29 | 07 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Повышение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.67 (3 Голосов)

Анализ работ по повышению долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин

Наиболее значимый вклад в изучение эксплуатационных характеристик, работоспособности и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин внесли отечественные и зарубежные ученые: Бартенев И. М., Бернштейн Д. Б., Винокуров В. Н., Гончаров П. Э., Горячкин В. П., Гячев Л. В., Далин А. Д., Ермолов Л. С., Загоруйко А. Ф., Казаков В. И., Канарев Ф. М., Карамышев В. Р., Краснощеков Н. В., Маяускас И. С., Нартов П. С., Ниловский И. А., Огрызков Е. П., Панов И. М., Посметьев В. И., Пронин А. Ф., Рабинович А. Ш., Розенбаум А. Н., Севернев М. М., Синеоков Г. Н., Стрельбицкий В. Ф., Ткачев В. Н., Тененбаум М. М., Годвин Г., Гордон Е., Джоне Р., Джонстон Р., Ратье У., Сейг Д., Эллот М. и др.

Вопросу об остроте почворежущих деталей уделялось большое внимание в работах В. П. Горячкина, В. А. Желиговского, А. Ш. Рабиновича, В. Н. Ткачева, М. М. Северцева, М. М. Тененбаума, Н. Е. Резника, К. В. Клементьева, В. Д. Розинцева, В. Я. Сальникова и др.

Анализ ранее выполненных работ позволил определить и изучить ряд те-оретических и практических вопросов по указанному направлению, которые к настоящему времени были изучены недостаточно [28, 29, 30].

В настоящее время в отечественном сельскохозяйственном машиностроении практически все рабочие органы почвообрабатывающих машин изготавливаются из трех основных видов сталей: 65Г, 45, Л53. Износостойкость и прочность этих сталей невысоки. На некоторых предприятиях с целью повышения износостойкости применяется наплавка изнашиваемых частей рабочих органов токами высокой частоты либо сварочным твердосплавным (обычно марки Т-590) электродом. При этом не обеспечивается металлургическое качество наплавки (перегрев основы и сплава, высокая глубина проплавления, высокозернистая микроструктура и пр.) и соблюдение технологических параметров (толщины и ширины слоя). Кроме того, у таких наплавочных технологий существуют значительные ограничения по химическому составу, свойствам (магнитность и др.), толщине наносимых износостойких материалов.

Рабочие органы почвообрабатывающих машин в основном подвержены абразивному износу в результате трения контактируемых поверхностей сопрягаемых деталей. Работами ряда ученых установлен характер абразивного износа и его закономерности. По данным этих авторов процесс абразивного износа носит характер микрорезания твёрдыми абразивными частицами и усталостного разрушения микрообъёмов. Ими установлены закономерности износа от твердости и давления.

Исследование процессов изнашивания показывает, что интенсивность их протекания зависит от скорости процесса разрушения микрообъема материала при каждом элементарном акте взаимодействия пятен контакта.

Лезвие почворежущих рабочих органов в процессе эксплуатации теряет вследствие абразивного изнашивания свою работоспособность и поэтому его необходимо восстанавливать для устранения износа, т. е. восстанавливать работоспособность и, тем самым, продлевать долговечность.

Все известные способы сохранения работоспособности направлены на уменьшение скорости изнашивания путём применения более износостойких материалов или создания самозатачивающихся лезвий. Ещё в 1926г. изобретателем A. M. Игнатьевым было предложено многослойное лезвие. Этот способ получил применение в машиностроении особенно после разработки индукционною способа наплавки порошковыми твёрдыми сплавами .

Следует отметить, что в виду довольно высокой сложности и стоимости твёрдых сплавов он не нашёл пока должного применения в сельскохозяйственном производстве при восстановлении рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Для повышения долговечности режущих элементов машин сельскохозяйственной техники (лемеха плугов, лапы культиваторов, ножи свеклоуборочных машин и др.) последние подвергаются упрочнению индукционным способом. К недостатку этого метода следует отнести то, что с уменьшением толщины наплавки до 0,2 мм снижается качество ввиду коробления детали из-за сильного теплового воздействия .

Ведутся разработки новых способов наплавок: метод упрочнения трением, метод плакирования износостойкой лентой из инструментальных сталей. Однако, они отличаются высокой сложностью и поэтому не находят широкого применения при восстановлении вышеуказанных деталей в ремонтном производстве.

