Обеспечение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.20.03 -Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Обеспечение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин

Новиков В.С.

Москва 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Ерохин Михаил Никитьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Голубев Иван Григорьевич

доктор технических наук, профессор Михальченков Александр Михайлович

доктор технических наук Сидоров Сергей Алексеевич

Ведущее предприятие - ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет заочного образования»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Левшин А.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Основным средством производства в сельском хозяйстве является почва. С целью создания благоприятных условий для роста и развития культурных растений в ней проводится ее механическая обработка: вспашка, глубокое рыхление, лущение, фрезерование, культивация, боронование, прикатывание. Качество обработки почвы, энергетические расходы и общие затраты на обработку в значительной мере определяются конструкционными параметрами и состоянием рабочих органов. На совершенствование рабочих органов особое внимание обращал и В.П. Горячкин. Он писал: «Теория всякого орудия должна отвечать на два вопроса:

1) какую форму должны иметь рабочие части орудия для наиболее совершенной по качеству работы;

2) каковы должны быть размеры и расположение всех составных частей (работающих и неработающих) орудия для наиболее удобного управления им при возможно малой затрате усилия».

Рабочие органы почвообрабатывающих машин эксплуатируются в абразивной почвенной среде и интенсивно изнашиваются, изменяя свою форму и размеры, поэтому их приходится часто заменять или ремонтировать. Особенно это относится к лемешному плугу, с помощью которого выполняется, по словам В.П. Горячкина, «… самая важная, самая тяжелая и самая непроизводительная из всех сельскохозяйственных работ».

В настоящее время для основной обработки почвы - пахоты используются рабочие органы, конструкционные параметры которых были разработаны 40…50 лет назад. И если в 60-х годах прошлого века скорости вспашки не превышали 5 км/ч, сегодня они достигают 8…10 км/ч. Учитывая, что к настоящему времени значительно возросла масса уборочных машин, что повлекло за собой повышение уплотняемости почв, нагрузки на рабочие органы пахотных агрегатов выросли примерно в 4 раза, хотя сами рабочие органы не изменились ни конструкционно, ни материаловедчески.

Многочисленные испытания серийных рабочих органов лемешных плугов показывают, что средняя наработка на отказ долотообразных лемехов П-702 в зависимости от видов почв и их физического состояния колеблется от 5 до 20 га, грудей отвалов - от 10 до 100 га, крыльев отвала - от 40 до 270 га, полевых досок - от 20 до 60 га. Ограниченный ресурс имеют рабочие органы и других почвообрабатывающих машин: диски лущильников и дисковых борон - 8…20 га, лапы культиваторов - 7…18 га.

Все это свидетельствует о том, что долговечность рабочих органов почвообрабатывающих машин крайне не достаточна. В связи с этим исследования, направленные на повышение их ресурса, особенно плуга, являются актуальными и имеют важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнялась в рамках реализации государственных контрактов с Министерством сельского хозяйства РФ №1479/26 от 11.10.2002 г. и №732/13 от 27.06.2004 г.

Цель работы. Исследование закономерностей изменения износостойкости различных материалов в зависимости от их химического состава, физического состояния и условий абразивного изнашивания, разработка методик расчета рабочих органов почвообрабатывающих машин, на примере деталей плужного корпуса, на прочность и долговечность при изнашивании, методов и технологий повышения их ресурса.

Объектами исследования являются детали плужного корпуса - лемех, отвал, полевая доска, процессы их взаимодействия с почвой, а также материалы для их изготовления и упрочнения - стали, чугуны, наплавочные, керамические, композиционные материалы.

Предмет исследования. Установление зависимостей между материаловедческими, конструкционными, технологическими параметрами деталей рабочих органов и их работоспособностью и долговечностью.

Общая методика исследований включает следующие вопросы:

анализ физико-механических и технологических свойств почв и их влияние на характер изнашивания деталей рабочих органов плуга;

теоретические исследования процесса абразивного изнашивания и разработка на этой основе рабочей гипотезы о факторах, влияющих на интенсивность изнашивания;

экспериментальные исследования в лабораторных условиях износостойкости материалов, которые используются или могут найти применение для изготовления и упрочнения рабочих органов, в т.ч. сталей, наплавочных материалов, износостойких чугунов, технической керамики;

сравнительные эксплуатационные испытания существующих и опытных рабочих органов, разработанных на базе оптимальных материаловедческих, конструкционных и технологических параметров;

внедрение в производство методов и технологий повышения ресурса рабочих органов и оценка экономической эффективности их применения.

Научную новизну диссертации составляет теоретическое обоснование прочностных свойств и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин в различных почвенных средах и разработка комплексного подхода к их формированию для условий статических и динамических нагрузок с учетом материаловедческих, конструкционных, фрикционных и экономических аспектов.

Практическую ценность исследования составляют:

1. Классификация почв по их относительной изнашиваемости;

2. Аналитические выражения для определения:

- относительной износостойкости сталей и наплавочных материалов;

- долговечности рабочих органов по их изнашиваемости;

3. Материаловедческие, конструкционные и технологические параметры лемехов плуга общего назначения;

4. Технологии упрочнения лемеха, отвала (груди отвала) и полевой доски с применением:

- методов наплавки (ручной дуговой, плазменной, индукционной);

- пластин и брусков из износостойкого белого чугуна марки ИБЧ300Х9Ф6;

- пластин и конусных наставок из износостойкой стали Х12;

- пластин из корундовой керамики марок ТК-Г, Лунат-2, Б-11;

- композиционного покрытия из клея ВК-36 и корундовых зерен размером 0,001, 0,05 и 0,1 мм.

Реализация результатов исследования.

Технологический процесс изготовления и упрочнения деталей плужного корпуса внедрен в производство в ООО «ТАИР» г. Дубна, ОАО «Луховицкая сельхозтехника» Московской области. Материалы исследований включены в учебный процесс в сельскохозяйственных вузах РФ при подготовке специалистов по направлению «Агроинженерия».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- ежегодных научно-практических конференциях, в т.ч. международных, проводимых МГАУ им. В.П. Горячкина в течение 1998…2008 гг.;

- международной научно-практической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, технического обслуживания машин и восстановления деталей», г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2005 г.

