CC BY
44
УДК 631.31:631.43 Канд. техн. наук В.А. РУЖЬЕВ
(СПбГАУ, ruzhev_va@mail.ru) Доктор техн. наук Н.М. ОЖЕГОВ (СПбГАУ, 54 zxcv@gmail.com) Канд. техн. наук Д.А. КАПОШКО
(БГАУ, cit@bgsha.com)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ
Абразивное изнашивание, свойства почвы, ресурсосберегающие технологии, износостойкие покрытия
Экологические и агротехнические требования к техническим средствам механизации земледелия постоянно возрастают и совершенствуются, особенно в области показателей, определяющих вредное воздействие на почву, в том числе на пределы допустимого загрязнения почвы металлом из-за ускоренного износа рабочих органов и попадания в почву продуктов износа.
Согласно нормативным документам Минсельхоза России общий процент истирания металла рабочих органов и попадания продуктов износа в почву за срок амортизации не должен превышать 10% от первоначальной их массы [1]. Поэтому использование при производстве сельхозтехники материалов повышенной износостойкости и новых, более эффективных технологий упрочнения рабочих органов при их изготовлении весьма актуально и направлено на выпуск деталей и оборудования повышенного ресурса: лапы культиваторов, диски борон, лемеха, долота, отвалы, полевые доски и другие.
В процессе эксплуатации почвообрабатывающих машин и агрегатов рабочие поверхности подвергаются неравномерному изнашиванию, что снижает ресурс деталей и увеличивает затраты на их замену и обновление.
Многочисленные испытания серийных рабочих органов лемешных плугов показывают, что средняя наработка на отказ долотообразных лемехов П-702 (ПНЧС) в зависимости от видов почв и их физического состояния колеблются 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 от 8 до 20 га, лапы культиваторов — от 7 до 18 га [2].
При этом наибольшая интенсивность износа лемехов по массе на песчаных почвах с каменистыми включениями составляет 260 — 450 г/га, а на песчаных и супесчаных почвах без каменистых включений снижается до 100 — 260 г/га, что свидетельствует об увеличенной потере массы металла этих деталей за время эксплуатации.
Интенсивность изнашивания рабочих поверхностей деталей зависит от механического состава почвы, ее плотности, материала и твердости поверхности трения, удельного давления почвы и скорости перемещения частиц.
Ускоренное изнашивание рабочих поверхностей деталей почвообрабатывающих машин в зоне наибольших удельных давлений снижает качество обработки почвы, увеличивает тяговое сопротивление агрегата и расход топлива. Например, независимо от глубины вспашки давление почвы на поверхность носка лемеха во много раз превышает среднее давление на лемех, что ускоряет изнашивание носка лемеха.
Износ полевой доски по ширине изменяет площадь боковой опоры и угол наклона подошвы к стенке борозды, чем нарушает устойчивость плуга и снижает качество вспашки.
Разрушение поверхностных слоев деталей при обработке почвы в результате трения твердых минеральных частиц согласуется с общими закономерностями теории абразивного изнашивания, разработанной в трудах И.В. Крагельского, П.Н. Львова, В.И. Костецкого, М.М. Хрущева, М.А. Бабичева и других, в которых увеличение износостойкости рабочих поверхностей деталей обосновывается необходимостью повышения микротвердости трущейся поверхности путем применения специальных сталей или покрытий, повышающих сопротивление изнашиванию трущихся поверхностей.
В связи с этим наука о трении и изнашивании [3,4] изучает структурные, связанные с процессом трения в поверхностных слоях твердых тел, сопровождающиеся многократной
деформацией. Из-за несовершенства структуры материала это приводит к выкрашиванию поверхностей трения, что разрыхляет тонкий поверхностный слоёв.
С развитием теории несовершенств кристаллического строения металлов и сплавов многие явления внешнего трения объясняют с позиции теории дислокаций. Физико-механические свойства и триботехнические характеристики материалов связывают с дефектами кристаллического строения.
Зависимость силы Р и коэффициента трения f от плотности дислокаций кристаллических тел определяют следующими соотношениями:
Р = 6,28(1 (1)
/ = 6,28(1 эта , (2)
где N — нормальная нагрузка; аТ — предел текучести; — плотность дислокаций при трении; V — коэффициент Пуассона; О - модуль сдвига; р — исходная плотность дислокаций; зта — ориентационный фактор, учитывающий направление плоскостей скольжения, по которым происходит движение.