Исследования, проведенные в Национальном институте с.-х. техники (NIAE, Великобритания), показали, что в результате использования при изготовлении рабочих органов керамических материалов, состоящих из соединений алюминия, карбидов и нитридов кремния, можно повысить устойчивость с.-х. орудий к износу и значительно продлить срок их службы. Так, пружинные зубья культиватора с керамическими наконечниками в зависимости от типа почв изнашивались в 4,5-8,9 раза медленнее обычных: после испытаний, в ходе которых культиватор прошел в обшей сложности 190 км, износ зубьев с керамическими наконечниками составил 12%, тогда как у обычных он превышал 50%. Закрепление керамических наконечников на зубьях культиватора осуществлялось с помощью специальных эпоксидных смол, обеспечивающих высокопрочное соединение керамики и металла. Благодаря применению керамических материалов на рабочей поверхности культиватора-плоскореза удалось уменьшить ее износ в 5-8 раз. Это было определено после обработки участков с разными типами почв обшей площадью 250 га. Срок службы керамического дренера в крото-дренажной машине увеличивался в среднем в 7,5 раза. В настоящее время фирмы "Anderman and Ryder", "Heatair", "British Sugar" уже освоили выпуск керамических материалов для с.-х. орудий и машин .

Исследованием абразивного износа в условиях, имитирующих работу элемента в почве, литой стали промышленной плавки после термической обработки (закалка на мартенсит и отпуск в температуре от 220 до 650°) установлено, что сопротивление истиранию закаленного и отпущенного материала коррелирует с его твердостью. При одинаковой твердости материала, улучшенного путем термической обработки или нормализованного отжигом, большим сопротивлением истиранию характеризуется литая сталь с ферритно-перлитной структурой .

Фирма "Смит Индастриес Керамика" практикует наплавку рабочих органов почвоуглубителя и кротователя защитным составом "Синтокс" (материал из окиси алюминия и керамики). Наплавленные "Синтоксом" рабочие кромки шириною 25 мм и длиною 1 м почвоуглубителя, а также уширители кротователя имеют срок службы в семь раз больше, чем стальные детали. Уширители кротователя, полностью изготовленные из данного материала, сохраняют начальный диаметр после дренажирования сотен гектаров .

Износ сошников свекловичных сеялок обусловлен тем, что твердость почвы превышает твердость металла, из которого выполнены сошники. Для увеличения срока службы сошников специалистами NIAE после многочисленных исследований предложено использовать новый материал при изготовлении рабочей поверхности сошников - алюмокерамику. Такой материал в несколько раз тверже, чем широко используемые в сельском хозяйстве сталь, медь. Твердость керамики превышает твердость абразивных почвенных частиц, что и определяет меньший износ рабочих органов в процессе работы. Керамику можно с достаточно большой эффективностью использовать на рабочей поверхности различных с.-х. машин: культиваторов, глубокорыхлителей, дренеров .

Исследованиями НПО ВИСХОМ установлено, что использование закономерностей конструкционной износостойкости, теории абразивного изнашивания, применение современных износостойких материалов и технологических методов упрочения, позволяют в большинстве случаев многократно повысить ресурс деталей и рабочих органов машин. В частности, путем применения расчетно-экспериментальных методов оптимизации конструкционных параметров технически возможно повышение ресурса лемехов, отвалов, лап, зубьев бороны и других рабочих органов почвообрабатывающих машин в 2-4 раза и более при снижении удельной материалоемкости до 3-5 раз . Совместно с ПО "Одессапочвомаш" проведены исследования по определению ресурса и характера изнашивания долотообразных лемехов, зонально упрочненных твердыми сплавами. Твердый сплав марки ФБХ наносили на лицевую сторону но совой части серийных ненаплавленных лемехов ПНЧС методом плазменной наплавки, а вальцованных лемехов П-702 методом намораживания. Толщина слоя твердого сплава составляла 1,5-2,5 мм. Сравнительные ресурсные испытания опытных и серийных лемехов показали, что повышение износостойкости носка позволяет сохранить исходную форму и функциональные качества лемеха и, тем самым, значительно увеличить его ресурс. По результатам испытаний наработка опытных лемехов составила 55-67 га, а наработка серийных наплавленных лемехов до выбраковки - 31-39 га. Лемеха с упрочненным носком к моменту завершения испытаний не достигли предельного состояния по износу и были пригодны к дальнейшей эксплуатации. Сохранение первоначальной формы лемеха в процессе его эксплуатации, достигаемое зональным упрочнением носовой части и выравниванием интенсивности изнашивания носка и лезвия, позволяет значительно расширить границу изнашивания лемеха по ширине, более полно используя при этом заложенный в детали металл .

