公路自卸車輕量化方案的應用思考

強鴿鵬

摘 要：文章通過對客戶需求及自卸車使用工況的分析研究，探討在確保承載能力的前提下采用新材料對公路自卸車減重實現(xiàn)上裝輕量化。最后就所采用的材料對于貨箱設計的影響進行分析，提出符合客戶需求的大箱形式，以及指出對于公路運輸車輛所需求的上裝具體情況進行分析，以便合理的選擇車型及貨箱形式。

關(guān)鍵詞：公路運輸自卸車；輕量化；高強度材料；客戶價值

中圖分類號：U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-213-03

Abstract： This paper analyzes and researches the customer demand and working conditions of dumper. On the premise of ensuring the carrying capacity， the paper discusses reducing the weight of the road dump truck by adopting new materials and realizing the weight lightening of loading platform. Finally， the paper analyzes the adopted material influence on loading platform design， and puts forward the loading platform type in accordance with customer demand. In addition， the paper analyzes the specific conditions of required type of loading platform for road transport vehicles， so that the reasonable type of loading platform could be chosen.

Keywords： road dumper； weight lightening； high strength materials； customer value

CLC NO.： U462.1 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-213-03

前言

隨著9.21治超政策的持續(xù)推進，各地稱重上戶法規(guī)的進一步落地，給自卸車行業(yè)提出更為嚴峻的挑戰(zhàn)，基于自卸車的實際使用工況，如何滿足行業(yè)客戶的實際需求是擺在各廠家技術(shù)人員面前的一個重要課題。對于公路自卸車來說，上裝的貨箱重量約占整車整備質(zhì)量的30%左右，其中90%的上裝零部件都是鋼板制作的。而作為以運輸砂石料為主的公路自卸車來說，上裝的磨損非常嚴重，這是由于上裝的底板邊板直接與砂石料直接接觸，受力作用，使得貨廂最大失效模式即底板邊板的非正常磨損。所以，通過分析的磨損形式和機理，針對性地研究使用高強度輕量化材料對提高自卸車上裝的壽命，提高資源利用率，提高客戶使用價值都具有重要的現(xiàn)實意義。

1 公路自卸車上裝的磨損機理分析

按照理論力學相關(guān)知識對自卸車所運輸?shù)纳笆献鍪芰Ψ治觯梢詫⑵浞纸鉃榍邢蛄头ㄏ蛄ΑＦ渲校笆⒘Ｔ谪浵渲杏捎谲囕v行駛過程中頻繁加減速，由于慣性作用向前推進或向后退，對于貨箱而言，貨箱受到切向力；使砂石微粒壓入鋼板表面的力則是法向力。對于特定運動方向的特定形狀的砂石微粒來說，在車輛頻繁的加減速過程中，砂石料顆粒對于貨箱底板的切向作用力就像刀具在鋼材表面來回切削一樣，這樣頻繁的切削會產(chǎn)生切屑。盡管這種切屑從厚度和寬度上看都比較小，但隨著日積月累，這種切削會加劇，形成量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)變，從而導致貨箱破損失效。這種磨損是目前市場上公路自卸車上裝最為常見的失效形式。

分析砂石顆粒劃過鋼板表面的過程，由物理學相對運動理論分析，在車輛加減速過程中，砂石顆粒接觸的鋼板材料具有向前緣和兩邊運動的趨勢，造成此部分材料具有比較大的不可恢復的塑性變形，盡管還沒有脫離母體，但在溝底及溝槽附近會有較大的變形出現(xiàn)。在犁溝過程中，在切削作用下，部分材料變成切屑，另外一部分沒有被切削的材料，則出現(xiàn)犁皺情況，即在塑變之后而推向前緣或者兩側(cè)。在兩側(cè)和前緣的材料都是由于犁溝或犁皺的堆積作用，這些還應該包括溝槽中的材料，在砂石磨粒作用下，已堆積的材料很可能出現(xiàn)壓平的情況，或者再次進行相關(guān)的犁皺變形，產(chǎn)生反復的塑變，這樣而形成的加工硬化或者其他強化作用力，使得上述部分材料最終剝落而成為磨屑[1]。

