礦用自卸車車架材料選型及應(yīng)用

霍延通 董磊 戈超

摘要：礦用自卸車作業(yè)環(huán)境較為惡劣，車架作為整車的基體，需要承載各個(gè)系統(tǒng)部件和貨物的重量，這就需要車架選擇合理的材料，提高車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。本文詳細(xì)闡述了礦用自卸車車架材料應(yīng)用情況，為車架材料選型指明了方向，以此提高車架的可靠性。

關(guān)鍵詞：礦用自卸車;車架材料;選型;應(yīng)用;可靠性

中圖分類號(hào)：U461.6+1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0071-02

0 ?引言

礦用自卸車是用于礦石或土方運(yùn)輸?shù)膶I(yè)設(shè)備，具有載重大、運(yùn)程短、工作效率高等特點(diǎn)。車架作為礦用自卸車的主體，主要起支撐和安裝固定的作用，擔(dān)負(fù)著承載貨物、布置其余系統(tǒng)部件的功能[1]。由于整車自重和載重較大，所以車架需要承受較大的疲勞載荷，加之礦山環(huán)境惡劣及路況復(fù)雜易使車架發(fā)生開裂，降低車架的使用壽命。

目前，礦用自卸車朝大型化、輕量化發(fā)展，在保證車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，對(duì)車架自身減重，并且為應(yīng)對(duì)車架結(jié)構(gòu)開裂問(wèn)題，提高車架抗疲勞載荷能力，對(duì)車架材料選型具有重大意義。

1 ?礦用自卸車車架材料應(yīng)用分析

1.1 國(guó)外礦用自卸車車架材料應(yīng)用分析

礦用自卸車最早起源于國(guó)外，技術(shù)成熟的品牌主要有卡特彼勒、特雷克斯、利勃海爾、小松、日立建機(jī)、尤尼瑞格等。根據(jù)技術(shù)路線的不同，在選擇車架材料方面可以分為兩個(gè)流派：①低強(qiáng)材料一美標(biāo)A572 Grade50/Grade40，廠家有小松、卡特。②高強(qiáng)材料一美標(biāo)A656，A710/A514，廠家有尤尼瑞格，利勃海爾，日立。 其中，HG7OE/Q550 （特雷克斯）或者Q690（日立R190/R170，小松630E等）。（表1）

尤克里德是最早的礦用自卸車廠家（始于1936年），擁有非公路自卸車的基因，由于1960年之前，其統(tǒng)治了整個(gè)非公路自卸車市場(chǎng)，因此其它廠家或多或少都會(huì)有一些參考了尤克里德的礦車，雖然礦車行業(yè)經(jīng)歷了數(shù)次變革，但實(shí)踐已經(jīng)無(wú)數(shù)次證明了尤克里德技術(shù)的迷人之處;尤尼瑞格始于1958年，是最早的電動(dòng)輪礦用自卸車廠家，最初選材屈服強(qiáng)度為690MPa，經(jīng)歷一番事情后，改成了550MPa并沿用至今，性能非常類似于美標(biāo)ASTM A656;WABCO是小松的前身，生產(chǎn)自卸車的歷史可以追溯到1956年;別拉茲是白俄羅斯的國(guó)有企業(yè)，其自卸車的發(fā)展獨(dú)立于其它廠家。

小松早期的礦車車架均為全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，從1987年首次推出鑄板焊接結(jié)構(gòu)的830E開始，“以鑄代焊”逐漸成為小松礦車底盤設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，鑄件重量從占車架重量的20%，一步步增加到50%，焊接用鑄件抗拉強(qiáng)度約為620MPa;但從公開的資料看，小松礦車材料近30年一直沒有做過(guò)改變，其車架材料為A572的Grade50，墊板材料為A36，A572對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)材料Q345，A36對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)材料Q235。

卡特車架有其獨(dú)特的風(fēng)格，通過(guò)大量使用鑄件來(lái)盡量減少焊接量，板材用的很少，鑄件屈服強(qiáng)度為241MPa，鋼板屈服強(qiáng)度為290MPa。

目前，日立200噸級(jí)以下的礦車用的是不易焊接修復(fù)的材料，其屈服強(qiáng)度為690MPa，200噸級(jí)以上的礦車車架用材為A572 Grade50，材料屈服強(qiáng)度為350MPa左右。日立有在車架上用690MPa材料的經(jīng)驗(yàn)，由于小噸位產(chǎn)品在市場(chǎng)上運(yùn)行了有幾十年時(shí)間，性能一直不錯(cuò)，因此沒有在小噸位礦車上進(jìn)行材料的替換;2000年之前，礦業(yè)公司對(duì)礦車車架的壽命要求為40000h，而目前對(duì)礦車車架的壽命要求為60000h，A572材料的疲勞強(qiáng)度和礦車車架焊縫的預(yù)期壽命是一致的，從等壽命設(shè)計(jì)理念出發(fā)，日立大噸位的新設(shè)計(jì)車型強(qiáng)度等級(jí)選擇了低強(qiáng)度的材料而沒有繼續(xù)選用690MPa屈服強(qiáng)度的材料。

利勃海爾礦車的創(chuàng)始人來(lái)自尤尼瑞格，因此其設(shè)計(jì)理念有很多的相似，車架的強(qiáng)度等級(jí)也相同，均為屈服強(qiáng)度550MPa的ASTM A710材料，A710標(biāo)準(zhǔn)是美標(biāo)老牌號(hào)，目前并不先進(jìn)，ZG18CrMo+QT是利勃海爾的專用材料，焊接性與力學(xué)性能均非常好。

