从粉粒物料运输车的发展反思高强板的应用

高强钢在粉粒物料运输车设计中的几点注意

杨占琪 赵希望

唐山亚特专用汽车有限公司

摘要：通过对粉粒物料运输车不同发展阶段的阐述，提出高强度钢板在粉粒物料运输车的设计中涉及到的某些问题，从而对粉粒物料运输车使用高强板提出一些警示和建议。 关键词：粉粒物料运输车 高强度钢板 安全

1、粉粒物料运输车发展历程

粉粒物料运输车经过了近30年的发展，罐型结构不断推陈出新，但从主要指标的设计诉求来看，可以细分为3个发展阶段，且每个阶段都呈现出不同的特点。

2000年以前为第1个阶段，主要体现在车用装卸效率。厂家把提高吹卸速度，降低剩余率作为首要设计目标。在这一阶段的厂家宣传资料中，大多把产品的吹卸速度标定为1.4 t/min。

2000～2010年为第2个阶段，主要体现在可装载的容积容量。由于用户对单程运力的追求，推动厂家在增大罐车容积上殚精竭虑，后期甚至出现了突破外廓尺寸限值的超标车型。然而随着公安部对在用车辆生产一致性管理的进一步严格要求，以及用户觉悟的提升，在使用寿命内，此类车型必然成为预埋的定时炸弹，一旦引爆，对生命财产及环境的危害将极其巨大。

2010年以后，粉粒物料运输车将迎来第3个阶段，主要体现在车身罐体轻量化。这也是体现安全性的发展阶段，以人为本、注重安全、提升综合性能将作为首要设计目标。

2、高强钢在粉粒物料运输车上的应用背景及遇到的问题

高强钢作为减轻自重、提高运输效率的一种有效方式在节能减排的背景下得到广泛应用，在粉粒物料运输车方面的使用也日渐普及。对于高强钢的定义没有特别的界定，各种分类标准不一而足，通常来讲，高强钢就是指那些在强度和韧性方面结合得很好的钢种。现阶段用于粉粒物料运输车的高强度钢种性能参数如下：（是否准确，是否还有其它钢种？）

减重只是表面现象，更深层次的是安全问题，只有兼顾安全的减重才是正道，忽略安全的减重本质上就是冒险。就粉粒物料运输车而言，2010年以来，各厂家已普遍把罐体材料由Q235B提升至16MnR，相应的罐体厚度由6 mm下降至4 mm，罐体自重相应下降。但有部分厂家使用3 mm高强度钢板作为罐壳材料出现了质量问题，如罐体开裂等。另外，使用高强钢的挂车大梁也出现炸裂等破坏现象，虽然高强钢的应用出现不少问题，但原因是多方面的——钢材材质缺陷、加工设备落后、工艺问题、设计缺陷、对高强钢了解甚少，等等。高强钢的运用从生产到流通要经过多道程序，现就设计方面做一些讨论。

3、高强钢在粉粒物料运输车设计中的几点注意

3.1设计准则和失效准则

粉粒物料运输车工作压力一般是0.2 MPa，设计压力虽然在GB 150压力容器规定的范围之内，但处于最低压力的区间段，且粉粒物料运输车只在卸料作业时罐体才承压，承压时间短，属间歇性承压。现行的行业标准《QC/T 560散装水泥车技术条件》和《QC/T 21气卸散装电石粉车技术条件》均未将承载粉粒物料的罐体列为压力容器。值得注意的是，粉粒物料运输车最小壁厚计算却是按GB 150压力容器标准执行的。设计压力容器时，首先应确定容器的失效准则，然后按失效准则选择强度理论和计算公式，并确定安全系数。由此，在粉粒物料运输车的计算中便出现了设计准则和失效准则两方面的不协调。

《GB150钢制压力容器》中内压圆筒的设计公式是按弹性失效原理制定的。按照弹性强度理论，当容器上远离边缘地区的相当应力达到屈服时，即为容器承载的极限状态。它规定了屈服极限是容器失效的最大应力，在考虑安全系数后，容器实际应力处于弹性范围内，所以，容器选材时，尽量将塑性较差的脆性材料排除在外。虽然压力容器用材以塑性为主，却将钢材抗拉强度σb连同其安全系数nb用以确定材料的许用应力，作为防止容器断裂的措施，将材料屈服强度σs连同其安全系数ns作为控制弹性或防止塑性失效的措施。两者都要求得到满足，并取其小值。GB 150规定：nb=3.0， ns=1.6。实际上，当σs/σb>1.6/3.0=0.533时，许用应力的取值由σb决定，σs/σb为材料的屈强比。由罐壳厚度公式：