Для повышения прочности и износостойкости стрельчатых лап был опробован способ поверхностного упрочнения материалов в высокочастотной плазме на установке Плазма-401. В разрядной камере высокочастотного плазмотрона в плазменный поток при атмосферном давлении вводился пучок кварцевых стержней, которые в зоне высоких температур испаряются и плазменным потоком транспортируются на поверхность изделия. На поверхности изделия происходит конденсация паров напыляемого материала толщиной 2-3 мм за три периода напыления. Время одного периода не более 15 с. Для оценки повышения ресурса лап в результате их поверхностного упрочнения провели сравнительные полевые испытания серийных и экспериментальных стрельчатых лап в двух колхозах Павлодарской и Кокчетавской областей. Установлено, что линейный износ серийных лап характеризуется большой неравномерностью по длине лезвия, износ экспериментальных лап происходит равномерно. Экспериментальные лапы обладают большей износостойкостью (до 1,5 раза) и обеспечивают значительно лучшее самозатачивание, чем серийные. Износ носка лап как серийных, так и экспериментальных в 2—3 раза превышает их износ по длине лезвия, однако износ экспериментальных пап несколько ниже серийных. Наибольшей износостойкостью среди экспериментальных лап обладают лапы каленые не наплавленные, упрочненные снизу. Полученные результаты показали перспективность предлагаемого способа поверхностного упрочнения материалов в высокочастотной плазме .

В результате наплавки намораживанием с последующей термической обработкой на поверхности рабочих органов почвообрабатывающих машин из стали 65Г образуется слой повышенной износостойкости, происходит изменение структуры и свойств основного металла из-за термического воздействия. Наплавка намораживанием ведется из расплава при температуре выше 1273°К, что приводит к образованию крупнозернистой структуры основного металла, снижению его эксплуатационных свойств. Проведенные сравнительные испытания рыхлительных оборотных лап (сталь 65Г) культиватора КШП-8 подтвердили целесообразность применения после их наплавки намораживанием закалки в полимерной закалочной среде и последующего среднего отпуска. Установлено, что ресурс деталей, упроченных наплавкой намораживанием с после дующей термической обработкой, в среднем в 1,4 раза выше ресурса деталей, упроченных наплавкой намораживанием без термической обработки. Применение закалки и последующего отпуска при упрочении деталей сельскохозяйственных машин наплавкой намораживанием не требует значительных капитальных затрат .

В САИМЭ проведены исследования, направленные на повышение срока службы лемехов ПЯШ-01.200 путем обоснования их рациональных параметров. Повышение ресурса лемехов с использованием конструктивных возможностей и эксплуатационных факторов является наиболее экономичным. Изучением различных способов наплавки выявлено, что применение верхней наплавки на долоте и на лемехе не привело к повышению ресурса, так как характер износа носка долота больше влиял на длительность работы лемеха, чем интенсивность износа лезвия остова лемеха. При этом максимальная наработка на лемех составила 8 га. Результаты исследований показали, что придание рабочим частям режущих самозатачивающихся деталей рациональных параметров обеспечивает повышение их срока службы в 2,5...4 раза. Применение в двухъярусных плугах лемехов с рациональными параметрами позволяет увеличить ресурс лемеха, повысить качественные показатели работы, снизить затраты горюче-смазочных материалов, повысить производительность агрегата за счет сокращения числа простоев по техническим причинам .

В результате исследований различных вариантов термомеханической обработки лемехов установлено, что после такой обработки материал характеризовался мартенситной структурой; различия в технологическом процессе обработки не привели к изменениям в твердости материала; при задержке свыше 40 сек. времени от момента окончания формирования лемеха до момента его охлаждения в воде, значительно снижалась ударная прочность материала. Термомеханическую обработку лемехов можно с успехом применять вместо термической обработки, существенного повышения ударной прочности можно достигнуть путем сохранения правильного ритма производственного процесса и соблюдения технологических требований .

Исследованиями влияния термической обработки на износ стали 40 GS, используемой для изготовления лемехов плугов и картофелеуборочных комбайнов, в сравнении с обычно применяемой сталью 50HSA выявлено, что сопротивление износу при термической обработке повысилось только у плужных лемехов. На песчаных почвах износ лемехов картофелеуборочных комбайнов, изготовленных из стали 40 GS, был больше, чем у таких же лемехов, изготовленных из стали 50HSA. Относительное сопротивление абразивному износу во время работы лемеха в почве зависит от интенсивности его износа .