1.2 國(guó)內(nèi)礦用自卸車車架材料應(yīng)用分析

我國(guó)對(duì)非公路（礦用）自卸車長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，從20世紀(jì)70年代開始研制這種產(chǎn)品，直到90年代才形成一定規(guī)模[2]，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有湘電、天業(yè)通聯(lián)、中冶京城、北重、同力、臨工、徐工礦機(jī)、徐工汽車、鵬翔、宇通等。（表2）

同力車架材料主要選用特高強(qiáng)度汽車用鋼T700，屈服強(qiáng)度在620MPa以上，抗拉強(qiáng)度在700MPa以上，應(yīng)用在車架大梁腹板及上下翼板，焊接性能較差;臨工及徐工汽車車架材質(zhì)為汽車大梁用熱軋鋼610L，屈服強(qiáng)度510MPa到525MPa，臨工寬體自卸車從2013年開始到2020年，市場(chǎng)份額已經(jīng)接近三分之一，其與同力寬體車產(chǎn)品基本代表了寬體自卸車的最高水平;鵬翔礦車選用低合金高強(qiáng)鋼460D，在低碳當(dāng)量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加了微合金元素的含量，具有良好的焊接性和強(qiáng)度;宇通車架材質(zhì)為510L+Q345，在低載荷焊接區(qū)選用Q345，優(yōu)化焊接工藝;徐工礦機(jī)礦車為焊接車架，選用Q345作為車架主要材質(zhì)，在疲勞載荷較大區(qū)域使用鑄件，兼顧焊接性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 ?礦用自卸車車架材料選型

礦用自卸車車架材料選型要兼顧性能和強(qiáng)度，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、焊接性能等，為減輕車架自身重量，降低整車成本，要選擇合理的鋼板材料，以此提高車架的可靠性和易維修性。

在載荷一定的情況下，結(jié)構(gòu)剛度取決于結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式與材料類型，反映在計(jì)算中，整體剛度矩陣與彈性模量，對(duì)于鐵基材料（鐵素體鋼、奧氏體鋼及鐵基超合金）來(lái)說(shuō)，彈性模量極為接近，約200GPa，由于當(dāng)前的自卸車覆蓋件材料均為鐵基材料，結(jié)構(gòu)形式便成為影響結(jié)構(gòu)剛度的主要因素。

礦用自卸車的車架材料究竟是應(yīng)該選擇高強(qiáng)鋼，還是普通鋼，不同的廠家有不同的做法，高強(qiáng)鋼可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)礦車減重的目的，這也是日立、利勃海爾依然在很多車型上使用高強(qiáng)鋼的原因。

以400噸級(jí)的自卸車為例，分析高強(qiáng)鋼帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：（表3）

通過(guò)分析表3，可以看到高強(qiáng)鋼帶來(lái)的自重的減輕，作為后入市場(chǎng)者，如果將550MPa的材料改成345MPa的材料，礦車自重將大大增加，造成競(jìng)爭(zhēng)力的大幅下降。更何況利勃海爾和日立在礦車車架上應(yīng)用高強(qiáng)度鋼已經(jīng)有近40年的歷史，雖該種鋼材具有高邊緣敏感度，焊接相對(duì)困難，但在車架強(qiáng)度比耐久性更重要的情況下，傾向于選擇使用該材料，使用這類鋼材需要額外當(dāng)心焊接接頭，焊接后使用打磨或者增強(qiáng)疲勞壽命的技術(shù)處理時(shí)，表現(xiàn)良好。實(shí)踐證明，屈服強(qiáng)度在550MPa到690MPa的高強(qiáng)度鋼用在礦車上是合理的。

尤尼瑞格的車架材料雖類似于美標(biāo)A656-80，但屬于定制牌號(hào)，降低了硫含量，并由“可控軋制”制造，具有很好的焊接性和耐疲勞特性。

國(guó)內(nèi)寬體自卸車大多為鉚接車架，主要是借鑒重卡行業(yè)的鉚接式結(jié)構(gòu)，采用鉚釘和螺栓連接，焊接量少，材料選用510L、610L、T700等低合金高強(qiáng)鋼，雖焊接性能較差，焊接工藝嚴(yán)格，但質(zhì)量輕并具有較高的強(qiáng)韌性和良好的塑性;國(guó)內(nèi)剛性自卸車大多為焊接車架，車架材料主要選用Q345，其屬性一般可通過(guò)熱軋過(guò)程，使其脫氧、晶粒細(xì)化獲得，例如ASTM A572等級(jí)50和60，ASTM A607，他們與世界各地生產(chǎn)的鋼匹配良好，其典型的機(jī)械性能往往會(huì)比指定的最小值高10-20%，他們提供良好的抗沖擊性和低的缺口敏感性，此種鋼材往往加工硬化，并且非常容易焊接，此種鋼材的疲勞壽命和通常用在運(yùn)輸卡車車架焊縫的預(yù)期壽命更緊密地一致，這可以給予我們很重要的啟發(fā)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)礦用自卸車材料選型分析，低強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋼各有優(yōu)勢(shì)，低強(qiáng)鋼可帶來(lái)良好的焊接性，高強(qiáng)鋼易實(shí)現(xiàn)車架減重，在礦車車架不同載荷區(qū)段要選擇合適的材料，這對(duì)提高車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)輕量化具有實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]申晉憲，王鐵.載貨汽車總體設(shè)計(jì)分析[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[2]裴潔，李來(lái)平.淺析非公路（礦用）自卸車概況及標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].CNKI，2010（03）：15-18.

作者簡(jiǎn)介：霍延通（1991-），男，河北邯鄲人，工程師，碩士，2018年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，現(xiàn)任徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司結(jié)構(gòu)工程師，主要從事礦用自卸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。