受到?jīng)_擊力的影響，當出現(xiàn)砂石顆粒的硬度大于鋼板表面的硬度的情況時，礦石顆粒就存在壓入鋼板表面的情況，塑性流動在鋼板材料中產(chǎn)生，使得凹坑和相關(guān)的凸緣形成。當再次出現(xiàn)上述情況時，第二次砂石顆粒在此壓入凹坑，塑性流動反復發(fā)生，鋼板材料的硬化過程不可避免，這樣就會產(chǎn)生脆性剝落以致成為切屑。

綜上分析，磨料磨損則是多種磨損機理的共同作用的結(jié)果，在不同的磨損條件下，即磨料磨損經(jīng)常從一種機制轉(zhuǎn)為另一種機制，這也就加劇了貨箱的磨損，加速失效。

2 公路自卸車貨箱常用材料分析

2.1 錳鋼板

這種淬火回火高強度耐磨鋼板俗稱QT板，具有高硬度、高強度特點，在鋼板熱軋成型的基礎(chǔ)上，得到相應的硬度和強度則是通過淬火回火工藝而獲得，一般能夠達到硬度在400HB以上，抗拉強度在1 200 MP以上，材料密度一般是7.81g/cm?。還能具備較好的焊接性能，具備熱切割能力和較好的冷加工能力。

2.2 高強度鋼板

此種材料高強度，同時具有良好的塑韌性和缺口強度。熱處理工藝簡單不存在脫碳；固溶處理后進行各種成型加工，再500℃時效；變形小。淬火后硬度低，冷變形性能和切削性能好；焊接性較好，不容易脫焊，焊縫不容易存在缺陷而失效。此種材料由于具有很高的屈服強度，所以耐沖擊，強度高，對于貨箱而言比較適合應用于受沖擊力較大的前后板，避免法向力過大形成的硬化材料脫落。

2.3 耐磨鋼

此種復合金屬材料主要是由高碳高鉻（鎢）進行相關(guān)的配比，這樣產(chǎn)生的大量的碳化鎢、碳化鉻的硬質(zhì)顆粒，上述顆粒的最高微觀硬度能夠達到1750HV。此外，一定厚度的板材經(jīng)過使用特殊的粉末冶金的相關(guān)制造工藝而成，然后在普通的碳素鋼板的基材上進行焊接處理。通過上述做法，能夠使材料整體保持一定的強度，還能使表面保持非常強的耐磨性能，不容易被磨損破壞。上述方法可以極大降低成本而提高其經(jīng)濟性。相比于高強度耐磨鋼板，考慮到碳化鎢、碳化鉻的抗沖擊性能趕不上前者，所以，在大沖擊的工況下，不建議使用，而應該在貨箱的底板和邊板使用。

3 新材料實際應用于貨箱設計經(jīng)典案例

3.1 屈服強度與材料厚度理論經(jīng)驗公式

我們通過利用材料強度和耐磨性的提高，來減少材料的厚度以實現(xiàn)減輕重量。通過理論計算和大量實踐經(jīng)驗得到公式：

t2為高強度鋼的鋼板厚度

RE1為低強度鋼的屈服強度

RE2為高強度鋼的屈服強度

通過上式，我們可以清晰的觀察到，在滿足同等強度要求的情況下，材料屈服強度的提高對于厚度的減少有著很大的幫助，其關(guān)系為屈服強度比值的開根方與材料厚度的倒數(shù)成正比。屈服強度提高一倍，厚度減少29.2%。這個對于輕量化是具有很大的幫助作用。

3.2 新材料應用于貨箱設計案例

前文已經(jīng)講到，對于公路用自卸車而言降低上裝重量具有著重要的現(xiàn)實作用。考慮到公路用自卸車的使用工況，砂石顆粒對于貨箱的底板和邊板的切向剪切作用和法向沖擊力，對于貨箱的持續(xù)性破壞很大，故在貨箱邊板和底板采用耐磨板，在受沖擊力大的前后板采用高強板，在其余部位采用經(jīng)濟性好，現(xiàn)在廣泛使用的錳板。根據(jù)各個部位受力的具體情況，針對性的使用合適的材料，這樣可以發(fā)揮材料的特性，對于減重和降低成本均有著現(xiàn)實意義。

下邊以某公路用自卸車上裝貨箱使用新材料為實例，反映新材料綜合使用在減重和降低成本方面的巨大優(yōu)勢。

根據(jù)公式（1）計算可知，使用耐磨板，t2/t1=0.6026，原有12mm厚鋼板現(xiàn)在只需要7.23mm，也就是8mm；原有10mm厚鋼板現(xiàn)在只需要6mm。使用高強板Q700，t2/t1=0.7020，原有12mm厚鋼板現(xiàn)在只需要8.45mm，也就是9mm。

