矿用自卸车车架材料选型及应用

霍延通 董磊 戈超

摘要：矿用自卸车作业环境较为恶劣，车架作为整车的基体，需要承载各个系统部件和货物的重量，这就需要车架选择合理的材料，提高车架的结构强度和使用寿命。本文详细阐述了矿用自卸车车架材料应用情况，为车架材料选型指明了方向，以此提高车架的可靠性。

关键词：矿用自卸车;车架材料;选型;应用;可靠性

中图分类号：U461.6+1                                 文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0071-02

0  引言

矿用自卸车是用于矿石或土方运输的专业设备，具有载重大、运程短、工作效率高等特点。车架作为矿用自卸车的主体，主要起支撑和安装固定的作用，担负着承载货物、布置其余系统部件的功能[1]。由于整车自重和载重较大，所以车架需要承受较大的疲劳载荷，加之矿山环境恶劣及路况复杂易使车架发生开裂，降低车架的使用寿命。

目前，矿用自卸车朝大型化、轻量化发展，在保证车架结构强度和刚度的基础上，对车架自身减重，并且为应对车架结构开裂问题，提高车架抗疲劳载荷能力，对车架材料选型具有重大意义。

1  矿用自卸车车架材料应用分析

1.1 国外矿用自卸车车架材料应用分析

矿用自卸车最早起源于国外，技术成熟的品牌主要有卡特彼勒、特雷克斯、利勃海尔、小松、日立建机、尤尼瑞格等。根据技术路线的不同，在选择车架材料方面可以分为两个流派：①低强材料一美标A572 Grade50/Grade40，厂家有小松、卡特。②高强材料一美标A656，A710/A514，厂家有尤尼瑞格，利勃海尔，日立。 其中，HG7OE/Q550 （特雷克斯）或者Q690（日立R190/R170，小松630E等）。（表1）

尤克里德是最早的矿用自卸车厂家（始于1936年），拥有非公路自卸车的基因，由于1960年之前，其统治了整个非公路自卸车市场，因此其它厂家或多或少都会有一些参考了尤克里德的矿车，虽然矿车行业经历了数次变革，但实践已经无数次证明了尤克里德技术的迷人之处;尤尼瑞格始于1958年，是最早的电动轮矿用自卸车厂家，最初选材屈服强度为690MPa，经历一番事情后，改成了550MPa并沿用至今，性能非常类似于美标ASTM A656;WABCO是小松的前身，生产自卸车的历史可以追溯到1956年;别拉兹是白俄罗斯的国有企业，其自卸车的发展独立于其它厂家。

小松早期的矿车车架均为全钢板焊接结构，从1987年首次推出铸板焊接结构的830E开始，“以铸代焊”逐渐成为小松矿车底盘设计的技术发展趋势，铸件重量从占车架重量的20%，一步步增加到50%，焊接用铸件抗拉强度约为620MPa;但从公开的资料看，小松矿车材料近30年一直没有做过改变，其车架材料为A572的Grade50，垫板材料为A36，A572对应国产材料Q345，A36对应国产材料Q235。

卡特车架有其独特的风格，通过大量使用铸件来尽量减少焊接量，板材用的很少，铸件屈服强度为241MPa，钢板屈服强度为290MPa。

目前，日立200吨级以下的矿车用的是不易焊接修复的材料，其屈服强度为690MPa，200吨级以上的矿车车架用材为A572 Grade50，材料屈服强度为350MPa左右。日立有在车架上用690MPa材料的经验，由于小吨位产品在市场上运行了有几十年时间，性能一直不错，因此没有在小吨位矿车上进行材料的替换;2000年之前，矿业公司对矿车车架的寿命要求为40000h，而目前对矿车车架的寿命要求为60000h，A572材料的疲劳强度和矿车车架焊缝的预期寿命是一致的，从等寿命设计理念出发，日立大吨位的新设计车型强度等级选择了低强度的材料而没有继续选用690MPa屈服强度的材料。

利勃海尔矿车的创始人来自尤尼瑞格，因此其设计理念有很多的相似，车架的强度等级也相同，均为屈服强度550MPa的ASTM A710材料，A710标准是美标老牌号，目前并不先进，ZG18CrMo+QT是利勃海尔的专用材料，焊接性与力学性能均非常好。

1.2 国内矿用自卸车车架材料应用分析

我国对非公路（矿用）自卸车长期依赖进口，从20世纪70年代开始研制这种产品，直到90年代才形成一定规模[2]，国内生产厂家主要有湘电、天业通联、中冶京城、北重、同力、临工、徐工矿机、徐工汽车、鹏翔、宇通等。（表2）