Сравнительный анализ основных методов упрочнения с.-х. орудий, подвергающихся различным типам износа — трению, абразии, коррозии, воздействию высоких температур, усталостным напряжениям и др. показал, что электродуговая наплавка эффективна при упрочнении достаточно массивных деталей и сопровождается большими температурными напряжениями. Плазменная наплавка карбидосодержащих материалов может употребляться для упрочнения почвообрабатывающих орудий, когда требуется образование одного наплавленного слоя без изменения структуры основного металла. Метод напыливания твердого порошка в плазменной струе производится в присутствии боратов или силикатов, которые при температуре более 1000°С очищают поверхность металла от окислов. Другим способом упрочнения является внедрение твердых порошкообразных материалов в основной металл с помощью направленного взрыва, который сообщает частицам скорость в 2 раза превосходящую скорость звука. Этот метод не вызывает термических напряжений в металле. В качестве износостойкого материала для нанесения на поверхность рабочих органов применяют карбиды хрома, ванадия, вольфрама и титана.

При использовании для изготовления кованых или катаных плужных лемехов и других рабочих органов почвообрабатывающих орудий легированной стали, имеющей состав (по массе): 0,7-1,0% Мn; 0,7-2,2% Сr, 0,3-0,6% Мb; 0,5-2,2% Ni; не более 0,45% С, остальное-Fe с известными примесями, благодаря аустенитному нагреву и закалке в масле с последующим отпуском она приобретает предел прочности 1300-1700 Н/м2, а благодаря поверхностной закалке на глубину до 2 мм имеет твердость в поверхностном слое 55-60 единиц по Роквеллу. Орудия, изготовленные из такой стали и прошедшие соответствующую термообработку, обладают высокой износостойкостью при одновременной прочности на излом и скол и хорошо работают в абразивных почвах с каменистыми компонентами .

Азотирование является эффективным средством повышения твердости и износостойкости стальных поверхностей. Однако этот процесс продолжается в течение длительного — до 60 ч времени, что ограничивает область его применения. Разработаны способы ускорения этого процесса применением плазменного и высокочастотного нагрева деталей в газовой азотосодержащей среде. При азотировании в аммиаке при температуре менее 60°С атомы азота абсорбируются поверхностью металла и медленно диффундируют на небольшую глубину. При температуре 600-800°С процесс протекает ускоренно в течение 1-10 ч и сопровождается фазовыми превращениями железа. Твердость поверхностного слоя в 2-4 раза превышает твердость цементации. При сравнении прямой закалки и цементации с новым режимом азотирования деталь подвергалась предварительной закалке и высокому отпуску. В последнем случае износостойкость деталей повысилась в 2,5 раза .

Изучение профилей лезвий лемехов показывает, что при изнашивании на лезвии образуется «затылочная» фаска, которая наклонена к дну борозды под небольшим отрицательным углом (рис. 1.7), т. е. режущая кромка лезвия приподнята над дном борозды. Сама режущая кромка получается острой или закругленной (притупленной) в зависимости от типа и состояния почвы. Острая кромка и плоская, наклоненная под углом до 10°, затылочная фаска характерны при изнашивании лезвия на легких песчаных почвах. Получаются они за счет интенсивного износа нижней стороны лемеха. Обычно такой износ оценивают как своеобразное самозатачивание на песке . На связных глинистых почвах режущая кромка имеет значительно больший радиус закругления, фаска бочкообразная, наклоненная к дну борозды в среднем под углом 20—25°.

Профиль лезвия изношенного лемеха

Рис. 1.7. – Профиль лезвия изношенного лемеха

Вследствие клиновидной формы сечения лезвия, ширина его затылочной фаски по мере износа лемеха растет. Одновременно наблюдается медленный поворот этой фаски в сторону увеличения отрицательного угла наклона к дну борозды .

Появление затылочной фаски на лезвии лемеха вызывает дополнительные силы сопротивления почвы, которые нарушают равновесие хода плуга по глубине, стремясь как бы вытолкнуть его из борозды. Эти силы также увеличивают тяговое сопротивление плуга. Они тем больше, чем шире фаски и чем круче они повернуты ко дну борозды.

