Підвищення зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Деталі робочих органів ґрунтообробних машин (РОГМ) не виробляють запланованого ресурсу через інтенсивне абразивне зношування робочих поверхонь в технологічному середовищі - ґрунті.

Неминуче, передчасне й нерівномірне зношування різальних елементів (РЕ) приводить до втрати первинної форми деталей і різальних елементів, необхідної для якісного виконання технологічних операцій обробітку ґрунту. Внаслідок затуплення РЕ збільшується тяговий опір ґрунтообробних машин, що негативно впливає на енергоємність процесів, збільшення витрат паливно-мастильних матеріалів й виникає потреба в додатковому заточуванні або заміні зношених деталей. Сукупність зазначених факторів обумовлює зниження економічної ефективності використання ґрунтообробних агрегатів і збільшення собівартості продукції рослинництва, що є вельми негативним в сучасних умовах ринкових відносин.

Підвищення надійності деталей РОГМ, вибір оптимальної технології їх зміцнення потребує ретельних досліджень механізму абразивного зношування РЕ, який достатньо складний і на сьогодні остаточно не розкритий. Питання керування абразивною зносостійкістю розглядається однобічно й направлене, в основному, на підвищення фізико-механічних властивостей поверхонь тертя. Вся увага дослідників сконцентрована на методах зміцнення і формування зносостійких покриттів.

Комплексний підхід до вирішення зазначених проблем з урахуванням закономірностей зміни форми РЕ РОГМ в процесі тертя і зношування, ефекту їх самозагострювання, його оцінки і умов реалізації при використанні концентрованих потоків енергії для їх зміцнення при виготовленні є безумовно актуальним.

Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин лазерними технологіями з реалізацією ефекту самозагострювання.

Задачі дослідження:

? проаналізувати умови роботи, характер та величину зношування РЕ РОГМ.

? визначити основні напрямки підвищення зносостійкості РЕ РОГМ та стабілізації їх форми в умовах абразивного зношування.

? теоретично обґрунтувати закономірності взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем.

? з'ясувати зв'язок між формоутворенням профілю РЕ в процесі зношування з його напружено-деформованим станом.

? експериментально і теоретично дослідити вплив лазерного термозміцнення та наплавлення на властивості поверхневих шарів матеріалів РЕ РОГМ та виявити умови отримання ефекту самозагострювання.

? дослідити вплив процесу формування геометрії РЕ РОГМ на величину тягового опору ґрунтообробних агрегатів.

? провести стендові та експлуатаційні випробування деталей РОГМ, зміцнених запропонованими лазерними технологіями та дати техніко-економічну оцінку їх впровадження у виробництво.

1. Характеристика РЕ РОГМ та умови їх роботи в абразивному технологічному середовищі

Показано важливість підтримання РЕ в загостреному стані в процесі експлуатації для якісного обробітку ґрунту. Зазначено, що геометрія РЕ при терті і зношуванні в абразивному середовищі змінюється, величина та характер цих змін залежать передусім від властивостей матеріалу, з якого вони виготовлені, фізико-технологічних властивостей ґрунту та експлуатаційних характеристик ґрунтообробних агрегатів.

Зміцнення однієї з робочих поверхонь РЕ стримує утворення затилкової фаски і дозволяє отримати ефект самозагострювання, що полягає у вибірковому зношуванні переважно основного матеріалу РЕ.

Аналіз робіт по тертю і зношуванню РЕ РОГМ показав, що закономірності взаємодії РЕ з ґрунтом, на сьогодні не достатньо вивчені, відсутній єдиний погляд на процеси затуплення і самозагострювання та їх зв'язку з технологічними методами зміцнення.

Сформульовані вимоги для реалізації ефекту самозагострювання показують, що найбільшу увагу слід зосередити на співвідношенні товщини зміцненого і несучого шарів, їх міцності, триботехнічних характеристик та на створенні умов мінімізації радіусу кривизни різальної кромки в процесі тертя і зношування. Це обумовлює вибір методу зміцнення з урахуванням основних закономірностей механізму його зношування в умовах експлуатації. Оскільки зношування деталей РОГМ носить локальний характер, то для їх зміцнення ефективно використати лазерні технології. Варіюючи режимами лазерної обробки можна керувати процесами зношування РЕ РОГМ й створити умови для розвитку і протікання процесів їх самозагострювання.

