新材料与工艺手册

[轻量化半挂车] 浅谈铝合金材料在粉罐半挂车上的应用

0
回复
51
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-4-21 11:16:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
浅谈铝合金材料在粉罐半挂车上的应用
航空工业安徽开乐专用车辆股份有限公司 朱学平

[size=1em]轻量化是当今粉罐半挂车技术发展的主题,随着国内治超、治限力度的加大,铝合金散装水泥运输半挂车在国内市场崭露头角。从罐车用铝合金材料介绍、铝合金材料在粉罐半挂车上应用的优势、欧洲铝合金粉罐半挂车的发展、国内铝合金粉罐半挂车发展影响因素以及今后发展趋势等方面对铝合金材料在粉罐半挂车上的应用进行了阐述。

[size=1em]随着现代物流运输车治超、治限、安全和环保法规日趋严格,“轻量化”技术已成为现阶段专用汽车行业关注的热点问题。尤其是2016年9月21日《超限运输车辆行驶公路管理规定》(交通运输部令2016年第62号)政策实施以来,国内各个市场随之掀起了对小立方轻量化粉罐半挂车需求的高潮,然而高强度钢材料的粉罐半挂车已是目前轻量化技术的瓶颈。而铝合金材料具有密度小、强度高以及耐腐蚀等特点,铝合金已成为粉罐半挂车轻量化技术应用的优选材料,主结构(罐体、车架)材料为铝合金的散装水泥运输半挂车(图1)在国内市场上适势而生、崭露头角。


罐车用铝合金材料简介

[size=1em]粉罐半挂车的结构铝合金化的发展得益于国内铝合金材料基础技术及产业的日趋成熟,下面对铝合金材料做简要介绍。

[size=0.8em]表1 罐车常用铝合金材料化学成分(质量分数/%)[1-2]

[size=0.8em]表2 室温下厚度为3~6mm罐车用铝合金板5083、5454、5182的力学性能[3][4]

[size=0.8em]表3 厚度为3~6mm铝合金5083(O/H111)、5454(O/H111)板不同温度下的许用应力[5]

[size=0.8em]表4 室温下8~10mm厚6061铝合金挤压型材力学性能[7]

[size=1em]1XXX系为纯铝;2XXX为Al-Cu系合金,主要合金元素为铜;3XXX为Al-Mn系合金,主要合金元素为锰;4XXX为Al-Si系合金,主要合金元素为硅;5XXX为Al-Mg系合金,主要合金元素为镁;6XXX为Al-Mg2Si系合金,主要合金元素为镁和硅;7XXX为Al-Zn系合金,主要合金元素为锌。其中Al-Mn系、Al-Mg系、Al-Mg2Si系合金为铝合金粉罐半挂车常用材料,粉罐半挂车常用铝合金材料的化学成分如表1所示。

[size=1em]A l-S i系合金应用最广泛的为3003材料,由于其较Al-Mg系合金强度低及3003材料的市场价格低,通常作为工具箱门板、底板、罐顶走道等非重要强度件应用。

[size=1em]Al-Mg系合金通常作为罐体材料被广泛应用,其中5083是最为普遍的铝镁合金,具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能及加工性能,中等强度(表2所示),是较为常用的罐体材料。5454铝合金板是一种适合在高温条件下使用的铝镁合金,在高温下具有较好的强度和耐腐蚀性。表3为厚度为3~6mm铝合金5083(O/H111)、5454(O/H111)板不同温度下的许用应力,从表3可以看出,长期使用温度135℃以上时,5454(O/H111)比5083(O/H111)铝镁合金具有更好的强度。5182是油罐车专用铝合金板,是近年来为罐车储存和危险品运输研发的符合ADR(危险货物国际道路运输欧洲公约)[6]要求的新型高镁合金。在计算壳体最小厚度值时ADR用“抗拉强度×延伸率”来描述筒体材料的力学性能,5182(O/H111)相应的延伸率较5083(O/H111)、5454(O/H111)高。

[size=1em]Al-Mg2Si合金通常作为挤压铝型材应用在粉罐半挂车上的管道、防护、大梁等结构件,其中应用最广泛的为6 0 6 1、6 0 6 3材料。表4为室温下8~16mm厚6061铝合金挤压型材力学性能,可以看出,同种热处理状态下,6 0 6 1较6063力学性能好些;同时由于硅、锰含量增加,焊接性能降低,因此 6 0 6 3较6061具有较好的焊接性能。