根據(jù)上裝成本模型計算：

舊方案：7.2×4700=33840元

新方案單純就材料可以節(jié)省3300-4000元，相比較舊方案可以減少9.75%-11.8%。

采用新材料在降低貨箱磨損和提高強度的同時，延長了貨箱的使用壽命，減少了客戶更換成本；重量大幅度的降低，這對于降低整車自重和提高載重量都有很大的意義；極大的提高了運輸效率，對于客戶而言，降低成本的同時，增加了營收。這個成功的案例也給了我們對于傳統(tǒng)上裝的一些思考，如何使用新材料新技術(shù)，將這些新技術(shù)新材料合理靈活的應用到現(xiàn)有工況下，將是對于廣大改裝廠和整車廠的一個重要課題。

4 新材料的發(fā)展對于上裝設計的影響分析

最近幾年，大多數(shù)城市的高速路口都會檢測即將上高速的貨車，高速公路管理部門利用高速公路出口稱重、監(jiān)控系統(tǒng)、高清車牌識別系統(tǒng)等設施設備，收集涉嫌超限超載車輛的原始數(shù)據(jù)及信息，定期向?qū)俚亟煌▓?zhí)法部門和公安交通管理部門抄告，交通執(zhí)法部門根據(jù)違法超限證據(jù)，對違法當事人進行處罰。所以現(xiàn)在超限超載的貨車選擇了國道，國道相對高速來說松一點，但是現(xiàn)在國道也要開始治超了。現(xiàn)在貨車不用停車檢測，執(zhí)法人員就能通過技術(shù)監(jiān)控設備獲取貨車的稱重數(shù)據(jù)、照片、視頻監(jiān)控等資料。高速非現(xiàn)場治超這兩年就普及的非常快，同樣國道不停車治超系統(tǒng)也可以與非現(xiàn)場治超結(jié)合起來，達到更好的效果。下圖為現(xiàn)在通過電子高科技的治超方案。

隨著治超的進一步深入，越來越嚴格的治超給公路運輸業(yè)帶了更嚴格的要求，對于公路用自卸車而言，降低車輛自重，實現(xiàn)車輛輕量化，尤其貨箱的輕量化就顯得極為迫切。

在貨箱設計中已經(jīng)越來越多使用到一些新的材料，比如，通過選用性能級別比較高的耐磨鋼板或是高強度結(jié)構(gòu)鋼板，

能夠在保證貨箱原設計強度不變的基礎(chǔ)上降低鋼板的厚度，使得整體車重有所降低并且箱體實際有效容積增大，達到能夠盡可能多運送砂石和剝離物，在空載時還能有效降低自重，提高運輸效率；同時使得燃油經(jīng)濟性也有一定程度提高。

總之，通過新材料的應用，能夠改進并提升貨箱整體設計水平，為貨箱的設計提供更寬廣的思路，為客戶提供更多的選擇空間。分析其優(yōu)點包括以下幾個方面：第一，提高運輸效率，增加載重量，使得公路運輸經(jīng)濟效益有所提高；第二，貨箱自重降低，能夠有效保證生產(chǎn)成本的降低，使得OEM經(jīng)濟效益提高；第三，延長公路用車使用壽命，使得裝載沖擊得到緩解；第四，輪胎磨損減少能夠?qū)崿F(xiàn)綠色環(huán)保；第五，節(jié)能減排能夠通過燃油消耗降低而降低；第六，耐磨性提高能夠減少資源損耗，維修時間有所減低，經(jīng)濟效益所有提高；第七，通過載重量的增加提高運輸效率，提高客戶營收，達到以客戶為核心的出發(fā)點。

5 結(jié)語

此文通過分析在公路用自卸車貨箱的耐磨材料的應用，指出在清晰認識貨箱磨損狀況的基礎(chǔ)上，了解物料硬度以及具體相關(guān)的使用工況條件的基礎(chǔ)上，應該對于礦山使用貨箱的具體情況進行具體分析，以便通過合理選擇耐磨材料，提出有效的解決方案，這樣才能有效提高貨箱的使用壽命，降低成本。同時上述研究對于公路用自卸車使用有著重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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