CC BY
602
Повышение износостойкости и долговечности почвообрабатывающих рабочих органов
Т.Ф. Ахметшин, к.т.н., Уфимский ГАТУ
К настоящему времени в отечественной и зарубежной научной литературе по вопросам трения и изнашивания накоплен объёмный экспериментальный, теоретический и практический опыт, касающийся их испытаний при абразивном изнашивании [1, 2]. В то же время методология вопросов повышения износостойкости материалов и прогнозирования их способности к сопротивлению разрушению при абразивном взаимодействии в конкретных условиях эксплуатации деталей остаётся в сфере компетентности высококвалифицированных специалистов, способных смоделировать сложную взаимосвязь различных факторов и явлений, учитываемых при постановке и решении такой задачи.
Сейчас наиболее остро стоит проблема повышения долговечности и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин [3]. Это обусловлено высокой сложностью механизма взаимодействия почворежущих деталей с почвой, абразивной средой, обладающей значительными показателями по твёрдости, прочности, имеющей широкий диапазон гранулометрических параметров. Значительное влияние на износостойкость лемехов, куль-тиваторных лап и других деталей оказывают внешние параметры их эксплуатации: скорость относительного перемещения абразивной массы, конструктивное расположение поверхностей, наличие почвенной влаги.
Проведённые ранее исследования [4] показали, что создание лабораторных установок, способных воспроизвести адекватные условия изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин, практически невозможно и не имеет экономической целесообразности.
Метод испытаний стрельчатых лап в полевых условиях был предложен и обоснован нами ранее [5]. Однако он требует дополнительной проработки с позиции многофакторного подхода при испытании материалов, т.е. проведения расчётов и лабораторных исследований по определению триботехнических параметров, имитации эксплуатационных условий, металловедческих
характеристик и технологии изготовления рабочих органов.
Универсальные стрельчатые лапы, изготовленные согласно рекомендациям ГОСТа 1343-82 (СТ СЭВ 3095-81), являются рабочими органами культиваторов для сплошной и междурядной обработки почвы. Стрельчатые лапы предназначены для крошения почвы и уничтожения сорных растений в результате горизонтального перерезания корней сорняков на глубине 6—12 см. Материалы, применяемые в производстве стрельчатых лап, указаны в таблице 1.
Как видно по таблице, эти изделия изготавливаются из качественной стали и наплавляются твёрдым сплавом (лезвийная часть и носок). Для лап типа С-5 по ГОСТу 1342-82 установлен ресурс 30 га, однако наработка лап до предельного состояния по линейному износу (по данным МИС) находится в пределах от 12,0 до 25,0 га (ресурс по остроте лезвий и подрезающей способности лап при испытаниях на МИС не контролируется).
В практике зарубежного культиваторострое-ния упрочнение лезвий твёрдым сплавом не получило широкого применения. Результаты лабораторных сравнительных испытаний на износостойкость фрагментов лап отечественного и зарубежного производства свидетельствуют, что серийные отечественные лапы по всем показателям износостойкости существенно превосходят лапы аналогичного назначения зарубежного производства [5]. Повышенные требования к износостойкости отечественных полольных лап обусловлены высокой сезонной наработкой культиваторов (760 га, например, для культиватора КПС-4). В то время как площади культивации в фермерских хозяйствах часто исчисляются всего десятками гектаров, обработка которых не требует принятия мер по повышению износостойкости, в частности путём наплавки твёрдого сплава. В литературе отмечается, что такого рода упрочнение лап в условиях малой сезонной наработки экономически не оправдано.
Эксплуатация культиваторов в Российской Федерации с высокой сезонной наработкой делает проблему повышения долговечности и
1. Материалы, используемые для изготовления стрельчатых лап
Наименование (ГОСТ 1343-82) Толщина, мм Норма расхода на одну лапу, кг Масса детали, кг Наплавочный материал
Марка стали марка сплава расход на деталь, кг
Лапа С-5.22 65Г ГОСТ 1577-93 6 1,843 0,946 ПС-14-60 0,121
Лапа С-5.23 65Г ГОСТ 1577-93 6 2,073 1,180 ПС-14-60 0,121
износостойкости стрельчатых лап актуальной, требующей своего разрешения. Целью настоящих исследований является решение поставленных задач с использованием методологии многофакторного подхода.