铝合金材料在粉罐半挂车上应用的优势

[size=1em]1.整备质量降低

[size=1em]铝合金的密度仅约是钢材的1/3,铝合金材料应用在粉罐半挂车上,可极大地降低粉罐半挂车的整备质量。以某38m3卧式粉罐半挂车为例,主结构(罐体、车架)及附件为高强度钢结构的粉罐半挂车整备质量约6.15~6.5t,而主结构(罐体、车架)及附件为铝合金结构的粉罐半挂车整备质量约5.0t;38m3铝合金结构可较高强度钢结构的卧式粉罐半挂车整备质量轻1.2~1.5t。

[size=1em]2.经济效益高

[size=1em]根据GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》[8]规定,六轴半挂车列车的最大总重不得超过49t。为了取得更好的经济效益,车辆进行轻量化增加有效装载量尤为重要。据调研用户,江苏地区施某反馈每百公里每吨水泥运输费用约50元,每多拉1t水泥每天可多挣约100元;湖南地区用户张某反馈每百公里每吨水泥运输费约40元,每多拉1t水泥每天可多挣约140元。按每年运营300天计算(较忙年度),在铝合金粉罐半挂车自重减轻1.5t的情况下,每年可多挣4.5~6.3万元。

[size=1em]3.节能减排

[size=1em]根据欧洲铝业协会有关的研究报告,车辆自重每减轻100kg,百公里油耗可降低0.6L,每节约1L燃油可减少CO2排放2.3kg[9-10]。如果一辆铝合金卧式粉罐半挂车,减重1.5t,年行驶12万km,按一半的空载里程计算,每年可节省燃油5400L,可减少CO2排放量14.42t。

[size=1em]4.耐腐蚀

[size=1em]铝合金与空气接触,表面会自然形成氧化膜,具有较好的耐腐蚀性,因此粉罐半挂车的铝合金结构件可不做表面防锈油漆涂层。铝合金结构的粉罐半挂车在降低工厂油漆涂层成本的同时,也降低了油漆喷涂对操作员工身体的伤害及对环境的污染。

[size=1em]5.回收价值高

[size=1em]由于铝合金具有较高的耐腐蚀性,在车辆达到强制报废年限时,车体尚没有较大的损伤,且铝合金较高强度钢的回收价值高。据查相关数据,目前废铝价格约1.1万元/t,废铁价格约为0.19万元/t。若一台铝合金粉罐半挂车使用2t铝合金材料,铝合金材料的回收价格为2.2万元;同等容积的高强度钢粉罐半挂车使用3.5t高强度钢,钢材的回收价格为0.665万元(同时钢材的耐腐蚀性能差,高强度钢材的回收价格要低于此值)。因此铝合金较碳钢粉罐半挂车回收价格高15350元(实际差值更高)。




欧洲铝合金粉罐半挂车的发展

[size=1em]目前欧洲粉罐车多为立式(图2)、举升式(图3)粉罐半挂车,这与其所运物料有关,欧洲因少有大规模基建活动,水泥、煤灰等建材用量极少,主要以运输化工颗粒、食品、饲料为主。欧洲粉罐车在新材料应用上走在了世界前沿,罐体、车架基本上全是铝合金材质,在侧后防护、罐顶走道、储气筒、支腿、工具箱、悬架等附件上也都大量应用铝合金材料,其中较为优秀的企业为德国的SPITZER、FFB公司,以及奥地利的MELMER和意大利的OME公司等。

[size=1em]SPITZER公司成立于1872年,是一家家族企业,由Johann Spitzer创立,早年主要从事农产品的制造和销售,于1950年开发和制造第一辆用于运输水泥和苏打的粉罐车。长期以来,该公司一直被视为铝合金粉罐车生产的先驱,自2 0世纪6 0年代末以来,SPITZER公司一直专注于粉罐车的生产。

[size=1em]FFB公司成立于1975年,由Otto Feldbinder和janddirk Beckmann创立,主要生产粉罐车和液罐车,其铝合金立式粉罐半挂车的罐体结构在国内影响较为深远。

