聚乙烯板在攪拌車卸料溜槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張志勇

為了延長(zhǎng)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(guò)程中費(fèi)用的降低，筆者根據(jù)國(guó)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(guò)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。

攪拌車鋼制卸料溜槽結(jié)構(gòu)

混凝土攪拌運(yùn)輸車(下簡(jiǎn)稱攪拌車)上的卸料溜槽是攪拌車卸料系統(tǒng)的一部分，長(zhǎng)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(guò)于單薄，就會(huì)造成其過(guò)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(guò)半年，這就給用戶帶來(lái)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(chǎng)影響。現(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(zhǎng)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(guò)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(jiàn)圖2)。

UHMW-PE板性能及應(yīng)用

目前，國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(rùn)滑、衛(wèi)生無(wú)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(jiǎn)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(guó)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(jiàn)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(wàn)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(rùn)滑性等性能指標(biāo)是否符合要求，經(jīng)過(guò)美國(guó)市場(chǎng)幾十年來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)槽上的應(yīng)用(見(jiàn)圖5)，既可以減輕加長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(wú)任何異?，F(xiàn)象，其他物理性能也幾乎沒(méi)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(zhǎng)了卸料溜槽的使用壽命。

(5)衛(wèi)生無(wú)毒性。UHMW-PE衛(wèi)生無(wú)毒，得到美國(guó)食品及藥物行政管理局和美國(guó)農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可，可用于接觸食品和藥物，是一種環(huán)?？煽康墓I(yè)材料，對(duì)混凝土沒(méi)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(wú)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(guò)程中產(chǎn)生斷裂，也不會(huì)在使用過(guò)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(guò)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(zhǎng)，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(lái)說(shuō)，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(rùn)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(rùn)滑油后的潤(rùn)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。

UHMW-PE板卸料溜槽的設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(guò)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(guò)量磨損，可以將其拆卸下來(lái)進(jìn)行更換。如果生產(chǎn)的攪拌車產(chǎn)量很大，可以開(kāi)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(chǎng)價(jià)位為200元/m2左右，溜槽的展開(kāi)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(lái)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(zhǎng)為客戶帶來(lái)了長(zhǎng)久的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過(guò)用戶的長(zhǎng)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(méi)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(lái)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(cāng))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(shù)脂及材料,2008.25(5)：29-31.

[2] 顧冰芳,龔烈航,徐國(guó)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(kāi)發(fā)與性能研究[J].玻璃鋼、復(fù)合材料,2004(1)：14-17.