За матеріалами першого розділу була сформульована мета і задачі досліджень.

2. Програма, методи та методики теоретичних і експериментальних досліджень

Для дослідження закономірностей процесів абразивного зношування в роботі застосований комплексний підхід. При цьому враховувались: характер і закономірності взаємодії РЕ з абразивним середовищем; структурні (мікроскопічні і субмікроскопічні) характеристики матеріалів РЕ; елементний склад поверхневих шарів матеріалів та комплекс їх властивостей, одержуваний при зміцненні.

Для дослідження закономірностей взаємодії РЕ з абразивним середовищем, механізмів зношування в роботі використані сучасні методи фізичного експерименту та імітаційного моделювання. Особливу увагу приділено дослідженню кінетики структури, елементного складу, напружено-деформованого стану поверхонь тертя, зносу в характерних точках РЕ і деталей в абразивному середовищі та процесу самозагострювання РЕ.

В роботі розроблено установку для імітаційного фізичного моделювання взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем. Зйомку процесу проводили цифровою фотокамерою через певні проміжки часу руху РЕ. Зміну відстаней між частинками за певний проміжок часу проведення експерименту визначали на моніторі ПЕОМ за допомогою координатної сітки. Також проводили візуальне дослідження за напружено-деформованим станом абразивного середовища.

Лазерне термозміцнення і наплавлення композиційних покриттів на зразках РЕ та деталях РОГМ проводили на лазерній установці Комета-2 в безперервному режимі генерації випромінювання (л=10,6мкм).

Випробування зразків зі стандартних матеріалів РОГМ і зміцнених за запропонованими технологіями проводили на машині тертя Х4-Б, за методом дослідження металів на абразивне зношування об закріплені абразивні частинки (ГОСТ 17367-71).

Для дослідження структури, елементного складу, властивостей зразків зміцнених різними технологіями, особливостей кінетики їх зношування в абразивному середовищі був використаний комплекс фізичних методів, починаючи від візуального огляду до використання сучасних приладів високої розподільної здатності: ДРОН-3М, РСМА, "Superprobe-733" фірми JЕОL зі скануючим мікроскопом JSM-840 і приставки DDS-35 та ін. Розмір зон лазерного впливу та вміст компонентів у наплавленому покритті визначали з результатів металографічного зображення методами цифрової їх обробки на ПЕОМ з використанням пакету програм "Adobe Photoshop 6.0".

Аналіз та розрахунок поля напружень і деформацій на робочих поверхнях РЕ в процесі його взаємодії з абразивним технологічним середовищем виконували методом кінцевих елементів за допомогою пакету COSMOSWorks інтегрованого в САD-систему SolidWorks.

В процесі стендових та експлуатаційних випробувань досліджували профілі РЕ, інтенсивність зносу та характер її зміни, зміну геометричної форми зразків РЕ та деталей РОГМ за розробленими схемами.

За базою отриманих даних величини зносу у фіксованих точках визначали коефіцієнт зміни форми РЕ і деталей РОГМ при певному напрацюванні:

, (1)

де , li max - відповідно середня та максимальна величини лінійного зносу для і-ої форми деталі; lki = хk0 - xki, k - фіксована точка ().

Стендові випробування зразків різальних елементів та робочих органів ґрунтообробних машин проводились на круговому стенді. Експлуатаційні випробування здійснювались в господарствах Кіровоградської області на культиваторах КПС-4,0 та плугах ПЛН 3-35 та ПЛН 5-35.

Обробку та аналіз результатів експериментальних досліджень проводили математико-статистичними методами з використанням пакетів прикладних програм на ПЕОМ.