Одним из основных путей создания многофакторного подхода, по мнению автора, является использование синергетических принципов, которые позволяют объединить несколько научных направлений: триботехнику, материаловедение, технико-технологические и другие аспекты [6].
Исследование структурной приспосабли-ваемости материалов при трении [7] привело к объяснению явления саморегулирования, выражающегося в локализации эффективного объёма взаимодействия материалов с образованием и регенерацией в нём устойчивых диссипативных структур. Условием устойчивости нормального процесса трения и изнашивания служит минимум:
, А
Ш1П,
где АЕ — изменение поглощённой энергии три-босистемы;
А — работа трения;
V — объём износа.
Существование устойчивых диссипативных структур поверхностей трения является необходимым условием устойчивой эволюции макроповерхностей. Поскольку возможности саморегулирования трибосистемы на микроуровне не беспредельны, резкое изменение параметров внешнего воздействия может вывести систему в область неустойчивости или в область повреждаемости, лежащую за пределами минимума. При этом эволюция макроповерхности может характеризоваться расходящимся процессом. Этим можно определить границы существования форм естественного износа.
Поиск устойчивой формы естественного износа деталей машин может быть выполнен с помощью техники вариационного исчисления, разработанной Эйлером. Согласно анализу, проведённому В.В. Шульцем [7], можно сформулировать частный вариационный принцип для изнашивающихся систем: устойчивой будет лишь та форма изнашивающейся поверхности контакта, которая соответствует минимуму энергетических затрат в заданном относительном движении при установившемся процессе трения и изнашивания.
Износ почвообрабатывающих орудий изучался с давних пор. Академик В.П. Горячкин установил, что при работе на песчаных и супесчаных почвах после периода приработки на некоторое время происходит стабилизация формы профилей лезвий лемехов плугов вне зависимости от их начальной формы (рис. 1).
Известно, что наименьшим лобовым сопротивлением в вязкой среде на дозвуковых скоростях обладает не острый, а близкий к параболическому профиль объёмного обтекателя [7].
Поведение такой сложной среды, как почва или грунт, в сильной степени зависит от скорости деформирования и других её свойств. Образование устойчивой формы естественного износа приводит не только к уменьшению скорости или интенсивности изнашивания, но и к снижению энергетических затрат на трение. Если обрабатываемая среда не обладает сильными изнашивающими свойствами, как кварцевый песок, или недостаточно времени изнашивания для образования устойчивой формы естественного износа лезвия, то перед плоским индентором, продвигающимся в грунте, образуется застойное ядро (рис. 2), имеющее форму параболического клина [5] или нарост на резце при резании металлов.
Рис. 1 - Стабилизация профиля лезвий лемехов плугов с разной начальной заточкой [8]: а - верхняя заточка; б - нижняя заточка
У
А
V
X
\ .
1
Рис. 2 - Схема образования стабилизированного профиля лезвия при перемещении пластины в массе незакреплённых абразивных частиц (почва, грунт)
2. Горизонтальная Ях и вертикальная Л2 составляющие тягового сопротивления стрельчатых лап в зависимости от степени износа носка W
Вариант лап Носок Крылья Кх, Н Я2, Н
Ш, мм Р». град- 80, град. 8, град.
0 16 - 74 0 990 481
Лапа без затылочной 10 16 - 12 0 1001 371
фаски на крыльях 20 16 - 12 0 1034 234
30 16 - 12 0 1083 79
0 60 - 16 - 25 1043 426
Лапа с затылочной 10 16 - 12 - 25 1054 332
фаской на крыльях 20 16 - 12 - 25 1093 168
30 16 - 12 - 25 1252 - 30,5
Примечание: Р0 — передний угол резания; е0, е — углы наклона затылочной фаски на носке и крыльях
На рисунке 2 приведена схема профиля пластины 1 в начале испытаний (заштриховано двойной штриховкой уплотнённое ядро 2 почвы) и в момент стабилизации профиля, условно изображённого прямыми участками АОВ.
В примере с резцом отмечается падение усилия и температуры резания.
Таким образом, в этих случаях в самой среде формируется рациональная с точки зрения энергетических затрат режущая кромка, дополняющая инструмент, форма которой зависит от свойства среды и скорости перемещения пластины или скорости резания. Из наших примеров с движением тел в направленном потоке различных сред ясно, что рациональная форма режущей кромки создаётся не человеком на основе расчётов, а образуется и далее поддерживается естественным путём, в результате действия природных закономерностей, связанных с энергетикой трения и изнашивания.