Опытные высокоресурсные детали рабочих органов представлялись на ВВЦ в 2004 и 2005 гг.

Публикации

Основные результаты исследований опубликованы в 34 работах общим объемом около 30 п.л., в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций - 7, патентах на изобретения - 4, в отчетах о научно-исследовательских работах - 3.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографии использованных литературных источников (224 наименования). Работа содержит 315 стр. машинописного текста, включая 93 рисунка, 43 таблицы, 5 приложений.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование основных направлений обеспечения долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин: материаловедческого, конструкционного и технологического.

2. Результаты исследований относительной износостойкости различных марок сталей, наплавочных материалов, износостойкого чугуна, технической керамики.

3. Классификация почв по их относительной изнашивающей способности.

4. Материаловедческие и конструкционные параметры лемехов для обработки почв различного гранулометрического состава.

5. Аналитические выражения для определения:

- износа и долговечности рабочих органов;

- относительной износостойкости сталей и наплавочных материалов в зависимости от их химического состава и твердости;

- условий равностойкости различных участков рабочих органов с целью эффективного использования основного материала;

- ударной вязкости, которой должен обладать лемех плуга с целью его сохранности от излома при столкновении с препятствием (уплотненная почва, камень и др.).

1. Методика выбора оптимальной марки стали для изготовления рабочих органов по критерию минимума стоимостной оценки износостойкости.

2. Использование частичного залипания наиболее изнашиваемых участков рабочей поверхности рабочего органа как метода повышения его ресурса и экономическое обоснование применения этого метода.

3. Технологии повышения ресурса лемеха, отвала (груди отвала), полевой доски наплавкой износостойкого материала, применением упрочняющих пластин из износостойкого чугуна, износостойкой стали Х12, технической керамики, а также композиционного покрытия.

Содержание работы

Глава 1. Состояние проблемы. Анализ характера и интенсивности изнашивания деталей рабочих органов плуга. Цель и задачи исследования

Большой вклад в изучение вопросов изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин и разработки мер по повышению их работоспособности и долговечности внесли следующие ученые: Бернштейн Д.Б., Бойков В.М., Бурченко П.М., Винокуров В.Н., Виноградов В.Н., Голубев И.Г., Ермолов Л.С., Ерохин М.Н., Краснощеков Н.В., Крагельский И.В., Костецкий Б.И., Львов П.Н., Михальченков А.М., Ниловский И.Л., Огрызков Е.П., Панов И.М., Пронин А.Ф., Рабинович А.Ш., Розенбаум А.Н., Севернев М.М., Сидоров С.А., Синеоков Г.Н., Тененбаум М.М., Хрущов М.М. и многие другие ученые.

Рабочие органы почвообрабатывающих машин работают в почве, которая представляет собой трехфазную дисперсную среду, состоящую из твердых, жидких и газообразных частиц, раздробленных и перемешанных между собой.

Состав, агрегатное состояние и физико-механические свойства почвы в значительной мере определяют ее изнашивающую способность. Наибольшее влияние на изнашивающую способность почвы оказывает ее механический состав.

Механические элементы разных почв отличаются не только по размерам, процентному содержанию, но и по минералогическому составу, что определяет их различие по разнообразным свойствам.

Основными агентами износа рабочих органов являются твердые (HV 7…11 ГПа) минеральные частицы кварца и гранита, составляющие примерно 36,6…70,8% почвы. Затем по степени распространения идут полевой шпат, слюда и другие минералы (HV 6…7,2 ГПа).

Большая часть частиц имеет округлую форму, но также присутствуют и частицы, имеющие острые грани и выступы, способные деформировать и изнашивать контактные поверхности деталей рабочих органов. Эти минералы, особенно кварц, являются основной составной частью большинства песчаных почв, чем и объясняется их высокая изнашивающая способность. Меньшей твердостью обладают частицы пород, образующих глинистые почвы, поэтому интенсивность изнашивания рабочих органов на суглинистых и глинистых почвах ниже, чем на песчаных.

а)

б)

в)

Рисунок 1 Характеристика участков лемеха (а), отвала (б) и полевой доски (в) по интенсивности изнашивания.

В связи со значительными различиями почв по их изнашивающей способности, интенсивность изнашивания деталей рабочих органов на различных почвах будет значительно отличаться. Учитывая также, что давление почвы на различных участках рабочих поверхностей разное, они изнашиваются не равномерно (рис. 1).

Наиболее интенсивно изнашиваются: у лемеха - носок 1 (рис. 1, а), у отвала - полевой обрез и участок 1 (рис. 1, б), у полевой доски - задняя часть 1 (рис. 1, в) по толщине и снизу вверх. Кроме физического износа, лемех часто выбраковывается в результате излома и изгиба. В зависимости от состояния почв, их уплотненности и засорения камнями и другими элементами, потери лемехов от этих причин достигают от 10 до 40 процентов.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи.

1. В материаловедческом направлении:

- исследовать и разработать классификацию относительной изнашивающей способности почв в зависимости от их гранулометрического состава;

- разработать аналитическое выражение зависимости износа деталей плужного корпуса - лемеха, отвала и полевой доски - от наработки, изнашивающей способности почв и износостойкости материалов;

- исследовать и разработать математические модели зависимости относительной износостойкости углеродистых и легированных сталей, материалов износостойких наплавок от их химического состава и твердости;

- исследовать прочностные параметры деталей рабочих органов в зависимости от характера упрочнения - наплавкой или закреплением упрочняющих пластин на наиболее изнашиваемых участках деталей;

- исследовать относительную износостойкость керамических материалов, износостойких белых чугунов, имеющих различный химический состав и физико-механические свойства, выбрать наиболее перспективные из них для упрочнения деталей рабочих органов плуга и разработать конструктивное исполнение упрочняющих пластин;

- разработать методику выбора материалов для изготовления и упрочнения деталей рабочих органов по критериям стоимостной оценки износостойкости, ударной вязкости и прочности;

- разработать технологии упрочнения деталей плужного корпуса методами наплавки, а также закрепления на наиболее изнашиваемых участках износостойких керамических, чугунных и стальных пластин.