δ

PcDi2 σ φ－Pc

ｔ

式中，Pc：计算压力，Mpa

Di：罐体直径，mm

[σ]t：设计温度下圆筒的许用应力，Mpa Φ：焊接接头系数

可见，提高σb值可提高[σ]t，减少材料厚度，达到减重效果，这在一定范围内是成立的。但一般来说，随着σb值的提高，材料屈强比σs/σb也会随之减小，材料的塑性储备量也越来越小。当材料失效不属于弹性失效原理时，上述罐壳厚度公式并不适用。压力容器对材料力学性能的要求，直观上看是考虑其强度，实质上重视的是韧性，尤其重视钢材的塑性储备量。在材料具有良好的塑性条件下，可以将某些部位存在的局部高应力，包括由各种制造缺陷所引起的局部应力予以再分布，使之趋于均匀，以保证压力容器安全运行。一旦出现问题，也应按照“先漏后破”的顺序失效，尽量减少损失。因此，压力容器用板的屈强比σs/σb应尽量低，强调塑性储备量。例如Q235B的屈强比σs/σb=0.635。16MnR的屈强比σs/σb=0.677。即使在《GB 19189-2003压力容器用调质高强度钢板》中规定的压力容器，其所用高强度钢板材料的屈强比σs/σb的最大值也仅为0.8。需要指出的是，在GB 150中，对σb≥540 MPa的材料使用是相当谨慎的。当前，某些厂家使用的高强度钢板是结构用高强度钢板，其σb≥600 MPa，σs/σb≥0.8。将其作为自卸车厢体和半挂车大梁是适用的，减重效果也很明显。在粉粒物料运输车上减重也应遵循这一思路，先应该在罐车大梁和走台等外围构件上下功夫，如使用高强度钢板大梁和铝合金走台等，而不是仅仅局限在罐体材料上。

3.2 高强钢在粉粒物料运输车设计中的必要性

虽然更高等级的高强度钢没有经过实践检验，也没有更多的经验借鉴参考，但510、610等级的钢材在小容积的粉罐车应用是比较普遍的，因为罐体的受力除了与气源压力有关外，与罐体的承压面积是成正比的，对于罐体截面积（表面积）较小的罐体，即使同样在0.2 MPa的环境下作业，其受力也比大容积罐体小得多，因此设计过程中影响厚度的因素不止一个。其实，之所以提出粉粒物料运输车罐体材料慎用高强度钢板，除了以上关于钢种的探讨外，单就罐体最小壁厚的计算看，高强度钢板并不是迫切需要采用或替代的。在罐体壁厚计算公式中，我们代入16MnR的相关数据，在焊接接头系数取0.85时，罐体最小壁厚为2.16 mm；即使计算压力为0.25 MPa，罐体计算直径为2 500 mm时，只要焊缝探伤比例达到20%，使用3 mm的16MnR板也是可行的。更何况一些小容积的粉粒物料运输车的罐体直径小于2 500 mm。由于3 mm的罐壳厚度已经是法规规定的最小厚度，在减重要求罐壳厚度维持在3 mm的状态

下，采用σb≥540 MPa的高强度钢板替代16MnR，这主要是出于技术上安全的考虑，殊不知这种“安全措施”恰恰导致了不安全的结果。因此，高强钢并不是减重提效的灵丹妙药，在设计时要综合多方面的因素整体评价，避免盲目，在其它材料也能在较低重量满足使用要求时，高强钢反而会增加产品成本，否则得不偿失。

4、总结

高强度钢板在专用汽车上的应用可以视之为轻量化的一个重要手段，但必须以满足使用要求作为前提。目前国内某些企业只注重销量，担心企业在市场中被边缘化，把减重仅仅作为营销手段使用，或者不清楚减重本质，对高强钢性能缺乏了解，忽视安全，这种倾向将会带来极大隐患，设计人员要 …… 此处隐藏：1679字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……