半掛車大梁用高強(qiáng)熱軋H型鋼與高強(qiáng)板的對比分析

半掛車大梁用高強(qiáng)熱軋H型鋼與高強(qiáng)板的對比分析作者：吳保橋，吳結(jié)才來源：《專用汽車》2011年第8期吳保橋吳結(jié)才WUBao-qiaoetal馬鋼技術(shù)中心安徽馬鞍山243000摘要：介紹了高強(qiáng)度鋼車輛目前存在的主要問題，對高強(qiáng)熱軋H型鋼和高強(qiáng)板在半掛車大梁上應(yīng)用進(jìn)行了對比分析。關(guān)鍵詞：半掛車輕量化高強(qiáng)鋼H型鋼中圖分類號：U496.5+3.04；U465.2+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004-0226（2011）08-0071-031前言半掛車是公路運(yùn)輸中的主要車型之一，隨著我國車輛費(fèi)用的改革及實施燃油稅后，公路運(yùn)輸超限超載治理也日趨嚴(yán)厲，半掛車超載已經(jīng)是得不償失。在車輛總質(zhì)量一定的情況下，怎樣才能使得經(jīng)濟(jì)效益最大化，成為半掛車用戶首要考慮的問題，這便使半掛車輕量化被提到了議事日程上來?，F(xiàn)在我國高強(qiáng)度鋼材料國產(chǎn)化已取得長足發(fā)展，已經(jīng)具備國產(chǎn)鋼材生產(chǎn)輕量化半掛車的條件，然而半掛車真正采用和普及高強(qiáng)度鋼尚存在如何用好的適應(yīng)過程。下面將就高強(qiáng)度鋼車輛存在的問題，以及高強(qiáng)度熱軋H型鋼和高強(qiáng)板在半掛車上的應(yīng)用進(jìn)行對比分析。2高強(qiáng)度鋼在半掛車上的應(yīng)用半掛車車架縱梁通常為工字鋼變截面梁，材質(zhì)為高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼板。通過使用高強(qiáng)度材料，理論上可以保證車架強(qiáng)度和剛度，且比使用普通鋼材降低自重30%左右，進(jìn)而減輕自重，達(dá)到提高車輛運(yùn)輸效率的目的，因此高強(qiáng)鋼材料受到車輛制造企業(yè)和半掛車用戶的歡迎。然而高強(qiáng)鋼在減重增效的同時，若使用不當(dāng)也會給車輛的行駛安全帶來隱患。筆者認(rèn)為以下兩點(diǎn)應(yīng)引起重視。2.1大梁減重設(shè)計需滿足剛度條件要保證車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要求制作大梁的鋼板有一定的強(qiáng)度，還要求制作完成后的大梁具有一定的剛度，即抵抗承載后的彎曲變形能力。由材料力學(xué)的理論可知，大梁的強(qiáng)度主要取決于制作大梁的鋼材強(qiáng)度，大梁的剛度則主要取決于大梁的抗彎截面模量W2（W1與截面形狀、面積以及金屬在截面上的分布有關(guān)）。對于主要承受彎矩的梁形構(gòu)件，工字形截面是最佳的選擇，當(dāng)工字形截面高度一定時，上下翼緣板所占的面積越大，其W2值也越大，抵抗彎曲變形的能力越強(qiáng)。從上面的分析可知，制作大梁的鋼板強(qiáng)度提高后，其厚度不能減至極薄，還應(yīng)保證大梁和車架的剛度。實際工作中曾接觸過一個應(yīng)用實例（見表1，尺寸規(guī)格單位為mm。下同），某廠制造的標(biāo)載40t半掛車，輕量化前所用材質(zhì)為Q345B,焊接大梁規(guī)格為500x146x8x14x16（編號1）,在用戶提出選用高強(qiáng)度鋼材使其整備質(zhì)量輕量化的要求下，如果單純按照文獻(xiàn)中的計算公式，改用材質(zhì)為Q700，其腹板規(guī)格厚度為5.6mm，上下翼緣厚度分別為98mm和11.2mm，因此高強(qiáng)度鋼板的規(guī)格應(yīng)選用500x146x6xlOx12（編號2），但該廠選用的大梁規(guī)格為500x146x5x8（編號3）。粉，麗 山丈乳梆誠溯材料腐厚垠麗JfiST即唏別柚料漏反就I瀟弒.時廈股J：4WESI吼cu'應(yīng)單里MilIs.虹I楠M昏亦H小QMS1掀336網(wǎng)1例山1娜:艮JWL?