2. В направлении повышения конструкционной износостойкости:

- разработать методику обоснования равностойкости деталей рабочих органов;

- обосновать рациональные углы заточки и наклона лезвия лемеха к дну борозды.

3. В технологическом направлении:

- теоретически и экспериментально исследовать и экономически обосновать целесообразность искусственного залипания наиболее изнашиваемых участков рабочих органов с целью защиты их от изнашивания.

4. Провести сравнительные эксплуатационные испытания опытных деталей рабочих органов.

5. Определить экономическую эффективность применения высокоресурсных деталей рабочих органов плуга.

Глава 2. Научные основы повышения долговечности деталей рабочих органов плуга

Материаловедческое направление.

Исходя из современных представлений о видах изнашивания, рабочие органы почвообрабатывающих машин подвергаются следующим видам изнашивания:

- абразивному - в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц;

- усталостному - в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя при трении скольжения или качения;

- окислительному - в результате химической реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой и микропластической деформации поверхностного слоя.

Интенсивность износа зависит от режимов изнашивания, изнашивающей способности почвы и свойств изнашиваемой поверхности. При этом обычно полагают, что изнашивающая способность почвы изменяется прямо пропорционально изменению давления абразива, а относительная износостойкость материала остается величиной постоянной.

Фактически, как показывают экспериментальные данные, с повышением давления относительная изнашивающая способность абразива повышается в более быстром темпе, чем растет давление. Относительная износостойкость материала также повышается.

Это обстоятельство можно объяснить тем, что при малых давлениях острота зерен абразива при микрорезании как относительно мягких, так и относительно твердых материалов, теряется достаточно медленно, поэтому износ обусловлен в основном усталостным разрушением материала. Относительная износостойкость материалов мало отличается друг от друга.

При значительных давлениях острота зерен при микрорезании трудноизнашиваемых материалов теряется значительно быстрее, чем при микрорезании легкоизнашиваемых, поэтому, хотя в целом при увеличении давления интенсивность изнашивания как тех, так и других материалов повышается, однако темп ее повышения при износе трудноизнашиваемых материалов значительно меньше, чем у легкоизнашиваемых, поэтому относительная износостойкость трудноизнашиваемых материалов повышается.

Эти положения легли в основу при прогнозировании динамики износа и долговечности рабочих органов.

Введено понятие эталонного изнашивания образца материала эталонным абразивом в эталонных условиях.

В качестве эталонного абразива приняты частицы кварца размером 0,16…0,32 мкм, относительной влажностью 1%, относительная изнашивающая способность которого m_эт = 1. В качестве эталонного материала принят образец из стали 45 твердостью HRВ 90 (HB 180), относительная износостойкость которого е_эт = 1. За эталонные условия изнашивания приняты следующие:

- давление абразива на изнашиваемую поверхность p_эт = 0,1 МПа;

- скорость перемещения абразивных частиц относительно образца v_отн.эт = 1 км/ч;

- поверхность трения образца S_эт = 1 смІ;

- время изнашивания t_эт = 1 ч.

Так как износ пропорционален изнашивающей способности абразива (почвы), давлению, пути трения, площади трения и обратно пропорционален относительной износостойкости образца (материала), то износ этого образца в весовом измерении W_эт, г будет составлять:

(1)

где к - коэффициент пропорциональности, г/МПа·км·см².

Коэффициент пропорциональности определяется из отношения износа, полученного при эталонных условиях, к эталонным параметрам и представляет собой интенсивность изнашивания эталонного образца в эталонных условиях:

(2)

При испытании эталонного образца из стали 45 твердостью НRВ 90 на аппарате ИМ-01 конструкции ВИСХОМа в эталонных условиях установлено, что износ образца в течение одного часа составил W_эт = 0,0125 г, а к = 0,125 г/МПа·км·см².

Так как закономерность изменения изнашивающей способности абразива (почвы) и относительной износостойкости материала от давления различны, введем в формулу 1 эталонного износа поправочные коэффициенты з₁ и з₂, учитывающие соответственно изменение изнашивающей способности почвы и относительной износостойкости материала в зависимости от давления p. Тогда износ другого материала в общем случае при других условиях изнашивания будет равен:

- в весовом измерении:

, (3)

в линейном измерении:

(4)

где ДW - весовой износ, г;

Дh - линейный износ, см;

m_эт - относительная изнашивающая способность почвы по гранулометрическому составу при эталонном давлении абразива;

е_эт - относительная износостойкость материала детали при эталонном давлении абразива (почвы);

р - давление почвы (абразива) на наиболее изнашиваемом участке рабочего органа, МПа; t - время работы рабочего органа, ч;

г - плотность материала изнашиваемой детали (образца), г/см³;

₁ - коэффициент, учитывающий изменение изнашивающей способности почвы в зависимости от давления абразива;

₂ - коэффициент, учитывающий изменение относительной износостойкости материала в зависимости от давления абразива;

S - поверхность трения, см².

Интенсивность износа определяется по формуле:

(5)

Или

(6)

Приняв для удобства расчетов S = 1 см² и зная предельный износ наиболее изнашиваемого участка рабочего органа, можно определить долговечность его по формуле:

(7)

где Т - долговечность рабочего органа, га;

Дh_пр - предельный износ рабочего органа на наиболее изнашиваемом участке, см;

н_п - поступательная скорость движения рабочего органа плуга, км/ч;

ч - отношение скорости перемещения пласта почвы по рабочей поверхности к поступательной скорости рабочего органа;

А - производительность плужного корпуса, га/ч.

Учитывая, что нагрузка и интенсивность изнашивания носовой части лемеха в значительной мере отличается от нагрузки и интенсивности изнашивания лезвийной части, долговечность лемеха определяется по двум критериям - износу носовой части и износу лезвийной части.

