Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований. программа и методика исследований 12
1.1. Состояние вопроса и обоснование направлений исследований 12
1.1.1. Общие сведения 12
1.1.2. Влияния конструктивных, материаловедческих, эксплуатационных факторов на тяговое сопротивление, ресурс, работоспособность лемехов плугов 14
1.1.3. Конструктивные и материаловедческие параметры лемехов плугов отечественных и ведущих зарубежных производителей и их анализ 23
1.1.4. Свойства почв. Основы теории резания почв Современные представления о механизмах изнашивания почворежущих рабочих органов 30
1.1.4.1. Свойства почв 30
1.1.4.2. Основы теория резания почв 35
1.1.4.3. Современные представления о механи 40
1.1.5 Факторы, влияющие на износ деталей почвообрабатывающих машин 42
1.1.5.1. Влияние почвенных условий на величину и характер износа нагруженных деталей почвообрабатывающей техники 42
1.1.5.2. Факторы, влияющие на затупление лезвия лемехов плугов и других почворежущих деталей 44
1.1.6. Материалы и способы упрочнения лемехов плугов 46
1.2. Основные направления и задачи исследований 52
1.3. Программа исследований 53
1.3.1. Общая программа исследований 53
1.3.2. Программа лабораторных исследований оценки износостойкости материалов 54
1.3.3. Программа исследований по разработке методов упрочнения и выбора материалов рабочих органов лемехов плугов 54
1.3.4. Программа эксплуатационно-ресурсных испытаний лемехов плугов 55
1.4. Общая методика проведения исследований 56
1.4.1. Методика изучения состояния вопроса 56
1.4.2. Методика определения критериев предельных состояний лемехов плугов 57
1.4.3. Методика обработки и оценки расчетных и экспериментальных данных 57
1.4.4. Способы оценки износа лемехов плугов 59
1.4.5. Методика экономической оценки эффективности опытных эвольвентных лемехов 60
Заключение и выводы по главе 1 61
ГЛАВА 2. Исследование и определение нагрузок, действующих на лемешно-отвальную поверхность плуга. изучение влияния конструктивных параметров лемехов на заглубляющую способность и другие агротехнические характеристики плугов. обоснование параметров лемехов плугов с накладным выдвижным долотом по агротехническим и энергетическим критериям 63
2.1 Постановка задачи. Рабочая гипотеза, обосновывающая направление исследований по созданию нового лемеха с улучшенными характеристиками работоспособности и энергоемкости 63
2.2. Основные факторы, влияющие на устойчивость работы плуга в продольно-вертикальной плоскости 66
2.3. Значения составляющих нагрузок, действующих на корпус и лемех плуга в продольно-вертикальной плоскости 67
2.4. Проверка точности расчетной модели определения нагрузок на лемешный корпус в продольно – вертикальной плоскости 78
2.5. Проведение сравнительных эксплуатационных полевых испытаний и
исследований по оценке нагрузочной способности и качества работы лемешных
плугов, оснащенных опытными и серийными лемехами 80
2.5.1. Общие сведения 80
2.5.2. Программа и методика эксплуатационно-технологических и энергетических исследований и испытаний плугов с опытными и серийными лемехами 81
2.5.3. Результаты тяговых энергетических и агротехнических испытаний и исследований опытных и серийных лемехов. Оценка влияния величины вылета долота лемеха на значения тяговых характеристик плуга 88
2.6. Расчетно- экспериментальная сравнительная оценка заглубляющей способности опытных и серийных лемехов. Оценка влияния величины вылета долота опытного лемеха на заглубляющую способность плуга 93
2.7. Особенности эксплуатационных характеристик эвольвентных лемехов с наклонным (косоустановленным) долотом 99
2.8. Результаты энергетической и эксплуатационно-технологической оценки опытных и серийных лемехов плугов, имеющих значительную наработку (эксплуатационный ресурс) 103
Заключение и выводы по главе 2 107
ГЛАВА 3. Исследование и оценка показателей ресурса и долговечности опытных лемехов в сравнении с серийными. разработка способов повышения износостойкости и прочности опытных лемехов, обоснование и выбор их конструктивно-материаловедческих параметров 109
3.1. Исследование условий эксплуатации и изнашивания серийных наплавленных и монометаллических лемехов плугов. Направления разработок, связанные с повышением их долговечности 109
3.2. Закономерности и особенности изнашивания и условия повышения прочностных и износных характеристик опытных лемехов в сравнении с серийными 113