3. Динаміка зношування РЕ РОГМ, зміна їх форми в процесі зношування, взаємодія РЕ з абразивним середовищем, зносостійкість зміцнених РЕ та обґрунтування виникнення ефекту самозагострювання РЕ і стабілізації тягового опору РОГМ

Тертя і зношування робочих поверхонь РЕ і деталей РОГМ є випадковим процесом, обумовленим зміною їх геометричних розмірів. Цей процес можна описати стохастичним диференціальним рівнянням:

(2)

де U(t) - функція відносного зносу, , u(t) - поточний знос, uгр - граничний знос; - функції, що характеризують інтенсивність зносу; - випадкова складова, t - тривалість зношування. Випадкова функція U(t) описує безперервний марківський процес, якщо значення функції о(t) - незалежні випадкові величини.

Оскільки довговічність РЕ РОГМ визначається передусім величиною зносу, то зміну середнього значення зносу та його дисперсії можна описати лінійною залежністю. При цьому рівняння кінетики зношування матиме вигляд:

, (3)

де І1, І2 - сталі величини, що характеризують інтенсивність детермінованої і випадкової складової процесу зношування. Величину зносу елемента робочої поверхні можна уявити як різницю випадкових процесів:

, (4)

де , - відповідно випадкові функції, що характеризують знос елемента поверхні в моменти часу t1, t2; Дt = t1 - t2 - тривалість зношування; S - напрацювання.

Розв'язання рівняння (3) дає можливість отримати диференціальну та інтегральну форми закону розподілу величини зносу, виходячи з марківської моделі процесу зношування:

; (5)

, (6)

де ; , - тривалість напрацювання до критичного (допустимого) зносу; Мu, уu - відповідно математичне очікування та середнє квадратичне відхилення; - інтеграл Лапласа.

Отже параметри закону розподілу мають конкретний фізичний зміст і є характеристиками процесів тертя і зношування.

Напружений стан поверхні РЕ представлено системою диференціальних рівнянь Ламе, розв'язок якої для визначених початкових умов, враховуючи геометрію різального елементу вихідного стану, дає можливість знайти зміщення поверхні тертя в даних точках, а отже зміну геометрії РЕ при певному напрацюванні РОГМ.

Показано, що оптимальну товщину зносостійкого шару для реалізації ефекту самозагострювання можна знайти з умови:

, (7)

де межі інтегрування b і а - це максимальне і мінімальне значення глибини зміцненого шару, що відповідають умовам вибракування деталей; Ізн - інтенсивність зношування; t - напрацювання до усталеного режиму тертя.

Розв'язуючи рівняння (7) при усталеному режимі тертя, маємо:

. (8)

Знаючи закон розподілу можна знайти оптимальну товщину зміцненого шару. У випадку нормального закону розподілу маємо:

. (9)

Отримано аналітичний вираз зміни інтенсивності зношування по довжині РЕ РОГМ:

(10)

де І02 - максимальна інтенсивність зношування зміцненої поверхні; Еп, Нп , На - модуль пружності та твердості зміцненого шару і абразиву; о2 - емпірична стала, характерна для даного виду деталі РОГМ і способу зміцнення; с, h - щільність ґрунту та його товщина; а, l, б - ширина, довжина РЕ та його кут нахилу.

При лазерному наплавленні композиційного покриття модуль пружності і твердість дорівнюють:

Еп = Ем ( 1 - Сн ) + Ен Сн; (11)

, (12)

де Сн - концентрація наповнювача; Ем,Ен- відповідно модулі пружності матриці та наповнювача покриття, Нм , Нн - твердості матриці та наповнювача.

Процесом зношування можна керувати змінивши концентрацію зміцнюючого наповнювача в покритті дозаторним пристроєм.

Рівняння динаміки руху точки середовища масою mі вздовж робочої поверхні РЕ під впливом поля сил матиме вигляд:

. (13)

Нормальну складову N силового впливу частинки абразивного середовища на робочу поверхню РЕ можна визначити за виразом:

. (14)

де са , da - густина та діаметр абразивної частинки; v, L - швидкість руху та шлях тертя абразивної частинки. Тоді складові результуючої сил в даній точці робочої поверхні РЕ дорівнюють:

; (15)

. (16)

Показано, що в процесі тертя і зношування РЕ результуюча сил змінюється як за величиною так і за напрямком.

