后出繩時，中央大導輪將受到最大30噸的牽引力，通過設計連接件（如圖3），將大導輪支架與車架左右縱梁連接到一起，以提高大導向輪支架的設計強度。

圖3　中央大導向輪支架

通過有限元計算，該大導向輪支架的最大應力為137.1MPa，安全系數：3.72，設計強度滿足使用要求。

圖4　有限元模型

圖5　中央大導輪支架強度分析結果

3、絞盤液壓系統的匹配計算

3.1液壓系統工作原理

圖6　液壓絞盤系統工作原理圖

如圖6所示，取力器帶動齒輪泵（2）工作，齒輪泵（2）的出口高壓油首先通過組合式控制閥（3）的液壓制動器油口頂開液壓制動器（5），使絞繩器（7）處于松剎狀態；另一路通過組合式控制閥（3）的操縱閥進入液壓馬達（4），馬達葉片受進出口壓差的作用，產生旋轉力矩，驅動聯軸器（6）旋轉，帶動絞繩器（7）工作。絞繩器（7）內部為多級行星減速器，主要作用是降低轉速，達到增大輸出扭矩的目的。液壓油通過液壓馬達（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”、“放繩”三個工況，通過操縱控制閥（3）的手柄至“絞繩”位置，齒輪泵（2）出口高壓油驅動馬達旋轉，絞繩器（7）進入絞繩牽引工況；操縱控制閥（3）的手柄至“制動”位置，液壓制動器（5）油路斷開，液壓馬達（4）制動，絞繩器（7）進入停轉制動工況；操縱控制閥（3）的手柄至“放繩”位置，齒輪泵（2）出口高壓油驅動馬達放轉，絞繩器（7）進入牽引放繩工況；組合式控制閥（3）還可以通過操縱氣閥（10）遠距離聯動操縱。

組合式控制閥（3）帶過載保護功能，在牽引過程中若負載超過額定牽引噸位的1.25倍時，溢流閥自動開啟，使系統油壓不再繼續增高，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）尾部設有離合器（8），放繩時通過拔出離合器氣閥（9）手柄，絞繩器（7）卷筒與減速機構處于分離狀態，可以獨手拉出鋼絲繩至掛鉤位置。

3.2液壓系統的匹配校核

為簡化計算，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（按照設計要求Fmax為147000N，繩速umax為 5m/min）進行反向計算，取機械效率η繩=95%，η減速器=95%，η聯軸器=95%，液壓系統傳遞效率η液=70%，絞繩器減速器速比i減速器=150∶1分別計算絞繩器、液壓馬達、液壓油泵的輸出功率、輸出扭矩、輸出轉速以及液壓馬達、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、轉速n卷的計算

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

3.2.2液壓馬達輸出功率P馬達、扭矩T馬達、轉速n馬達及液壓馬達輸出壓力M馬達、流量q馬達的計算

由 P馬達η聯軸器η減速器=P卷，T馬達η聯軸器η減速器i減速器=T卷，n馬達/i減速器=n卷，得出：

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

q馬達=V馬達n馬達=100×649.5=64950ml/min

該計算結果小于液壓馬達的額定入口壓力 15.7MPa，說明液壓馬達的匹配滿足鋼絲繩最大拉力、最大出繩速度的設計要求。

3.2.3液壓油泵輸出功率P泵、扭矩T泵、轉速n泵及液壓油泵輸出壓力M泵、流量q泵的計算

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

該車型匹配發動機的額定轉速為 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

當變速器采用 7檔時，發動機輸出轉速 1495×1.02= 1525r/min即可滿足最大拉力時5m/min的出繩要求。

當變速器采用 7檔時，即使發 z動機達到額定轉速1800r/min時，油泵的輸入轉速只有1800÷1.02=1765r/min，小于油泵的額定轉速1800r/min。

因此，使用絞盤時，變速器采用7檔，通過油門踏板調節發動機轉速即可實現絞盤正常作業。

4、絞盤拉力試驗結果

車輛在承受標定拉力情況下，進行工作循環試驗，試驗結果見表3：

表3　標定拉力試驗結果

5、結論

匹配液壓絞盤后，車輛可適用于惡劣環境下的搶險救援及車輛自救，具有高度的使用可靠性，通過上述分析計算及試制、試驗、證明， 該車在動力匹配、結構布置、技術性能等方面達到了設計指標，滿足使用需求。

[1] 液壓傳動與氣壓傳動.(第三版) 華中科技大學出版社.2007.

[2] 汽車理論.(余制生.第3版)北京:機械工業出版社.2003.

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

[4] ANSYS 工程分析軟件應用實例.清華大學出版社.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

胡運軍，就職于陜西重型汽車股份有限公司。

U463.93

A

1671-7988 （2016）06-24-04