某重型军用越野汽车液压绞盘系统的开发设计

胡运军，聂文福

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



某重型军用越野汽车液压绞盘系统的开发设计

胡运军，聂文福

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章简要介绍了某重型军用越野汽车液压绞盘系统的选型计算、钢丝绳导向机构的设计以及液压系统的匹配，并通过绞盘拉力试验验证了液压绞盘系统匹配的合理性。

液压绞盘；钢丝绳导向机构

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

军用越野汽车经常行驶在野外山区、沙漠、泥泞、雪地、软滩等无路地带，路面状况极其恶劣，车轮有可能陷入地面而无法驶出。因此，对于越野汽车来说，加装一套具有自救和救援功能的绞盘系统就显得格外重要。图1为加装了液压绞盘系统的某重型越野汽车。

图1　某重型军用越野汽车

液压绞盘系统利用液压油来传递能量，将发动机输出的扭矩通过取力器、液压油泵、液压马达传递至绞绳器，把缠绕在绞绳器上的钢丝绳绞紧，使钢丝绳产生拉力，实施牵引作业。在油泵和液压马达之间加装有控制阀，通过操纵控制阀可使液压马达正转、反转和紧急制动，实现液压绞盘系统作业时的牵引、滑溜和急停功效。控制阀的操纵方式由驾驶室远程操纵和车架尾端近距离操纵两种方式结合组成。

1、液压绞盘系统型号的确定

1.1整车基本配置

整车车型为 6×6驱动型式的越野汽车，设计总质量21000kg；匹配康明斯ISME 385型发动机，额定功率283kW，最大扭矩1835Nm；匹配法士特16JSD200TA 型变速器；变速器带QH70取力器，用于为绞盘系统传递动力。

1.2绞盘系统选型

分别按照整车“自救”、“救援”两种作业方式确定液压绞盘的最大牵引力Fmax，计算参数取地面附着系数φ=0.8，滚动阻力系数f=0.03。

1.2.1按整车坡道“自救”作业方式确定液压绞盘的最大牵引力Fmax

GJB 82A-2009《军用汽车液压传动绞盘规范》中规定：“装绞盘的车辆应能在60%坡道上实施自救”，按此计算绞盘最大牵引力Fmax

Fmax＞mgsinα+fmgcosα（其中tanα=0.6）

计算结果为Fmax＞111178.3N

1.2.2按整车“救援”作业方式确定液压绞盘的最大牵引力Fmax

车辆满载时停放在平坦公路上对其它装备实施救援，整车可利用的地面附着力和驻车制动力均应大于绞盘最大牵引力Fmax，即：

（1）按地面附着力计算绞盘最大牵引力Fmax

Fmax＜φmg=21000×9.8×0.8=164640N

（2）按制动力校核

Fmax应小于该车型驻车制动力188419.6N（驻车制动力的计算过程在此忽略）。

通过上述分析计算，匹配绞盘系统最大牵引力的合理范围是：111178.3N＜Fmax＜164640N。通过对比某公司相应系列产品10吨级液压绞盘和15吨级液压绞盘（最大牵引力分别为：98000N和147000N），选择15吨级液压绞盘，其基本参数见表1：

表1　15吨级液压绞盘系统参数表

2、绞盘系统钢丝绳导向机构设计

为保障车辆自救和救援作业，钢丝绳的导向机构可以实现前出绳和后出绳两种方式，二者可以通过中央大导向轮切换。

1.前出绳支架 2-4、6-9.小导向轮 5.中央大导向轮支架10.绞绳器 11.后出绳支架

如图2所示，大导向轮支架（5）由A轮和B轮组成，调整钢丝绳通过A轮向前可实现前出绳，通过B轮向后实现后出绳。各小导向轮均起钢丝绳限位导向作用。当后出绳时，中央大导轮将受到最大30吨的牵引力，通过设计连接件（如图3），将大导轮支架与车架左右纵梁连接到一起，以提高大导向轮支架的设计强度。

图3　中央大导向轮支架

通过有限元计算，该大导向轮支架的最大应力为137.1MPa，安全系数：3.72，设计强度满足使用要求。

图4　有限元模型

图5　中央大导轮支架强度分析结果

3、绞盘液压系统的匹配计算

3.1液压系统工作原理

图6　液压绞盘系统工作原理图

如图6所示，取力器带动齿轮泵（2）工作，齿轮泵（2）的出口高压油首先通过组合式控制阀（3）的液压制动器油口顶开液压制动器（5），使绞绳器（7）处于松刹状态；另一路通过组合式控制阀（3）的操纵阀进入液压马达（4），马达叶片受进出口压差的作用，产生旋转力矩，驱动联轴器（6）旋转，带动绞绳器（7）工作。绞绳器（7）内部为多级行星减速器，主要作用是降低转速，达到增大输出扭矩的目的。液压油通过液压马达（4）回油口、泄油口返回液压油箱（1）。

