60. Актуальность и результаты исследования по плазменному упрочнению рабочих органов сельскохозяйственных машин [Текст] / Гуляренко А.А., Редреев Г.В. // Сборник VII Международной научно-практической конференции «Научное и техническое обеспечение АПК, состояние и перспективы развития», Омск: Издательство ФГБОУ ВО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, 2022. – С. 182 – 192.
Embedded Files
60 eLIBRARY ID 49088803 sbornik140422 (2).pdfАннотация: надежность состоит из четырех составляющих: безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Для разных машин и разных условий использования важны сочетания этих свойств их баланс и пропорции. Для тракторов наиболее весома безотказность в сочетании с ремонтопригодностью, вместе с тем для сельскохозяйственных машин наиболее важна долговечность. На примере лемеха плуга исследован вопрос повышения долговечности, описана методика расчёта долговечности лемеха плуга для различных типов почв. Предложено использование плазменного упрочнения поверхности лемеха плуга из стали 65Г, доказана эффективность плазменной закалки почво-режущих деталей и её экономическая целесообразность.
Ключевые слова: методика расчета долговечности, поверхностная плазменная закалка, упрочнение, безотказность, долговечность, ремонтопригодность, трение, поверхность, износ, плуг, рабочие органы почвообрабатывающих машин
Теги
Теги
Введение
Прикладная и экономическая значимость развития сельского хозяйства очевидна, от этого зависит продовольственная безопасность страны. Сегодня лидирующие позиции в развитии сельского хозяйства занимают Китай, Индия и США [1]. Вместе с тем основой сельского хозяйства является растениеводство. В свою очередь рентабельность производства продукции растениеводства в значительной степени зависит от эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА). Современные высокопроизводительные и высокотехнологичные МТА - главное орудие растениеводства. Эффективность использования МТА зависит от большого числа факторов, но какими бы мощными и технологичными они небыли эффективность их использования во многом определяется их надежностью.
Вместе с тем МТА состоит из двух основных частей - трактора и технологической машины, очевидно надежность МТА складывается из двух составляющих: надежности трактора и надежности технологической машины.
И в данном случае составляющие надежности будут оказывать не одинаковое влияние на трактор и технологическую машину. Для трактора ключевое влияние на эффективность использования оказывают составляющие надежности: безотказность и ремонтопригодность. Их влияние на эффективность использования МТА, а также способы управления показателями надежности тракторов уже исследованы и даны рекомендации по комплектованию МТА тракторами с различными уровнями надежности [2, 3].
Для комплексного решения вопроса повышения эффективности использования МТА необходимо исследовать вопрос повышения надежности технологической машины. В качестве технологических машин в данном исследований будут рассмотрены почворежущие машины так как именно они выполняют основные и наиболее энергоемкие операции в растениеводстве.
Важнейшим направлением совершенствования технического уровня почвообрабатывающих машин считают повышение ресурса их рабочих органов [4-6], то есть в данном случае именно показатели долговечности будут иметь первостепенное значение. Так как именно долговечность рабочих органов технологической машины будет влиять на машинно-тракторный агрегат в целом, на повышение энергетических затрат (расход топлива), на соблюдение агротехнических требований (урожайность) и даже на безотказность самого трактора значительное влияние будет оказывать именно долговечность почворежущих рабочих органов. Следователь качественного повышения этих показателей можно добиться только выявив главную причину их снижения. В данном случае и трактор и сельскохозяйственная машина нужны чтобы делать технологическую операцию, а если это разрезание почвы рабочим органом, то соответственно самый очевидный способ качественного повышения показателей — это исследование процесса резания и его оптимизация. В результате интенсивного абразивного изнашивания изменяются геометрия режущей части и общие размеры рабочих органов. Вынужденная частая замена деталей рабочих органов приводит к снижению производительности труда и повышению затрат на обработку. Например, исходя из существующих ресурсов и цен деталей рабочих органов плуга, на каждые 100 га вспашки требуется денежных затрат только на их замену не менее 6 тысяч рублей. и не менее 4 чел.-ч. трудозатрат. В масштабах страны эти цифры достигают 7 миллиардов рублей и дополнительную потребность в 3 тысячах механизаторов. Таким образом очевидна и взаимосвязь долговечности с ремонтопригодностью, т.е. чем менее долговечна машина, тем выше должна быть ее ремонтопригодность так как частые замены рабочих органов требуют трудозатрат и времени, а это снова расходы и несоблюдение агротехнических требований. Следовательно, для трактора первостепенна безотказность, а для технологической машины долговечность, и только потом ремонтопригодность в случае поломки или износа. В связи с этим достаточно остро стоит вопрос о разработке и выпуске высококачественных и высоко-ресурсных почворежущих рабочих органов, обеспечивающих соблюдение агротехнических требований при обработке, обладающих высоким ресурсом и конкурентоспособных с точки зрения их стоимости.
Методика расчета
В общем случае ресурс рабочих органов можно представить в виде функции следующих основных изменяющихся параметров:
T = f (И, m, p, ν, η1, η2 ...ηn), (1)
где Т ‒ ресурс, ч (га); I ‒ износостойкость материала рабочего органа, ч/г (ч/мм); m ‒ изнашивающая способность почвы, г/ч (мм/ч); р ‒ давление почвы на рабочую поверхность рабочего органа, МПа; ν ‒ скорость перемещения рабочего органа относительно почвы, км/ч; η1, η2 ...ηn ‒ коэффициенты, характеризующие изменение основных параметров в зависимости от состояния почвы, состава материала рабочих органов и режимов его термообработки, конструктивных параметров рабочих органов и др. Управлять ресурсом рабочих органов можно, если знать общие закономерности обеспечения их работоспособности и характера изнашивания в почве. Установлению таких закономерностей и разработке рекомендаций по определению интенсивности изнашивания и прогнозированию ресурса рабочих органов посвящены многие работы, однако их практическое применение сдерживается в связи с тем, что они не в полной мере учитывают те сложные зависимости, которые имеют место в процессе абразивного изнашивания. В частности, выявлено, что относительная износостойкость материалов и изнашивающая способность абразива (почвы) не постоянные величины. Они изменяются в зависимости от давления абразива на рабочий орган. Отсутствие достаточно простой методики определения интенсивности изнашивания и ресурса рабочих органов сдерживает разработку и обоснование применения новых материалов и технологий при упрочнении рабочих органов с целью повышения их ресурса. Именно эти обстоятельства привели к тому, что в настоящее время на современных плугах используют лемехи, конструкционные параметры и материалы которых были разработаны более 40 лет назад, хотя режимы их работы существенно изменились: увеличились скорости обработки, масса машин, а следовательно, и уплотняемость почв в период обработки, особенно при уборке урожая. Все это приводит к росту нагрузки на рабочие органы и, соответственно, скорости их изнашивания.
Характерная особенность почворежущих рабочих органов — сравнительно большая площадь контакта с обрабатываемой почвой. При этом нагрузки на отдельные участки рабочей поверхности в значительной мере отличаются одна от другой. Например, у лемеха плуга наибольшее давление на носке, а на лезвии оно существенно меньше. В связи с этим интенсивность изнашивания различных участков не одинакова. Следовательно, рабочие органы выбраковывают по износу одного, сравнительно небольшого участка, в то время как остальные участки обладают большим остаточным ресурсом.
Именно на примере лемеха рассмотрим методику прогнозирования ресурса в зависимости от видов почв, материалов, из которых его изготавливают и которые используют для его упрочнения, а также от изменения некоторых конструкционных параметров.
Интенсивность изнашивания рабочих органов изучали в полевых условиях, а также использовались материалы исследований других авторов [5-8]. В результате разработано математическое выражение абразивного износа рабочих органов в зависимости от ряда параметров. В общем случае износ, см, наиболее изнашиваемого участка:
(2)
где kref ‒ коэффициент пропорциональности изнашивания эталонного образца при эталонных условиях: kref = 0,016 см/(МПа·км); m ‒ относительная изнашивающая способность почвы (по гранулометрическому составу) при эталонном давлении абразива (кварца); η1 ‒ коэффициент, учитывающий изменение относительной изнашивающей способности почвы в зависимости от давления; р ‒ давление почвы (абразива) на наиболее изнашиваемом участке рабочего органа, МПа; vp ‒ поступательная скорость движения рабочего органа, км/ч; t ‒ время работы рабочего органа, ч; εref ‒ относительная износостойкость материала при эталонных условиях испытаний; η2 ‒коэффициент, учитывающий изменение относительной износостойкости материала в зависимости от давления; χ ‒ отношение скорости перемещения
пласта почвы по поверхности рабочего органа к его скорости рабочего органа.
