某越野車絞盤選用及固定座輕量化設計

張曉強，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任公司 技術中心，山西 長治 046000）

0 引言

某越野車工作環境惡劣，為完成野戰條件下對特定、大噸位車輛的伴隨保障任務，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。

作為救援保障的關鍵設備，絞盤的性能指標、固定座強度及安裝位置的合理性和科學性，均會影響其最大作業效能的發揮［1］。

絞盤救援保障對象一般都是在野外復雜的地帶行駛，在牽引救援過程中絞盤會承受各種無法避免的沖擊和振動載荷，所以絞盤和固定座結構必須具備較高的安全系數。

本文以絞盤及其固定座為研究對象，借助有限元分析技術，研究絞盤固定座在最大工作負載下的結構強度和變形情況，并驗證在復雜工況下絞盤固定座結構設計的合理性，對固定座進行拓撲優化。

1 絞盤分類

車載大牽引力絞盤按動力源劃分一般有3種：電動絞盤、機械絞盤、液壓絞盤。

（1）電動絞盤。動力源為電機，容易操作，方便維護，但車輛自帶的電力系統存在局限性，只能間歇工作，若長時間工作，電機發熱影響使用效率。車載電動絞盤功率一般在2kW～5kW之間，這對底盤電瓶容量和整個電路系統提出較高的要求。

（2）機械絞盤。動力源為底盤分動箱，其作業時間長，發熱少，是一般越野車絞盤首選。但若發動機拋錨或分動箱出現故障無法工作時，絞盤也將無法正常使用。另外，機械絞盤對綜合功能集成程度高的越野車的整車布局和結構有一定的影響。

（3）液壓絞盤。動力源為液壓馬達，設備通用化，可長時間工作，效率和可靠性均高，便于維護。液壓絞盤牽引力介于電動絞盤和機械絞盤二者之間。液壓絞盤需用底盤取力器系統作為源驅動力，這就要求發動機必須持續工作，若液壓馬達或者取力器系統等出現故障，絞盤也將無法使用［2］。

2 絞盤選用

某越野車搶救時限要求嚴格，必須保證絞盤性能可靠，可長時間連續工作，因此采用液壓絞盤，另外，越野車自身配備的搶救用起重機可以和液壓絞盤共用同一液壓動力源。

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或繞出絞盤卷筒時偏離螺旋槽兩側的角度不大于推薦值3.5°［3］，為防止鋼絲繩回收時出現亂繩現象，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。絞盤與固定座應可靠連接，連接用螺栓強度不小于10.9級。絞盤安裝后應保證與前置搶救用起重機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構形式，絞盤采用下出繩方式經導向輪進行施救，出繩方式如圖1所示。

絞盤受力最大時，鋼絲繩纏繞在卷筒最外層，絞盤收繩過程中會出現兩個最大極限受力位置，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

根據絞盤位置及其自身支架尺寸設計絞盤固定座。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。對于≥0.7的鋼材，基本許用應力［4］按式（1）計算：

其中：［σ］為鋼材的基本許用應力；σs為鋼材屈服極限；σb為鋼材抗拉強度；n為強度安全系數。

HG785D鋼板屈服極限為685MPa，抗拉強度極限為785MPa，考慮絞盤救援作業時受沖擊和振動，強度安全系數取1.48。將以上參數代入式（1）計算得HG785D鋼板基本許用應力［σ］為417MPa。

對固定座模型通過自動劃分法進行了網格劃分，獲得113 104個節點、49 154個單元，固定座的網格劃分結果如圖4所示。

圖3 絞盤固定座三維模型

圖4 固定座網格劃分

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

4.2 仿真分析

利用Workbench仿真軟件對鋼絲繩處于位置1時進行仿真計算，求解完成后得到絞盤固定座等效應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，其最大應力為150.22MPa，絞盤固定座最大變形為0.32mm。安全系數為2.78，安全系數較大，存在優化的空間，可以通過拓撲優化來去除對固定座整體結構強度不產生負面影響的區域，減少結構質量［6］，使其符合精益設計理念。

圖5 固定座等效應力云圖

圖6 固定座總變形云圖

5 拓撲優化

在Shape Optimization中將優化減重目標設置為35%，對絞盤固定座進行拓撲優化，固定座優化結果如圖7所示。

完成固定座拓撲優化后，根據拓撲優化結果對絞盤固定座進行三維模型修改，優化后固定座質量減小了28%，改進后固定座模型如圖8所示。

對固定座拓撲優化后的模型通過自動劃分法進行網格劃分，獲得節點數為106 622個，單元數為45 789個，優化后固定座的網格劃分結果如圖9所示。

圖7 固定座拓撲優化結果

圖8 優化后固定座模型

圖9 拓撲優化后固定座網格劃分

利用Workbench仿真軟件對鋼絲繩處于位置1時進行仿真計算，對更新后模型添加同樣約束和載荷再次進行仿真分析，拓撲優化后固定座應力云圖與總變形云圖分別如圖10、圖11所示，最大應力為120.33 MPa，最大變形為0.41mm。

圖10 優化后固定座等效應力云圖（鋼絲繩在位置1）

圖11 優化后固定座總變形云圖（鋼絲繩在位置1）

利用Workbench仿真軟件對鋼絲繩處于位置2時進行計算，對更新后模型添加約束和載荷再次進行仿真分析，固定座應力云圖、總變形云圖分別如圖12、圖13所示，最大應力為199.76MPa，最大變形為0.617mm，安全系數為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時受力最大，考慮沖擊和振動，結構強度已滿足輕量化設計要求。

圖12 優化后固定座等效應力云圖（鋼絲繩在位置2）

圖13 優化后固定座等效 應力云圖（鋼絲繩在位置2）

6 結論

（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）對絞盤固定座進行輕量化設計，使絞盤固定座質量減小了28%，降低了生產成本。

（3）通過后期現場試驗，結果表明，絞盤固定座能夠滿足使用要求。