组合式控制阀（3）有“绞绳”、“制动”、“放绳”三个工况，通过操纵控制阀（3）的手柄至“绞绳”位置，齿轮泵（2）出口高压油驱动马达旋转，绞绳器（7）进入绞绳牵引工况；操纵控制阀（3）的手柄至“制动”位置，液压制动器（5）油路断开，液压马达（4）制动，绞绳器（7）进入停转制动工况；操纵控制阀（3）的手柄至“放绳”位置，齿轮泵（2）出口高压油驱动马达放转，绞绳器（7）进入牵引放绳工况；组合式控制阀（3）还可以通过操纵气阀（10）远距离联动操纵。

组合式控制阀（3）带过载保护功能，在牵引过程中若负载超过额定牵引吨位的1.25倍时，溢流阀自动开启，使系统油压不再继续增高，可避免纲丝绳不正常断裂和其它零部件的损坏。

为方便绞绳器放绳挂钩，绞绳器（7）尾部设有离合器（8），放绳时通过拔出离合器气阀（9）手柄，绞绳器（7）卷筒与减速机构处于分离状态，可以独手拉出钢丝绳至挂钩位置。

3.2液压系统的匹配校核

为简化计算，仅按绞绳器底层钢丝绳（钢丝绳中心半径R为0.184m）最大拉力（按照设计要求Fmax为147000N，绳速umax为 5m/min）进行反向计算，取机械效率η绳=95%，η减速器=95%，η联轴器=95%，液压系统传递效率η液=70%，绞绳器减速器速比i减速器=150∶1分别计算绞绳器、液压马达、液压油泵的输出功率、输出扭矩、输出转速以及液压马达、液压油泵液压油的压力。

3.2.1绞绳器输出功率P卷、扭矩T卷、转速n卷的计算

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

3.2.2液压马达输出功率P马达、扭矩T马达、转速n马达及液压马达输出压力M马达、流量q马达的计算

由 P马达η联轴器η减速器=P卷，T马达η联轴器η减速器i减速器=T卷，n马达/i减速器=n卷，得出：

由P马达=M马达q马达，q马达=V马达n马达（其中V马达=100ml/r，为液压马达的排量），得出：

q马达=V马达n马达=100×649.5=64950ml/min

该计算结果小于液压马达的额定入口压力 15.7MPa，说明液压马达的匹配满足钢丝绳最大拉力、最大出绳速度的设计要求。

3.2.3液压油泵输出功率P泵、扭矩T泵、转速n泵及液压油泵输出压力M泵、流量q泵的计算

由P泵=M泵q泵，q泵=V泵n泵（其中V泵=71.67ml/r，为液压油泵的排量，油泵额定压力M泵=16MPa），得出：

3.2.4油泵与取力器的匹配

该车型匹配发动机的额定转速为 1800r/min，变速器为16JSD200TA型变速器，取力器为QH70取力器，取力器最大传递扭矩为685Nm，大于泵的实际输出扭矩182.5Nm。

16JSD200TA型变速器配QH70取力器各档输出总速见表2。

表2　变速器档位----取力器速比对比表

当变速器采用 7档时，发动机输出转速 1495×1.02= 1525r/min即可满足最大拉力时5m/min的出绳要求。

当变速器采用 7档时，即使发 z动机达到额定转速1800r/min时，油泵的输入转速只有1800÷1.02=1765r/min，小于油泵的额定转速1800r/min。

因此，使用绞盘时，变速器采用7档，通过油门踏板调节发动机转速即可实现绞盘正常作业。

4、绞盘拉力试验结果

车辆在承受标定拉力情况下，进行工作循环试验，试验结果见表3：

表3　标定拉力试验结果

5、结论

匹配液压绞盘后，车辆可适用于恶劣环境下的抢险救援及车辆自救，具有高度的使用可靠性，通过上述分析计算及试制、试验、证明， 该车在动力匹配、结构布置、技术性能等方面达到了设计指标，满足使用需求。

[1] 液压传动与气压传动.(第三版) 华中科技大学出版社.2007.

[2] 汽车理论.(余制生.第3版)北京:机械工业出版社.2003.

[3] 军用汽车液压传动绞盘规范.(GJB 82A-2009) 中国人民解放军总装备部 2009年12月22日发布.

[4] ANSYS 工程分析软件应用实例.清华大学出版社.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

胡运军，就职于陕西重型汽车股份有限公司。

U463.93

A

1671-7988 （2016）06-24-04