同力车架材料主要选用特高强度汽车用钢T700，屈服强度在620MPa以上，抗拉强度在700MPa以上，应用在车架大梁腹板及上下翼板，焊接性能较差;临工及徐工汽车车架材质为汽车大梁用热轧钢610L，屈服强度510MPa到525MPa，临工宽体自卸车从2013年开始到2020年，市场份额已经接近三分之一，其与同力宽体车产品基本代表了宽体自卸车的最高水平;鹏翔矿车选用低合金高强钢460D，在低碳当量的基础上，适当增加了微合金元素的含量，具有良好的焊接性和强度;宇通车架材质为510L+Q345，在低载荷焊接区选用Q345，优化焊接工艺;徐工矿机矿车为焊接车架，选用Q345作为车架主要材质，在疲劳载荷较大区域使用铸件，兼顾焊接性和结构强度。

2  矿用自卸车车架材料选型

矿用自卸车车架材料选型要兼顾性能和强度，包括屈服强度、抗拉强度、焊接性能等，为减轻车架自身重量，降低整车成本，要选择合理的钢板材料，以此提高车架的可靠性和易维修性。

在载荷一定的情况下，结构刚度取决于结构的构造形式与材料类型，反映在计算中，整体刚度矩阵与弹性模量，对于铁基材料（铁素体钢、奥氏体钢及铁基超合金）来说，弹性模量极为接近，约200GPa，由于当前的自卸车覆盖件材料均为铁基材料，结构形式便成为影响结构刚度的主要因素。

矿用自卸车的车架材料究竟是应该选择高强钢，还是普通钢，不同的厂家有不同的做法，高强钢可以在很大程度上实现矿车减重的目的，这也是日立、利勃海尔依然在很多车型上使用高强钢的原因。

以400吨级的自卸车为例，分析高强钢带来的优势：（表3）

通过分析表3，可以看到高强钢带来的自重的减轻，作为后入市场者，如果将550MPa的材料改成345MPa的材料，矿车自重将大大增加，造成竞争力的大幅下降。更何况利勃海尔和日立在矿车车架上应用高强度钢已经有近40年的历史，虽该种钢材具有高边缘敏感度，焊接相对困难，但在车架强度比耐久性更重要的情况下，倾向于选择使用该材料，使用这类钢材需要额外当心焊接接头，焊接后使用打磨或者增强疲劳寿命的技术处理时，表现良好。实践证明，屈服强度在550MPa到690MPa的高强度钢用在矿车上是合理的。

尤尼瑞格的车架材料虽类似于美标A656-80，但属于定制牌号，降低了硫含量，并由“可控轧制”制造，具有很好的焊接性和耐疲劳特性。

国内宽体自卸车大多为铆接车架，主要是借鉴重卡行业的铆接式结构，采用铆钉和螺栓连接，焊接量少，材料选用510L、610L、T700等低合金高强钢，虽焊接性能较差，焊接工艺严格，但质量轻并具有较高的强韧性和良好的塑性;国内刚性自卸车大多为焊接车架，车架材料主要选用Q345，其属性一般可通过热轧过程，使其脱氧、晶粒细化获得，例如ASTM A572等级50和60，ASTM A607，他们与世界各地生产的钢匹配良好，其典型的机械性能往往会比指定的最小值高10-20%，他们提供良好的抗冲击性和低的缺口敏感性，此种钢材往往加工硬化，并且非常容易焊接，此种钢材的疲劳寿命和通常用在运输卡车车架焊缝的预期寿命更紧密地一致，这可以给予我们很重要的启发。

3  结语

通过对国外和国内矿用自卸车材料选型分析，低强钢和高强钢各有优势，低强钢可带来良好的焊接性，高强钢易实现车架减重，在矿车车架不同载荷区段要选择合适的材料，这对提高车架结构强度、实现轻量化具有实质性的指导意义。

参考文献：

[1]申晋宪，王铁.载货汽车总体设计分析[M].北京：中国标准出版社，2013.

[2]裴洁，李来平.浅析非公路（矿用）自卸车概况及标准综述[J].CNKI，2010（03）：15-18.

作者简介：霍延通（1991-），男，河北邯鄲人，工程师，硕士，2018年毕业于兰州理工大学，现任徐州徐工矿业机械有限公司结构工程师，主要从事矿用自卸车结构设计工作。