Определение формы твёрдого тела, оказывающего наименьшее сопротивление потоку, является классической задачей вариационного исчисления.
Если говорить о движении твёрдых тел в направленном потоке абразивных сред, то наиболее
распространённым случаем является движение рабочих органов почвообрабатывающих машин (лемехов плугов, лап культиваторов, зубьев борон и т.д.), а также рабочих органов землеройных машин (зубья ковшей экскаваторов, отвалов бульдозеров, грейдеров и т.д.).
Износ рабочих органов влияет на тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин. Исследования влияния износа носка стрельчатой лапы С-5.23 на тяговое сопротивление [8] были проведены на почвенном канале ВИСХОМа (табл. 2).
Новая стрельчатая лапа культиватора обеспечивает забор глубины и равномерность хода по глубине. При изнашивании стрельчатой лапы уменьшается длина вылета носка, который приобретает округлую форму, причём радиус закругления всё время увеличивается (рис. 3). Величина износа носка W возрастает. На тыльной стороне носка появляется затылочная фаска. При этом равномерность хода по глубине теряется.
По таблице видно, что с увеличением износа носка W горизонтальная и вертикальная слагаемые тягового сопротивления значительно изменились, что можно объяснить только изме-
нениями размеров и формы носка. Долговечность стрельчатых лап лимитируется опережающим износом в носовой части, поэтому конструкторам необходимо найти способ повышения износостойкости этой части рабочих органов.
Таким образом, для повышения долговечности металлических деталей, работающих в массе незакреплённых абразивных частиц, рассматриваются основы синергетических принципов, т.е. предлагается один из этапов методологии многофакторного подхода к решению проблемы, а именно принцип геометрической адаптации.
На основании сделанных выводов и для их проверки была разработана стрельчатая лапа культиватора [9], лезвия которой с лицевой стороны (сверху) упрочняются методом индукционной наплавки твёрдосплавным материалом толщиной до 1,0 мм и затачиваются с тыльной стороны (рис. 16). Носок стрельчатых лап усиливается износостойкой пластинкой с тыльной стороны. При этом пластина выступает вперёд относительно линий кромок лезвий на 20 мм.
Ширина пластины до 30, толщина в пределах 2—3 мм.
Проведённые полевые испытания в условиях Республики Башкортостан показали эффективность расположения твёрдого сплава на лезвиях сверху и увеличения его толщины с 0,4 до 1,0 мм, что позволило резко повысить наработку до предельного износа лапы по ширине захвата крыла, износу по ширине лезвия, износу лапы по толщине, по остроте лезвий. Усиление носка пластиной позволило увеличить наработку лапы до предельного состояния по линейному износу носка, по износу ширины лезвий, износу лапы по толщине, по износу головок крепёжных болтов.
Литература
1. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционньж материалов и деталей машин: М.: Машиностроение, 1976. 247 с.
2. ГОСТ 17367-71. Металлы: методы испытаний на абразивное изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы. М.: Изд-во стандартов, 1971. 5 с.
3. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчёт почвообрабатывающих машин. М., 1977. 328 с.
4. Мацепуро В.М., Кожевников Г.Н., Бурченко П.Н. Разработка метода физического моделирования процессов почвообработки в условиях почвенных каналов // Труды ВИМ. Т. 69. М., 1975. С, 58-91.
5. Ахметшин Т.Ф. Повышение износостойкости и долговечности стрельчатых лап культиваторов: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1988.
6. Попов С. Н. Теоретические основы многокритериального анализа изнашивания сталей и сплавов // Восстановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин. Запорожье: Изд-во ОАО «Мотор Сич», 2000. С. 360—389.
7. Шульц В.В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. Л.: Машиностроение, 1990. 208 с.
8. Тененбаум М. М., Ахметшин Т. Ф. О влиянии на горизонтальную и вертикальную составляющие тягового сопротивления размера и формы носка стрельчатой лапы // Совершенствование машин и рабочих органов для производства корнеклубнеплодов и овощей: сб. науч. тр. М.: ВИСХОМ, 1987. СЛ02-106.
9. Патент 2070363 Российская Федерация, 6 А 01 В 35/00. Стрельчатая лапа культиватора / Ахметшин Т.Ф.; заявитель и патентообладатель Ахметшин Т.Ф. № 94030020/15; заявл. 09.08.94; опубл. 20.12.96, Бюл. № 35. 5 с.: ил.
