Методика экспериментальных исследований почворежущих элементов рабочих органов на износостойкость

В основу методики положена теория подобия и физического моделирования износостойкости упрочненных лезвий на специальной установке.

Физическая модель режущего лезвия представляет собой миниатюрную копию физически реального наплавленного лезвия. Для проведения таких испытаний создания модель должна иметь параметры, при которых критерии подобия модели одинаковы с соответствующими критериями подобия оригинала режущего лезвия.

Известные критерии позволяют выбрать масштабы, при которых учитываются как постановка задачи, так и возможности испытательной установки. Для этого выбираются наиболее существенные у процесса изнашивания лезвия критерии подобия, для чего предварительно оцениваются параметры, входящие в эти критерии. Поэтому каждому исследованию на модели наплавленного режущего лезвия должна предшествовать проверка всех ее параметров. Перед проведением испытаний следует предварительно проверить работу оборудования модели по отдельным ее частям. После того, как получены все элементы модели в отдельности, подобные соответствующим элементам оригинала лезвия, собирается модель в целом, соблюдая граничные условия при соединении ее отдельных элементов. Подготовленная в соответствии с этими требованиями модель режущего лезвия дает возможность провести эксперименты, получить достоверные данные и обработать их в критериальных зависимостях. При проведении испытаний на модели единичной конструкции наплавленного лезвия необходимо построить и нагрузить модель в соответствии с определенными требованиями. Результаты, полученные при испытаниях модели, необходимо преобразовать так, чтобы установить масштабные коэффициенты в сочетании с количественными характеристиками модели, которые позволяют получить соответствующую характеристику прототипа.

Масштабные коэффициенты будут иметь индексы для обозначения частных количественных характеристик, к которым они относятся. Масштабные коэффициенты получаются из законов подобия, которые выводятся методом размерного анализа. Он позволяет получить законы подобия для конструктивного режима при решении задачи, которая зависит от большого числа переменных. Численные значения безразмерных произведений не меняются с изменением единиц измерения. Поэтому модель режущего лезвия должна быть построена и нагружена таким образом, чтобы численные значения для каждого из безразмерных произведений в системе были равными для модели и прототипа. Модель и прототип лезвия должны быть геометрически подобными, то есть масштабы длины должны быть одинаковыми во всех направлениях.

При физическом моделировании износа наплавленных лезвий используем теоремы подобия. Для определения параметров модели режущего лезвия воспользуемся третьей теорией подобия, согласно которой для того, чтобы процессы изнашивания были подобны, необходимо равенство критериев подобия:

πiн = πім, (3.1)

где πiн – критерий натурального лезвия;
πім – критерий модели лезвия.

Условия идентичности процессов изнашивания натурального лезвия и модели определяют пределы изменения параметров, входящих в критерии πiм.

На процесс изнашивания режущих лезвий почвообрабатывающих рабочих органов оказывает влияние множество факторов, обозначения и размерности которых приведем в следующем виде (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Факторы износных испытаний режущих лезвий почвообрабатывающих рабочих органов

Факторы	Условные обозначения	Размерность
Влажность почвы	W	%
Количество абразивных частиц	n	шт.
Скорость движения модели	v	[L] [T]-1
Тяговое усилие	PT	[M] [L]-2
Плотность почвы	p	[M] [T]-3
Средний диаметр абразивных частиц	D	[L]
Наработка	Q	[L]2
Твёрдость металла модели	H	[M] [L]-1 [T]-2
Предел усталости металла модели	σ	[M] [L]-1 [T]-2
Площадь контакта	AK	[L]2
Скорость изнашивания	vиз	[L] [T]-1
Толщина наклёпа	h	[L]
Шероховатость поверхности	Ra	[L]
Линейный размер модели	b0	[L]

Процесс изнашивания с качественной стороны характеризуют параметры Ra и h. Таким образом, согласно построенной экспериментальной модели, уравнение процесса изнашивания наплавленного режущего лезвия в общем виде можно представить в виде:

f(v, p, PT, W…, vиз, h, Ra) = 0. (3.2)

В критериальной форме это уравнение примет вид:

Ф(π1 , π2…, πn) = 0. (3.3)