3.3 Обоснование выбора технологических способов упрочнения (наплавки) лемехов 116
3.4. Обоснование выбора материалов лемехов. Методика лабораторной оценки износостойкости. Проведение стендовых лабораторных испытаний материалов на относительную износостойкость 121
3.5. Обоснование выбора конструктивно-материаловедческих параметров лезвия и долота лемеха, исходя из условий максимальных линейной и конструкционной износостойкости 131
3.6. Методика проведения сравнительных ресурсных испытаний лемехов плугов. Проведение натурных ресурсных испытаний лемехов плугов в сравнении с серийными. Оценка долговечности, износостойкости, работоспособности разработанных изделий 143
3.6.1. Организация полевых натурных сравнительных испытаний опытных и серийных лемехов отечественных плугов 143
3.6.2. Программа и методика проведения полевых ресурсных испытаний лемехов плугов 143
3.6.3. Обобщенные результаты полевых натурных ресурсных испытаний и исследований опытных лемехов в сравнении с серийными. Оценка износостойкости и долговечности 148
Заключение и выводы по главе 3 157
4. Разработка методики проектирования и конструктивно технологических требований к лемеху плуга с повышенными параметрами работоспособности и ресурса
4.1 Общие конструктивно-технологические параметры лемеха плуга повышенного технического уровня 160
4.2. Общие материаловедческо-технологические и технико-экономические требования к материалам основы лемеха плуга повышенной работоспособности 160
4.2.1. Требования к физико-механическим свойствам сталей для изготовления лемехов (таблица 4.1) 161
4.2.2. Требования к химическому составу и цене сталей для лемехов плугов 161
4.3. Методика выбора толщины материала основы лемеха и его долота 161
4.4. Методика выбора угла заострения лезвия лемеха 163
4.5. Методика выбора толщины лезвия лемеха 163
4.6. Требования к материалам упрочняющего покрытия (наплавленного слоя) лемехов 164
4.7. Методика расчета запаса на износ лезвия (или выбора ширины лезвия) 164
4.8. Методика выбора толщины упрочненного (наплавленного) слоя лезвий и долот лемехов 165
Заключение и выводы по главе 4 166
ГЛАВА 5. Экономическая оценка эффективности использования в сельскохозяйственном производстве разработанных новых лемехов плугов с повышенными характеристиками работоспособности и ресурса (оценка их рыночного потенциала). внедрение разработок в производство 167
5.1. Постановка задачи 167
5.2. Определение лимитной цены на разработанные упрочненные лемеха 168
5.2.1 Оценка себестоимости операций упрочнения лемехов и долот 168
5.2.2. Расчетные цены опытных лемехов и долот 171
5.3. Расчет годового экономического эффекта от использования новых разработанных лемехов в сельскохозяйственном производстве 172
5.4. Внедрение разработок в производство 175
Заключение и выводы по главе 5 176
Общие выводы и рекомендации 177
Список использованных источников
- Свойства почв. Основы теории резания почв Современные представления о механизмах изнашивания почворежущих рабочих органов
- Основные факторы, влияющие на устойчивость работы плуга в продольно-вертикальной плоскости
- Закономерности и особенности изнашивания и условия повышения прочностных и износных характеристик опытных лемехов в сравнении с серийными
- Общие материаловедческо-технологические и технико-экономические требования к материалам основы лемеха плуга повышенной работоспособности
Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на достаточно широкое внедрение в последние десятилетия почвозащитных технологий, вспашка лемешно-отвальными плугами распространена как наиболее эффективный вид основной обработки почвы.
Лемех плуга является самой нагруженной и важной деталью, от параметров которой в преобладающей степени зависят качественные, энергетические и экономические показатели технологической операции вспашки.
Мировые производители почвообрабатывающей техники, соответствующие научные и конструкторские организации, уделяют огромное внимание и прилагают значительные усилия для решения проблемы повышения эффективности используемых в плугах лемехов.
Для России эта проблема наиболее существенна, так как в нашей стране имеет место большое разнообразие почв по физическому и механическому составу. В частности, по показателю «изнашивающей способности» разница для отдельных видов почв России может составлять 8-12 раз. Причем тяжелые почвы в нашей стране преобладают.