В отличие от многих режущих деталей, осуществляющих процесс разделения материала путем среза или скалывания сминающим клином, почворежущие детали работают главным образом своим лезвием, вдавливающимся в материал и создающим в нем предельные напряжения . Поэтому лезвия почворежущих деталей воспринимают большие нагрузки и быстро изнашиваются о почву.

Как установлено исследованиями, соприкасающиеся с почвой поверхности лемеха изнашиваются главным образом абразивными частичками — кварцевыми песчинками, которые царапают и пластически деформируют (выдавливают с последующим разрушением) металл . Чем больше кварца в почве, тем больше частиц проходит в единицу времени по поверхности лезвия. Чем тверже почва, тем с большей силой эти частички прижимаются к поверхности лезвия и глубже изнашивают ее.

Это физически очевидное представление о сущности явления выражается многократно проверенной опытным путем математической формулой:

(1.1)

где τ — линейный износ по толщине, замеренный перпендикулярно к поверхности металла;

Т — путь трения почвы (абразивной массы) по поверхности металла;

С — коэффициент изнашивания, зависящий от свойств почвы (количества, размеров и формы песчинок), износостойкости материала и условий изнашивания;

р — удельное давление почвы, действующее перпендикулярно к поверхности режущего органа.

Следовательно, скорость износа поверхности лемеха, вызванного прошедшей по ней почвенной массой, прямо пропорциональна давлению р, с которым эта масса прижимается к истираемой поверхности.

Наблюдая за изменением профиля лезвия лемеха или другой почворежущей детали по их отпечаткам, можно убедиться в том, что при изнашивании такой профиль постепенно стабилизируется, принимая форму, характерную для данной детали и условий ее работы (рис. 1.8). Эта закономерность имеет основное значение, и она подробно изучена.

Стабилизация профиля лезвия и ее закономерности наблюдаются также в опытах по изнашиванию лап культиваторов, ножей фрез и других режущих деталей в полевых условиях и на образцах в лабораторных условиях.

Определив стабилизированный профиль лезвия и используя формулу закона износа (1.1), можно приближенно рассчитать и построить эпюру давления почвы на этот профиль .

При изнашивании стабилизированного лезвия его профиль не изменяется, все его точки сдвигаются в направлении износа лезвия по ширине, параллельно тыльной не изнашиваемой стороне на одинаковую величину Δи (рис. 1.8). При небольших износах смещение профиля Δи и износ по нормали к профилю At в любой его точке связаны по формуле:

, (1.2)

где γ — угол между касательной к профилю в этой точке и на правлением его смещения.

Схема изнашивания (а) и эпюра давления почвы (б) на стабилизированное лезвие

а б

Рис. 1.8. Схема изнашивания (а) и эпюра давления почвы (б) на стабилизированное лезвие

Если, разделив правую и левую части этого равенства на ΔT, перейти к пределу при ΔТ→0 воспользоваться законом износа (1.1), то удельное давление почвы

, (1.3)

где v = — скорость (темп) изнашивания по ширине, постоянная для всех участков профиля стабилизированного лезвия;

С — постоянный коэффициент изнашивания однородного лезвия.

Таким образом, давление почвы на профиль стабилизированного лезвия из однородного материала пропорционально sinγ.

Как видно из рисунка 1.8, давление черноземной почвы на стабилизированное лезвие лемеха особенно велико на режущей кромке и затылочной фаске лезвия. На лицевой же стороне давление значительно меньше и более равномерно по величине.

С помощью приведенных формул можно также подсчитать весовой износ лезвия. В первом приближении при q =0 и ho = 0

S=QaCT. (1.4)

Следовательно, износ лезвия по весу растет пропорционально выработке и не зависит от угла клина лезвия, т. е. от его толщины. Эта закономерность также хорошо подтверждается опытными данными. Она давно замечена исследователями  и использовалась, в частности, для объяснения того факта, что заточенные под меньшим углом клина лезвия работают до предельного затупления дольше, чем заточенные под большим углом. Действительно, если наложить профиль сечения таких лезвий друг на друга (рис. 1.9), отметить на «толстом» лезвии предельную толщину hП и отложить равную площадь (пропорциональную объему — весу) на тонком лезвии, то можно заметить, что толщина этого лезвия h1 будет значительно меньше предельной толщины.

Схема износа тонкого и толстого лезвий

Рис. 1.9. – Схема износа тонкого и толстого лезвий

Следовательно, тонкое лезвие, хотя и износилось больше по ширине, но может еще работать продолжительное время до достижения предельной толщины hП.


Повышение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин - 4.7 out of 5 based on 3 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить