半挂车大梁用高强热轧H型钢与高强板的对比分析

半挂车大梁用高强热轧H型钢与高强板的对比分析作者：吴保桥，吴结才来源：《专用汽车》2011年第8期吴保桥吴结才WUBao-qiaoetal马钢技术中心安徽马鞍山243000摘要：介绍了高强度钢车辆目前存在的主要问题，对高强热轧H型钢和高强板在半挂车大梁上应用进行了对比分析。关键词：半挂车轻量化高强钢H型钢中图分类号：U496.5+3.04；U465.2+2文献标识码：B文章编号：1004-0226（2011）08-0071-031前言半挂车是公路运输中的主要车型之一，随着我国车辆费用的改革及实施燃油税后，公路运输超限超载治理也日趋严厉，半挂车超载已经是得不偿失。在车辆总质量一定的情况下，怎样才能使得经济效益最大化，成为半挂车用户首要考虑的问题，这便使半挂车轻量化被提到了议事日程上来。现在我国高强度钢材料国产化已取得长足发展，已经具备国产钢材生产轻量化半挂车的条件，然而半挂车真正采用和普及高强度钢尚存在如何用好的适应过程。下面将就高强度钢车辆存在的问题，以及高强度热轧H型钢和高强板在半挂车上的应用进行对比分析。2高强度钢在半挂车上的应用半挂车车架纵梁通常为工字钢变截面梁，材质为高强度焊接结构钢板。通过使用高强度材料，理论上可以保证车架强度和刚度，且比使用普通钢材降低自重30%左右，进而减轻自重，达到提高车辆运输效率的目的，因此高强钢材料受到车辆制造企业和半挂车用户的欢迎。然而高强钢在减重增效的同时，若使用不当也会给车辆的行驶安全带来隐患。笔者认为以下两点应引起重视。2.1大梁减重设计需满足刚度条件要保证车辆安全稳定运行，不仅要求制作大梁的钢板有一定的强度，还要求制作完成后的大梁具有一定的刚度，即抵抗承载后的弯曲变形能力。由材料力学的理论可知，大梁的强度主要取决于制作大梁的钢材强度，大梁的刚度则主要取决于大梁的抗弯截面模量W2（W1与截面形状、面积以及金属在截面上的分布有关）。对于主要承受弯矩的梁形构件，工字形截面是最佳的选择，当工字形截面高度一定时，上下翼缘板所占的面积越大，其W2值也越大，抵抗弯曲变形的能力越强。从上面的分析可知，制作大梁的钢板强度提高后，其厚度不能减至极薄，还应保证大梁和车架的刚度。实际工作中曾接触过一个应用实例（见表1，尺寸规格单位为mm。下同），某厂制造的标载40t半挂车，轻量化前所用材质为Q345B,焊接大梁规格为500x146x8x14x16（编号1）,在用户提出选用高强度钢材使其整备质量轻量化的要求下，如果单纯按照文献中的计算公式，改用材质为Q700，其腹板规格厚度为5.6mm，上下翼缘厚度分别为98mm和11.2mm，因此高强度钢板的规格应选用500x146x6xlOx12（编号2），但该厂选用的大梁规格为500x146x5x8（编号3）。粉，丽 山丈乳梆诚溯材料腐厚垠丽JfiST即唏别柚料漏反就I潇弑.时厦股J：4WESI吼cu'应单里MilIs.虹I楠M昏亦H小QMS1掀336网1例山1娜:艮JWL?枷4畤1271.4Ji湖砒"吁姑4■QTMSQ7叫泗4D.T1Q$8J从表1可以看出，当钢板的强度由Q345提高到Q700时，依据强度等代的原则，可以选用工字形截面的尺寸由编号1的规格减薄为编号2的规格，大梁减重约为420kg（大梁长度以13m计算，下同），但抗弯截面模量也相应减小为原来的74.92%。当选用编号3的规格时，大梁减重约为632kg，但抗弯截面模量也相应减小为原来的62.1%，大梁的承载能力无论是强度还是刚度都下降了。如果把半挂车梁的承载看作是均布载荷（见图1），可以根据理论公式计算出该梁在均布载荷下的挠度。其公式为：it,ftMW从公式（2）可知，梁的长度和承载方式确定后，A、Q、L和E为不变量，梁受压后的变形即挠度与截面惯性矩有关；由表1可以看出，编号2规格的截面惯性矩只有编号1规格的76%，而编号3规格的截面惯性矩只有编号1规格的59%。因此，当采用编号3规格大梁的半挂车运货上路后，大梁的变形最大，即使在路面状况良好的路段，车辆运行过程中大梁也会因持续的上下颠簸而导致疲劳损坏。就结构强度方面来讲，超过了承载力极限状态的情况有以下几种：一是结构构件或连接处因强度超过了承载力；二是结构或其中某部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑移）；三是在反复载荷下构件或连接处发生疲劳破坏。采用编号2规格大梁制造出的半挂车不会出现前两种情况，但由于车架刚度降低，需重新校核大梁的挠度。