Используя π-теорему подобия и проводя ряд преобразований, получим критерии подобия в окончательном виде:

π1 = PT/v2pD; (3.4)

π2 = QD-2; (3.5)

π3 = H/v2p; (3.6)

π4 = σ-1/v2p; (3.7)

π5 = AKD-2; (3.8)

π6 = b0D-1; (3.9)

π7 = vизv-1; (3.10)

π8 = hD-1; (3.11)

π9 = RaD-1; (3.12)

π10 = W; (3.13)

π11 = n. (3.14)

Вышеприведенные критериальные соотношения показывают, что наибольшее влияние на процесс изнашивания режущего лезвия оказывает критерий π1, представляющий собой совокупность факторов.

Неоднородность среды, в которой работает режущее лезвие, приводит к возникновению колебаний, и уравнение процесса можно записать в виде:

(3.15)

В критериальной форме это уравнение примет вид, представленный ранее формулой (3.3), в которой

, (3.16)

, (3.17)

. (3.18)

При этом за основные величины приняты масса m, скорость v, и время t.

Составим уравнения масштабов, задаваясь масштабами основных величин. Принимаем, например, mM = 20, mv = 5, mt = 1, то есть необходимо провести ускоренные испытания на модели режущего лезвия, у которой масса в 20 раз меньше массы натурального лезвия, скорость – в 5 раз меньше, а время одинаковое.

Уравнения масштабов составим на основании равенства π-критерия натурального режущего лезвия и его модели:

; (3.19)

Разделив левую часть на правую, получим:

или ; (3.20)

; ; (3.21)

; или ; (3.22)

; ; (3.23)

; или ; (3.24)

Из уравнений (3.20), (3.22) и (3.24) определим соответственно:

mX = mV·mt = 5·1 = 5;

mμ = mM/mt = 20/1 = 20;

mC = mM/mt = 20/1 = 20.

Остальные параметры модели режущего лезвия определяются по следующим зависимостям:

; (3.25)

; (3.26)

; (3.27)

; (3.28)

. (3.29)

Таким образом, чтобы модель режущего лезвия удовлетворяла натуральному лезвию, необходимо, чтобы её параметры соответствовали вышеприведенным зависимостям.

Экспериментальные установки для проведения исследований износостойкости элементов почвообрабатывающих рабочих органов изготовлены на базе расточного станка 2Е78П, который включает станину с опорным столом и шпиндель с вращающейся резцедержательной головкой. Частота вращения шпинделя регулируется с помощью коробки передач станка, кроме этого осуществляется необходимое вертикальное перемещение шпинделя.

Схема лабораторной установки для исследования износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов на твердой абразивной поверхности представлена на рис. 3.1.

Установка содержит шпиндель 1 станка, резцедержательную головку 2, стойку 3, рычаг прижима 4, испытуемый элемент 5, твердую абразивную поверхность 6, пружину 7.

Установка работает следующим образом. При вращении шпинделя 1 и резцедержательной головки 2 стойка 3 вращается вокруг оси шпинделя 1, рычаг прижима 4, вращаясь вместе со стойкой 3, прижимает носок испытуемого элемента 5 к твердой абразивной поверхности 6, в результате чего происходит износ носка испытуемого элемента 5. Постоянное и регулируемое по величине усилие прижима носка испытуемого элемента 5 к абразивной поверхности 6 обеспечивается с помощью пружины 7.

а	б

Рис. 3.1. – Лабораторная установка для исследования износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов на твердой абразивной поверхности: а – общий вид, б – принципиальная схема

Лабораторная установка для исследования износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов в рыхлом слое абразивных частиц представлена на рис. 3.2.

Установка включает: шпиндель 1 станка; резцедержательную головку 2; кронштейны 3 крепления испытываемых элементов; испытываемые элементы 4; емкость для абразивного материала 5; абразивный материал 6.

Установка работает следующим образом. При вращении шпинделя 1 станка резцедержательная головка 2 вращает кронштейны 3 с закрепленными на них испытуемыми элементами 4 в слое абразивного материала. При этом абразивные частицы постепенно стирают переднюю часть испытываемых элементов.