Отже, для забезпечення нормальних умов протікання процесу обробітку ґрунту, стримання зростання енергетичних характеристик цього процесу, необхідно підтримувати РЕ в загостреному стані.

4. Результати експериментальних досліджень характеру взаємодії РЕ з абразивним середовищем, властивості зміцнених шарів поверхонь тертя, закономірності тертя і зношування РЕ, зміна його профілю

Імітаційне фізичне моделювання процесів взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем виявило різний характер обтікання РЕ.

Характерним є те, що абразивний потік, що огинає РЕ знизу є більш інтенсивним, і в процесі затуплення різальної кромки утворюється зона з підвищеною концентрацією абразивних частинок, що обумовлює зростання опору переміщенню РЕ. Це підтверджується і при статичному фіксуванні процесу взаємодії РЕ з абразивними частинками. Виявлено, що при появі затилкової фаски в області різальної кромки виникають сили, які виштовхують його вгору з абразивного середовища.

Для керування процесами зношування поверхонь РЕ і реалізації умов самозагострювання при їх зміцненні важливим фактором є глибина зміцненого шару.

В процесі лазерного термозміцнення і наплавлення отримуються дрібнодисперсні мартенситні структури з вкрапленнями карбідів і боридів.

Специфічний вплив лазерного випромінювання на поверхневі шари сталей 45, Л53, 65Г обумовлює цілий комплекс ефектів, що сприйнятливо впливають на зносостійкість в абразивному середовищі: підвищена щільність дислокацій (1013...1017 м-2), перерозподіл легуючих елементів (С, Сr, Mn та ін.) і домішок (P, S, O, Na); інтенсифікація процесів створення та розчинення сполук; зменшення пористості наплавлених покриттів (1...10%), збільшення твердості та більш плавний характер розподілу мікротвердості, підвищення міцності зчеплення сплаву ПС-14-60.

Закономірність зміни величини зносу досліджуваних сталей після лазерного термозміцнення в залежності від розміру фракції абразиву практично однакова, але швидкість зношування різна і при певних значеннях розміру фракції абразиву спостерігається її стабілізація.

Аналогічні закономірності зношування властиві і для наплавлених шарів (Таблиця 1). Звертає увагу те, що у порівнянні з індукційним наплавленням сплаву ПС-14-60, його лазерне наплавлення збільшує зносостійкість поверхні у 1,15...1,25 рази, а при додаванні 6% В4С - у 1,30...1,50 рази. Виявлені закономірності підтверджуються характером зношування поверхонь тертя за металографічним аналізом і знятими профілограмами. Таким чином, лазерне термозміцнення і наплавлення композиційних покриттів суттєво підвищує зносостійкість поверхонь зразків деталей при абразивному зношуванні.

Таблиця 1. Лінійний знос зразків наплавлених різними способами

Результати досліджень поля напружень зміцнених шарів на досліджуваних зразках після лазерної термообробки та лазерного наплавлення показали наявність в поверхневих шарах напружень стиску, величина яких змінюється в залежності від режимів обробки (-200...-400 МПа).

Результати аналізу і розрахунку поля напружень РЕ показали, що їх максимальний рівень зосереджено у вузькій області різальної кромки, а по мірі збільшення радіусу її заокруглення область максимальних напружень суттєво збільшується.

Про це свідчать і отримані в роботі розподіли компонентів залишкових напружень вздовж осей координат.

Стендові дослідження показали, що найменший лінійний знос та інтенсивність масового зносу спостерігаються для зразків РЕ (сталь 65Г), зміцнених запропонованими лазерними технологіями.

Спостереженнями за формою профілю зміцнених РЕ по характерним точкам в процесі тертя та зношування виявлено, що при певному напрацюванні відбувається стабілізація лінійного зносу і збереження загостреної форми зразків РЕ, зміцнених лазерним наплавленням.