Отношение — характеризует степень пластической деформации поверхностного слоя с
учетом конечной и исходной плотностей дислокаций.
При этом в зоне контактного взаимодействия коэффициент трения пропорционален пластической деформации, сила и коэффициент трения, а также величина упруго-пластических деформаций находятся в строгой зависимости от ориентации кристаллографических плоскостей и направления трения.
Наиболее значимые практические решения получены на основе совместимости пар трения и применяемых материалов, как способность приспосабливаться друг к другу в процессе относительного перемещения, снижая износ поверхностей трения.
Изменение структуры металла при пластической деформации трением связывают с интенсивностью износа в виде зависимости:
I = Г (А, Е, Рр), (3)
где I — интенсивность износа; А — работа трения; Е — модуль упругости материала; Рр — характеристика блоков мозаики и микронапряжений.
Применение этих соотношений для практических расчетов затруднено из-за сложности и неточности определения плотности дислокации, что вызвано упрощением данной модели. Однако эти соотношения позволяют интерпретировать основные характеристики трения и изнашивания рабочих поверхностей в дислокационных терминах.
Основное уравнение для расчета износа при множественном контакте по методу И. В. Крагельского [5] имеет вид:
I = kia Jh/R ^ i , (4)
Рг п
где кг = 0,2 — коэффициент, зависящий от расположения единичных микронеровностей по высоте; а = — — коэффициент перекрытия; ра — номинальное давление на площади Аа; рг —
Аг
фактическое давление на площади Ar; h — глубина внедрения единичной неровности, мм; R — радиус единичной микронеровности, мм; h/R — относительная глубина внедрения единичной неровности; n — число циклов деформации до разрушения путем отделения частицы материала.
Данное уравнение учитывает, что контактирование при трении осуществляется по поверхностям, шероховатость которых определяется кривой опорной поверхности упруго-деформируемого тела.
Внешнее механическое воздействие при трении поверхности неизбежно приводит к разрушению слоя вторичной структуры, которая зависит от предела прочности материала и степени
его пластической деформации трением, вызывающей поверхностный наклеп. Неровности поверхности способствуют зарождению микротрещин, которые снижают прочностные свойства материала в условиях вязкого разрушения.
Исследования в области снижения трения и повышения ресурса деталей путем реализации эффекта избирательного переноса, открытого И.В. Крагельским и Д.А. Гаркуновым, связаны с образованием на поверхности трения рыхлого слоя, создающего благоприятные условия для сдвиговых деформаций в тонких поверхностных слоях, например, путем применения специальных смазок, которые приводят к режиму избирательного переноса на уровне электрохимических процессов.
Абразивное изнашивание относится к наиболее интенсивному виду разрушения рабочих поверхностей деталей почвообрабатывающих машин в результате давления твердых частиц с высокой относительной скоростью.
Поверхности трения покрываются царапинами, расположенными в направлении движения абразивных частиц приповерхностного контактного слоя почвы (рис. 1).
Рис. 1. Траектории направленного перемещения абразивных частиц на поверхности трения отвала
корпуса плуга
Общим для абразивного изнашивания является механический характер разрушения материала рабочей поверхности с последовательным формированием вторичных структур.
Величину абразивного изнашивания материала в почвенной массе под действием нормального и сдвигающего усилия, выражают функцией [3] следующих переменных:
А О = /(Р, Ь, 3, т, Н), (5)
где Р — давление почвы, Па; Ь — путь трения, м; 3 — площадь трения, м2; т — показатель изнашивающей способности почвы; Н — твердость материала, (Н ¡1 ).
На процесс взаимодействия абразивных частиц в контактном слое почвы влияют силы фиксации, определяющие степень закрепленности абразивных частиц и механические свойства материала, на который эта частица действует.
Силу фиксации частиц определяют как разность между суммарной силой внутреннего трения контактируемых частиц в почвенной массе и силой их внешнего трения о металлическую поверхность:
АР = I• р-Г! \1--т\ , (6)
V /1
где г — количество частиц, взаимодействующих с контактируемой поверхностью; /1 — коэффициент внутреннего трения между частицами почвы; / — коэффициент трения частиц о
металлическую поверхность детали; т— постоянная величина, зависящая от числа контактов; р — удельное давление (кгс/см2).