铝合金材料在粉罐半挂车上的应用

[size=1em]粉罐半挂车是粉粒物料运输半挂车的简称,按罐体结构的不同,可分为卧式(图6)、立式(图7)、举升式(图8)三种类型。目前,我国粉罐半挂车以卧式结构为主,承担着水泥、粉煤灰等常规散装物料的运输,占据着绝对的市场份额。预测在未来的一段时间内,国内铝合金卧式粉罐半挂车将占据大多数的份额。

[size=1em]1.罐体

[size=1em]从表3可知,在135℃的温度范围内,5083(O/H111)的力学性能优于5454(O/H111)的力学性能;同时根据《水泥质量管理规定》,出磨水泥温度不得大于135℃,因此在运输的散装物料温度不高于135℃的情况下,如水泥等,铝合金粉罐半挂车的罐体材料宜选用5083(O/H111)材料。另外5083(O/H111)材料作为粉罐车罐体材料在欧洲粉罐车上有着充分的市场实践基础。

[size=1em]2.车架

[size=1em]车架宜多采用挤压铝型材,如6足的发展;铝合金人孔盖、出料蝶阀、止回阀、安全阀等是粉罐半挂车的专用配套件,在此行业做的较久的厂家为sureseal等国外企业,国内一些厂家如扬州北方、黄岩通达、延边渤海等企业亦对铝合金粉罐半挂车专用配套件进行了研究和开发。

国内铝合金粉罐半挂车发展的影响因素

[size=1em]铝合金粉罐半挂车的发展061材质的L型梁、T型梁、三角型梁等翼板型材。对于非规则形状的局部腹板及其他结构件可选用5083或5182等材料。

[size=1em]3.附件

[size=1em]在附件如管道、侧防护、后防护、罐顶走道等方面亦可采用铝合金材料;同时经过几年的发展,铝合金附件结构在钢铝混合结构(罐体、车架为高强度钢,部分附件及配套件为铝合金)的粉罐半挂车上得到了充分的发展。

[size=1em]4.配套件

[size=1em]铝合金轮辋、支腿、储气筒、挡泥板作为半挂车的通用铝合金配套件在各型半挂车上得到了长在我国尚处于起步阶段。铝合金粉罐半挂车在欧美发达国家已相当普及,但在我国铝合金粉罐半挂车之所以产销量小,发展缓慢,制约的主要因素有以下几个方面。

[size=1em]1.限载、治超政策的影响

[size=1em]前些年,粉罐车在向粗放式方向发展,如GB 1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》制定的六轴列车最大总质量不得超过49t,国内超载、超限时有发生。随后,GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》同样制定了六轴列车最大总质量不得超过49t。2016年9月21日交通运输部发布了《超限运输车辆行驶公路管理规定》(交通运输部令2016年第62号)与标准GB 1589-2016基本保持一致,六轴列车最大总质量不得超过49t。执法逐渐严格,治超、限载的监管力度加大,粉罐车在向轻量化、标准化、小型化方向发展,轻量化铝合金粉罐半挂车在此情况下也应运而生、崭露头角。

[size=1em]2.原材料成本高

[size=1em]铝合金的材料价格高出碳钢材料的数倍,如610L钢的价格约4千多元每吨,而5083铝合金的的价格在2万多元每吨。同时铝合金焊丝多采用进口优质铝合金焊丝,成本高,因此铝合金粉罐半挂车,在铝材、铝焊丝等原材料方面成本高。

[size=1em]3.制造成本高

[size=1em]由于国内铝合金专用汽车发展处于初级阶段,相应制造设备及技术不成熟。企业发展铝合金专用汽车需新购置铝合金粉罐半挂车制造设备,如单面焊双面成型的拼板焊机、数控等离子或激光切割机、数控卷板机、罐体滚轮架,TIG焊自动焊机、TIG、MIIG焊手工焊机以及铝合金粉罐半挂车加工过程的工装台架等。同时铝合金焊接人工成本高,氩弧焊焊接人员的工时约是普通二保焊焊接人员工时成本的1.5倍。