До настоящего времени в РФ базовым рабочим органом отечественных конструкций плугов является лемех, разработанный еще в 40-х – 50-х годах прошлого столетия, имеющий устаревшие конструктивно технологические и материаловедческие параметры, изготавливающийся из сталей не высокой прочности и износостойкости, с пониженным (до 3-х – 7-ми раз) в сравнении с лучшими зарубежными аналогами, суммарным ресурсом. Агротехнические показатели при эксплуатации такого лемеха также отстают от современных зарубежных аналогов. Некоторые отдельные модификации, разработанные относительно недавно, принципиально вопросы повышения его работоспособности и ресурса не решают.
За рубежом разработаны более совершенные лемехи плугов. Однако, по ряду конструктивных особенностей они не подходят для конструкций отечественных плугов. Кроме того, научных обоснований и рекомендаций по выбору их конкретных параметров, используемых материалах и упрочняющих технологий в литературе не приводится.
Изложенное подтверждает актуальность проведения в нашей стране исследовательских работ по повышению эксплуатационно-ресурсных характеристик лемехов для отечественных плугов.
Целью работы является обоснование параметров отечественных лемехов плугов, обеспечивающих повышенные характеристики работоспособности и долговечности.
Объектом исследований являются: процессы взаимодействия лемешных корпусов с почвой, условия их абразивного изнашивания.
Предметом исследования являются: способы повышения эксплуатационных, агротехнических и ресурсных характеристик лемехов отечественных плугов.
Общая методика исследования включает в себя: анализ конструктивных, мате-риаловедческих параметров лемехов, характера их изнашивания, и способов упрочнения; теоретическое исследование нагрузок, действующих на лемех в продольно-вертикальной плоскости и их влияние на его заглубляющую способность и другие эксплуатационные показатели; исследование износостойкости наплавочных материалов и сталей в лабораторных условиях; эксплуатационно-ресурсные, агротехнические и энергетические испытания упрочненных с усовершенствованными конструктивными параметрами лемехов; внедрение в производство и оценка экономической эффективности.
Научную новизну составляют:
Математическое выражение расчета нагрузок, действующих на корпус плуга в продольно-вертикальной плоскости;
Обоснование критериев повышения эксплуатационных, энергетических и ресурсных характеристик лемехов плугов;
Теоретические обоснования повышения эксплуатационно-ресурсных характеристик лемехов на основе научных положений об опережающей трещине, о воздействии уплотненного почвенного ядра, об условиях косого резания;
Математические зависимости нагрузочно-абразивного воздействия и определения сравнительных ресурсных характеристик лемехов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена лабораторными и эксплуатационными натурными испытаниями, производственной проверкой характеристик разработаных лемехов, а также достаточно высоким схождением теоретических положений и экспериментальных данных.
Практическую ценность составляют.
Методика выбора и применения для различных почвенных условий конструктивных и материаловедческих параметров новых лемехов, позволяющая повысить характеристики работоспособности и ресурса для отечественных плугов;
Разработка нового лемеха плуга с улучшенными на 10 – 35% агротехническими характеристиками и повышенным не менее чем в 3 - 4,5 раза ресурсом;
Практические результаты исследований свойств и физико-механических характеристик новых материалов основы лемехов плугов, наплавочных твёрдых сплавов и упрочняющих технологий в условиях эксплуатации в почвенно-абразивной среде.
Реализация результатов исследований.
По результатам обширных ведомственных и государственных (на Владимирской ГМИС) испытаний разработанные опытные лемехи имели лучшее в сравнении с серийным вариантом агротехнические и ресурсные показатели. Имеются положительные рекомендации.
В настоящее время разработанные лемехи изготавливаются мелкими сериями на двух предприятиях РФ: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва) и АО РТП «Петровское» (г. Светлоград, Ставропольского края). Результаты исследований используются в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ при разработке и эксплуатации почвообрабатывающих орудий.
Апробация работы.
Основные результаты исследований диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
– Международной научно-технической конференции «Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем», г. Углич, ВИМ, 10-12 сентября 2012 года.
– Международной научно-технической конференции, посвященной 145-летию со дня рождения основоположника земледельческой механики академика В.П. Горячкина «Система технологий и машин для инновационного развития АПК России», г. Москва, ВИМ, 17-18 сентября 2013 года.
– Международной научно-технической конференции «Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий», г. Москва, ВИМ, 17-18 сентября 2014 года.
