公路自卸车轻量化方案的应用思考

强鸽鹏

摘 要：文章通过对客户需求及自卸车使用工况的分析研究，探讨在确保承载能力的前提下采用新材料对公路自卸车减重实现上装轻量化。最后就所采用的材料对于货箱设计的影响进行分析，提出符合客户需求的大箱形式，以及指出对于公路运输车辆所需求的上装具体情况进行分析，以便合理的选择车型及货箱形式。

关键词：公路运输自卸车；轻量化；高强度材料；客户价值

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：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

隨着9.21治超政策的持续推进，各地称重上户法规的进一步落地，给自卸车行业提出更为严峻的挑战，基于自卸车的实际使用工况，如何满足行业客户的实际需求是摆在各厂家技术人员面前的一个重要课题。对于公路自卸车来说，上装的货箱重量约占整车整备质量的30%左右，其中90%的上装零部件都是钢板制作的。而作为以运输砂石料为主的公路自卸车来说，上装的磨损非常严重，这是由于上装的底板边板直接与砂石料直接接触，受力作用，使得货厢最大失效模式即底板边板的非正常磨损。所以，通过分析的磨损形式和机理，针对性地研究使用高强度轻量化材料对提高自卸车上装的寿命，提高资源利用率，提高客户使用价值都具有重要的现实意义。

1 公路自卸车上装的磨损机理分析

按照理论力学相关知识对自卸车所运输的砂石料做受力分析，可以将其分解为切向力和法向力。其中，砂石微粒在货箱中由于车辆行驶过程中频繁加减速，由于惯性作用向前推进或向后退，对于货箱而言，货箱受到切向力；使砂石微粒压入钢板表面的力则是法向力。对于特定运动方向的特定形状的砂石微粒来说，在车辆频繁的加减速过程中，砂石料颗粒对于货箱底板的切向作用力就像刀具在钢材表面来回切削一样，这样频繁的切削会产生切屑。尽管这种切屑从厚度和宽度上看都比较小，但随着日积月累，这种切削会加剧，形成量变到质变的转变，从而导致货箱破损失效。这种磨损是目前市场上公路自卸车上装最为常见的失效形式。

分析砂石颗粒划过钢板表面的过程，由物理学相对运动理论分析，在车辆加减速过程中，砂石颗粒接触的钢板材料具有向前缘和两边运动的趋势，造成此部分材料具有比较大的不可恢复的塑性变形，尽管还没有脱离母体，但在沟底及沟槽附近会有较大的变形出现。在犁沟过程中，在切削作用下，部分材料变成切屑，另外一部分没有被切削的材料，则出现犁皱情况，即在塑变之后而推向前缘或者两侧。在两侧和前缘的材料都是由于犁沟或犁皱的堆积作用，这些还应该包括沟槽中的材料，在砂石磨粒作用下，已堆积的材料很可能出现压平的情况，或者再次进行相关的犁皱变形，产生反复的塑变，这样而形成的加工硬化或者其他强化作用力，使得上述部分材料最终剥落而成为磨屑[1]。

受到冲击力的影响，当出现砂石颗粒的硬度大于钢板表面的硬度的情况时，矿石颗粒就存在压入钢板表面的情况，塑性流动在钢板材料中产生，使得凹坑和相关的凸缘形成。当再次出现上述情况时，第二次砂石颗粒在此压入凹坑，塑性流动反复发生，钢板材料的硬化过程不可避免，这样就会产生脆性剥落以致成为切屑。

综上分析，磨料磨损则是多种磨损机理的共同作用的结果，在不同的磨损条件下，即磨料磨损经常从一种机制转为另一种机制，这也就加剧了货箱的磨损，加速失效。

2 公路自卸车货箱常用材料分析

2.1 锰钢板

这种淬火回火高强度耐磨钢板俗称QT板，具有高硬度、高强度特点，在钢板热轧成型的基础上，得到相应的硬度和强度则是通过淬火回火工艺而获得，一般能够达到硬度在400HB以上，抗拉强度在1 200 MP以上，材料密度一般是7.81g/cm?。还能具备较好的焊接性能，具备热切割能力和较好的冷加工能力。

2.2 高强度钢板

此种材料高强度，同时具有良好的塑韧性和缺口强度。热处理工艺简单不存在脱碳；固溶处理后进行各种成型加工，再500℃时效；变形小。淬火后硬度低，冷变形性能和切削性能好；焊接性较好，不容易脱焊，焊缝不容易存在缺陷而失效。此种材料由于具有很高的屈服强度，所以耐冲击，强度高，对于货箱而言比较适合应用于受冲击力较大的前后板，避免法向力过大形成的硬化材料脱落。

2.3 耐磨钢

此种复合金属材料主要是由高碳高铬（钨）进行相关的配比，这样产生的大量的碳化钨、碳化铬的硬质颗粒，上述颗粒的最高微观硬度能够达到1750HV。此外，一定厚度的板材经过使用特殊的粉末冶金的相关制造工艺而成，然后在普通的碳素钢板的基材上进行焊接处理。通过上述做法，能够使材料整体保持一定的强度，还能使表面保持非常强的耐磨性能，不容易被磨损破坏。上述方法可以极大降低成本而提高其经济性。相比于高强度耐磨钢板，考虑到碳化钨、碳化铬的抗冲击性能赶不上前者，所以，在大冲击的工况下，不建议使用，而应该在货箱的底板和边板使用。

