張志勇
為了延長攪拌車卸料溜槽的使用壽命,降低攪拌車的制造成本,減輕攪拌車自質(zhì)量,也為用戶降低油耗,實(shí)現(xiàn)車輛使用過程中費(fèi)用的降低,筆者根據(jù)國內(nèi)廠家提供的聚乙烯板的各項(xiàng)指標(biāo),設(shè)計(jì)出聚乙烯板的攪拌車卸料溜槽。該材料的耐沖擊性、沖擊能吸收性、耐磨性、環(huán)保性均超過了鋼制溜槽,是一種替代鋼制溜槽進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的材料。
混凝土攪拌運(yùn)輸車(下簡稱攪拌車)上的卸料溜槽是攪拌車卸料系統(tǒng)的一部分,長期承受著混凝土的沖擊和摩擦,如果設(shè)計(jì)的卸料溜槽過于單薄,就會(huì)造成其過早損壞,有的卸料溜槽由于存在設(shè)計(jì)上的缺陷,使用年限不超過半年,這就給用戶帶來車輛使用上的諸多麻煩,也在產(chǎn)品質(zhì)量方面給制造廠家造成不良的市場影響?,F(xiàn)在許多攪拌車生產(chǎn)廠家對(duì)卸料溜槽采用如圖1所示的設(shè)計(jì),普遍采用2.0~3.0 mm的Q345鋼板或者Q235鋼板制作,并且為了提高卸料溜槽的抗磨性能,一般在卸料溜槽內(nèi)又增加了2~3層襯板進(jìn)行加固,這樣雖然延長了卸料溜槽的使用壽命,但是也增加了卸料溜槽的自質(zhì)量(已達(dá)到70 kg)。
卸料溜槽自質(zhì)量的增加,容易造成支撐臂和支撐軸的過早斷裂,這就使設(shè)計(jì)人員不得不對(duì)支撐臂和支撐軸進(jìn)行加固設(shè)計(jì),又造成了攪拌車上裝質(zhì)量進(jìn)一步的增加。這樣既增加了攪拌車的制造成本,也增加了車輛使用的油耗,對(duì)于攪拌車生產(chǎn)制造廠家和攪拌車用戶都是得不償失的(見圖2)。
目前,國外的商用車輛在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選用輕質(zhì)材料相結(jié)合的輕量化設(shè)計(jì),我國也在大力倡導(dǎo)。在此前提下,我們針對(duì)攪拌車卸料溜槽需要抗耐磨、輕量化、使用壽命長的特點(diǎn),嘗試選用能符合使用要求的超高分子量聚乙烯襯板對(duì)卸料溜槽進(jìn)行設(shè)計(jì)。從文獻(xiàn)[1-3]得知,超高分子量聚乙烯材料具有優(yōu)異的使用性能——耐磨、耐腐蝕、耐沖擊、耐老化、阻燃、自潤滑、衛(wèi)生無毒、不易粘附以及摩擦系數(shù)小等綜合性能。目前,超高分子量聚乙烯襯板(簡稱為UHMW-PE板),已在煤炭、電力、港口、船舶、造紙、鋼鐵、礦山等多個(gè)行業(yè)使用,并且取得了良好的使用效果。
UHMW-PE板在美國汽車業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛,如在20' Slider Container Chassis (Trailer)(20'~33'滑動(dòng)伸縮,牽引銷到車軸距離可調(diào)式20'集裝箱半掛運(yùn)輸車)的設(shè)計(jì)中,UHMW-PE板也被廣泛應(yīng)用(見圖3,位于Slider黃色主梁上平面黑色部分,厚度為5 mm),其承載量最高可達(dá)2萬8 000 kg,并且為了均衡軸荷,在重載時(shí)Slider可以根據(jù)軸荷需求進(jìn)行滑動(dòng),這就更能體現(xiàn)出UHMW-PE的沖擊能吸收性、不粘性、拉伸強(qiáng)度、耐磨性、耐沖擊性、自潤滑性等性能指標(biāo)是否符合要求,經(jīng)過美國市場幾十年來的使用,UHMW-PE經(jīng)受住了各種使用條件下的考驗(yàn),作為一種性能可靠的產(chǎn)品在Slider Container Chassis上得以應(yīng)用,而Slider Container Chassis經(jīng)常用于運(yùn)輸各種長度的集裝箱,UHMW-PE板的優(yōu)良性能得到了客戶良好的口碑。圖4是Slider在車輛上的安裝圖片。
UHMW-PE板在溜槽加長槽上的應(yīng)用(見圖5),既可以減輕加長槽的質(zhì)量,減輕操作人員搬運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度,也可以增加溜槽加長槽的使用壽命,廈門廈工重工有限公司首先在攪拌車產(chǎn)品中試用后效果良好,現(xiàn)已普遍采用。
對(duì)于混凝土的使用環(huán)境,UHMWPE板有著其他材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn):
(1)吸水性小。UHMW-PE吸水率很低,一般小于0.01%,僅為PA66的1%,因而在成型加工前一般不必干燥處理,在混凝土的浸泡使用環(huán)境中,不容易變形。
(2)密度低。UHMW-PE的密度為0.94,比其他工程塑料都要低,一般比PTFE低56%、POM低33%、PBTP低30%,與鋼材密度相比,更是相差巨大,Q345鋼材的密度為7.85。因此其制品非常輕便,可以降低攪拌車溜槽和相關(guān)零件的自質(zhì)量和制造成本。
(3)耐腐蝕性強(qiáng)。UHMW-PE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性,除強(qiáng)氧化性酸溶液外,在一定溫度和各種腐蝕性介質(zhì)濃度范圍內(nèi)能耐受各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)。其在20~80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30 d,外表無任何異常現(xiàn)象,其他物理性能也幾乎沒有變化。這對(duì)于帶有弱堿性混凝土的使用環(huán)境十分適合。
