強(qiáng)鴿鵬

摘 要：文章通過(guò)對(duì)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(duì)公路自卸車減重實(shí)現(xiàn)上裝輕量化。最后就所采用的材料對(duì)于貨箱設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析，提出符合客戶需求的大箱形式，以及指出對(duì)于公路運(yùn)輸車輛所需求的上裝具體情況進(jìn)行分析，以便合理的選擇車型及貨箱形式。

關(guān)鍵詞：公路運(yùn)輸自卸車；輕量化；高強(qiáng)度材料；客戶價(jià)值

中圖分類號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)，各地稱重上戶法規(guī)的進(jìn)一步落地，給自卸車行業(yè)提出更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，基于自卸車的實(shí)際使用工況，如何滿足行業(yè)客戶的實(shí)際需求是擺在各廠家技術(shù)人員面前的一個(gè)重要課題。對(duì)于公路自卸車來(lái)說(shuō)，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(yùn)輸砂石料為主的公路自卸車來(lái)說(shuō)，上裝的磨損非常嚴(yán)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(guò)分析的磨損形式和機(jī)理，針對(duì)性地研究使用高強(qiáng)度輕量化材料對(duì)提高自卸車上裝的壽命，提高資源利用率，提高客戶使用價(jià)值都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 公路自卸車上裝的磨損機(jī)理分析

按照理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)自卸車所運(yùn)輸?shù)纳笆献鍪芰Ψ治?，可以將其分解為切向力和法向力。其中，砂石微粒在貨箱中由于車輛行駛過(guò)程中頻繁加減速，由于慣性作用向前推進(jìn)或向后退，對(duì)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(duì)于特定運(yùn)動(dòng)方向的特定形狀的砂石微粒來(lái)說(shuō)，在車輛頻繁的加減速過(guò)程中，砂石料顆粒對(duì)于貨箱底板的切向作用力就像刀具在鋼材表面來(lái)回切削一樣，這樣頻繁的切削會(huì)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(huì)加劇，形成量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致貨箱破損失效。這種磨損是目前市場(chǎng)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(guò)鋼板表面的過(guò)程，由物理學(xué)相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論分析，在車輛加減速過(guò)程中，砂石顆粒接觸的鋼板材料具有向前緣和兩邊運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，造成此部分材料具有比較大的不可恢復(fù)的塑性變形，盡管還沒有脫離母體，但在溝底及溝槽附近會(huì)有較大的變形出現(xiàn)。在犁溝過(guò)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(yīng)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(jìn)行相關(guān)的犁皺變形，產(chǎn)生反復(fù)的塑變，這樣而形成的加工硬化或者其他強(qiáng)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(dāng)出現(xiàn)砂石顆粒的硬度大于鋼板表面的硬度的情況時(shí)，礦石顆粒就存在壓入鋼板表面的情況，塑性流動(dòng)在鋼板材料中產(chǎn)生，使得凹坑和相關(guān)的凸緣形成。當(dāng)再次出現(xiàn)上述情況時(shí)，第二次砂石顆粒在此壓入凹坑，塑性流動(dòng)反復(fù)發(fā)生，鋼板材料的硬化過(guò)程不可避免，這樣就會(huì)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(jī)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(jī)制轉(zhuǎn)為另一種機(jī)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(qiáng)度耐磨鋼板俗稱QT板，具有高硬度、高強(qiáng)度特點(diǎn)，在鋼板熱軋成型的基礎(chǔ)上，得到相應(yīng)的硬度和強(qiáng)度則是通過(guò)淬火回火工藝而獲得，一般能夠達(dá)到硬度在400HB以上，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度鋼板

此種材料高強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的塑韌性和缺口強(qiáng)度。熱處理工藝簡(jiǎn)單不存在脫碳；固溶處理后進(jìn)行各種成型加工，再500℃時(shí)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(qiáng)度，所以耐沖擊，強(qiáng)度高，對(duì)于貨箱而言比較適合應(yīng)用于受沖擊力較大的前后板，避免法向力過(guò)大形成的硬化材料脫落。

2.3 耐磨鋼

此種復(fù)合金屬材料主要是由高碳高鉻（鎢）進(jìn)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(dá)到1750HV。此外，一定厚度的板材經(jīng)過(guò)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(jìn)行焊接處理。通過(guò)上述做法，能夠使材料整體保持一定的強(qiáng)度，還能使表面保持非常強(qiáng)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(jì)性。相比于高強(qiáng)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(yīng)該在貨箱的底板和邊板使用。