3 新材料实际应用于货箱设计经典案例

3.1 屈服强度与材料厚度理论经验公式

我们通过利用材料强度和耐磨性的提高，来减少材料的厚度以实现减轻重量。通过理论计算和大量实践经验得到公式：

t2为高强度钢的钢板厚度

RE1为低强度钢的屈服强度

RE2为高强度钢的屈服强度

通过上式，我们可以清晰的观察到，在满足同等强度要求的情况下，材料屈服强度的提高对于厚度的减少有着很大的帮助，其关系为屈服强度比值的开根方与材料厚度的倒数成正比。屈服强度提高一倍，厚度减少29.2%。这个对于轻量化是具有很大的帮助作用。

3.2 新材料应用于货箱设计案例

前文已经讲到，对于公路用自卸车而言降低上装重量具有着重要的现实作用。考虑到公路用自卸车的使用工况，砂石颗粒对于货箱的底板和边板的切向剪切作用和法向冲击力，对于货箱的持续性破坏很大，故在货箱边板和底板采用耐磨板，在受冲击力大的前后板采用高强板，在其余部位采用经济性好，现在广泛使用的锰板。根据各个部位受力的具体情况，针对性的使用合适的材料，这样可以发挥材料的特性，对于减重和降低成本均有着现实意义。

下边以某公路用自卸车上装货箱使用新材料为实例，反映新材料综合使用在减重和降低成本方面的巨大优势。

根据公式（1）计算可知，使用耐磨板，t2/t1=0.6026，原有12mm厚钢板现在只需要7.23mm，也就是8mm；原有10mm厚钢板现在只需要6mm。使用高强板Q700，t2/t1=0.7020，原有12mm厚钢板现在只需要8.45mm，也就是9mm。

根据上装成本模型计算：

旧方案：7.2×4700=33840元

新方案单纯就材料可以节省3300-4000元，相比较旧方案可以减少9.75%-11.8%。

采用新材料在降低货箱磨损和提高强度的同时，延长了货箱的使用寿命，减少了客户更换成本；重量大幅度的降低，这对于降低整车自重和提高载重量都有很大的意义；极大的提高了运输效率，对于客户而言，降低成本的同时，增加了营收。这个成功的案例也给了我们对于传统上装的一些思考，如何使用新材料新技术，将这些新技术新材料合理灵活的应用到现有工况下，将是对于广大改装厂和整车厂的一个重要课题。

4 新材料的发展对于上装设计的影响分析

最近几年，大多数城市的高速路口都会检测即将上高速的货车，高速公路管理部门利用高速公路出口称重、监控系统、高清车牌识别系统等设施设备，收集涉嫌超限超载车辆的原始数据及信息，定期向属地交通执法部门和公安交通管理部门抄告，交通执法部门根据违法超限证据，对违法当事人进行处罚。所以现在超限超载的货车选择了国道，国道相对高速来说松一点，但是现在国道也要开始治超了。现在货车不用停车检测，执法人员就能通过技术监控设备获取货车的称重数据、照片、视频监控等资料。高速非现场治超这两年就普及的非常快，同样国道不停车治超系统也可以与非现场治超结合起来，达到更好的效果。下图为现在通过电子高科技的治超方案。

随着治超的进一步深入，越来越严格的治超给公路运输业带了更严格的要求，对于公路用自卸车而言，降低车辆自重，实现车辆轻量化，尤其货箱的轻量化就显得极为迫切。

在货箱设计中已经越来越多使用到一些新的材料，比如，通过选用性能级别比较高的耐磨钢板或是高强度结构钢板，

能够在保证货箱原设计强度不变的基础上降低钢板的厚度，使得整体车重有所降低并且箱体实际有效容积增大，达到能够尽可能多运送砂石和剥离物，在空载时还能有效降低自重，提高运输效率；同时使得燃油经济性也有一定程度提高。

总之，通过新材料的应用，能够改进并提升货箱整体设计水平，为货箱的设计提供更宽广的思路，为客户提供更多的选择空间。分析其優点包括以下几个方面：第一，提高运输效率，增加载重量，使得公路运输经济效益有所提高；第二，货箱自重降低，能够有效保证生产成本的降低，使得OEM经济效益提高；第三，延长公路用车使用寿命，使得装载冲击得到缓解；第四，轮胎磨损减少能够实现绿色环保；第五，节能减排能够通过燃油消耗降低而降低；第六，耐磨性提高能够减少资源损耗，维修时间有所减低，经济效益所有提高；第七，通过载重量的增加提高运输效率，提高客户营收，达到以客户为核心的出发点。

5 结语

此文通过分析在公路用自卸车货箱的耐磨材料的应用，指出在清晰认识货箱磨损状况的基础上，了解物料硬度以及具体相关的使用工况条件的基础上，应该对于矿山使用货箱的具体情况进行具体分析，以便通过合理选择耐磨材料，提出有效的解决方案，这样才能有效提高货箱的使用寿命，降低成本。同时上述研究对于公路用自卸车使用有着重要的现实意义。

参考文献

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