聚乙烯板在搅拌车卸料溜槽设计中的应用

张志勇

为了延长搅拌车卸料溜槽的使用寿命，降低搅拌车的制造成本，减轻搅拌车自质量，也为用户降低油耗，实现车辆使用过程中费用的降低，笔者根据国内厂家提供的聚乙烯板的各项指标，设计出聚乙烯板的搅拌车卸料溜槽。该材料的耐冲击性、冲击能吸收性、耐磨性、环保性均超过了钢制溜槽，是一种替代钢制溜槽进行轻量化设计的材料。

搅拌车钢制卸料溜槽结构

混凝土搅拌运输车(下简称搅拌车)上的卸料溜槽是搅拌车卸料系统的一部分，长期承受着混凝土的冲击和摩擦，如果设计的卸料溜槽过于单薄，就会造成其过早损坏，有的卸料溜槽由于存在设计上的缺陷，使用年限不超过半年，这就给用户带来车辆使用上的诸多麻烦，也在产品质量方面给制造厂家造成不良的市场影响。现在许多搅拌车生产厂家对卸料溜槽采用如图1所示的设计，普遍采用2.0～3.0 mm的Q345钢板或者Q235钢板制作，并且为了提高卸料溜槽的抗磨性能，一般在卸料溜槽内又增加了2～3层衬板进行加固，这样虽然延长了卸料溜槽的使用寿命，但是也增加了卸料溜槽的自质量(已达到70 kg)。

卸料溜槽自质量的增加，容易造成支撑臂和支撑轴的过早断裂，这就使设计人员不得不对支撑臂和支撑轴进行加固设计，又造成了搅拌车上装质量进一步的增加。这样既增加了搅拌车的制造成本，也增加了车辆使用的油耗，对于搅拌车生产制造厂家和搅拌车用户都是得不偿失的(见图2)。

UHMW-PE板性能及应用

目前，国外的商用车辆在结构设计上采用优化结构和选用轻质材料相结合的轻量化设计，我国也在大力倡导。在此前提下，我们针对搅拌车卸料溜槽需要抗耐磨、轻量化、使用寿命长的特点，尝试选用能符合使用要求的超高分子量聚乙烯衬板对卸料溜槽进行设计。从文献[1-3]得知，超高分子量聚乙烯材料具有优异的使用性能——耐磨、耐腐蚀、耐冲击、耐老化、阻燃、自润滑、卫生无毒、不易粘附以及摩擦系数小等综合性能。目前，超高分子量聚乙烯衬板(简称为UHMW-PE板)，已在煤炭、电力、港口、船舶、造纸、钢铁、矿山等多个行业使用，并且取得了良好的使用效果。

UHMW-PE板在美国汽车业的应用已经相当广泛，如在20' Slider Container Chassis (Trailer)(20'～33'滑动伸缩，牵引销到车轴距离可调式20'集装箱半挂运输车)的设计中，UHMW-PE板也被广泛应用(见图3，位于Slider黄色主梁上平面黑色部分，厚度为5 mm)，其承载量最高可达2万8 000 kg，并且为了均衡轴荷，在重载时Slider可以根据轴荷需求进行滑动，这就更能体现出UHMW-PE的冲击能吸收性、不粘性、拉伸强度、耐磨性、耐冲击性、自润滑性等性能指标是否符合要求，经过美国市场几十年来的使用，UHMW-PE经受住了各种使用条件下的考验，作为一种性能可靠的产品在Slider Container Chassis上得以应用，而Slider Container Chassis经常用于运输各种长度的集装箱，UHMW-PE板的优良性能得到了客户良好的口碑。图4是Slider在车辆上的安装图片。

UHMW-PE板在溜槽加长槽上的应用(见图5)，既可以减轻加长槽的质量，减轻操作人员搬运的劳动强度，也可以增加溜槽加长槽的使用寿命，厦门厦工重工有限公司首先在搅拌车产品中试用后效果良好，现已普遍采用。

对于混凝土的使用环境，UHMWPE板有着其他材料无可比拟的优点：

(1)吸水性小。UHMW-PE吸水率很低，一般小于0.01%，仅为PA66的1%，因而在成型加工前一般不必干燥处理，在混凝土的浸泡使用环境中，不容易变形。

(2)密度低。UHMW-PE的密度为0.94，比其他工程塑料都要低，一般比PTFE低56%、POM低33%、PBTP低30%，与钢材密度相比，更是相差巨大，Q345钢材的密度为7.85。因此其制品非常轻便，可以降低搅拌车溜槽和相关零件的自质量和制造成本。

