轻量化设计在混凝土搅拌运输车上的应用-汪海朋

整车与上装coMPleteVehicleandisolatedPlants与配件专1002013.4CommercialVehicle商用汽车专用汽车与配件SpecialPurposeVehicle&Parts轻量化设计在混凝土搅拌运输车上的应用汪海朋本文介绍了国内外混凝土搅拌车轻量化发展的基本情况，分析了国内搅拌车实现轻量化的必要性。对高强度钢、铝合金、耐磨涂料、超高分子耐磨板等在搅拌车各总成上的应用，做了较详细的图文描述，并对轻量化设计后搅拌车经济性和社会效益进行了对比分析，进一步论证了轻量化设计应用的价值，为搅拌车轻量化的进一步应用提供了依据，供行业内学习和借鉴。提要1前言由于轻量化设计是汽车节能中最重要的措施之一，汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方向，同时，广泛使用轻质高强度材料也成为汽车发展的重要趋势。现在许多企业均加大技术研发力度，研制更经济、更安全和更轻便的汽车，力争在汽车市场竞争中占得先机。发达国家已在汽车结构上广泛采用铝合金、高强度钢、塑料等，我国部分专用汽车厂家也已在部分车型上采用轻量化材料，如中联重科将碳纤维材料应用在混凝土泵车的臂架上，该材料密度只有钢材的20%，强度是钢材的4倍，使用寿命可达20年[1]。但多数企业因技术开发能力、加工手段等限制，仍以钢材为主。实际上，高强度钢、超高分子耐磨板、耐磨涂料、铝合金等在行业已有很多成功应用案例，并取得市场认可。下面以如混凝土搅拌运输车为例进行介绍。2混凝土搅拌车组成及工作原理混凝土搅拌车主要组成如图1所示。其工作原理为：由底盘发动机取力，通过传动轴带动液压油泵产生高压油，驱动液压马达工作，通过一个低速大转矩减速机带动搅拌筒转动；通过操纵机构可控制搅拌筒的正反转和速度调节，控制搅拌筒进料和出料，实现混凝土装、卸自动化。因混凝土结构的特性，要求搅拌筒、进料斗、卸料槽应能满足进出料速度快，搅拌均匀，不离析，残余率低的特性，同时上述结构应满足刚性及耐磨的要求[2]。3搅拌车各总成轻量化设计方法国家一直在推动汽车节能减排工作，借助轻量化技术实现车辆减重的方法比较直观有效，且已经成为一种趋势。但搅拌车轻量化设计是一个系统工程，涉及到设计、材料、设备、工艺、人员、旧车回收等诸多方面。图1混凝土搅拌车结构示意图液压系统清洗系统搅拌筒操纵前后机架进料斗卸料槽加长槽底盘侧护栏挡泥板踏步爬梯副梁总成保险杠整车与上装coMPleteVehicleandisolatedPlants与配件专1012013.4CommercialVehicle商用汽车专用汽车与配件SpecialPurposeVehicle&Parts结构优化和材料优化是其中最重要的2种实施手段。结构优化是在不降低车辆性能的前提下，对车辆进行更合理的结构调整，减轻自质量；而材料优化则是通过使用高强度钢、耐磨材料和轻质材料等达到减轻总质量的目的。2种方法需协同进行，才能够在保证车辆安全性能和总成本上升不大的前提下，达到轻量化设计及减重节能的效果。在我国因国家标准对轴荷、道路限重的限制，在确定底盘后，搅拌筒容积大小基本就可以确定了。以满载10m3混凝土为例(以下同)，用普通碳钢材料制作的搅拌车上装自质量约4700kg。若广泛采用轻量化设计手段，如搅拌筒采用高强度耐磨钢板，进、卸料槽内衬板采用高分子耐磨材料，挡泥板采用铝合金或塑料，侧护栏采用铝合金型材等，上装自质量可减轻约700kg，并有效减少车辆空载的回程油耗。通过改变搅拌筒结构，相应就可多装0.3m3混凝土，从而达到节油降耗，增加车辆的经济效益的目的，下面分节论述。3.1搅拌筒搅拌筒是搅拌车的关键部件,主要由筒体、法兰盘、导轨和人孔构成，内焊2组180°对称曲面状的螺旋叶片，对防止混凝土固化和离析起着决定性的作用。作为搅拌和运输混凝土的容器，搅拌筒能完成混凝土的搅拌或装卸料作业，使混凝土能均匀的在搅拌筒内流动，不产生离析现象，延长初凝时间。同时搅拌筒结构应满足满载混凝土时不变形、耐磨的要求。可采用下列方法进行减重及延长耐磨时间的设计。3.1.1选用强度更高，耐磨性更好的钢板现在多数厂家采用搅拌筒专用钢板B520JJ或16Mn钢板，虽然比普通钢板耐磨性有所提高，但筒体及叶片钢板厚度一般在5mm以上。以装10m3混凝土为例，搅拌筒净质量一般在2500kg左右。若选用强度更高，耐磨性更好的钢板如AG620JJ、SSABDomex700MC等(见表1),在保证结构强度及使用期限相同的条件下，就可适当减薄搅拌筒的钢板厚度。板厚与强度满足关系：t2=2t1(σe1/σe2)(1)式中：t1，普通度钢板厚度/mm；t2，高强度钢板厚度/mm；σe1，普通度钢板屈服强度/(N/mm2)；σe2，高强度钢板屈服强度/(N/mm2)。从公式(1)可以看出当高强度钢板的屈服强度为普通钢板的2倍时，可以减轻自质量的30％，即使用厚5mm普通钢板的搅拌筒，如果改为高强度钢板，则只需要3～4mm即可，搅拌筒质量约降低400kg以上，减重效果明显。因叶片和搅拌筒内壁要不断和混凝土产生摩擦，叶片厚度可与筒体相同。3.1.2搅拌筒内壁及叶片表面涂耐磨涂料提高耐磨性耐磨陶瓷涂料是一种采用高性能耐磨陶瓷颗粒与惰性的的人工合成原料，经无机聚合技术制成的一种粉状物。属于非金属胶凝材料，具有极高的机械强度、刚度及耐磨性，强度可达130MPa，可有效抵御物料的冲击力和剪切应力。常温耐磨陶瓷涂料的耐磨性能是16Mn钢的9倍、65Mn钢的8倍，密度仅为钢材的1/6，具有优良的韧性和抗震性，断裂韧性强，可有效防止冲击力造成的破损和剥落。因其膨胀系数低，体积稳定，其主要成分为硅酸盐，是一种绿色环保型的产品，在矿山、煤粉发电行业广泛使用。该耐磨陶瓷涂料可采用人工或机械方式，通过添加特制液体无机胶水均匀混合后涂抹在搅拌筒体内壁及叶片表面，经过一系列的化学反应，在常温下3天后可达到陶瓷的结合强度和硬度。一般情况下，10m3搅拌筒内表面积约为60m2，按涂层厚度平均3mm计算，质量仅增加180kg，而采用高强度钢板的搅拌筒总质量仍比采用普通钢板轻220kg。应用耐磨陶瓷涂料，搅拌筒的总质量没增加，但搅拌筒耐磨性显著提高，延长了搅拌筒的使用寿命，减少了更换搅拌筒牌号σs/(N/mm2)σb/(N/mm2)δ/%硬度HBB520JJ≥380≥520≥20114B620JJ≥500≥620≥17162Domex700MC≥700750-950≥12270表13种钢材的机械性能图2搅拌筒内壁涂耐磨涂料图3采用复合材料的混凝土搅拌筒整车与上装coMPleteVehicleandisolatedPlants与配件专1022013.4CommercialVehicle商用汽车专用汽车与配件SpecialPurposeVehicle&Parts及叶片的费用。3.1.3复合材料搅拌筒复合材料搅拌筒具有质量轻、耐磨性好、维护费用低、噪声小、使用寿命长等特点，已由美国MCNEILUS公司研发并成功使用(见图3)。该搅拌筒能像金属搅拌筒那样承受同等载荷的混凝土，自质量却比金属搅拌筒轻约907kg，营运商每车次能多运送0.38m3混凝土。我国受材料来源、制作工艺、成本等限制，暂时还没有采用该材料的产品。但其先进的轻量化设计理念，优越的性能，代表搅拌车发展方向，应引起行业广泛关注。复合材料搅拌筒结构特点及制作方法，详见2008.10《建筑机械》上半月刊[3]有关介绍，本文不再论述。3.2进料斗混凝土通过进料斗导入搅拌筒，根据搅拌方式的不同，进料斗结构也不同。混凝土分为干式搅拌和湿式搅拌，干式搅拌进料斗因其混合料流动性较差，一般采用图4的结构，以利于混合料的顺利流动；湿式搅拌进料斗因要保证预拌混凝土在进料时及路上行走时不溢料，一般做成图5的结构。湿式搅拌进料斗因有结构拐角更易磨损，所以钢板制作的进料斗一般在内部附1～2层厚3～4mm的耐磨钢板(见图6)，虽然延长了进料斗耐磨时间，但增加了进料斗质量约40%以上。现有一种超高分子量聚乙烯板材(UHMWPE)(以下简称聚乙烯板)，该板材耐磨性是碳钢的3～7倍，密度是钢材的1/8。摩擦系数小，不粘结物料，抗冲击，强度高；耐酸、碱、盐腐蚀，不老化，质量轻，是用在进料斗衬里的最佳材料。该聚乙烯板可剪裁拼装成任意形状，通过沉头螺钉安装在进料斗内衬里(见图7)，同时可降低混凝土进料时的噪音，消音效果较好。一般板厚在5mm即满足要求，采用聚乙烯板可减少频繁更换耐磨钢板内衬的麻烦，降低维修费用。进料斗内涂耐磨涂料(见图8)，也可达到提高耐磨性和减重的目的，耐磨涂料涂法同3.1.2节要求。进料斗内壁加装耐磨钢板之后的总质量约107kg，而加聚乙烯板的总质量约56kg，减重51kg。3.3卸料槽搅拌筒反转将混凝土从出口通过卸料槽导流到达作业面，为保证混凝土快速连续流动，卸料槽一般做成圆弧槽型且容积≥0.3m3，须有足够的刚度和耐磨性(见图9)。普通钢板制作的卸料槽一般在内壁再附一层厚3mm～4mm的耐磨钢板，有的在冲击部位再加装一块耐磨钢板(见图10)，以保护卸料槽局部耐磨，延长使用时间，但却增加了卸料槽质量约35%以上。在保证卸料槽整体刚性前提下，可通过采用高强度耐磨钢板、涂耐磨涂料、内衬聚乙烯板等方法进行卸料槽轻量化设计。卸料槽在采用高强度钢板保证结构强度前提下，内壁可用聚乙烯板(见图11)或涂装耐磨涂料的方法(见图12)，来达到提高耐磨性和减重的目的，方法同3.12节和3.2节要求。卸料槽加装耐磨钢板总质量约为92kg，加聚乙烯板总质量为58kg，减重34kg。3.4加长槽加长槽相对卸料槽使用频率较低，在保证结构强度前提下，一般做成单层。一节板厚2mm，长800mm的钢板制作的加长槽总质量约20kg，有些工地要加挂3～4节加长槽，因要频繁地在卸料槽尾部装卸和图4干式搅拌进料斗图5湿式搅拌进料斗图6进料斗内壁加耐磨钢板图7进料斗内壁加聚乙烯板图8进料斗内壁涂耐磨层图9卸料槽卸料中图10卸料槽内衬钢板图11卸料槽加聚乙烯板图12卸料槽内壁涂耐磨层整车与上装coMPleteVehicleandisolatedPlants与配件专1032013.4CommercialVehicle商用汽车专用汽车与配件SpecialPurposeVehicle&Parts固定，若不控制加长槽质量，将增加操作者劳动强度和车辆自质量。用相同规格的铝合金材料制作的加长槽，总质量约7kg(见图13)；而用聚乙烯板外加固定框架结构制作的加长槽，总质量约10kg(见图14)。以上方式均可有效减轻加长槽总质量，表2为几种常用铝合金材料性能。综合考虑耐磨性、持久性、加工方法等因素，采用聚乙烯板外加固定框架结构制作加长槽效果较好。3.5侧护栏搅拌车需安装国家强制标准要求的侧护栏结构，在保证刚性要求前提下，应考虑用成型铝型材来有效降低侧护栏质量，且外形美观，不生锈(见图15)。其护栏断面尺寸、间距、安装位置、结构强度等须符合国家标准GB11567.1的要求。据测算，车辆左右两边侧护栏用成型钢材自质量约60kg，用成型铝型材自质量约40kg，可减重20kg。3.6挡泥板6×4底盘搅拌车双后桥左右对称安装挡泥板，有时挡泥板上需存放加长槽或作为后爬梯的过渡踏板，因此需保证挡泥板有足够的刚度。现搅拌车挡泥板多数厂家采用钢板制作，主要由于钢材来源丰富，加工方法多、造价低。但是也存在自质量大，易生锈，易开裂等问题。可通过支架加强和局部加强等优化设计手段，采用铝合金板材可有效降低挡泥板自质量(见图16)；也可通过改变后爬梯结构形式，如采用折叠式铝合金材料爬梯(见图19)；采用塑料整体制作的挡泥板(见图17)，使施工人员不再以挡泥板为载体上下，则自质量更轻。钢板制作的左右挡泥板总质量约为220kg，相同尺寸的铝合金板材质量约为76kg，采用塑料模具整体成型的挡泥板自质量仅为40kg，最高可减重180铝合金牌号及状态拉伸强度(25ºC)/MPa屈服强度(25ºC)/MPa硬度/HB延伸率/%焊接性切削性耐蚀性5052—H322301956012容易较好很好5083—H3