Поэтому степень взаимодействия абразивных частиц почвы с поверхностью трения детали в значительной мере зависит от соотношения суммарных сил трения между частицами и сил трения частиц о металлическую поверхность. Чем больше разность между ними, тем больше степень фиксации абразивных частиц.
В условиях равенства коэффициентов трения на фиксирование абразивных частиц почвы расходуется 29% общей силы трения. Коэффициент трения между частицами более связных почв, как правило, превышает коэффициент трения частиц о металлическую поверхность, поэтому силы фиксации будут выше, чем при равенстве коэффициентов. Коэффициент трения почвы с поверхностью детали для различных почв может изменяться от 0,29 до 0,9 [3].
Определение качественной стороны взаимодействия частиц между собой и поверхностью металла используют при проектировании почвообрабатывающих машин повышенной долговечности.
Известно, что для повышения износостойкости поверхностей трения, имеющих форму клина, создают зоны деформационного скольжения почвы с повышенным давлением, которые располагают в области наибольшей интенсивности трения [3].
Анализ процессов изнашивания рабочих поверхностей почвообрабатывающих машин показывает, что из всего многообразия факторов наибольшее влияние на снижение ресурса деталей оказывает механический состав и связность почвы, определяющие её абразивные свойства и плотность приповерхностного слоя почвы в зоне контактного взаимодействия. Поэтому решение проблемы повышения износостойкости рабочих органов связаны с изучением и поиском закономерностей процессов в зоне контактного взаимодействия рабочих поверхностей с уплотненной почвой.
Разработка новых, более эффективных технологий нанесения твердых сплавов на закаленные поверхности деталей почвообрабатывающих машин в наших исследованиях базируется на снижении технологических затрат и термического влияния на основной металл, обеспечивающих повышение износостойкости деталей за счет рыхления приповерхностного контактного слоя почвы в процессе ее обработки.
Учитывая, что главной причиной ускоренного изнашивания поверхностей трения почвообрабатывающих машин является многократное пластическое деформирование под действием твердых абразивных частиц, в направлении перемещения с образованием и разрушением вторичных структур, перспективным развитием в технологии нанесения износостойкого присадочного материала на рабочую поверхность деталей в зонах наибольшей интенсивности трения является прерывистое нанесение отдельных прямолинейных или дугообразных валиков (рис.2) различной длины, ширина которых меньше расстояния между ними [6].
Рис.2. Схема взаимодействия контактного слоя почвы с рабочей поверхностью детали:
У — скорость перемещения детали; ксл — толщина контактного слоя почвы; г — шаг наплавки износостойкого материала; 1 — поперечное сечение наплавленного слоя; 2 — поверхность основного металла; 3 — область торможения и смятия контактного слоя почвы; 4 — переходная зона резания и скалывания частиц; 5 — зона застоя почвы на основном
металле
Прерывистое расположение износостойкого материала способствует формированию ударной силы, что приводит к скалыванию частиц и снижению плотности контактного слоя почвы. При этом скорость изнашивания детали снижается в 2 — 3 раза, а расход износостойкого материала уменьшается на порядок. Самозатачивание режущей поверхности основного металла с образованием волнисто-ступенчатого лезвия снижает тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и уменьшает расход топлива.
Неоднородность взаимодействия почвы с поверхностью выступов наплавленного слоя и основным металлом обуславливает формирование в контактном слое почвы сжимающих и растягивающих напряжений, изменяющих степень закрепленности абразивных частиц. Высокая скорость деформации почвы при взаимодействии с поверхностью наплавленного слоя в области торможения и смятия контактного слоя почвы способствует перераспределению суммарных сил трения между частицами почвы и металлической поверхностью.
Торможение и смятие почвы передней кромкой износостойкого материала повышает интенсивность зарождения и развития трещин, увеличивает скорость деформации приповерхностного контактного слоя почвы с резанием и скалыванием абразивных частиц в направлении перемещения.
С тыльной стороны поверхности наплавленного слоя образуются зоны застоя почвы (рис. 3), в которых скорость частиц уменьшается до нуля, а трение абразивных частиц происходит с поверхностью застойной почвы. За зонами застоя частицы контактного слоя почвы в рыхлом состоянии совершают смешанное относительное перемещение, включая скольжение, вращение и перекатывание абразивных частиц, что снижает трение абразивных частиц почвы с основным металлом рабочей поверхности.