Даний факт свідчить про можливість створення умов для виникнення і розвитку ефекту самозагострювання при застосуванні лазерних технологій.

5. Результати експлуатаційних випробувань, рекомендації до впровадження запропонованих технологій зміцнення у виробництво та оцінка їх економічної ефективності

В процесі експлуатаційних досліджень виявлено, що лазерна термообробка дозволяє в 1,3...1,4 рази знизити знос носових областей деталей у порівнянні з об'ємною термообробкою, а застосування лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 з додаванням 6% В4С - в 1,7...1,8 рази у порівнянні з базовою технологією індукційного наплавлення. Ці результати узгоджуються з результатами стендових випробувань.

Застосування технології лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 з додаванням карбіду бору в локальні області деталей РОГМ, що зазнають найбільшого зносу, дозволяє зберігати їх вихідну форму тривалий час в процесі експлуатації.

Виявлено, що застосування технологій лазерного зміцнення стримує підвищення тягового опору в процесі обробітку ґрунту РОГМ, що є позитивним з точки зору економії паливно-мастильних матеріалів.

Висновки

різальний деформований ґрунтообробний термозміцнення

1. На основі аналізу умов роботи, характеру і величини зношування РОГМ, вперше запропоновано використання технологій лазерного термозміцнення та наплавлення для підвищення зносостійкості різальних елементів на стадії виготовлення РОГМ з створенням умов реалізації ефекту самозагострювання.

2. На основі побудованої імітаційної фізичної моделі виявлено закономірності взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем. Запропоновано процеси взаємодії описувати стохастичним диференціальним рівнянням з детермінованою і випадковою складовими відносного зносу.

3. Теоретично і експериментально показано, що на формоутворення профілю РЕ та зносостійкість його локальних областей впливають властивості абразивного технологічного середовища та матеріалу РЕ, напружено-деформований стан і товщина зміцненого шару. Визначено, що інтенсивність зношування по довжині РЕ змінюється за експоненціальним законом, а застосування лазерних технологій зміцнення дозволяє керувати інтенсивністю зношування в локальних областях РЕ.

4. Враховуючи силову картину взаємодії ґрунту з РЕ РОГМ в процесі тертя і зношування теоретично виявлено закономірність зміни складових результуючої сили, що діє на різальну кромку за величиною та напрямком. Експериментально досліджено її вплив на тяговий опір агрегатів при обробітку ґрунту.

5. Досліджено специфічний вплив лазерного випромінювання на властивості зразків і деталей РОГМ: утворюється дрібнодисперсна мартенситна структура; рівномірно розподіляються карбіди і бориди в матриці поверхневого шару; перерозподіляються атоми легуючих елементів і домішки у зонах лазерного впливу; виявлено зменшення піку сполуки Fe2O3 після лазерної обробки у порівнянні з об'ємною термообробкою; пористість шарів при лазерному наплавленні зменшується (до 5%) у порівнянні з наплавленням СВЧ; плавний перехід мікротвердості зміцненого шару до мікротвердості основи (максимальна мікротвердість при лазерній термообробці складає 8...12 ГПа, а при лазерному наплавленні - 12...14 ГПа); підвищена міцність зчеплення шару з основою лазерно наплавлених покриттів.

6. Дослідження абразивної зносостійкості на машині тертя Х4-Б зразків зі сталей 45, Л53, 65Г, зміцнених за традиційними та запропонованим технологіями, показало, що для кожної сталі існує діапазон розміру фракції абразиву, при якому інтенсивність зношування зразків починає стабілізуватися. Для зразків, зміцнених лазерною обробкою, в процесі абразивного зношування спостерігається перевага складової пластичного деформування, ефектів полірування і відсутність прямого процесу різання абразивними частинками. Провідним видом абразивного зношування є його механохімічна форма. Це підтверджують результати металографічних досліджень зон тертя і їх профілограми.