Износ носовой части определяется разностью (Н-Н_пр), лезвийной части - (h-h_пр) или (а-в) (рис. 2).

Рисунок 2. Выбраковочные параметры лемеха

Н, Н_пр - начальная и предельная высота носка лемеха, см;

h, h_пр - начальная и предельная ширина лезвийной части лемеха, см;

в, а - начальная и предельная толщина лезвия, см;

б - угол заточки лезвия, градус;

в - угол наклона лезвия к дну борозды, градус.

Долговечность лемеха по износу носовой части определяется по формуле:

(8)

где Т_н - долговечность, га; 0,016 - отношение г/к, (г·МПа·км)/см; p_н - давление на носке лемеха, МПа.

Долговечность лемеха по износу лезвийной части определяется соответственно по формуле:

(9)

где h-h_пр - предельный износ по ширине лезвийной части, см;

p_л - давление на лезвийной части лемеха, МПа.

В большинстве случаев лемехи выбраковываются не по износу лезвийной части по ширине, а по предельной толщине лезвия.

Долговечность лемеха по предельной толщине лезвия лезвийной части определяется по формуле:

(10)

где а - предельная толщина лезвия лемеха для данных условий вспашки, см;

в - начальная толщина лезвия нового лемеха, см;

б - угол заточки лемеха.

При двухслойном лезвии лемеха относительную износостойкость его можно определить по формуле:

, (11)

где е_с - относительная износостойкость двухслойного лемеха;

е₁ и е₂ - относительная износостойкость материала соответственно первого и второго слоя; в₁ и в₂ - толщина соответственно первого и второго слоя, мм.

Предельная толщина лезвия лемеха может быть определена по эмпирическому уравнению:

(12)

где а - предельная толщина лезвия лемеха, мм; x - абсолютная влажность почвы, в процентах.

Расчет долговечности отвала производится по участку с максимальной скоростью изнашивания до образования сквозного отверстия на рабочей поверхности, либо в результате износа полевого обреза до обнажения башмака.

На песчаных, супесчаных и легких суглинистых почвах расчет долговечности проводится по первому критерию, т.е. до образования сквозного отверстия, на глинистых и тяжелых суглинистых почвах - по износу полевого обреза.

Уравнение долговечности однородного отвала при износе до сквозного отверстия:

(13)

Уравнение долговечности по износу полевого обреза отвала:

(14)

где Т_о - долговечность отвала, га;

h_о - толщина однородного отвала, см;

d - расстояние от нижней грани заточки полевого обреза до башмака плужного корпуса, см;

p₀ - давление в наиболее изнашиваемой зоне отвала, МПа.

Наиболее изнашиваемым участком полевой доски является ее задняя часть (рис. 3).

Hґ и Hґ_пр - начальная и предельная ширина доски в ее задней части, мм.

Предельная ширина доски Hґ_пр, при достижении которой она, как правило, деформируется и заменяется, для различных типов почв (по Каплуну Г.П.) составляют:

Hґ_пр = 6,8…7,0 см - для тяжелых глинистых почв;

Hґ_пр = 5,8…6,0 см - для средне и легкосуглинистых почв;

Hґ_пр = 4,5…5,5 см - для супесчаных и песчаных почв.

Уравнение долговечности полевой доски:

Рисунок 3. Предельные параметры полевой доски

(15)

где Т_д - долговечность доски, га;

p_д - давление на заднем участке доски, МПа

Максимальные давления, действующие на носке лемеха p_н , на лезвии лемеха p_л , в наиболее изнашиваемых зонах отвала p_о и полевой доски p_д (МПа) определяются по следующим эмпирическим зависимостям:

(16)

(17)

(18)

(19)

где н_п - скорость движения плуга, км/ч;

в - угол наклона лемеха к дну борозды, градусов;

В - твердость почвы, МПа.

Значение ч принимаются следующими:

- при расчете долговечности лицевой поверхности лемеха и отвала ч = 0,646;

- при расчете долговечности носка, лезвийной части лемеха и полевой доски ч = 1.

Повышение относительной износостойкости сталей, связанное с увеличением в их составе углерода и легирующих элементов, определяет и цену этих сталей. Поэтому, при выборе марки стали для изготовления рабочих органов необходимо учитывать фактор стоимости.

В связи с тем, что в настоящее время цены на материалы не стабильны и зависят от многих факторов, в т.ч. от завода-изготовителя, коммерческой организации, объема поставки и др., целесообразно оперировать их не конкретными, а относительными величинами. В качестве эталона, так же, как при характеристике износостойкости, был принят листовой прокат стали 45 толщиной 8…12 мм. Относительная цена этой стали принята за единицу.

Критерием выбора оптимальной марки стали для изготовления рабочих органов по параметру износостойкости принято минимальное значение относительной износостойкости, которое определяется из выражения:

(20)

где C_u - относительная стоимостная оценка износостойкости;

ОЦ - относительная цена стали.

Технологическое направление повышения долговечности рабочих органов основано на защите участков лицевой поверхности, подверженных наиболее интенсивному абразивному изнашиванию, путем нанесения на нее композиционного материала, коэффициент трения которого с почвой равен или несколько превышает коэффициент трения почвы о почву, создавая на этом участке эффект залипания поверхности и защищая ее таким образом от абразивного изнашивания.

Подобран такой материал, который обеспечивает создание тонкого почвенного слоя на наиболее изнашиваемых участках рабочих органов при обработке песчаных, супесчаных и легких суглинистых почв. Таким материалом является клеевая композиция на основе клеевой пленки ВК-36 и корундового порошка. Порошок представляет собой смесь корундовых зерен при соотношении размеров зерна: 0,1 мм - 50%, 0,05 мм - 30% и 0,001 мм - 20%. Удельный вес корунда в композиции составляет 60 процентов.