3 新材料實(shí)際應(yīng)用于貨箱設(shè)計(jì)經(jīng)典案例

3.1 屈服強(qiáng)度與材料厚度理論經(jīng)驗(yàn)公式

我們通過(guò)利用材料強(qiáng)度和耐磨性的提高，來(lái)減少材料的厚度以實(shí)現(xiàn)減輕重量。通過(guò)理論計(jì)算和大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到公式：

t2為高強(qiáng)度鋼的鋼板厚度

RE1為低強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度

RE2為高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度

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

3.2 新材料應(yīng)用于貨箱設(shè)計(jì)案例

前文已經(jīng)講到，對(duì)于公路用自卸車而言降低上裝重量具有著重要的現(xiàn)實(shí)作用?？紤]到公路用自卸車的使用工況，砂石顆粒對(duì)于貨箱的底板和邊板的切向剪切作用和法向沖擊力，對(duì)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(qiáng)板，在其余部位采用經(jīng)濟(jì)性好，現(xiàn)在廣泛使用的錳板。根據(jù)各個(gè)部位受力的具體情況，針對(duì)性的使用合適的材料，這樣可以發(fā)揮材料的特性，對(duì)于減重和降低成本均有著現(xiàn)實(shí)意義。

下邊以某公路用自卸車上裝貨箱使用新材料為實(shí)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(shì)。

根據(jù)公式（1）計(jì)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)度的同時(shí)，延長(zhǎng)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(duì)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(yùn)輸效率，對(duì)于客戶而言，降低成本的同時(shí)，增加了營(yíng)收。這個(gè)成功的案例也給了我們對(duì)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(yīng)用到現(xiàn)有工況下，將是對(duì)于廣大改裝廠和整車廠的一個(gè)重要課題。

4 新材料的發(fā)展對(duì)于上裝設(shè)計(jì)的影響分析

最近幾年，大多數(shù)城市的高速路口都會(huì)檢測(cè)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(shí)別系統(tǒng)等設(shè)施設(shè)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(duì)違法當(dāng)事人進(jìn)行處罰。所以現(xiàn)在超限超載的貨車選擇了國(guó)道，國(guó)道相對(duì)高速來(lái)說(shuō)松一點(diǎn)，但是現(xiàn)在國(guó)道也要開始治超了。現(xiàn)在貨車不用停車檢測(cè)，執(zhí)法人員就能通過(guò)技術(shù)監(jiān)控設(shè)備獲取貨車的稱重?cái)?shù)據(jù)、照片、視頻監(jiān)控等資料。高速非現(xiàn)場(chǎng)治超這兩年就普及的非?？欤瑯訃?guó)道不停車治超系統(tǒng)也可以與非現(xiàn)場(chǎng)治超結(jié)合起來(lái)，達(dá)到更好的效果。下圖為現(xiàn)在通過(guò)電子高科技的治超方案。

隨著治超的進(jìn)一步深入，越來(lái)越嚴(yán)格的治超給公路運(yùn)輸業(yè)帶了更嚴(yán)格的要求，對(duì)于公路用自卸車而言，降低車輛自重，實(shí)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(shè)計(jì)中已經(jīng)越來(lái)越多使用到一些新的材料，比如，通過(guò)選用性能級(jí)別比較高的耐磨鋼板或是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，

能夠在保證貨箱原設(shè)計(jì)強(qiáng)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(shí)際有效容積增大，達(dá)到能夠盡可能多運(yùn)送砂石和剝離物，在空載時(shí)還能有效降低自重，提高運(yùn)輸效率；同時(shí)使得燃油經(jīng)濟(jì)性也有一定程度提高。

總之，通過(guò)新材料的應(yīng)用，能夠改進(jìn)并提升貨箱整體設(shè)計(jì)水平，為貨箱的設(shè)計(jì)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(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：第一，提高運(yùn)輸效率，增加載重量，使得公路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)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(jì)效益提高；第三，延長(zhǎng)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(guò)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(shí)間有所減低，經(jīng)濟(jì)效益所有提高；第七，通過(guò)載重量的增加提高運(yùn)輸效率，提高客戶營(yíng)收，達(dá)到以客戶為核心的出發(fā)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

此文通過(guò)分析在公路用自卸車貨箱的耐磨材料的應(yīng)用，指出在清晰認(rèn)識(shí)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(yīng)該對(duì)于礦山使用貨箱的具體情況進(jìn)行具體分析，以便通過(guò)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(shí)上述研究對(duì)于公路用自卸車使用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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