(4)沖擊能吸收性好。UHMW-PE板具有優(yōu)異的沖擊能吸收性,沖擊能吸收值在所有塑料中最高,因而噪聲阻尼性能很好,具有優(yōu)良的削音效果,可以對(duì)混凝土的沖擊力具有柔性的吸收性能,延長了卸料溜槽的使用壽命。
(5)衛(wèi)生無毒性。UHMW-PE衛(wèi)生無毒,得到美國食品及藥物行政管理局和美國農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可,可用于接觸食品和藥物,是一種環(huán)保可靠的工業(yè)材料,對(duì)混凝土沒有任何污染。
(6)不粘性。UHMW-PE表面吸附能力非常微弱,對(duì)于混凝土具有很低的粘連性,無須人工像鋼制溜槽那樣必須在作業(yè)完后清除殘余的混凝土。
(7)拉伸強(qiáng)度高。由于UHMW-PE拉伸強(qiáng)度高達(dá)3~3.5 GPa,拉伸彈性模量高達(dá)100~125 GPa;比鋼絲大10倍,故與鋼制產(chǎn)品相比不會(huì)在制作溜槽的過程中產(chǎn)生斷裂,也不會(huì)在使用過程中產(chǎn)生脆性裂紋。
(8)耐磨性強(qiáng)。UHMW-PE的耐磨性居塑料之冠,并超過某些金屬。其沙漿磨耗指數(shù)是碳鋼的1/7,黃銅的1/27。UHMW-PE耐磨性與分子量成正比,分子量越高,其耐磨性越好[2]。所以該種材料的耐磨使用壽命可以大大延長,保守使用年限可以達(dá)到5年而不必更換。
(9)耐沖擊性高。UHMW-PE的沖擊強(qiáng)度在所有工程塑料中名列前茅,其沖擊強(qiáng)度約為耐沖擊PC(工程塑料)的2倍,ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)的5倍,此外,其反復(fù)沖擊表面的硬度更高。這對(duì)卸料溜槽來說,隨著混凝土的反復(fù)沖擊,其表面強(qiáng)度并不會(huì)降低。
(10)自潤滑性佳。UHMW-PE有極低的摩擦因數(shù)(0.05~0.11),當(dāng)它以滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)形式工作時(shí),比鋼和黃銅加潤滑油后的潤滑性還要好。因此,在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMW-PE被譽(yù)為成本、性能非常理想的摩擦材料。這也大大增加了混凝土的流動(dòng)性,提高了卸料速度。
攪拌車卸料溜槽采用UHMW-PE板作為混凝土的卸料載體,以鋼制龍骨支撐,采用鉚接或者螺栓連接的方式(見圖6~8)。由于UHMW-PE板具有一定的抗彎強(qiáng)度,所以在安裝制造過程中,需要依靠鋼制骨架進(jìn)行固定支撐。下料采用鋼質(zhì)手動(dòng)砂輪片進(jìn)行切割,然后利用重物把UHMW-PE板和骨架壓實(shí),再用螺栓或者鉚釘進(jìn)行連接,最后將多余的修邊余量用鋼制砂輪片手動(dòng)切割機(jī)休整。
使用幾年以后,如果出現(xiàn)了過量磨損,可以將其拆卸下來進(jìn)行更換。如果生產(chǎn)的攪拌車產(chǎn)量很大,可以開模具直接注塑成型,這樣會(huì)使整個(gè)溜槽的自質(zhì)量下降更多。目前卸料溜槽所采用的UHMW-PE板是5 mm厚度,該種材料的市場價(jià)位為200元/m2左右,溜槽的展開面積為1 000 mm×1 900 mm,1輛車的材料價(jià)格約為400元,與鋼質(zhì)溜槽相比,單是70 kg的鋼材價(jià)格即是420元,如果加上支撐臂和支撐軸的材料降低40 kg,UHMW-PE板溜槽和鋼質(zhì)溜槽的制造價(jià)格相差不會(huì)低于120元。再加上材料自質(zhì)量的下降而帶來整備質(zhì)量的降低,也會(huì)使整車的耗油量降低,更為重要的是使用壽命的延長為客戶帶來了長久的經(jīng)濟(jì)效益。
經(jīng)過用戶的長期使用,對(duì)于混凝土的沖擊和磨損,UHMW-PE板的厚度、外形等均沒有發(fā)生變形,混凝土的卸料流速也得到了提高,且不粘料。卸料溜槽的自質(zhì)量由原來的70 kg降低到25 kg,支撐臂和支撐軸的設(shè)計(jì)重量也降低了50%,使攪拌車的生產(chǎn)成本降低。該設(shè)計(jì)得到了用戶的認(rèn)可,為攪拌車生產(chǎn)廠家贏得了一定的效益。
依此類推,UHMW-PE板還可以應(yīng)用于推土機(jī)推土板襯里、掘土機(jī)鏟頭內(nèi)襯、自卸車車廂內(nèi)襯、拖拉機(jī)犁刀內(nèi)襯、聯(lián)合收割機(jī)滑動(dòng)板,散裝混凝土運(yùn)輸車(水泥倉)的里襯板等。
[1] 張建民,王日輝,石晶.UHMW-PE的相對(duì)分子質(zhì)量與力學(xué)性能的關(guān)系[J].合成樹脂及材料,2008.25(5):29-31.
[2] 顧冰芳,龔烈航,徐國躍.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的UHMW-PE復(fù)合材料防彈性能研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2006(6):32-35.
[3] 莊興民,張慧萍,晏雄.UHMW-PE/PE復(fù)合材料的開發(fā)與性能研究[J].玻璃鋼、復(fù)合材料,2004(1):14-17.