Долговечность, ч, рабочего органа можно определить по формуле:
(3)
где Wcrit ‒ предельный износ наиболее изнашиваемого участка рабочего органа, см.
В качестве эталонного материала принята сталь 45 твердостью 90 HRB (или 180 НВ). За эталонные условия изнашивания приняты: давление рref = 0,1 МПа; абразив — частицы кварца размером 0,16…0,32 мкм; относительная изнашивающая способность абразива m = 1; vp = 1 км/ч;
Значения относительной изнашивающей способности почв приведены в табл. 1.
Относительная изнашивающая способность почв
Тип почвы
Относительная изнашивающая
способность почвы m
Песчаная
0,87
Супесчаная
0,62
Суглинистая:
легкая
0,42
средняя
0,32
тяжелая
0,22
Глинистая:
легкая
0,15
средняя
0,10
тяжелая
0,06
Кварцевые частицы размером 0,16…0,32 мкм
1,0
Зависимость относительной износостойкости сталей, из которых изготовляют рабочие органы почвообрабатывающих машин, от их химического состава и твердости представляют в виде эмпирического уравнения [9]:
ε = 0,24Х1 + 0,07Х2 + 0,11Х3 – 3,54, (3)
где ε ‒ относительная износостойкость стали (эталон ‒ сталь 45 твердостью 90 HRB, абразив ‒ кварц с частицами размером 0,16…0,32 мкм, давление абразива р = 0,33 МПа); Х1 ‒ содержание углерода, %; Х2 ‒ содержание хрома, %; Х3 ‒ твердость, ед. HRC.
Постоянные легирующие элементы в сталях ‒ марганец и кремний положительно влияют на некоторые характеристики сталей, но не на их износостойкость. Содержание в сталях таких элементов, как вольфрам, молибден и ванадий повышают износостойкость при твердости выше 60 HRC. При меньшей твердости их влияние на износостойкость невелико [4, 10-12].
Поэтому указанные элементы не введены в уравнение. Значения поправочных коэффициентов η1 и η2 определяются по эмпирическим формулам:
η1 = 9,6р – 0,04 (4)
η2 = 1,75р + 0,825 (5)
Если неизвестно значение относительной износостойкости стали при эталонном давлении, то его определяют по формуле:
(6)
где ε ‒ относительная износостойкость стали при давлении р = 0,33 МПа [см. уравнение (3)].
Учитывая, что нагрузка на носовую часть лемеха и интенсивность ее изнашивания в значительной мере отличаются от тех же параметров лезвийной части, долговечность лемеха рассчитывают по двум критериям ‒ износу носовой части и износу лезвийной части.
Допустимый износ носовой части определяется разностью начальной Н (рисунок 1) и предельной Нcrit высоты носка. Допустимый износ лезвийной части определяется также разностью начальной h и допустимой hcrit ширины лезвийной части или допустимой толщиной a лезвия.
Рисунок 1 ‒ Выбраковочные параметры лемеха
Долговечность лемеха по обработанной площади, га, по износу носовой части:
(7)
где А ‒ производительность плужного корпуса, га/ч; Н-Нcrit ‒ предельный износ носка по высоте, см.
Долговечность лемеха, га, по износу лезвийной части:
(8)
где h-hcrit ‒ предельный износ лезвийной части по ширине, см.
В большинстве случаев лемехи выбраковывают не по износу лезвийной части по ширине, а по предельной толщине лезвия.
Долговечность лемеха лезвийной части по предельной толщине
(9)
где а ‒ предельная толщина лезвия лемеха для конкретных условий вспашки, см; b ‒ начальная толщина лезвия нового лемеха, см; α ‒ угол заточки лемеха.