– Международной научной конференции «Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия», Северный Чарльстон, США, 17-18 июня 2015 года.
– Международной научно-технической конференции «» г. Москва, ВИМ, 15-16 сентября 2015 года.
Разработанные конкурентоспособные высокоресурсные лемехи плугов экспонировались на ВВЦ в 2013 и 2014 года. В обоих случаях экспозиции удостоены серебряных медалей ВВЦ.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 21 печатная работа, из них 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 1 статья индексирована в международной базе Scopus и 2 статьи в международной базе Agris. Получено 5 патентов на изобретения.
Объем и структура диссертации.
Свойства почв. Основы теории резания почв Современные представления о механизмах изнашивания почворежущих рабочих органов
Близкие к последним результаты получены Г.Н. Синеоковым [81] при изучении влияния угла крошения «» плоского долота, шириной 50 мм, на величину тягового сопротивления.
Важным параметром также является задний угол резания (угол зазора). Его снижение ниже величины 3-5 также увеличивает сопротивление резанию почвы, особенно существенно, когда этот угол («», см. рисунок 2.14., 2.15 - глава 2) принимает отрицательные значения, т. е. образовывается «затылочная фаска». А.Д. Далин считает [85], что «вследствие упругости грунта задний угол резания нельзя делать меньше 3-4 у самых острых ножей; если же учесть последующее быстрое затупление, то этот угол нужно делать не менее 8-10».
К сожалению, на практике, при разработке почворежущих рабочих органов далеко не всегда возможно одновременно снижать угол резания «» и оставлять приемлемым значение заднего угла резания (угла зазора), так как они связаны жестким соотношением: є = р-і (1.3) где i - угол заострения лезвия. Увеличение угла заострения лезвия и толщины лезвия, в частности при затуплении лезвия лемеха (особенно при отрицательном угле зазора и соответствующем возникновении «затылочной фаски»), приводит к росту нагрузок на лемешный корпус. В среднем нагрузки на лемехи с повышенной толщиной лезвия увеличиваются на 30-80% [9, 46, 74, 81, 88]. Отмечается так же, при затуплении лемехов, значительное увеличение неравномерности хода плугов по глубине (до 70%) и расхода горючего (до 125%) [9].
Иногда, при затуплении лезвия нагрузки на рабочие органы реально не увеличиваются [9], но копуса плугов, при этом, выглубляются и «идут» на меньшей глубине, что значительно ухудшает агротехнические показатели обработки почвы. Повышение твердости почвы приводит к увеличению всех нагрузок, и разброс значений этого увеличения, по данных различных ученых, очень значителен и зависит от многих параметров и условий.
При повышении влажности почвы ее твердость снижается, и соответственно, нагрузки уменьшаются. Однако, данная закономерность действует до значения абсолютной влажности почвы 19-22%. При дальнейшем повышении влажности начинает влиять фактор налипания (особенно на глинистых липких почвах) и сопротивление обработке почвы увеличивается [32, 10]. При значении абсолютной влажности, превышающем – 25-30%, лемешные плуги как правило не могут удовлетворительно выполнять свои эксплуатационные функции.
Достаточно обоснованных конкретных данных о влиянии стороны заточки лезвия лемехов на их силовую характеристику и работоспособность в литературе мало. Обычно у лемехов применяют внутреннюю (верхнюю) заточку лезвия, так как при этом, несколько меньше задний угол резания (угол зазора) и, соответственно, меньшая «скребковая реакция». Недостатком внутренней заточки является увеличение угла резания. Некоторыми зарубежными фирмами («Vogel & noot», «Lemken» и другие) применяется горячая ковка (или специальная вальцовка) лезвия, позволяющая свести эти «противоречия» к минимуму. Лезвие, в этом случае, является достаточно острым, а как таковой заточки не существует. На выбор стороны заточки существенное влияние оказывает эксплуатационный фактор, то есть форма профиля лезвия в процессе изнашивания. У двухслойных (наплавленных, упрочненных) рабочих органов чаще применяют внутреннюю заточку при наружном (нижнем) расположении упрочненного слоя. При этом, на определенных видах почв обеспечивается так называемое «самозатачивание первого рода» [61]. Вернее, этот процесс следует назвать «улучшенным формированием профиля лезвия» [76].
