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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)

        2016-07-26 10:01:33胡運(yùn)軍聶文福
        汽車實(shí)用技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)比某公司相應(yīng)系列產(chǎn)品10噸級(jí)液壓絞盤和15噸級(jí)液壓絞盤(最大牽引力分別為:98000N和147000N),選擇15噸級(jí)液壓絞盤,其基本參數(shù)見表1:

        表1 15噸級(jí)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(jí)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(jiǎn)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(duì)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

        A

        1671-7988 (2016)06-24-04

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