При влажности супесчаной и песчаной почв в пределах 12…16%, коэффициент трения почвы о клеевую композицию примерно равен коэффициенту трения почвы о почву, обеспечивая, таким образом, легкое залипание поверхности, покрытой этой композицией и защищая ее от изнашивания. Коэффициент трения почвы о клеевую композицию в этом случае составляет f_К = 0,50…0,60, а коэффициент трения почва-сталь в этом случае был бы f_с = 0,48…0,50.

Учитывая, что максимальной изнашивающей способностью обладают почвы, абсолютная влажность которых составляет 12…16%, именно такой композиционный состав целесообразно наносить на изнашиваемую поверхность для ее защиты путем частичного залипания.

Так как коэффициент трения почвы по поверхности, покрытой клеевой композицией, увеличивается по сравнению с коэффициентом трения почва-сталь, общая сила трения рабочего органа возрастает пропорционально площади покрытия. Таким образом, залипание рабочей поверхности влечет за собой увеличение его сопротивления в процессе вспашки. Потери в этом случае будут формироваться в виде повышения расхода топлива на вспашку.

Можно предположить, что расход топлива при вспашке обычным плужным корпусом и плужным корпусом с частично залипающими лемехом и отвалом будет изменяться пропорционально относительной разности их сил трения ДF₀, которая определяется по формуле:

 (21)

где F_ТР - сила трения на поверхности рабочего органа с композиционным покрытием;

F^м_ТР - сила трения на поверхности рабочего органа без композиционного покрытия;

u - отношение площади покрытия к общей площади поверхности рабочего органа, контактирующего с почвой;

f₁ - коэффициент трения скольжения почвы о почву;

f₂ - коэффициент трения скольжения почвы по металлу;

Р₁ - среднее удельное давление пласта почвы на участке залипания, МПа;

Р₂ - среднее удельное давление пласта почвы на участке трения по металлу, МПА.

Такой метод защиты от изнашивания будет эффективным, если будет выполнено условие:

Э = М - З > 0,(22)

где Э - экономическая эффективность применения технологии залипания наиболее изнашиваемого участка рабочего органа, р/га;

З - затраты, связанные с увеличением расхода топлива, р/га;

М - экономия, полученная за счет повышения ресурса рабочих органов и снижения затрат на их замену, р/га.

Затраты, связанные с увеличением расхода топлива можно определить по формуле:

(23)

где q_е - удельный расход топлива при номинальной эксплуатационной мощности, г/кВт·ч;

N - номинальная эксплуатационная мощность двигателя, кВт.;

Ц_Т - цена 1 кг топлива, р.;

Q - производительность пахотного агрегата, га/ч.

Экономия, полученная за счет повышения ресурса рабочих органов определяется по формуле:

(24)

где Ц_д1 и Ц_д2 - соответственно цена рабочего органа без композиционного покрытия и с композиционным покрытием, р.;

П - затраты на замену рабочего органа, р.;

Т₁ и Т₂ - соответственно ресурс рабочего органа без композиционного покрытия и с покрытием, га.

Конструкционное направление повышения долговечности деталей, в общем случае, связано с такими характеристиками их работы как:

- обеспечение равномерного изнашивания деталей за счет равностойкости любых участков их рабочих поверхностей и повышения на этой основе эффективности использования материала рабочего органа;

- придание деталям рабочих органов таких форм, при которых значительный износ не вызовет изменения служебных характеристик, в результате чего повышается срок службы деталей без снижения работоспособности.

Достигнуть равностойкости рабочего органа, например носка и лезвийной части лемеха, можно путем повышения износостойкости его носовой части наплавкой на нее износостойкого сплава или другим методом.

Требуемую относительную износостойкость носка лемеха получим из соотношения долговечностей носовой и лезвийной частей лемеха. Они должны быть равны, т.е.:

,( 25)

где - предельный износ по высоте носовой части и ширине лезвийной части лемеха, мм;

е_н, е_л - относительная износостойкость соответственно носовой и лезвийной частей лемеха;

- поправочные коэффициенты к относительной износостойкости материала носовой и лезвийной частей в зависимости от давления;

р_н, р_л - давление почвы соответственно на носок и на лезвие.

Откуда:

, (26)

Работоспособное состояние лемеха зависит от толщины его лезвия. Предельный объем изнашивания лезвийной части характеризует длительность работоспособного состояния лемеха. Оно будет тем больше, чем меньше угол заточки. Как показывают расчеты, изменив угол заточки лезвия лемеха с б = 30є (рис. 2) на б = 10є и приняв начальную толщину лезвия 2 мм, потенциальный объем допустимого изнашивания может быть увеличен в 3 раза до достижения предельной толщины лезвия по сравнению с лезвием, заточенным на угол б = 30є.

Однако уменьшение угла заточки снижает его прочность. Особенно это важно для носовой части, которая испытывает значительные изгибающие нагрузки. В связи с этим целесообразно на носовой части лемеха или на его долоте угол заточки сохранять в пределах 25…30°, как и определено техническими требованиями к серийному лемеху П-702 с целью обеспечения прочности носка. У лезвийной части угол заточки следует устанавливать в пределах 8…10°, а начальную толщину лезвия «в» устанавливать в пределах 2,0…2,5 мм вместо 1 мм, как у серийного, на всей длине лемеха.

Кроме того, целесообразно толщину носовой части принимать несколько больше по сравнению с лезвийной частью для обеспечения прочности лемеха.

Угол наклона лезвия к дну борозды тоже влияет на остроту лезвия. Чем меньше этот угол, тем меньше стабилизированный угол наклона затылочной фаски. Таким образом, угол заострения в процессе изнашивания лемеха будет тем меньше, чем меньше угол заточки, а так же чем меньше угол наклона лезвия к дну борозды.

В то же время известно, что с уменьшением угла наклона лемеха к дну борозды в снижается способность лемеха к заглублению. Достаточным для нормального заглубления лемеха считается в = 25…30° практически для любых условий вспашки при твердости почв до 4…5 МПа.

