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(zhǎng)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(guò)程中絞盤會(huì)承受各種無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(wú)法工作時(shí)，絞盤也將無(wú)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度中間靠近駕駛室位置來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)后期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，絞盤固定座能夠滿足使用要求。