а	б

Рис. 3.2. – Лабораторная установка для исследования износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов в рыхлом слое абразивных частиц: а – общий вид, б – принципиальная схема

Программа лабораторных исследований износостойкости элементов почвообрабатывающих рабочих органов включает:

- заготовку элементов почвообрабатывающих рабочих органов;

- нумерацию элементов почвообрабатывающих рабочих органов;

- определение твердости изнашиваемых поверхностей элементов почвообрабатывающих рабочих органов;

- проведение исследований на износ на твердой абразивной поверхности;

- определение степени износа исследуемых элементов.

Заготовка элементов почвообрабатывающих рабочих органов производится путем нарезки на полоски шириной 10-12 мм лезвий рабочих органов (культиваторных лап) следующих вариантов: новых заводских, изношенных при работе в поле, после оттяжки в кузнице, наплавленных сормайтом снизу, наплавленных сормайтом сверху, закаленных до максимальной твердости, закаленных до средней твердости, отпущенных.

Исследование износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов проводится на лабораторной установке (см. рис. 3.1).

Для исследований необходимо заготовить одиннадцать типов металлических образцов следующих диапазонов твердости:

· по Бринеллю: 100-150; 150-200; 200-250; 250-300; 300-350 HB.

· по Роквеллу: 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-70; 85-95 HRC.

Образцы должны быть заготовлены в виде прямоугольных пластин с диапазонами размеров: ширина 9-13 мм; длина 40-60 мм; толщина 2-8 мм.

Количество пластин элементов почвообрабатывающих рабочих органов для каждого диапазона твердости должно быть не менее 5 штук.

Для проведения исследований исследуемые образцы 5 устанавливают в кронштейн 4 и пружиной 7 регулируют необходимое усилие прижима носка пластины 5 к твердой абразивной поверхности 6.

Исследования износа проводятся при рабочей линейной скорости движения изнашиваемого элемента относительно абразивной поверхности в пределах 2-4 м/с. Замеры износа производятся путем взвешивания испытываемых пластин через каждые 10 минут проведения опыта.

При проведении исследований износа элементов почвообрабатывающих рабочих органов в рыхлом слое абразивных частиц моделировался процесс изнашивания лезвий почвообрабатывающих рабочих органов, происходящий в полевых условиях.

Плотность абразивной массы определяли по формуле:

ρ = , (3.30)

где m – масса образца почвы;

V1 – объем образца.

Для определения влажности абразивной массы использовался термостатно-весовой метод. Влажность в процентах определялась по формуле [40]:

W = , (3.31)

где b – масса влажной абразивной среды;

с – масса сухой абразивной среды.

Износ моделей режущих лезвий определялся методом взвешивания на лабораторных весах ВЛКТ-500 перед началом и после проведения опытов. Шероховатость поверхности испытуемых моделей лезвий определялась профилографом-профильметром. Сопротивление моделей лезвий в абразивной среде определялось через крутящий момент. Выбранные значения критерия π1 охватывали диапазон эксплуатационных значений факторов. В качестве абразива используется кварцевый песок с различным размером фракций (100-500 мкм) и почва различного механического состава.

Ускоренные (имитационные) испытания проводятся на лабораторных установках с обеспечением кругового движения режущих лезвий и воспроизведением эксплуатационных нагрузок в режущих элементах рабочих органов и несущей системе.

Собранную информацию при ускоренных испытаниях и показатели долговечности испытанных образцов режущих лезвий почвообрабатывающих рабочих органов заносят в соответствующие таблицы. Наработка при ускоренных испытаниях измеряется временем чистой работы, по которому определяется путь износа. На основании этих данных производился пересчёт в гектары обработанной площади.

 Определение физико-механических свойств почвы

В соответствии с программой экспериментов, для исследования напряженно-деформированного состояния почвы изучались такие её физико-механические свойства, как влажность, твердость и деформационный показатель . Методика определения этих показателей разработана на основе требований ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний» .

Определение влажности почвы производилось перед проведением каждого опыта весовым методом в пятикратной повторности по слоям: 0…10, 10…20, 20…30 и 30…40 см. Для этого отобранные пробы почвы взвешивались до и после сушки в сушильном шкафу при температуре 105оС. Влажность почвы W определялась по формуле:

, (3.32)

где W – влажность почвы, процентов;

m1 – масса пробы почвы перед сушкой, г;

т2 – масса пробы почвы после сушки, г.

