新型耐磨鋼在混凝土攪拌車上的輕量化應用

溫東輝1 章德剛2 蔡正1 王煥榮1 宋鳳明1

1. 寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900

2. 中集車輛（江門市）有限公司 廣東江門 529144

1 前言

隨著社會進步和市場成熟，用戶對混凝土攪拌車產品輕量化、耐磨性等方面也提出了更高的要求。以鋼結構件為主的攪拌車產品要達到輕量化的要求，現階段的主要手段就是采用更薄的高強度新材料取代傳統材料。但材料減薄后，對于需要承擔裝載和攪拌功能的罐體而言，則意味著剛度下降，進而影響使用壽命。有沒有一種材料，既能滿足輕量化減薄設計，鋼結構性能不會降低，又能保證其使用壽命不會因厚度減薄而降低？

2 新型高強耐磨鋼

經筆者深入用戶進行調研，分析攪拌車罐體對鋼板的特殊要求，既要耐磨長壽，又要易成形、易加工，其對應的材性要求恰恰是“高硬度”和“低屈強比”這一對矛盾，而且新鋼種設計時也要考慮攪拌車制造業對鋼板成本比較敏感這一關鍵因素，即采用新鋼種后不能顯著提高制造成本。

2013年，筆者采用相變強化機制，減少昂貴合金元素的加入，利用公司先進的在線熱處理裝備和特殊的生產工藝，研發出一種新型高性能耐磨鋼BW300TP，作為一種先進高強鋼，該產品已被認定為全球首發產品和上海市高新技術成果產品，并取得國家專利授權。該產品抗拉強度高達1 100 MPa，而屈強比僅0.60左右，成功克服了傳統耐磨鋼“高硬度”伴隨“高屈強比”和成形困難的問題。BW300TP典型性能參數見表1。

表1 BW300TP典型性能及其與傳統鋼的對比

在磨蝕實驗室內模擬混凝土攪拌車罐體工況條件下的耐磨蝕試驗結果見圖1。從試驗結果可以看出，BW300TP的耐磨蝕性約為Q345B和B520JJ的2倍左右。

圖1 BW300TP耐磨蝕試驗結果

3 耐磨鋼在攪拌車筒體上的輕量化應用

3.1 設計

攪拌車筒體常規的材料為520JJ或Q345，罐體的厚度為5～6 mm，葉片的厚度為4～5 mm，比較笨重，需進行輕量化設計。本文采用有限元的方法進行輕量化方案設計，在HYPERMESH軟件中建立攪拌車筒體有限元模型，然后使用ABAQUS求解器進行攪拌車筒體的強度、剛度分析[1]，通過改變罐體及葉片厚度，與原有設計進行剛度對比的方法并結合BW300TP新材料進行輕量化方案設計。

圖2為攪拌車筒體的幾何模型透視圖，水平橫線為加載液面，下部體積為12.06 m3，對此處以下進行載荷加載。

圖2 攪拌車筒體的幾何模型透視圖

攪拌車筒體的幾何模型的幾何處理、網格劃分、邊界條件及加載均在HYPERMESH軟件中進行處理。有限元模型的網格總數為581 736個，其中四邊形單元為580 046個，三角形單元1 690個，三角單元比例0.29%。加載方式為采用等效混凝土的靜水壓力，在加載液面以下施加靜水壓力P=ρgh，其中ρ=2.4 t/m3。約束方式等效實際工況進行約束，在封頭法蘭處利用一維剛性Beam單元鏈接進行三維（x、y、z向）平動全約束，在輥道支撐處直接施加二維（y向和z向）平動約束。有限元網格模型和加載約束方式如圖3所示。

圖3 有限元網格模型和加載約束方式

葉片厚度不變，將罐體從4.5 mm減薄到4 mm進行撓度和應力分析，其結果如圖4所示，經過分析，罐體本身剛度很大，前錐與中筒交接處的下沉撓度相對最大。從結構上來說，罐體在滿載情況下的變形不大，將罐體材料厚度減到4 mm對罐體的下沉影響很小，因此罐體材料可以考慮使用更薄和更耐磨的BW300TP，因為減薄后罐體自重減輕，會減少由支架結構帶來的下沉。

在滿載情況下，罐體和滾道所受的應力集中主要存在于結構錐度變化的地方，以及與葉片和輥道相連的焊縫處，雖然數值不大（均小于200 MPa），但由于是焊縫處，因此生產中應更關注焊接工藝和焊縫質量。