枷4畤1271.4Ji湖砒"吁姑4■QTMSQ7叫泗4D.T1Q$8J從表1可以看出，當(dāng)鋼板的強(qiáng)度由Q345提高到Q700時，依據(jù)強(qiáng)度等代的原則，可以選用工字形截面的尺寸由編號1的規(guī)格減薄為編號2的規(guī)格，大梁減重約為420kg（大梁長度以13m計算，下同），但抗彎截面模量也相應(yīng)減小為原來的74.92%。當(dāng)選用編號3的規(guī)格時，大梁減重約為632kg，但抗彎截面模量也相應(yīng)減小為原來的62.1%，大梁的承載能力無論是強(qiáng)度還是剛度都下降了。如果把半掛車梁的承載看作是均布載荷（見圖1），可以根據(jù)理論公式計算出該梁在均布載荷下的撓度。其公式為：it,ftMW從公式（2）可知，梁的長度和承載方式確定后，A、Q、L和E為不變量，梁受壓后的變形即撓度與截面慣性矩有關(guān)；由表1可以看出，編號2規(guī)格的截面慣性矩只有編號1規(guī)格的76%，而編號3規(guī)格的截面慣性矩只有編號1規(guī)格的59%。因此，當(dāng)采用編號3規(guī)格大梁的半掛車運(yùn)貨上路后，大梁的變形最大，即使在路面狀況良好的路段，車輛運(yùn)行過程中大梁也會因持續(xù)的上下顛簸而導(dǎo)致疲勞損壞。就結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面來講，超過了承載力極限狀態(tài)的情況有以下幾種：一是結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接處因強(qiáng)度超過了承載力；二是結(jié)構(gòu)或其中某部分作為剛體而失去平衡（如傾覆、滑移）；三是在反復(fù)載荷下構(gòu)件或連接處發(fā)生疲勞破壞。采用編號2規(guī)格大梁制造出的半掛車不會出現(xiàn)前兩種情況，但由于車架剛度降低，需重新校核大梁的撓度。而采用編號3規(guī)格大梁制造出的半掛車在上述3種情況下都有可能發(fā)生，則是相當(dāng)危險的。由于車輛在運(yùn)行過程中所承受的是動載荷，極易出現(xiàn)疲勞裂紋（如圖2），并且因為材質(zhì)強(qiáng)度高，火焰校正或修補(bǔ)時裂紋會擴(kuò)展而導(dǎo)致大梁報廢。鮮^北椅車土策上的醐2.2規(guī)范操作，保證焊接質(zhì)量采用鋼板焊接大梁，主要工序是焊接，影響大梁質(zhì)量的關(guān)鍵工序也是焊接。特別是Q700高強(qiáng)板，為提高材料的強(qiáng)度，生產(chǎn)過程中加入了一定量的合金元素，這些合金都會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。車輛生產(chǎn)企業(yè)則需針對具體的材質(zhì)，進(jìn)行焊接工藝評定試驗，制定相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程，選派有一定技術(shù)水平的操作工進(jìn)行施焊，并對焊接之后的焊縫進(jìn)行探傷檢驗。3高強(qiáng)熱軋H型鋼與高強(qiáng)板在半掛車上的應(yīng)用對比分析3.1熱軋H型鋼特點(diǎn)熱軋H型鋼是一種經(jīng)濟(jì)斷面型鋼，由萬能軋機(jī)軋制而成（見圖3），其截面性能均勻、截面尺寸精確、精度高，不需校正工序，制作成本較低。與焊接H型鋼相比，在截面相同的情況下可節(jié)約15%N20%鋼材；焊接H型鋼是將三塊鋼板經(jīng)焊接組合而成，由于焊接局部高溫產(chǎn)生變形，需采用專門的防變形措施及校正工序，其殘余應(yīng)力大，截面尺寸、形狀的準(zhǔn)確性較低，且工序較多，費(fèi)用高。一般鋼構(gòu)件在焊接、火焰矯正工序中容易出現(xiàn)微裂紋，在車輛運(yùn)行過程中這些微裂紋就會成為裂紋源，隨車車輛長時間運(yùn)行而擴(kuò)展，從而出現(xiàn)車輛運(yùn)行事故。特別對于運(yùn)輸重型貨物承受動載荷的大梁結(jié)構(gòu)來說，焊接量越少，車輛的運(yùn)行安全性就越高，一般出口車輛對焊接量的要求很嚴(yán)格，同時對火焰校正也作了嚴(yán)格的限制。