Таким образом, если выполнить лемех пространственно изогнутым, с углом наклона носка в = 25…30° и углом заточки его б = 25…30°, а лезвие - с углом наклона в = 25…15° и углом заточки б = 8…10°, получим оптимальную конструкцию, сочетающую хорошую заглубляемость лемеха и тонкое, прочное лезвие, обеспечивающее длительную работоспособность.

На рисунке 4 представлены возможные конструкции таких лемехов для отечественных плугов, долотообразного и трапециевидного с изменяющейся шириной.

Лемехи для трех-четырехкорпусных плугов рекомендуется изготавливать из листовой стали марок 40ХС, 40Х толщиной 10 мм, для пяти- девятикорпусных плугов - из листовой стали тех же марок толщиной 12 мм. При этом лезвийную часть целесообразно делать толщиной 8-9 мм.

Носки лемехов затачиваются под углом 25-30°, а лезвие, на расстоянии примерно 400 мм - под углом 8-10⁰. После заточки лезвийная часть изгибается таким образом, чтобы в рабочем положении лезвие в сечении I-I имело угол в = 30⁰, в сечении II-II - 25⁰, в сечении III-III - 20⁰, IV-IV - 15⁰.

Рисунок 4. Конструкции лемехов для отечественных плугов с изменяющимися углом наклона к дну борозды и различными углами заточки на носовой и лезвийной частях: а - долотообразный; б - трапециевидный с переменной шириной

прочность долговечность рабочий почвообрабатывающий изнашивание

Глава 3. Методика экспериментальных исследований

Исследования износостойкости материалов проводились на приборе ИМ-01 при трении вращающегося ролика из эластичного полимерного материала о поверхность исследуемого образца через прослойку абразивных частиц кварца или корунда размером 0,16…0,32 мм.

Исследования изнашивающей способности почв проводились также на приборе ИМ-01. Эталонный образец из стали 45 (HRB 90) изнашивался абразивной смесью из глины (размер частиц 0,01-0,001 мм) и песка (размер частиц 1,0-0,05 мм) в различных соотношениях.

Оценку прочности упрочненных наплавкой износостойкого сплава и пластиной из чугуна или стали образцов производили путем приложения сосредоточенной нагрузки на машине ИМЧ-30 как со стороны упрочнения, так и с противоположной стороны, до разрушения.

Исследования прочности клеевых и паяных соединений проводили на разрывной машине МР-0,5, позволяющей проводить испытания на растяжение и сжатие и измерять величину нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины.

Исследования коэффициента трения керамики и композиционного покрытия о почву проводили на приборе В.А. Желиговского.

Экспериментальные исследования по определению влияния конструкционных параметров на тяговое сопротивление проводились в почвенном канале ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина. Общее сопротивление лемеха определяли путем записи показаний со шкалы динамометра.

Для проверки работоспособности серийных и опытных деталей рабочих органов (лемеха, груди отвала, полевой доски) проводили их эксплуатационные испытания на полях Центральной МИС (г. Солнечногорск Московской обл.), Владимирской МИС (г. Покров Владимирской обл.), а также в хозяйствах Московской, Калужской, Курской, Тамбовской и Брянской областей.

Глава 4. Результаты исследования износостойкости материалов и изнашивающей способности почв.

Износостойкость сталей. На основании проведенного анализа применения сталей для изготовления и упрочнения рабочих органов сельскохозяйственных машин как в отечественной практике, так и за рубежом, для проведения исследовательских работ были выбраны следующие марки сталей: 45, 65Г, Л53, 40Х, Х12, 30ХГСА, ШХ15, Х12МФ, 4Х5В2ФС, ХГ, ХВГ.

Результаты испытаний их относительной износостойкости представлены в таблице 1.

Анализ результатов испытаний этих сталей показывает, что их износостойкость зависит как от содержания углерода, так и состава легирующих добавок, и, прежде всего, от их соотношений. Высоколегированные, но малоуглеродистые стали обладают меньшей износостойкостью, чем менее легированные, но содержащие большее количество углерода.

Таблица 1

Зависимость относительной износостойкости сталей от химического состава и твердости (абразив - кварцевые зерна размером 0,16…0,32 мм; давление - 0,33 МПа)

№ п/п	Марка стали	Химический состав, %	Твердость, HRC	Относительная износостойкость, е
		C	Si	Mn	Cr	Прочие
1	45	0,45	0,25	0,67	0,14	Ї	HRB 90	1,0
2	45	0,45	0,25	0,67	0,14	Ї	45	1,4
3	Л53	0,47	0,25	0,67	0,14	Ї	47	1,7
4	65Г	0,65	0,25	1,0	0,14	Ni-0,20 Cu-0,18	52	1,9
5	40Х	0,40	0,27	0,65	1,0	Ni-0,21	55	2,7
6	30ХГСА	0,30	1,0	1,0	1,0	Ї	55	2,5
7	Х12	2,12	0,38	0,37	11,8	W-0,04	60	4,6
8	ШХ15	1,05	0,28	0,30	1,43	W-1,38	50	3,1
9	4Х5В2ФС	0,4	1,0	0,35	1,5	W-1,9 V-0,7 Cu-0,25	52	2,5
10	Х12МФ	1,5	0,25	0,3	12,0	Mo-0,5 V-0,2 Cu-0,25	56	3,3
11	ХГ	1,51	0,27	0,53	1,45	Ї	52	2,7
12	ХВГ	1,06	0,28	0,85	1,02	W-1,3	51	3,0

Основное влияние на износостойкость сталей в условиях абразивного изнашивания оказывает содержание в них углерода, хрома, а также их твердость. Для указанных параметров получено корреляционное уравнение зависимости относительной износостойкости сталей, которое имеет вид:

е = 0,24Х₁+0,07Х₂+0,11Х₃-3,54,(27)

где е - относительная износостойкость стали при давлении P = 0,33 МПа;

Х₁ - содержание углерода, в процентах;

Х₂ - содержание хрома, в процентах;

Х₃ - твердость, в единицах HRC.