圖4 罐體下沉撓度與應力分析

綜上所述，并考慮安全性和不可預測性因素，在首次試制耐磨鋼BW300TP樣車的方案中，罐體推薦使用4 mm厚鋼板。

基于此方案的基礎上，客戶公司采用BW300TP進行了輕量化新型筒體設計，針對不同方量的車型，鋼板厚度大幅度減薄至3.5～4.5 mm，整體減重約20～30%。

3.2 加工

前期經過多次罐體卷制、焊接試制、葉片壓制等一系列的工廠試驗，為解決原有裝備對新材料的匹配性，不斷進行工藝調整，工藝參數逐步得到優化，近年來實現了BW300TP的批量穩定化應用，截至2018年底，累計用量約2.5萬t。

為充分發揮高強耐磨鋼BW300TP的優勢，客戶公司分別開發了用于國內和國外的兩套壓制BW300TP的葉片模具，同時在進料斗、卸料槽等需要耐磨的部件全部采用了高強耐磨鋼。經過罐體的剛性受力分析及輕量化方案確定，葉片壓制成型反變形分析及模具設計和調試，以及整車多種工況的強剛性分析、結構靈敏度分析、進料斗和卸料槽一次成型分析及模具設計等，使產品上裝的總質量下降了20%。輕型攪拌車筒體應力云圖及料槽如圖5所示。

3.3 專用模具開發

圖5 輕型攪拌車筒體應力云圖及料槽設計

模具開發采用的是專用的有限元成形分析軟件DYNAFORM，由于葉片采用BW300TP高強鋼，屈服強度較520JJ大大提高，且厚度由原來的4 mm減薄到3.5 mm需要進行重新開模，重要的是要進行基于高強鋼材料BW300TP的模具型面成形和回彈補償。

葉片成形分析[2、3]所需的基本要素及流程如圖6所示，將葉片零件導入軟件中進行坯料生成、凸凹模設置及成形工藝參數設置。葉片成形回彈補償流程如圖7所示。

圖6 葉片成形分析所需的基本要素及流程

圖7 葉片成形回彈補償流程

經過多輪成形仿真補償后，得到最終的模具型面，補償前后的凸模型面對比如圖8所示。

然后將凸模型面進行偏置指定的厚度，形成凹模型面，再對凹模進行工藝面的擴展，形成凸、凹模型面及坯料尺寸。

以上只是一個葉片凸凹模型面的開發流程，采用此流程可重復仿真開發其他的葉片。

左右旋兩套葉片模具的開發，使生產的攪拌車可銷售到全球的各個角落，左旋葉片的攪拌車適用于交通規則是靠右行駛的大陸國家和地區，右旋葉片的攪拌車則適用于交通規則是靠左行駛的島嶼國家和原英聯邦的國家和地區。

圖9 左右旋兩套葉片模型

3.4 服役性能

攪拌車罐體在輕量化的同時，還要關注服役應用過程中整潔美觀的形象。因此，對罐體材料提出一個更高的要求就是要耐沖擊。目前清除罐內余料常用工具是風鎬，在操作過程中，風鎬的鎬釬不可避免地會直接沖擊到罐壁上，普通的材料在受到鎬釬的沖擊時容易產生不可修復的塑性變形，在筒體表面產生一個一個鼓包，破壞了罐體表面的油漆涂層，使罐體表面產生銹蝕，不但破壞外表，降低罐體的使用壽命，也使罐體成為了一個“大花臉”。而高強耐磨鋼BW300TP，則能抗得住鎬釬的沖擊，保證罐體的整潔美觀形象。

2013年8月投入市場的首批BW300TP罐車已經服役4年多，技術人員對其連續進行了多次跟蹤測量，詳細記錄了各典型部位的厚度減薄情況，見圖10。新型罐車連續運行4年，同一臺車上采用Q345B制造的人孔蓋，4年磨損量約0.3 mm，而相近部位采用BW300TP制造的中段磨損量僅0.1 mm。BW300TP筒體最大減薄量發生在后錐部位，4年減薄僅0.15 mm，同樣根據實測數據，普通罐車相同部位服役一年的減薄量約為0.2 mm。

圖10 輕型罐車歷年跟蹤典型部位減薄量（2013年8月投用）

4 結語

采用先進高強鋼理論開發的新一代高性能耐磨鋼BW300TP，具有獨特的性能優勢，高耐磨、易加工，已批量應用于混凝土攪拌車制造，2014年起銷量逐年倍增，累計至2018年底，銷量已超過2.5萬t。隨著車輛輕量化戰略的全面推進，采用BW300TP制造的輕量化混凝土攪拌車具有長壽耐用、低碳減排、節能降耗等顯著優勢，在不久的將來一定會助推混凝土攪拌車用鋼的全面升級換代，使攪拌車用鋼水平大大上升一個臺階。