Как видно из выражений 7-9 долговечность лемеха прямо пропорциональна относительной износостойкости материала и обратно пропорциональна изнашивающей способности почвы, давлению абразива, скорости плуга и углу заточки лезвия. Чем больше угол заточки, тем быстрее лезвие достигнет предельной толщины и будет выбраковано по причине его плохого заглубления.
Максимальные суммарные давления, действующие на носке и лезвии лемеха, можно определить по следующим эмпирическим зависимостям:
(10)
(11)
где ‒ давление на лезвийной части лемеха, МПа; ‒ давление на носовой части лемеха, МПа; ‒ скорость движения рабочего органа, км/ч; β ‒ угол наклона лемеха к дну борозды, град.; ‒ твердость почвы, Мпа
Допустимую толщину (мм) лезвийной части лемеха, при которой обеспечивается постоянная глубина вспашки, можно определить по эмпирическому уравнению:
(12)
В качестве примера рассчитаем долговечность серийного лемеха из стали 65Г без дополнительного упрочнения.
Примем следующие условия вспашки:
- виды почв: песчаная, легкая суглинистая и легкая глинистая;
- твердость почвы: = 5 МПа, = 3 МПа, = 1 МПа;
- скорость вспашки: = 10 км/ч;
- производительность плужного корпуса: А = 0,35 га/ч;
- угол наклона лемеха ко дну борозды β = 30º.
Параметры серийного лемеха:
- относительная износостойкость ε = 1,28 для стали 65Г и при эталонном давлении абразива;
- начальная толщина лезвия b = 2 мм;
- предельный износ носка по высоте = 6,8 см;
- предельная толщина лезвия при = 5 МПа a = 3 мм; при = 3 МПа a = 5 мм; при = 1 МПа a = 7 мм.
Ограничение толщины лезвия 7 мм связано с ограничениями износа лемеха по ширине;
- угол заточки лезвия α = 8º.
Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Таблица 2 результаты расчетов
Параметр
Значения параметров на почве
песчаной
суглинистой (легкой)
глинистой (легкой)
твердостью, МПа
5
3
1
5
3
1
5
3
1
Давление почвы на носке , МПа
1,24
0,82
0,48
1,24
0,82
0,48
1,24
0,82
0,48
Давление почвы на лезвии , МПа
0,31
0,27
0,12
0,31
0,27
0,12
0,31
0,27
0,12
Ресурс серийного лемеха, га:
носовой части
2,95
4,85
9,8
6,03
10,0
20,7
16,7
28,3
58,8
лезвийной части
2,06
4,6
28,5
4,42
10,1
60,4
12,5
28,4
166,2
Соотношение ресурсов лезвийной и носовой частей
0,69
0,95
2,9
0,73
1,01
2,9
0,74
1,01
2,82
Ресурс опытного лемеха из стали 65Г, га:
носовой части
4,15
6,94
14,02
8,66
14,6
29,7
23,9
40,4
81,4
лезвийной части
3,31
12,35
79,3
6,9
26,2
160,0
19,3
72,1
450,0
Соотношение ресурсов лезвийной и носовой частей
0,79
1,78
5,65
0,8
1,79
5,38
0,8
1,78
5,52
Как видно из табл. 2, на песчаных почвах (в зависимости от их твердости) ресурс серийных лемехов изменяется от 2,06 до 9,83 га. При твердости 5 МПа лемехи будут выбраковывать по предельной толщине лезвия. Ресурс носовой части больше ресурса лезвийной. Для увеличения ресурса лезвийной части, например, до 2,95 га, следует уменьшить угол ее заточки. В результате этого повышается потенциальный объем изнашивания лезвия без снижения работоспособности лемеха.
При твердости песчаной почвы 3 МПа ресурсы носовой и лезвийной частей равны соответственно 4,85 и 4,6 га, т. е. лемех изнашивается практически равномерно.
На суглинистых почвах при твердости 5 МПа ресурс носка превышает ресурс лезвийной части.
Лемех будут выбраковывать по причине его выглубления. При твердости почвы 3 МПа ресурсы носовой и лезвийной частей равны 10,1 га, т. е. лемех изнашивается равномерно.
При твердости 1 МПа на суглинистых почвах ресурс серийного лемеха составляет 20,7 га. При этом износу подвергается прежде всего его носок.