7. Розподіл залишкових напружень по глибині зміцненого шару лазерною термообробкою показав, що зона напружень стиску поширюється на глибину до 200 мкм. Величина напружень при цьому складає -200...-400 МПа. При лазерному наплавленні напруження стиску поширюються на глибину до 100...150 мкм, далі до глибини 500...600 мкм спостерігаються напруження розтягу з величиною 300...450 МПа. При додаванні карбіду бору до сплаву ПС-14-60, через позитивний його вплив, характер залишкових напружень дещо змінюється. Зафіксовано, що максимальний рівень напружень зосереджено у вузькій області різальної кромки. Характерним є те, що при мінімальному радіусі заокруглення різальної кромки область напруженого матеріалу достатньо невелика, а при його збільшенні - інтенсивно зростає.

8. Виявлено, що лазерна термообробка дозволяє в 1,3...1,4 рази знизити знос носка деталей РОГМ у порівнянні з об'ємним гартуванням, а застосування лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 + 6% В4С - у 1,7...1,8 рази у порівнянні з базовою технологією індукційного наплавлення. Дослідження лінійного зносу у характерних точках свідчать про локальний характер процесу зношування по довжині РЕ деталей. Застосування технології лазерного наплавлення з додаванням карбіду бора у локальні області найбільшого зносу дозволяє практично вирівняти знос в характерних точках РОГМ, що дає можливість тривалий час зберігати вихідну геометричну форму деталі.

9. Застосування лазерного термозміцнення у порівнянні з традиційним об'ємним гартуванням підвищує ресурс деталей РОГМ у 1,5...2,2 рази, а лазерне наплавлення сплаву ПС-14-60 - у 1,5...1,6 рази у порівнянні з традиційним індукційним наплавленням того ж сплаву. При цьому спостерігається стабільність тягового опору впродовж тривалого періоду експлуатації. Очікуваний загальний економічний ефект від впровадження технології лазерного наплавлення у виробництво стрілчастих лап культиваторів при річній програмі 70 тис. шт. складе 69591,61 грн. за рахунок зменшення енергетичних витрат при зміцненні та підвищення їх ресурсу.

Література

1. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Ауліна Т.М. та ін. Керування характером та інтенсивністю зношування різальних частин робочих органів ґрунтообробних машин // Вісник ХДТУСГ / Вип. 23. Техн. сервіс АПК, техніка та техн. у с/г машинобудуванні. - Харків. - 2004. - С.270-273.

2. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Ауліна Т.М. Вплив зміцнюючих КП нанесених на робочі поверхні деталей на їхню зносостійкість // Зб. наук. праць І Міжнар. наук.-техн. конф. “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I” ТДТУ ім. І. Пулюя. - Тернопіль, 2004. - С.303-307.

3. Аулін В.В., Бобрицький В.М. Характер та інтенсивність зношування робочих органів ґрунтообробних машин // Проблеми трибології (Problems of tribology). Хмельницький. ХДУ, 2004. - №2 - С.107-112.

4. Аулін В.В., Лізунов С.М., Бобрицький В.М., Батєхін В.Б. Обґрунтування впливу мартенситної структури на трибологічні властивості сталей під впливом концентрованих потоків енергії // Проблеми трибології (Problems of tribology). Хмельницький. ХНУ, 2005. - №2 - С.103-112.

5. Аулін В.В., Златопольский Ф.Й., Бобрицький В.М. Вплив на зносостійкість композиційних матеріалів процесів, що протікають на межі їх складових // Инженерия поверхности и реновация изделий. Материалы 4-й междун. научн.-техн. конф., 24-26 мая 2005, г. Ялта. - Киев: АТМ Украины, 2005. - С.289-291.

6. Аулін В.В., Віхрова Л.Г., Бісюк В.А., Бобрицький В.М. Керування процесом приготування багатокомпонентної суміші для нанесення КП на деталі машин / Зб. наук. праць КДТУ “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. Кіровоград: КНТУ.- 2005 р. - Вип. 16. - С.266-269.

Размещено на Allbest.ru