(3)耐腐蚀性强。UHMW-PE具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸溶液外，在一定温度和各种腐蚀性介质浓度范围内能耐受各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机介质。其在20～80℃的80种有机溶剂中浸渍30 d，外表无任何异常现象，其他物理性能也几乎没有变化。这对于带有弱碱性混凝土的使用环境十分适合。

(4)冲击能吸收性好。UHMW-PE板具有优异的冲击能吸收性，冲击能吸收值在所有塑料中最高，因而噪声阻尼性能很好，具有优良的削音效果，可以对混凝土的冲击力具有柔性的吸收性能，延长了卸料溜槽的使用寿命。

(5)卫生无毒性。UHMW-PE卫生无毒，得到美国食品及药物行政管理局和美国农业部的认可，可用于接触食品和药物，是一种环保可靠的工业材料，对混凝土没有任何污染。

(6)不粘性。UHMW-PE表面吸附能力非常微弱，对于混凝土具有很低的粘连性，无须人工像钢制溜槽那样必须在作业完后清除残余的混凝土。

(7)拉伸强度高。由于UHMW-PE拉伸强度高达3～3.5 GPa，拉伸弹性模量高达100～125 GPa；比钢丝大10倍，故与钢制产品相比不会在制作溜槽的过程中产生断裂，也不会在使用过程中产生脆性裂纹。

(8)耐磨性强。UHMW-PE的耐磨性居塑料之冠，并超过某些金属。其沙浆磨耗指数是碳钢的1/7，黄铜的1/27。UHMW-PE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好[2]。所以该种材料的耐磨使用寿命可以大大延长，保守使用年限可以达到5年而不必更换。

(9)耐冲击性高。UHMW-PE的冲击强度在所有工程塑料中名列前茅，其冲击强度约为耐冲击PC(工程塑料)的2倍，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)的5倍，此外，其反复冲击表面的硬度更高。这对卸料溜槽来说，随着混凝土的反复冲击，其表面强度并不会降低。

(10)自润滑性佳。UHMW-PE有极低的摩擦因数(0.05～0.11)，当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在摩擦学领域UHMW-PE被誉为成本、性能非常理想的摩擦材料。这也大大增加了混凝土的流动性，提高了卸料速度。

UHMW-PE板卸料溜槽的设计

搅拌车卸料溜槽采用UHMW-PE板作为混凝土的卸料载体，以钢制龙骨支撑，采用铆接或者螺栓连接的方式(见图6～8)。由于UHMW-PE板具有一定的抗弯强度，所以在安装制造过程中，需要依靠钢制骨架进行固定支撑。下料采用钢质手动砂轮片进行切割，然后利用重物把UHMW-PE板和骨架压实，再用螺栓或者铆钉进行连接，最后将多余的修边余量用钢制砂轮片手动切割机休整。

使用几年以后，如果出现了过量磨损，可以将其拆卸下来进行更换。如果生产的搅拌车产量很大，可以开模具直接注塑成型，这样会使整个溜槽的自质量下降更多。目前卸料溜槽所采用的UHMW-PE板是5 mm厚度，该种材料的市场价位为200元/m2左右，溜槽的展开面积为1 000 mm×1 900 mm，1辆车的材料价格约为400元，与钢质溜槽相比，单是70 kg的钢材价格即是420元，如果加上支撑臂和支撑轴的材料降低40 kg，UHMW-PE板溜槽和钢质溜槽的制造价格相差不会低于120元。再加上材料自质量的下降而带来整备质量的降低，也会使整车的耗油量降低，更为重要的是使用寿命的延长为客户带来了长久的经济效益。

经过用户的长期使用，对于混凝土的冲击和磨损，UHMW-PE板的厚度、外形等均没有发生变形，混凝土的卸料流速也得到了提高，且不粘料。卸料溜槽的自质量由原来的70 kg降低到25 kg，支撑臂和支撑轴的设计重量也降低了50%，使搅拌车的生产成本降低。该设计得到了用户的认可，为搅拌车生产厂家赢得了一定的效益。

依此类推，UHMW-PE板还可以应用于推土机推土板衬里、掘土机铲头内衬、自卸车车厢内衬、拖拉机犁刀内衬、联合收割机滑动板，散装混凝土运输车(水泥仓)的里衬板等。

[1] 张建民,王日辉,石晶.UHMW-PE的相对分子质量与力学性能的关系[J].合成树脂及材料,2008.25(5)：29-31.

[2] 顾冰芳,龚烈航,徐国跃.基于神经网络的UHMW-PE复合材料防弹性能研究[J].兵器材料科学与工程,2006(6)：32-35.

[3] 庄兴民,张慧萍,晏雄.UHMW-PE/PE复合材料的开发与性能研究[J].玻璃钢、复合材料,2004(1)：14-17.