Наряду с конструктивными факторами имеет место влияния на работоспособность и ресурс почворежущих деталей также материаловедческие. Главная причина низкого качества рабочих органов отечественных сельхозмашин заключается в отсутствии специализированных материалов, имеющих высокие физико-механические характеристики при эксплуатации в условиях больших знакопеременных нагрузок и абразивного изнашивания.
Использование в конструкциях лемехов материалов низкого качества приводят к ряду негативных последствий в процессе эксплуатации. Это преждевременный износ носовой части, появление затылочной фаски, изменение угла резания, линейный износ (по ширине, длине, толщине). При этом, соответственно, как правило повышается тяговое сопротивление, снижается ресурс детали, падает скорость пахоты и качество обработки.
Основными видами предельных состояний характерных для лемехов плугов являются [84]: 1. деформация или разрушение лемеха; 2. затупление лезвия и носка лемеха (увеличение угла заострения и толщины лезвия); 3. образование затылочной фаски лезвия с наклоном к дну брозды; 4. образование на лезвии лемеха (и носка) лобовой фаски; 5. линейный износ по длине лемеха, в том числе по длине носка; 6. линейный износ по ширине лезвия лемеха; 7. опережающий линейный износ носка лемеха (изменение формы лемеха) 8. линейный износ по толщине лемеха, снижение его прочности; 9. износ головок крепежных деталей. Наступление данных предельных состояний приводят к следующим негативным последствиям: повышению тягового сопротивления, снижение глубины обработки почвы, увеличению неравномерности глубины обработки почвы, снижению качества крошения почвы, уменьшению ширины захвата корпуса плуга, залипанию почвы, выглублению плуга и др.
Основные факторы, влияющие на устойчивость работы плуга в продольно-вертикальной плоскости
Анализ литературных материалов и наблюдений за эксплуатацией плужных лемехов в различных почвенных условиях показал, что на связных почвах глинистых и суглинистых (более 80% пахотных земель России) основной причиной потери работоспособности лемеха является снижение заглубляющей способности, приводящее к нарушению агротехнических требований. Предельное состояние лемеха в основном наступает вследствие образования широкой затылочной фаски на лезвии и уменьшения вылета долотообразного носка реже -при значительном уменьшении ширины лемеха. Для определения критических параметров лезвия и носка лемеха рассмотрим все основные силовые факторы, оказывающие влияние на устойчивость плуга в продольно-вертикальной плоскости. К ним отнесем вес орудия Gn (рис.2.1), вертикальная составляющая силы реакции (сопротивления) почвенного пласта и динамического давления а также вертикальную составляющую сил сопротивления почвы, возникающую на лезвии лемеха и его затылочной фаске.
Действующие на лемешный корпус плуга в продольно-вертикальной плоскости нагрузки представим в виде уравнения: Y;pz=Gn+pz-p (2.1) где Рz - суммарная выталкивающая нагрузка, действующая на корпус плуга, Н. Gп - часть веса плуга (приведенная), приходящаяся на корпус и лемех и, естественно, ограниченная действием опорного колеса; Pz - вертикальная составляющая сил сопротивления почвы, действующих на лицевую часть корпуса плуга, Н; Рлz - вертикальная составляющая силы сопротивления почвы внедрению лезвия и носовой части лемеха. Очевидно плуг будет работать устойчиво, если соблюдается условие Gn + Pz- Рж 0 (2.2) Предельное же состояние плуга наступает, когда Gn + Pz - Рж 0 (2.3) 2.3. Значения составляющих нагрузок, действующих на корпус и лемех плуга в продольно-вертикальной плоскости Рассмотрим факторы, влияющие на значение входящих в уравнение (2.3) величин (рисунок 2.1). Вес плуга определяется как произведение массы плуга на ускорение свободного падения: Gn = тп -g0, Н (2.4)
Расчет проведем для пятикорпусного плуга, масса которого составляет 900900 кг, соответственно на каждый корпус приходится 160-180 кг или около 1800 Н. Для 3х и 4х корпусных отечественных плугов типа ПЛН значение веса плуга, приходящееся на 1 корпус также составляет примерно 1800 Н.