[size=1em]4.维护困难

[size=1em]由于国内铝合金专用汽车普及率低,国内各地缺乏铝合金粉罐半挂车的氩弧焊机及相应的氩弧焊接人员,因此铝合金粉罐半挂车在售后维护方面难度较大。

[size=1em]5.运输市场的不确定性

[size=1em]近几年,随着国家对超限超载车辆治理的不断加强,超载现象已明显好转。但超载现象仍时常存在,如2018年中央电视台综合频道曝光的某地执法人员与客户勾结,部分车辆仍然超限、超载运输。同时用户对新材料、新产品的接受需要一个过程,对铝合金粉罐半挂车的强度、承载能力和使用寿命尚存在疑问和顾虑。

铝合金粉罐半挂车的发展趋势

[size=1em]国内铝合金粉罐半挂车将深受上述因素的影响,同时铝合金粉罐半挂车将向以下几个方面发展 。

[size=1em]1.铝化率更高

[size=1em]在罐体、车架及主要附件进行铝合金结构化后,配件的铝合金结构化也将不断提高。如铝合金悬架、铝合金止回阀、安全阀等配套件更进一步的应用。

[size=1em]2.产品系列化

[size=1em]企业的铝合金粉罐半挂车不再仅是单一的结构车型,将向卧式、立式、举升式粉罐半挂车的各容积系列方向发展。

[size=1em]3.轻量化

[size=1em]应用铝合金材料并不能实现绝对的轻量化,实现产品的轻量化还在于对产品轻量化技术的研究、探索,以达到在使用铝合金材料情况下的最“轻量化”。

[size=1em]4.卸料性能更高

[size=1em]卸料性能一直是粉罐半挂车追求的性能指标之一,粉罐半挂车在实现铝合金结构化后,卸料性能尤其剩余率将会有更高的要求和进步。

[size=1em]5.标准化、模块化

[size=1em]提高产品零部件之间的通用性,实现小总成部件的模块化设计、制造及装配,降低整车制造的误差,提高每个部件之间焊缝的精细化。对车辆进行标准化、模块化设计,是缩短交货周期的有效途径。

结语

[size=1em]铝合金粉罐半挂车在治超、限载等法规日趋严格的情况下应运而生,由于铝合金粉罐半挂车具有运营效益高、节能减排等优势,铝合金粉罐半挂车近两年在国内得到快速发展。欧洲专用车的发展指引着国内专用车未来的发展方向,同时国内铝合金粉罐半挂车的发展受政策、铝合金技术应用等条件的制约。本文对铝合金材料在粉罐半挂车上的应用进行了阐述,指出了铝合金粉罐半挂车未来可能的发展方向,对我国铝合金粉罐半挂车的发展具有一定的指导意义。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1] GB/T 3190-2008 变形铝及铝合金化学成分[S].北京:中国标准出版社,2008.

[size=1em][2] EN 12392-2016 Aluminium and aluminium alloys Wrought products and cast products Special requirements for products intended for the production of pressure equipment[S].

[size=1em][3] GB/T 33881-2017 罐车用铝合金板、带材[S]. 北京:中国标准出版社,2017.

[size=1em][4] EN 14286-2008 Aluminium and aluminium alloys— Weldable rolled products for tanks for the storage and transportation of dangerous goods [S].

[size=1em][5] EN 13445-8-2014 Unfired pressure vessels Part 8:Additional requirements for pressure vessels of aluminium and aluminium alloys[S].

[size=1em][6] 联合国欧洲经济委员会(编),交通运输部运输服务司(译).危险货物国际道路运输欧洲公约[Z].北京:人民交通出版社股份有限公司,2016.

[size=1em][7] GB/T 6892-2006 一般工业用铝及铝合金挤压型材[S]. 北京:中国标准出版社,2006.

[size=1em][8] GB 1589-2016汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值[S]. 北京:中国标准出版社,2016.

[size=1em][9] 郭青.铝合金运输车开发与应用前景[J].汽车与配件.2012(07):23-26.

[size=1em][10] 韩林.铝合金材料在专用汽车上的应用[J].汽车与配件.2015(08):38-41.

[size=1em][11] 王大伟,王祝堂.铝在厢式车与专用运输车中的应用[J].轻合金加工技术.2016(04):1-5.

[size=1em][12] 吴茹星,王庆国,赵飞等. 浅谈铝合金在专用汽车上的应用[J].专用汽车.2018(02):80-82.



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线 |网站地图