Методика определения деформационного показателя почвы основана на измерении усилия в области контакта погружаемого в почву жесткого плунжера. Деформационные характеристики позволяют найти зависимость между механическими силами, воздействующими на почву и деформациями, являющимися результатом воздействия этих сил. Деформационный показатель определялся в местах взятия проб на влажность по слоям: 0…10, 10…20, 20…30 и 30…40 см в пятикратной повторности при помощи полевого прибора на базе твердомера Ревякина Ю. Ю. со штампами полусферической формы.

При полусферической форме наконечника деформационный показатель определялся по выражению вида [4]:

, (3.33)

где ν – деформационный показатель почвы, м2/н;

R – радиус полусферического наконечника, м;

h – максимальная глубина погружения наконечника в почву, м;

P – усилие при погружении наконечника на глубину h, Н.

Усилие Р из формулы (3.4) определялось по выражению:

Р = С·Y, (3.34)

где С – жесткость пружины прибора, Н/мм;

Y – ордината диаграммы, соответствующая максимальной глубине погружения наконечника в почву, мм.

Твердость почвы определялась твердомером Ю. Ю. Ревякина в местах взятия проб на влажность по слоям: 0…5, 5…10, 10…15 см в пятикратной повторности. Средняя твердость почвы находилась по формуле [27]:

р = Р / S (3.35)

где р – средняя твердость почвы, Н/см2;

Р – среднее усилие вдавливания плоского штампа, Н;

S – площадь основания плунжера, см2.

Среднее усилие вдавливания находилось по выражению:

Р = Yср·d, (3.36)

где Yср – средняя ордината диаграммы, мм;

d – жесткость пружины твердомера, Н/мм.

Среднее значение ординаты вычислялось по формуле:

Yср = Fi / hi, (3.37)

где Fi – площадь i-й диаграммы, мм2;

hi – глубина погружения плунжера по i-й диаграмме, мм.

Методика исследований влияния остроты лезвий рабочих органов на качественные и энергетические показатели обработки почвы

Для проведения лабораторных исследований используется почвенный канал ЮФ «КАТУ» НАУ, который представляет собой железобетонную емкость прямоугольного сечения 2000´2000 мм, заполненную разрыхленной или уплотненной почвой. Вдоль канала по проложенным рельсам, под действием тягового усилия лебедки с электроприводом, движется рабочая тележка. На тележке смонтирована подвижная рама, позволяющая при помощи вертикальных направляющих и двух винтовых механизмов изменять глубину хода рабочих органов. На подвижной раме, посредством поперечных балок, закрепляются исследуемые рабочие органы. Для создания почвенной структуры используется водоналивной каток. При необходимости и в зависимости от проводимых операций почва увлажняется до оптимальной влажности.

Для определения тяговых усилий используется протарированный прибор на базе гидравлического динамографа ДТ-3, который преобразует измеряемое тяговое усилие в жидкостное давление посредством гидравлического датчика (рис. 3.3), а затем – в электрический сигнал, регистрируемый переносным компьютером (ноутбуком), размещенным на площадке тележки (рис. 3.4).

 

Рис. 3.3. – Датчик динамографа ДТ-3

Рис. 3.4. – Схема тарировки

3.5.1. Методика определения энергетических показателей обработки почвы

Энергетические показатели работы исследуемых рабочих органов оценивались по общему Р (Н) и удельному q (Н/м2) тяговому сопротивлению почвы в зависимости от глубины обработки почвы и скорости движения. При этом использовалась методика планирования и проведения многофакторного эксперимента. Исследуемыми факторами являлись глубина обработки почвы h (м) и скорость движения v (м/с), а функцией отклика – тяговое сопротивление рабочих органов Р (Н).

Интервалы варьирования факторов указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Интервалы варьирования глубины обработки и скорости движения

Интервалы варьирования и уровни факторов	Исследуемые факторы
Глубина обработки, см	Скорость движения, км/ч
Нулевой уровень хi = 0	8	6
Интервал варьирования Δxi	2	3
Нижний уровень хi = -1	6	3
Верхний уровень хi = +1	10	9
Кодовое обозначение	х1	х2

Методика определения качественных показателей обработки почвы

Глыбистость поверхности и степень крошения почвы рабочими органами определялись в соответствии с требованиями ОСТ 70.4.1 – 80 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Программа и методы испытаний» .

