新型耐磨鋼在混凝土攪拌車上的輕量化應(yīng)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(jìn)步和市場成熟，用戶對混凝土攪拌車產(chǎn)品輕量化、耐磨性等方面也提出了更高的要求。以鋼結(jié)構(gòu)件為主的攪拌車產(chǎn)品要達(dá)到輕量化的要求，現(xiàn)階段的主要手段就是采用更薄的高強(qiáng)度新材料取代傳統(tǒng)材料。但材料減薄后，對于需要承擔(dān)裝載和攪拌功能的罐體而言，則意味著剛度下降，進(jìn)而影響使用壽命。有沒有一種材料，既能滿足輕量化減薄設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)耐磨鋼

經(jīng)筆者深入用戶進(jìn)行調(diào)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(yīng)的材性要求恰恰是“高硬度”和“低屈強(qiáng)比”這一對矛盾，而且新鋼種設(shè)計時也要考慮攪拌車制造業(yè)對鋼板成本比較敏感這一關(guān)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(qiáng)化機(jī)制，減少昂貴合金元素的加入，利用公司先進(jìn)的在線熱處理裝備和特殊的生產(chǎn)工藝，研發(fā)出一種新型高性能耐磨鋼BW300TP，作為一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼，該產(chǎn)品已被認(rèn)定為全球首發(fā)產(chǎn)品和上海市高新技術(shù)成果產(chǎn)品，并取得國家專利授權(quán)。該產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 100 MPa，而屈強(qiáng)比僅0.60左右，成功克服了傳統(tǒng)耐磨鋼“高硬度”伴隨“高屈強(qiáng)比”和成形困難的問題。BW300TP典型性能參數(shù)見表1。

表1 BW300TP典型性能及其與傳統(tǒng)鋼的對比

在磨蝕實驗室內(nèi)模擬混凝土攪拌車罐體工況條件下的耐磨蝕試驗結(jié)果見圖1。從試驗結(jié)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(jié)果

3 耐磨鋼在攪拌車筒體上的輕量化應(yīng)用

3.1 設(shè)計

攪拌車筒體常規(guī)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(jìn)行輕量化設(shè)計。本文采用有限元的方法進(jìn)行輕量化方案設(shè)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(jìn)行攪拌車筒體的強(qiáng)度、剛度分析[1]，通過改變罐體及葉片厚度，與原有設(shè)計進(jìn)行剛度對比的方法并結(jié)合BW300TP新材料進(jìn)行輕量化方案設(shè)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(jìn)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(wǎng)格劃分、邊界條件及加載均在HYPERMESH軟件中進(jìn)行處理。有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)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(jìn)行約束，在封頭法蘭處利用一維剛性Beam單元鏈接進(jìn)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(wǎng)格模型和加載約束方式如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)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(jìn)行撓度和應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖4所示，經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)帶來的下沉。

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

圖4 罐體下沉撓度與應(yīng)力分析

綜上所述，并考慮安全性和不可預(yù)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(chǔ)上，客戶公司采用BW300TP進(jìn)行了輕量化新型筒體設(shè)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(jīng)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(jìn)行工藝調(diào)整，工藝參數(shù)逐步得到優(yōu)化，近年來實現(xiàn)了BW300TP的批量穩(wěn)定化應(yīng)用，截至2018年底，累計用量約2.5萬t。

為充分發(fā)揮高強(qiáng)耐磨鋼BW300TP的優(yōu)勢，客戶公司分別開發(fā)了用于國內(nèi)和國外的兩套壓制BW300TP的葉片模具，同時在進(jìn)料斗、卸料槽等需要耐磨的部件全部采用了高強(qiáng)耐磨鋼。經(jīng)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(shè)計和調(diào)試，以及整車多種工況的強(qiáng)剛性分析、結(jié)構(gòu)靈敏度分析、進(jìn)料斗和卸料槽一次成型分析及模具設(shè)計等，使產(chǎn)品上裝的總質(zhì)量下降了20%。輕型攪拌車筒體應(yīng)力云圖及料槽如圖5所示。

3.3 專用模具開發(fā)

圖5 輕型攪拌車筒體應(yīng)力云圖及料槽設(shè)計

模具開發(fā)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(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)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(jìn)行重新開模，重要的是要進(jìn)行基于高強(qiáng)鋼材料BW300TP的模具型面成形和回彈補(bǔ)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(dǎo)入軟件中進(jìn)行坯料生成、凸凹模設(shè)置及成形工藝參數(shù)設(shè)置。葉片成形回彈補(bǔ)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(bǔ)償流程

經(jīng)過多輪成形仿真補(bǔ)償后，得到最終的模具型面，補(bǔ)償前后的凸模型面對比如圖8所示。

然后將凸模型面進(jìn)行偏置指定的厚度，形成凹模型面，再對凹模進(jìn)行工藝面的擴(kuò)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(fā)流程，采用此流程可重復(fù)仿真開發(fā)其他的葉片。

左右旋兩套葉片模具的開發(fā)，使生產(chǎn)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(guī)則是靠右行駛的大陸國家和地區(qū)，右旋葉片的攪拌車則適用于交通規(guī)則是靠左行駛的島嶼國家和原英聯(lián)邦的國家和地區(qū)。

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(guān)注服役應(yīng)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(nèi)余料常用工具是風(fēng)鎬，在操作過程中，風(fēng)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(chǎn)生不可修復(fù)的塑性變形，在筒體表面產(chǎn)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(chǎn)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(qiáng)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(jīng)服役4年多，技術(shù)人員對其連續(xù)進(jìn)行了多次跟蹤測量，詳細(xì)記錄了各典型部位的厚度減薄情況，見圖10。新型罐車連續(xù)運(yùn)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(fā)生在后錐部位，4年減薄僅0.15 mm，同樣根據(jù)實測數(shù)據(jù)，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(jié)語

采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼理論開發(fā)的新一代高性能耐磨鋼BW300TP，具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，高耐磨、易加工，已批量應(yīng)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(zhàn)略的全面推進(jìn)，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(jié)能降耗等顯著優(yōu)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。