Рис. 3. Формирование застойных зон контактного слоя почвы при трении с поверхностью износостойкого присадочного материала
При этом важнейшим технологическим фактором, способствующим снижению плотности контактного слоя почвы путем его рыхления, является образование прямого динамического удара, возникающего в результате взаимодействия с прерывистой поверхностью наплавленного слоя в направлении перемещения, что создает новые возможности в совершенствовании технологий упрочнения рабочих поверхностей деталей почвообрабатывающих машин в зоне наибольшей интенсивности трения.
Л и т е р а т у р а
1. Кряжков В.М., Сизов О.А. Перспективные пути повышения качества изготовления сельхозмашин, выпускаемых региональным машиностроением, и соответствие их возросшим экологическим требованиям// Экология и сельскохозяйственные технологии: Агроинженерные решения: Т. 1 [Общие
экологические аспекты при разработке технологии и технических средств, используемых в сельскохозяйственном производстве]: Мат. 7-й междунар. науч.-практ. конференции (17-19 мая 2011 г.) СПб - 2011. - С.67-69.
2. Новиков В.С. Упрочнение рабочих органов почвообрабатывающих машин: Монография / ФГБОУ ВПО МГАУ им В.П. Горячкина. - М.,— 2013. - 112 с. |
3. Севернев М.М., Подлекарев Н.Н., Сохадзе В.Ш., Китиков В.О. Износ и коррозия сельскохозяйственных
машин. -Минск: Беларус. навука, 2011.
4. Рыбакова Л.М., Куксенкова Л.И. Металловедение в науке о трении и изнашивании/ МИТОМ. - 1985. -№5.- С. 16-23. |
5. Орлов Б.Н., Евграфов В.А. Оценка интенсивности изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих
машин//Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2000. - №4. - С. 14-16. |
6. Пат. РФ 2414337, МПК В23К 9/04, В23К 6/00. Способ получения износостойкой рабочей поверхности
деталей почвообрабатывающих машин / Н.М. Ожегов, Д.А. Капошко, С.И. Будко.
УДК 631.372 Канд. техн. наук П.И. ХОХЛОВ
(СПбГАУ, Petr.khokhloff@yandex.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И СОПРЯЖЕНИЙ | КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРОВ «КИРОВЕЦ»
Трактор «Кировец», коробка передач, сопряжения, детали, ресурс, скорость изнашивания, отказы, ремонт
Критерием предельного состояния коробки передач является предельный износ шлицев двух валов (одновременный или неодновременный), передающий поток мощности от двигателя к колесам. При этом имеется в виду, что шлицевые валы должны восстанавливаться. Однако демонтаж валов связан с разборкой сопряжений валов с подшипниками качения, в результате которого размеры посадок нарушаются. Кроме того, шейки под подшипник также подвергаются изнашиванию и требуют восстановления.
Техническое состояние зубчатых зацеплений не используется в качестве предельного состояния коробки передач. В то же время, как показывает практика, разрушение зубьев шестерен приводит к отказам третьей группы сложности и, соответственно, полной разборке коробки передач.
Таким образом, в качестве объектов исследований при оценке ресурса коробки передач принято три группы сопряжений: шлицевые соединения, сопряжение вал - подшипник, зубчатые зацепления.
Исследование процесса изнашивания сопряжения деталей производилось на основе оценки технического состояния коробок передач, поступающих в ремонт. Количество коробок, подвергнутых исследованию, составило 31 штуку. Наработка коробок передач варьирует в диапазоне от 1660 до 8080 моточасов.
В результате обработки данных получены модели зависимостей зазоров в сопряжениях от наработки коробки передач. В качестве предварительного выбора были рассмотрены следующие модели: линейная, степенного вида, экспоненциальная и в виде многочлена второго порядка [1]. Статистическая оценка результатов на ЭВМ показала, что в качестве моделей изнашивания шлицевых соединений и зубьев шестерен (длина общей нормали) целесообразно использовать линейную зависимость от наработки, для сопряжений вал - подшипник качения - модель степенного вида. Полученные уравнения представлены в табл. 1-3. На основе статистических моделей связи зазоров в сопряжениях и наработки коробки передач выполнен расчет межремонтного ресурса, результаты которого приведены в табл. 1 -3.
