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
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隨著社會進步和市場成熟,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?
經(jīng)筆者深入用戶進行調(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,筆者采用相變強化機制,減少昂貴合金元素的加入,利用公司先進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,作為一種先進高強鋼,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)品抗拉強度高達1 100 MPa,而屈強比僅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
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,需進行輕量化設(shè)計。本文采用有限元的方法進行輕量化方案設(shè)計,在HYPERMESH軟件中建立攪拌車筒體有限元模型,然后使用ABAQUS求解器進行攪拌車筒體的強度、剛度分析[1],通過改變罐體及葉片厚度,與原有設(shè)計進行剛度對比的方法并結(jié)合BW300TP新材料進行輕量化方案設(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行約束,在封頭法蘭處利用一維剛性Beam單元鏈接進行三維(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%。
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,同時在進料斗、卸料槽等需要耐磨的部件全部采用了高強耐磨鋼。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剛性分析、結(jié)構(gòu)靈敏度分析、進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。
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高強鋼,屈服強度較520JJ大大提高,且厚度由原來的4 mm減薄到3.5 mm需要進行重新開模,重要的是要進行基于高強鋼材料BW300TP的模具型面成形和回彈補償。
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 葉片成形回彈補償流程
經(jīng)過多輪成形仿真補償后,得到最終的模具型面,補償前后的凸模型面對比如圖8所示。
然后將凸模型面進行偏置指定的厚度,形成凹模型面,再對凹模進行工藝面的擴展,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
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)進行了多次跟蹤測量,詳細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)
采用先進高強鋼理論開發(fā)的新一代高性能耐磨鋼BW300TP,具有獨特的性能優(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,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。