而采用编号3规格大梁制造出的半挂车在上述3种情况下都有可能发生，则是相当危险的。由于车辆在运行过程中所承受的是动载荷，极易出现疲劳裂纹（如图2），并且因为材质强度高，火焰校正或修补时裂纹会扩展而导致大梁报废。鲜^北椅车土策上的醐2.2规范操作，保证焊接质量采用钢板焊接大梁，主要工序是焊接，影响大梁质量的关键工序也是焊接。特别是Q700高强板，为提高材料的强度，生产过程中加入了一定量的合金元素，这些合金都会对焊接质量产生影响。车辆生产企业则需针对具体的材质，进行焊接工艺评定试验，制定相应的焊接工艺规程，选派有一定技术水平的操作工进行施焊，并对焊接之后的焊缝进行探伤检验。3高强热轧H型钢与高强板在半挂车上的应用对比分析3.1热轧H型钢特点热轧H型钢是一种经济断面型钢，由万能轧机轧制而成（见图3），其截面性能均匀、截面尺寸精确、精度高，不需校正工序，制作成本较低。与焊接H型钢相比，在截面相同的情况下可节约15%N20%钢材；焊接H型钢是将三块钢板经焊接组合而成，由于焊接局部高温产生变形，需采用专门的防变形措施及校正工序，其残余应力大，截面尺寸、形状的准确性较低，且工序较多，费用高。一般钢构件在焊接、火焰矫正工序中容易出现微裂纹，在车辆运行过程中这些微裂纹就会成为裂纹源，随车车辆长时间运行而扩展，从而出现车辆运行事故。特别对于运输重型货物承受动载荷的大梁结构来说，焊接量越少，车辆的运行安全性就越高，一般出口车辆对焊接量的要求很严格，同时对火焰校正也作了严格的限制。热轧高强H型钢由于是整体轧制，与焊接H型钢相比，省去了大量的焊接工作量，无需校正工序，且残余应力小。瞒础13然而，热轧H型钢也存在以下问题：一是根据半挂车大梁的结构特点，要求腹板薄而翼缘厚，且上下翼缘不等厚。但是热轧H型钢的生产有其自身的特点，一般中大规格热轧H型钢是由连镑异型坯通过万能轧机轧制，现有的异型坯其腹板比翼缘厚(见图4)，而大梁所用的H型钢又要求腹板比翼缘薄，因此导致腹板的延伸度比翼缘大，但在轧制过程中翼缘和腹板延伸须得保证一定的比例，否则易出现腹板波浪和弯曲。就目前的生产情况看，翼缘和腹板的厚度比值须小于2。二是在万能轧机轧制过程中由于金属是对称变形，上下翼缘须等厚，否则在轧制过程中坯料易出现侧向弯曲而冲出轧制辊道。三是目前热轧H型钢还处于起步阶段，各半挂车企业对其认识不足，单个半挂车企业订货量较少，导致生产成本高，但是随着热轧H型钢市场推广的力度加大，当订货量增加后，成本会逐渐降低。四是目前半挂车企业根据用户的要求制作车体的随意性较大，对规格的要求较多，而热轧H型钢一套轧辊投资较大，因此在短时间内不可能具备很多规格的H型钢型材。3.2高强板的特点采用高强板制作半挂车大梁有如下优点：一是可以根据用户需求制作不同规格的大梁；二是可以制作变截面大梁，且可以做到上下梁不等厚不等宽；三是成卷运输方便。但是目前在半挂车应用上，高强板制作的大梁还存在以下问题：一是生产效率低，大梁制作工时长；二是对焊工的技能要求高，增加了生产成本；三是钢板存在切割缺陷和强度降低现象，高质量半挂车要求切割钢板边缘打磨；四是采用同等强度级别的焊条焊接后性能不能满足要求，焊后会出现裂纹等缺陷，而且由于车辆在行驶过程中所承受的是动载荷，容易出现疲劳裂纹，又因为材质强度高，火焰校正或修补时会因裂纹扩展而导致大梁报废。4高强热轧H型钢应用于半挂车上的分析首先，目前国内拥有大型H型钢线的生产厂家有马钢、河北津西、山东莱芜3家钢企，小型H型钢生产线国内包括马钢在内的也有十几条，年产销H型钢约1000万t，因此高强度热轧H型钢应用于半挂车大梁在硬件上已成为可能。其次，马钢针对半挂车市场需求，于2007年率先开发并销售了MGL510C(Q400)材质的汽车大梁专用热轧H型钢，共有492x150x7x12、504x153x10x18、482x153.5x10.5x19、470x150x7x13和446x150x7x12多个规格，年销量达9000t；2008年以来，马钢通过实施“高效节约型建筑用钢产品开发与应用研究”国家科技支撑计划项目，新建热轧后快速冷却装置，高强度H型钢产品开发的能力得到了进一步提升，并于2011年2月份研制出Q550级H型钢产品，目前随着新《公路安全保护条例》实施，40t载荷的标准车型将成为主流。马钢已成功开发出500x146x6x10.5和450x146x6x9两个规格的汽车大梁用热轧H型钢MGL650C（550MPa级），将可满