1 引言

部队的现役舟桥运输车、工程保障车以及大功率推土机等均配置有液压牵引绞盘。这种液压绞盘系统采用叶片马达、液压制动器、二级行星减速器、机械式手动离合器,代表了20世纪80年代的技术水平。由于绞盘系统无排绳、压绳功能,在实际使用中钢丝绳经常发生排绳不整齐、乱绳、咬绳断丝等现象。叶片马达的固有缺陷导致绞盘系统的可靠性较差,影响了部队的正常训练和装备的战备完好性。

部队装有此类绞盘的装备数量较大,整个系统的换装存在许多困难。因此,在现役车辆装备上进行绞盘系统的改进和完善已势在必行。

2 绞盘系统结构及工作原理

绞盘系统由径向柱塞低速大扭矩液压马达、配流器、单向或双向平衡阀、手动或电磁换向的二位二通阀、手动或电磁换向的三位四通阀、二级行星减速器、离合器、绞盘卷筒、卷筒支架、排绳器及压绳器等部件组成。图1为绞盘系统的工作原理图。

当操纵手动或电磁换向阀1使绞盘工作时,液压系统的压力油通过配流器中的单向或双向平衡阀2向液压马达4提供压力油,此时液压马达4两油口间的止通阀3关闭。压力油驱动液压马达4产生旋转运动力,旋转运动通过行星减速器5的减速增扭,驱动绞盘卷筒9转动。同时通过链条8传动,带动双向丝杠7旋转,使滑块往返运动,达到强制排绳的效果。压绳器10在单作用弹簧气缸11的作用下压迫绞盘卷筒9上的钢丝绳6,使钢丝绳始终处于整齐的排列状态。改变手动或电磁换向阀1的操纵方向,可以使绞盘卷筒反向转动。当手动或电磁换向阀1处于中位时,单向或双向平衡阀2与液压马达4相对应的活塞腔处于封闭状态,起到制动作用。当进行人工拖放钢丝绳时,手动或电磁换向阀1处在中位,并打开单向或双向平衡阀2,让液压马达4的两油口相通,此时液压马达4处于自由状态,同时,操纵压绳器10的手动控制气阀12,使单作用弹簧气缸11收缩,压绳松懈。

3 系统的主要技术参数与计算方法

3.1 原车辆绞盘系统的主要技术参数

第一层的额定拉力(kN)98
第一层的过载拉力(kN)≤125
第一层的工作速度(m/min)6~8
卷筒直径(mm)240
钢丝绳有效长度(m)≥40(自救)
≥80(抢救)
钢丝绳安全系数≥2
钢丝的型号
6W(19)+7×7-17.5-185-特-甲 -b
钢丝绳破断力(kN) 217.5
液压系统的额定压力(MPa)16
液压系统的额定流量(L/min)75

3.2 原绞盘卷筒的额定扭矩和额定转速计算

绞盘卷筒的额定扭矩:
M筒=F×r=98×0.12=11 760 Nm
绞盘卷筒的额定转速:
n=V/(2πr)=8/(2×3.14×0.12)=10.6 r/min
式中:
F=98 kN为卷筒第一层额定拉力;
V=8 m/min为卷筒第一层工作速度;
r=0.12 m为卷筒半径。

3.3 现绞盘系统主要参数计算
(1)液压马达型号的确定,以及在系统额定压力、流量情况下马达输出扭矩与转速的计算
考虑安装尺寸的紧凑,选择最小型号内较大排量的马达,确定五星液压马达的型号为INM05-170。
INM05-170液压马达的主要参数为:

排量(mL/r)166
额定压力(MPa)25
最大压力(MPa) 35
额定扭矩(Nm)660
单位扭矩(Nm/MPa)26.4
连续转速(r/min)l~600
最大流量(L/min)102
最大功率(kW)45

在系统压力16MPa、流量75L/min下,马达的输出扭矩与转速为:
M马=16 × 0.9 × 26.4=380.16 Nm
n马=75×0.99÷0.166=447.3 r/min<600 r/min
式中:0.9为马达的机械效率,0.99为马达的容积效 率。
在系统压力为25 MPa时,马达的最大输出扭矩:M =25×0.9×26.4=594 Nm
马达的最大输出转速:n=600 r/min

(2)减速机的参数计算

①减速比

i=M筒÷η÷M马=11 760÷0.9÷380.16=34.4

式中:二级传动的机械效率η取0.9
减速比圆整取i=36。

②减速机的额定输出转速

n减=n马i=447.3÷36
=12.4 r/min>10.6 r/min(卷筒额定转速)

③减速机的额定输出扭矩

M减=M马×η×i=380.16×0.9×36=12 312 Nm>11 760 Nm(卷筒的额定扭矩)

④最大输出扭矩、转速

M=M马×η×i=594×0.9×36=19 245.6 Nm

n=n马÷i=600÷36=16.7 r/min

(3)绞盘最大拉力及走绳速度

在液压系统压力为25 MPa时,绞盘的最大拉力为:

F=M÷r=19245.6÷0.12=160.38 kN
在液压系统最大流量为102 L/min时,绞盘的最大走绳速度为:

V=2πr×n=2×3.14×0.12×16.7=12.6 m/min
通过以上计算表明,改进后的绞盘系统主要作业参数均优于原绞盘的参数,满足使用要求。

4 绞盘系统的技术特点

改进后的液压绞盘系统具有以下特点:

(1)由于绞盘自带阀组,它不但简化了液压系统而且提高了传动系统的工作可靠性。
(2)启动扭矩大,低速稳定性好,保证绞盘能在很低速度下稳定运转。 
(3)由于技术先进、性能优良的径向柱塞马达具有低噪声、高效率、高功率质量比,因而使液压绞盘具有效率高、能耗少、噪声低、尺寸紧凑、经济性好等特点。
(4)五星柱塞马达的平面配流器(专利技术)密封性能好,泄漏很少,活塞与摆缸之间用塑料活塞密封,无泄漏,因而具有很高的容积效率。
(5)排绳整齐有序,压绳器解决了卷筒上的钢丝绳在松懈状态下的正常卷绕。
(6)机械式离合器被液压式离合器取代,先进性、可靠性得到了提高。由于马达具有优良的密封性,在平衡阀支持下,即使在额定的外负荷作用下也只有微小的内泄,这种使用油腔密封的技术来达到制动的目的,既简便实用又减少了绞盘尺寸。

5 结语

改进后的液压绞盘系统具有自动排绳、压绳功能,使钢丝绳有序的自动排列,避免钢丝绳的损伤。绞盘系统选择的液压元件可靠,性能稳定,结构紧凑,满足各种车辆小尺寸空间的安装要求。绞盘低速性好,使牵引救援作业更加安全。

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