Вертикальная составляющая сил сопротивления почвы, действующая на переднюю (вогнутую) часть корпуса плуга определяется по выражению. Pz =Р -sin(90-/? -ф), Н (2.5) где P = k0-hcp-l-sina + PF, Н см. рис. 2.1 и 2.2. (26) где k0 - удельное сопротивление почвы; l - длина лемеха hср - средняя глубина обработки почвы - угол атаки; для отечественных корпусов плугов принимаем равным 42; PF - динамическая составляющая нагрузки; Под удельным сопротивлением почвы подразумевается отношение суммарного (тягового и поперечного) сопротивления почвы к фронтальному сечению, погруженной в почву части рабочего органа. Аналогичное определение удельного сопротивления имеет место в работе [105].
Для расчета значений К0 для лемехов плугов нами предлагается зависимость, выведенная на основе обобщающей соответствующей зависимости, разработанной С. А. Сидоровым [74]. Усреднено для корпуса плуга АГ0 «(0,013—0,019)-Т0507 (2.7) Однако, с учетом результатов исследований И. С. Маяускуса [41] Д. Б. Бернштейна [4], С. А. Сидорова [76] известно, что удельные нагрузки, действующие на носовую часть лемеха и на его основу [1] существенно отличаются (до 2,5 - 3 раз удельные нагрузки, действующие на основную часть лемеха с лицевой стороны меньше аналогичных нагрузок действующих на носовую часть). Эти данные получены преимущественно на основе анализа удельных износов. Также на основании результатов исследований А. Д. Далина [85] и Г. Н. Синеокова [80] было принято, что удельное сопротивление корпуса плуга на 70-90% определяется именно сопротивлением лемеха.
Кроме того, при уточнении значений эмпирических коэффициентов, определяемых при выводе разрабатываемых зависимостей, было выявлено, что значение удельного сопротивления существенно (не напрямую) зависит от значений твердости (Т) почвы и реальной глубины обработки, соответственно которой также частично изменяется твердость почвы.
Закономерности и особенности изнашивания и условия повышения прочностных и износных характеристик опытных лемехов в сравнении с серийными
Обоснованный угол установки наклонных долот (рисунок 2.16 б) относительно бороздного обреза лемеха составляет 10 - 15.
Значения угла получено по линиям «лучевого» износа, имеющихся в процессе эксплуатации на носовой части лемеха.
При этом уменьшается сгружевание почвы в зоне долота, её налипание. Кроме того, по нашим данным, косоустановленное долото осуществляет первичный «подрыв» не только со стороны почвенного пласта, но и со стороны уплотнённой стенки борозды, уменьшая силу трения бороздного обреза лемеха и долота со стороны стенки борозды.
Экспериментальные исследования показали, что преимуществ по заглубляющей способности лемехи с косоустановленным долотом перед лемехами с прямым долотом не имеют, но по тяговому сопротивлению некоторое преимущество (в 3- 4% - см. рис. 2.8. п. 2.5.3, и приложение А, Б – табл. 3.3) имеется.
Однако, исходя из результатов достаточно обширных эксплуатационных сравнительных исследований проявляются эти преимущества лемехов с косоустановленным долотом при обработке тяжелых почв (более 3,0-3,5 МПа).
При обработке песчанных, суглинистых, легких суглинков существенных преимуществ эксплуатации корпусов с лемехами, оснащенными косоустановленными долотьями перед аналогами с долотами, установленными параллельно бороздному обрезу, не зафиксировано.
Отмечены некоторые преимущества плугов с лемехами, оснащенными косоустановленными долотьями при обработке почв с крупными (до 35 см. диаметром) каменистыми включениями (Приложение Б)
В этом случае прямой удар камня по долоту заменяется косым, соответственно, с меньшими повреждениями лемеха и плуга.
Известно, что лемехи плугов, как и другие рабочие органы почвообрабатывающих орудий, должны выполнять свои агротехнические функции не только в начальный период времени их работы (когда они новые), но определенный период наработки на изделие, до достижения последним «предельного состояния» [90]. В исследованиях А. Н. Розенбаума [62], Д. Б. Бернштейна [3], С. А. Сидорова [76] и других ученых установлено, что основными критериями (и их значениями) предельных состояний (выбраковки) по износу (изменению начальных размеров и параметров) серийных отечественных лемехов при эксплуатации на разных видах почв является ширина лезвийной части лемеха 90-95 мм; Толщина затылочной фаски лемеха и носка 6-8 мм. и выше, угол заострения лезвия 45-60; отсутствие вылета(закругление) носовой части лемеха. При достижении в процессе изнашивания данных параметров серийные отечественные лемехи, как правило, не могут выполнять свои рабочие функции – орудия начинают выглублятся; корпуса плугов имеют пониженную ширину захвата; увеличивается удельное тяговое сопротивление плугов и т.п.