熱軋高強(qiáng)H型鋼由于是整體軋制，與焊接H型鋼相比，省去了大量的焊接工作量，無需校正工序，且殘余應(yīng)力小。瞞礎(chǔ)13然而，熱軋H型鋼也存在以下問題：一是根據(jù)半掛車大梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要求腹板薄而翼緣厚，且上下翼緣不等厚。但是熱軋H型鋼的生產(chǎn)有其自身的特點(diǎn)，一般中大規(guī)格熱軋H型鋼是由連鎊異型坯通過萬能軋機(jī)軋制，現(xiàn)有的異型坯其腹板比翼緣厚(見圖4)，而大梁所用的H型鋼又要求腹板比翼緣薄，因此導(dǎo)致腹板的延伸度比翼緣大，但在軋制過程中翼緣和腹板延伸須得保證一定的比例，否則易出現(xiàn)腹板波浪和彎曲。就目前的生產(chǎn)情況看，翼緣和腹板的厚度比值須小于2。二是在萬能軋機(jī)軋制過程中由于金屬是對稱變形，上下翼緣須等厚，否則在軋制過程中坯料易出現(xiàn)側(cè)向彎曲而沖出軋制輥道。三是目前熱軋H型鋼還處于起步階段，各半掛車企業(yè)對其認(rèn)識不足，單個半掛車企業(yè)訂貨量較少，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，但是隨著熱軋H型鋼市場推廣的力度加大，當(dāng)訂貨量增加后，成本會逐漸降低。四是目前半掛車企業(yè)根據(jù)用戶的要求制作車體的隨意性較大，對規(guī)格的要求較多，而熱軋H型鋼一套軋輥投資較大，因此在短時間內(nèi)不可能具備很多規(guī)格的H型鋼型材。3.2高強(qiáng)板的特點(diǎn)采用高強(qiáng)板制作半掛車大梁有如下優(yōu)點(diǎn)：一是可以根據(jù)用戶需求制作不同規(guī)格的大梁；二是可以制作變截面大梁，且可以做到上下梁不等厚不等寬；三是成卷運(yùn)輸方便。但是目前在半掛車應(yīng)用上，高強(qiáng)板制作的大梁還存在以下問題：一是生產(chǎn)效率低，大梁制作工時長；二是對焊工的技能要求高，增加了生產(chǎn)成本；三是鋼板存在切割缺陷和強(qiáng)度降低現(xiàn)象，高質(zhì)量半掛車要求切割鋼板邊緣打磨；四是采用同等強(qiáng)度級別的焊條焊接后性能不能滿足要求，焊后會出現(xiàn)裂紋等缺陷，而且由于車輛在行駛過程中所承受的是動載荷，容易出現(xiàn)疲勞裂紋，又因為材質(zhì)強(qiáng)度高，火焰校正或修補(bǔ)時會因裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致大梁報廢。4高強(qiáng)熱軋H型鋼應(yīng)用于半掛車上的分析首先，目前國內(nèi)擁有大型H型鋼線的生產(chǎn)廠家有馬鋼、河北津西、山東萊蕪3家鋼企，小型H型鋼生產(chǎn)線國內(nèi)包括馬鋼在內(nèi)的也有十幾條，年產(chǎn)銷H型鋼約1000萬t，因此高強(qiáng)度熱軋H型鋼應(yīng)用于半掛車大梁在硬件上已成為可能。其次，馬鋼針對半掛車市場需求，于2007年率先開發(fā)并銷售了MGL510C(Q400)材質(zhì)的汽車大梁專用熱軋H型鋼，共有492x150x7x12、504x153x10x18、482x153.5x10.5x19、470x150x7x13和446x150x7x12多個規(guī)格，年銷量達(dá)9000t；2008年以來，馬鋼通過實施“高效節(jié)約型建筑用鋼產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用研究”國家科技支撐計劃項目，新建熱軋后快速冷卻裝置，高強(qiáng)度H型鋼產(chǎn)品開發(fā)的能力得到了進(jìn)一步提升，并于2011年2月份研制出Q550級H型鋼產(chǎn)品，目前隨著新《公路安全保護(hù)條例》實施，40t載荷的標(biāo)準(zhǔn)車型將成為主流。馬鋼已成功開發(fā)出500x146x6x10.5和450x146x6x9兩個規(guī)格的汽車大梁用熱軋H型鋼MGL650C（550MPa級），將可滿