Остаточный ресурс лезвийной части при выбраковке лемеха составит около 40 га.
На глинистых почвах ресурс серийного лемеха в зависимости от твердости почвы будет колебаться от 12,5 га при твердости 5 МПа до 58,8 га при твердости 1 МПа. В последнем случае при выбраковке лемеха его лезвийная часть будет недоиспользована примерно на 100 га пахоты, т. е. упрочнив носовую часть можно достичь ресурса лемеха около 160 га.
Как показывает практика, в большинстве случаев твердость песчаных и легких суглинистых почв на глубине 20…30 см составляет 2,2…2,8 МПа. Это значит, что ресурс лемехов из стали 65Г без упрочнения на таких почвах будет составлять 7…14 га. Упрочняя только носовую часть этих лемехов, можно довести их ресурс соответственно до 26…36 га.
Таким образом, упрочнив носок лемеха из стали 65Г плазменным упрочнением, можно достичь повышения ресурса его по сравнению с серийным неупрочненным лемехом не менее чем в 2,6 раза.
При пахоте средних и тяжелых суглинистых почв разница в ресурсах серийных и опытных лемехов будет значительно больше.
Рассмотрим возможности повышения долговечности лемеха за счет упрочнения носка, лезвия или одновременного упрочнения того и другого, исходя из обеспечения их равной износостойкости.
В общем случае для обеспечения равной износостойкости лезвийной и носовой частей лемеха требуемую относительную их износостойкость можно определить исходя из равенства долговечностей:
(13)
Откуда
(14)
где и ‒ относительная износостойкость соответственно носка и лезвийной части; и ‒ поправочные коэффициенты, учитывающие изменение изнашивающей способности почв соответственно на носке и лезвийной части; и ‒ поправочные коэффициенты, учитывающие изменение относительной износостойкости материалов соответственно носка и лезвийной части; и ‒ давление почвы соответственно на носке и лезвийной части.
Результаты
Очевидно, чем больше суммарная толщина носка (долота), тем хуже заглубляющая способность. Применение плазменной закалки почворежущих рабочих органов позволит повысить износостойкость и что особенно важно без увеличения толщины. Кроме того, важно определить оптимальную толщину упрочненного слоя. Как показывает опыт, работоспособность плужного корпуса трех-четырехкорпусного необоротного плуга, при удельной массе на один корпус в пределах 110…150 кг достаточно высокая, если толщина носка (долота) менее 14 мм. Достаточный уровень работоспособности восьми-девятикорпусных необоротных плугов и практически всех оборотных плугов при удельной массе на один корпус 220…480 кг обеспечивается при толщине носка (долота) 16…20 мм.
Рассчитаем рациональную толщину закалённого слоя hplaz в зависимости от относительной износостойкости:
(15)
где и ‒ относительная износостойкость соответственно основного и упрочнённого слоев; с ‒ толщина носка.
Исходя из суммарной толщины носка с = 12 мм расчеты выполним для лемехов из стали 65Г для работы на легких суглинистых почвах твердостью 3 МПа. Значения относительной износостойкости стали и упрочненного слоя приведены к условиям изнашивания при давлении pref = 0,1 МПа. Результаты расчетов даны в табл. 3.
Таблица 3 Рациональная толщина упрочненного слоя и потенциальный ресурс носка лемеха на примере стали 65Г.
Упрочнённый
материал,
его относительная
износостойкость
Сталь 65Г, ε = 1,28
Толщи‑
на упрочненного слоя,
мм
Относительная износостойкость носка
Потенциальный ресурс носка,
га
Сталь 65Г,
1,6
1,28
31,6
Опыт показывает, что упрочнение конструкционных сталей на такую глубину реально достижимо при использовании технологии поверхностной плазменной обработки (закалки). Заметим также, для обеспечения триботехнических свойств (повышение износостойкости и уменьшение коэффициента трения), обеспечивающих необходимую долговечность работы деталей в узлах трения практически не требуется толщина упрочненного слоя больше чем на 1-1,8 мм. Для получения экспериментальных образцов закалённых деталей использовалась установка плазменной закалки УДГЗ-200, позволяющая получить глубину закалённого слоя от 0,5 до 2,0 мм шириной 7-15 мм. Оперативный контроль твердости закалённой поверхности проводился прибором УЗИТ-3, при этом экспериментально проверялось влияние качества подготовки поверхности к закалке. Различие этих поверхностей показано на рисунке 2.