Согласно приведенным ранее исследованиям такие предельные состояния наступают у серийных отечественных лемехов при эксплуатации на различных типах почв усреднено после наработки 7-18 га на деталь. На песчаных, супесчаных почвах с мелкокаменистыми (галькой) и крупнокаменистыми включениями значения предельной наработки серийных лемехов может находиться в пределах 2,5-5,5 га.
Также установлено, что с увеличением наработки (износа) серийных отечественных лемехов агротехнические характеристики, укомплектованных ими плугов, ухудшаются.
Подробнее условия изнашивания опытных и серийных лемехов приведены в главе 3. В данном параграфе приведем результаты исследований сравнительных агротехнических и удельных энергетических показателей плугов с опытными и серийными лемехами после различных значений наработки.
На рисунке 2.17 приведены результаты исследований усредненной глубины обработки отечественных плугов ПЛН-3 укомплектованных серийными и опытными лемехами при изменении (увеличении) наработки.
Анализ результатов исследований показывает, что опытные лемехи с накладным долотом имеют существенно большую (на 22-29%) глубину обработки после наработки 6-10 га на лемех.
А при проведении операции выдвижения у опытных лемехов изношенного долота после наработки 4,5-60 га на лемех это преимущество еще существеннее и доходит до 35%. Практически после выдвижения долота глубина обработки корпусов с опытными лемехами после определенной наработки (до 6 га на данном виде почв) сравнима с глубиной обработки плуга с новыми (не изношенными) опытными эвольвентными лемехами с накладным долотом.
На рисунке 2.18 приведены результаты исследований удельного (приходящегося на 1 см глубины обработки) тягового сопротивления плугов с опытными и серийными лемехами при изменении изнашивании (изнашивании) наработки.
Анализ результатов исследований тяговых удельных характеристик плугов (корпусов) с опытными и серийными лемехами показывает (см. рис рис. 2.8, п 2.5.3; - приложение А, Б), что если корпуса с новыми (неизношенными) опытными лемехами в сравнении в сравнении с серийными имеют меньшее удельное тяговое сопротивление усреднено на 6-9%, но в процессе увеличения наработки и износа это преимущество достигает 18-25%.
Таким образом, анализ показывает, что в процессе эксплуатации увеличении наработки преимущество корпусов плугов с опытными лемехами над аналогами с серийными лемехами существенно увеличивается. Особенно это касается увеличение глубины обработки, разница в которой в сравнении с плугами с серийными изношенными лемехами может достигать 22 – 35% [35]. Преимущество по удельным тяговым показателям перед плугами с изношенными серийными лемехами плугов с опытными лемехами составляет 18 – 25%.
Согласно результатам эксплуатационно – технологических оценок, проведенных на Владимирской МИС (приложения А, Б) плуги с опытными лемехами имеют преимущество по крошению почвы, заделке пожнивных остатков, гребнистости на 5-13%.
Общие материаловедческо-технологические и технико-экономические требования к материалам основы лемеха плуга повышенной работоспособности
С учетом того факта, что конструктивно-материаловедческие параметры лезвий лемеха и долота выбираются, как правило, не только из условий улучшенного формообразования, но и максимальной линейной износостойкости, представленные значения толщины наплавленного слоя могут быть несколько увеличены. Однако здесь имеются технологические ограничения, не позволяющие наносить слои сверхвысокой толщины вследствие понижения адгезии (прочности сцепления твердого сплава с основой). Наши технолого-эксплуатационные исследования показали, что максимально возможное значение толщины наплавки вольфрамсодержащих сплавов на лезвие и долото лемеха, при которых нанесенный сплав имеет приемлемую адгезионную прочность (не отслаивается) находится в пределах 3,5-3,8 мм. Для безвольфрамовых твердых сплавов это значение может быть больше на 10-15 %. Но у этих сплавов меньший коэффициент относительной износостойкости KUтв.спл. (см. п. 3.4). Кроме того (см. гл. 5) на выбор параметра толщины твердого сплава в некоторой степени играет и экономический фактор.
Также увеличивать до предела возможных значений толщину наплавки лезвия лемеха (например до 3,0-3,3 мм) не имеет особого смысла так как при изнашивании нужно обеспечивать вылет долота, что также достигается некоторым относительным опережением износа лезвия.