Глубина обработки почвы определялось без учёта ее вспушенности. Для этого после прохода рабочего органа на поверхность почвы клалась горизонтальная координатная рейка перпендикулярно направлению его движению так, чтобы её конец опирался на необработанную часть почвы. Глубина обработки почвы замерялась по всей ширине взрыхленной рабочим органом полосы путём погружения щупа до необработанного слоя с интервалом 1 см по ширине в соответствии с координатами рейки. Замеры повторялись в 15-ти точках по ходу движения рабочего органа через каждые 0,2 м. Допустимая погрешность измерений ±0,5 см. Расстояние от нижней грани рейки до точки опоры щупа составляет глубину обработки почвы без учёта её вспушенности.

Для определения глубины борозд после прохода рабочего органа на поверхность обработанной почвы клалась горизонтальная рейка перпендикулярно направлению движения рабочего органа, и замерялось линейкой расстояние от нижней точки борозды до нижней грани рейки с точностью ±0,5 см в 20-ти точках через каждые 0,2 м по ходу движения. Результаты измерений заносились в соответствующие ведомости.

Обработка результатов измерений осуществлялась методами математической статистики на ПЭВМ с целью определения среднего значения , среднеквадратического отклонения σ и коэффициента вариации КВ.

Отклонение средней глубины обработки почвы от заданной определялось по следу прохода рабочего органа и по ширине взрыхленной полосы почвы как разность между фактической средней и установочной глубиной обработки.

Устойчивость хода рабочего органа по глубине оценивалась по среднеквадратическому отклонению и коэффициенту вариации фактической глубины обработки.

По результатам замеров ширины взрыхленной полосы и глубины обработки почвы рабочим органом вычислялась площадь сечения взрыхленной части верхнего слоя почвы.

Для детального анализа распределения почвенных агрегатов после прохода рабочих органов производилось фотографирование поверхности и поперечного сечения обработанной почвы с помощью цифровой фотокамеры. Полученная графическая информация анализировалась на компьютере.

Методика определения влияния остроты лезвий рабочих органов на структурный состав почвы

Лабораторная установка для исследований влияния остроты лезвия на разрушение частиц почвы содержит емкость прямоугольной формы с размерами: длина - 0,3 м, ширина - 0,2 м, высота - 0,15 м, специальное устройство для закрепления и погружения в обрабатываемую почву элементов лезвий почвообрабатывающих рабочих органов (культиваторных лап, частей сферических дисков, лемехов и др.). Углы установки испытываемых элементов регулируются кронштейнами поворота, а глубина их вхождения в почву – ограничительными упорами. Исследование влияния режущей кромки лезвий остротой 0,3, 0,7, 1,0, 1,5 2,0, 2,5, 3,0 и 4,0 мм на наиболее агрономично ценные частицы почвы размером от 1 до 5 мм состоит в фиксировании количества воздействий элементов лезвий разной остроты на почвенные агрегаты, которые размещены в прямоугольной емкости, с последующим распределением по фракциям и определением процентного соотношения содержимого фракций частиц размерами 1-5 мм и менее 1 мм.

Работы по определению влияния элементов рабочих органов на биомеханические показатели обработки почвы выполнялись в такой последовательности:

- загрузка образца почвы в емкость прямоугольной формы;

- 50-кратное влияние элементов лезвий остротой 0,3-1,5 мм и 2,0-4,0 мм на образцы почвенных агрегатов, которое равняется суммарному влиянию на почву режущих элементов машин и орудий за один сезон;

- распределение любого образцу почвы по фракциям размерами 2-5 мм; 1-2 мм; меньшее 1 мм с помощью сит;

- взвешивание фракций на лабораторных весах ВЛКТ-500 с точностью до 0,01г;

- определение процентного соотношения содержимого фракций частиц размерами 1-5 мм и меньшее 1 мм.

О стойкости грунта к ветровой эрозии судят по отношению массы фракций размером менее 1 мм к массе взятой для анализа почвы.