1 - поверхность незакалённая; 2 - поверхность, закалённая без дополнительных обработок; 3 - поверхность предварительно до закалки была зачищена шлиф машиной от поверхностных образований (ржавчина, царапины и т.д.).
Рисунок 2 ‒ Влияние предварительной обработки поверхности на шероховатость заметно визуально
При этом дальнейшая многократная проверка поверхностной твердости ультразвуковым твердомером УЗИТ-3 (рисунок 3) показала, что значительное отличие в твердости 2 и 3 образцов отсутствует.
Рисунок 3 ‒ Оперативная проверка твердости
Следовательно, закалку можно проводить без предварительной обработки, единственное отличие это шероховатость поверхности, у второго образца она изменилась так как он не был предварительно обработан. Отличие не существенное так как при эксплуатации агрегата шероховатости поверхностей 2 и 3 выравниваются в первые минуты работы. Кроме того, в рамках исследования проводилось исследование изменения химического состава стали после закалки и металлографические исследования изменения структуры металла. Результаты исследования подтвердили оперативные измерения глубина закалённого слоя составила 1-1,8 мм при этом подтвердились показатели, полученные ультразвуковым твердомером УЗИТ-3 т.е. твердость повысилась в 2-3 раза.
Как видно из табл. 2 и 3, при вспашке легких суглинистых почв ресурс носовой части серийного лемеха после плазменной закалки возрастает пропорционально повышению твердости в 3 раза с 10,0 га до 31,6 га, предварительные результаты сравнительных испытаний закалённых лемехов в полевых условиях показали что лезвийная часть упрочняется аналогично носовой с пропорциональным увеличением ресурса.
Кроме того, полевые испытания подтвердили увеличение ресурса лемехов. Плазменной закалке были подвергнуты опытные лемехи из стали 65Г, которые были установлены совместно с серийными. После вспашки 20,5 га остаточный ресурс закалённых лемехов составил около 20 га.
Обсуждение
Результаты испытаний подтвердили обоснованность предложенной методики по прогнозированию долговечности рабочих органов почворежущих сельскохозяйственных машин, а также эффективность использования установки плазменной закалки УДГЗ-200 для их упрочнения. Вместе с тем сегодня вместо плазменной закалки широко распространена наплавка различных упрочняющих материалов (Электрод Т‑590, Электрод ОЗИ‑6, плазменная наплавка ФБХ‑6–2, Сталь Х12, Износостойкий чугун ИЧ300Х9Ф6, Корундовая керамика ТК-Г, Твердый сплав ВК‑20), и даже наблюдается переход от однородного стабилизированного лезвия к двухслойному равно стойкому [10-14]. По нашему мнению, это сильно снижает заглубляющую способность, и приводит к нарушению агро-требований при выполнении технологических операций и как следствие к потере урожайности сельскохозяйственных культур, кроме того, эти сплавы на порядок выше по стоимости чем плазменная закалка. Вместе с тем плазменная закалка является технологически не сложной операцией и может проводится прямо на сельскохозяйственном предприятии.
Таким образом закалка тяжело нагруженных почворежущих деталей может значительно повысить рентабельность сельскохозяйственного производства. За счет закалки на глубину 1-1,8 мм в 2-3 раза увеличивается ресурс деталей, снижается время простоев дорогостоящих машинотракторных агрегатов на замену изношенных деталей. От остроты лезвий почворежущих машин зависят не только расход горючего, надёжность тракторов, но и производительность МТА в целом, а следовательно соблюдение агротехнических сроков, требований, урожайность, в итоге прибыль сельхозпредприятия и рентабельность растениеводства.
Благодарности
Исследование финансируется Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан, грант № AP08052699 «Разработка и создание экспериментального участка по упрочнению тяжелонагруженных деталей почворежущих машин с использованием инновационной плазменной технологии».
Page updated
Google Sites
Report abuse