Износостойкость наплавочных материалов. Для определения относительной износостойкости наплавочных материалов были испытаны твердые сплавы, наплавленные на образцы из стали 3 с помощью электродуговой, плазменной и индукционной наплавок (табл. 2). Образцы закаливались при температуре 830єС в масло с последующим отпуском при 200…220єС.

Таблица 2

Зависимость относительной износостойкости наплавочных материалов от химического состава и твердости (абразив - кварцевые зерна размером 0,16…0,32 мм, давление 0,33 МПа)

№ п/п	Марка материала	Вид наплавки	Химический состав	ТвердостьНRC	Относит. износо-стойкость
			С	Cr	Si	Mn	Ni	B	Mo	W	Прочие
1	Сталь 45												1
2	ЦН-12М	Дуговая	0,13	16,3	4,1	4,0	7,9	-	5,7	-	Nb-0,8	47	2,5
3	ОЗН-6	Дуговая	1,0	4,4	3,7	2,6	-	0,9	-	-	-	48	2,4
4	ОЗШ-3	Дуговая	0,4	9,9	1,9	0,5	-	-	-	-	-	50	2,9
5	Т-590	Дуговая	3,2	25,0	2,2	1,2	-	1,0	-	-	-	57	4,1
6	ОЗИ-3	Дуговая	0,8	3,6	0,4	0,5	-	-	4,0	1,4	V-1,0	50	3,3
7	ОЗН-7М	Дуговая	0,7	4,1	1,4	0,4	2,0	0,5	-	-	V - 0,6	51	3,0
8	ОЗИ-6	Дуговая	1,1	4,3	1,5	0,6	-	-	7,5	2,2	V-1,3, Ti-0,2, Al-0,25	58	6,3
9	ЭН-60М	Дуговая	0,8	2,7	1,0	0,9	-	-	0,9	-	Тi - 0,1	53	3,6
10	ОЗН-400М	Дуговая	0,13	-	1,7	3,5	-	-	-	-	-	44	1,7
11	ФБХ-6-2	Плазменная	4,5	35,0	2,1	2,5	-	1,7	-	-	-	57	4,9
12	ПГ УСЧ 30	Индукционная	3,9	48,0	3,3	1,5	3,0	-	0,2	-	-	54	3,6
13	ПГ УСЧ 31	Индукционная	4,7	41,0	2,2	-	1,3	-	1,5	-	-	52	3,3

Как видно, относительная износостойкость испытанных наплавочных материалов изменяется в пределах от 1,7 (ОЗН-400М) до 6,3 (ОЗИ-6).

Аналитическое выражение корреляционной зависимости относительной износостойкости наплавочных материалов от содержания отдельных элементов и твердости имеет вид:

е = 0,018Х₁ + 0,0023Х₂ + 0,15Х₄ + 0,076Х₅ + 0,3Х₆ + 0,4Х₇ + 0,21Х₃ -

- 7,47, (28)

где Х₄ - содержание бора, %;

Х₅ - содержание молибдена, %;

Х₆ - содержание вольфрама, %;

Х₇ - содержание титана, %.

Остальные значения те же, что и в уравнении 28.

Наибольшее влияние на износостойкость наплавок оказывает содержание бора, вольфрама и титана, а также твердость.

Износостойкость белых чугунов. Износостойкость чугунов определяется прежде всего состоянием углерода в них. В графитизированных чугунах (сером, ковком, высокопрочном) весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, в белом - весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C), в половинчатых - соответственно часть углерода в свободном состоянии, другая часть - в связанном.

Основной структурной особенностью износостойких белых чугунов (ИБЧ) является наличие достаточно большого количества высокотвердых карбидов (легированного цементита и специальных карбидов), обеспечивающих их высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания.

В таблице 3 представлены результаты испытаний относительной износостойкости белых износостойких чугунов.

Таблица 3

Зависимость относительной износостойкости белых износостойких чугунов от химического состава и твердости (абразив - корундовая шкурка зернистостью 40, давление 0,3 МПа)

Сплав	Химический состав белых износостойких чугунов	Твердость после термообработки	Относительная износостойкость, е
	C	Si	Mn	Cr	V	Al
1	3,23	0,79	1,98	9,85	6,12	0,14	64	9,5
2	3,44	0,73	2,16	8,87	6,47	0,19	65	10,2
3	3,58	0,84	2,20	9,50	6,02	0,16	68	13,6
4	3,21	0,90	1,91	9,28	6,09	0,12	64	8,8
5	3,49	0,83

Подобные документы

• Почвообрабатывающие машины

  Изучение технических характеристика почвообрабатывающих машин для боронования, шлейфования, культивации, окучивания, нарезки гребней и поделки гряд. Особенности работы культиваторов-растениепитателей, сцепок. Техническое обслуживание машин и орудий.
  
  курсовая работа [3,1 M], добавлен 03.03.2010
  

• Машины для посадки леса

  Лесотехнические требования к посадке, способы ее осуществления. Классификация и устройство лесопосадочных машин. Характеристика рабочих и вспомогательных органов лесопосадочных машин. Категории площадей, на которых производится посадка лесных культур.
  
  презентация [2,4 M], добавлен 22.08.2013
  

• Факторы, влияющие на износ деталей почвообрабатывающих машин

  Влияние почвенных условий на величину и характер износа деталей. Основные факторы, влияющие на затупление лезвия сельскохозяйственной техники и механизмов. Оценка влияния скорости на нормальное давление почвы и на степень износа деталей сельхозмашины.
  
  реферат [113,9 K], добавлен 24.09.2010
  

• Проект электрификации зернопункта с разработкой электропривода машин для транспортировки зерна в ООО "Урезский"

  Характеристика хозяйства и перспективы его развития. Выбор технологических машин, подлежащих электрификации. Технология очистки и сушки зерна. Выбор рабочих машин зерноочистительного и зерносушильного отделений. Расчет электропривода оборудования.
  