Выбранные толщины наплавленного слоя сплавом ПР-ФБХ-6-2 (68%)+WC (30%)+Al (2%) составляют: для двухслойного лезвия лемеха – hтв. спл.=2,6 – 2,8 мм. для двухслойного долота лемеха – hтв. спл.=3,3 – 3,6 мм. Ориентировочные зависимости, определяющие значения линейных износов двухслойного лезвия лемеха и долота приведены ниже. Разработаны на основании известных зависимостей для почворежущих лезвий С. А. Сидорова [77, 76].
Следует отметить, что в этих зависимостях опущены некоторые параметры лемехов и условий их эксплуатации (угол заточки; начальная толщина лезвия; толщина материала основы лемеха и другие; угол установки лезвия; скорость пахоты и другие), значение которых также влияют на величины линейных износов лемеха и долота, но эти значения, как правило, стандартны, возможности их изменения либо минимальны, либо невозможны.
Величину износа двухслойного лезвия лемеха с накладным выделяющимся долотом, с учетом некоторого изменения удельных нагрузок, вследствии внедрения конструктивно - материаловедческих новшеств, можно определять по приближенной (с точностью 12-15%) зависимости: /1(1,1 + 1,05 -Г1,25) (38) U „„„ = т лин. тг 7 0,5 лезв. Кп Пт(,тп , мм І те.спл. іпо.СпЛ. где - математическое описание изнашивающей способности почв (определяется по методике Сидорова С. А. [77]). - износ по толщине элементарной площадки, вырезанной из лезвийной части рабочего органа, изготовленного из стали 45 с твердостью HRC 40, эксплуатирующегося при эталонном удельном давлении Pэ=0,1 МПа и имеющего путь трения 25000 м (что примерно соответствует наработке в 1 га для лемеха плуга), мм/га. Определяется по следующей эмперической зависимости: (3.9) 1 Я = (X2 + 0,08 Y +1,5 Z) Т4, мм/га Х, У, Z – процентное содержание в почве (по массе), соответственно, песка, глины и мелких каменистых включений (гравия, гальки и пр.) в долях от единицы, то есть Х+У+Z=1 (100%). Т – твердость почвы на глубине обработки, МПа. KUтв.спл. – коэффициент относительной износостойкости твердого сплава (относительно материала основы лемеха) hтв.спл. – толщина твердосплавного упрочняющего слоя, мм. – наработка на лемех, га. Коэффициенты при Т и h имеют необходимую размерность, приводящую выражения при указанных параметрах, к безразмерным. Коэффициент KUтв.спл. изменяется при изменении удельного давления (пропорционально в основном твердости почвы) [76]. Это изменение может быть оценено по следующей приближенной зависимости: 142 KTI (T) = KTI (Т = 1)-(1 — 0,04 [MIJa 1 ] Т()3. ) пге.спл. пге.спл. ите.спл. (т=1) – коэффициент относительной износостойкости твердого сплава при твердости почвы равным 1 МПа, приближенно при удельном давлении 0,1 МПа. Данная зависимость действительна в пределах Т [1,5; 5,5] МПа. Аналогично, приведем зависимость определяющую величину линейного износа двухслойного долота лемеха:
Ширина наплавленного слоя лемеха и долота определяется отчасти из условия прогнозируемых износов [22] (в частности по проведенным выше зависимостям 3.8 и 3.11), но главным образом исходя из значений минимально допустимой ширины лезвия лемеха и долота. Последние параметры определяются исходя из значений критериев предельного состояния детали, лемеха в частности, определяемыми эксплуатационными и агротехническими требованиями на изделие (корпус плуга). Предельные минимальные значения ширины лезвия и долота лемеха определяются, например, с учетом изменения при изнашивании углов резания лезвия, вылета долота и т.п., в значительной мере определяющими условия заглубления лемеха и другие агротехнические и энергетические характеристики плужного корпуса.
В частности, для отечественного лемеха плуга минимальной шириной его лезвия (основы) является 90-95 мм., то есть допустимый износ составляет около 30 мм.
Для различных конструкций накладного долота предельная величина износа находится в пределах 50-60 мм. Ширину наплавленного слоя по экономическим соображениям (см. гл. 5) обычно выбирают на 5-10 мм меньше величин допустимого износа.