  дипломная работа [5,7 M], добавлен 29.08.2012
  

• Разработка конструкции бороны дисковой тяжелой БДТ-3.0

  Анализ природно-климатических условий Беларуси. Краткие сведения об агротехнике возделывания. Подготовка почвообрабатывающей техники к работе. Достоинства и недостатки конструкции бороны игольчатой. Расчёт дисков рабочих органов и полуоси на прочность.
  
  курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.10.2013
  

• Расчёт параметров зерноуборочного комбайна

  Расчёт основных рабочих органов зерноуборочного комбайна, разработка схем работы его элементов: мотовила, режущего аппарата, соломотряса. Анализ факторов влияющих на работу основных рабочих органов зерноуборочного комбайна и оценка их работоспособности.
  
  курсовая работа [73,0 K], добавлен 28.04.2011
  

• Машины для уборки сахарной свеклы

  Описания рабочих органов, которые используют для подкапывания и извлечения корнеплодов свеклы из почвы. Изучение устройства и принципа работы ботвосрезающих аппаратов свеклоуборочных машин. Характеристика технологического процесса уборки сахарной свеклы.
  
  реферат [22,2 K], добавлен 10.07.2011
  

• Организация и планирование технического обслуживания и ремонта машин на лесозаготовках

  Выбор машин и оборудования для лесозаготовительного производства. Расчет технико-экономических показателей их использования, трудоемкости и простоев. Определение себестоимости ремонтных работ. Планирование численности рабочих, фонда оплаты труда, прибыли.
  
  курсовая работа [117,7 K], добавлен 25.02.2015
  

• Механизация процессов изготовления кормов в фермерском хозяйстве "ЯВор" Сватовского района Луганской области с разработкой измельчителя зерна

  Обзор технологий, способов, машин, рабочих органов для измельчения зерновых кормов. Проектирование и определение технологической мощности малогабаритного измельчителя зерновых кормов, рассчитанного на содержание поголовья скота с численностью до 50 голов.
  
  дипломная работа [457,5 K], добавлен 08.07.2011
  

• Разработка схемы дискового почвообрабатывающего орудия, расчет основных параметров и анализ его работы. (вариант №1, №20)

  Общие сведения о дисковых плугах, лущильниках и боронах. Работа дискового орудия, расчет геометрических параметров дискового рабочего органа. Тяговое сопротивление и силовые характеристики дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин и механизмов.
  
  курсовая работа [45,7 K], добавлен 22.10.2008
  

• Разработка операционной технологии предпосевной культивации почвы при возделывании овса

  Назначение и агротехнические требования к предпосевной культивации почвы при выращивании овса. Описание технологических регулировок тракторов и рабочих машин. Расчеты по установке машин на заданный режим работы. Оценка качества выполненного процесса.
  
  курсовая работа [3,5 M], добавлен 03.06.2014
  

• Лесоэксплуатационный расчет лесхоза "Краснобаковский"

  Месторасположение и площадь лесхоза. Экологическое состояние лесов. Основные лесоэксплуатационные фазы производства. Особенности лесоэксплуатационных расчетов с учетом технологии лесосечных работ. Выбор состава и расчет объема, числа рабочих и машин.
  
  курсовая работа [117,3 K], добавлен 22.02.2014
  

• Выбор и обоснование марочного состава тракторов и сельскохозяйственных машин

  Критерии выбора тракторов и сельскохозяйственных машин по маркам (достаточная проходимость, маневренность при работе на мелких участках). План механизированных работ. Выбор, обоснование и расчет состава агрегата, агротехнические требования к нему.
  
  реферат [681,3 K], добавлен 21.01.2015
  

• Зерноочистительные машины

  Классификация, агротехнические требования зерноочистительных машин. Комплект машин, оборудование зерноочистительного агрегата ЗАВ-25 и зерноочистительно сушильных комплексов КЗС-25Ш. Техническое обслуживание зерноочистительных машин. Техника безопасности.
  
  реферат [26,3 K], добавлен 22.12.2008
  

• Порядок проведения ветеринарно-санитарной экспертизы яиц и яйцепродуктов

  Содержание питательных веществ и вкусовые качества яйца. Строение белка, желтка, подскорлупной оболочки. Окраска и толщина скорлупы. Изменение химического состава яиц в зависимости от наследственности, вида и породы птицы, состава корма и других факторов.
  
  контрольная работа [5,7 M], добавлен 19.08.2013
  

• Расчет состава и планирования использования МТП

  Расчет годового объема механизированных работ. Построение графиков машиноиспользования и расчет состава парка. Графики загрузки тракторов, потребное количество топлива и смазочных материалов. Расчет и планирование технической эксплуатации и ремонта машин.
  
  курсовая работа [676,0 K], добавлен 11.03.2010
  

• Расчет состава машино-тракторного парка

  Расчет годового объема механизированных полевых работ и выбор тракторов и сельскохозяйственных машин. Построение графиков машиноиспользования и расчет состава парка. Расчет потребности количества топлива и смазочных материалов и емкостей для их хранения.
  
  курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.04.2010
  

• Технология производства столовой свёклы

  Подготовка плуга к работе. Установка рабочих органов. Агротехнические требования к вспашке. Проверка технического состояния плуга, подготовка его к работе, а также регулирование при работе в поле. Технологическая схема внесения минеральных удобрений.
  
  контрольная работа [1,7 M], добавлен 13.03.2013
  

• Технологический процесс и системы машин на вырубках с временно переувлажненными почвами

  Технология и система машин для выполнения лесохозяйственных работ. Расчет сопротивлений орудий, агрегатируемых с тракторами. Тяговый расчет тракторов. Расчет производительности агрегатов. Расчет расхода горюче-смазочных материалов при выполнении работ.
  
  курсовая работа [8,0 M], добавлен 05.03.2012
  

• Разработка технологии и комплекса машин для механизации озеленительных работ

  Проектирование системы машин для комплексной механизации лесохозяйственных работ в декоративном питомнике. Расчет состава и использования машинно-тракторного парка. Определение потребности машинно-тракторных агрегатов в топливе и смазочных материалах.
  
  курсовая работа [220,0 K], добавлен 25.01.2015
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам