Содержание к диссертации
Введение
1.1.5. Некоторые сведения об изнашивающей способности почв 47
1.1.6. Современные представления о механизмах изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин 53
1.1.7. Технологические способы повышения износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин 56
1.2. Основные направления и задачи исс ледов аний.61
1.3. Програма исследований 63
1.3.1. Общая программа исследований 63
1.3.2. Программа стендовых испытаний материалов на износостойкость 64
1.3.3. Программа исследований по разработке метода упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин 65
1.3.4. Программа исследований по оценке и повышению прочностных свойств рабочих органов почвообрабатывающих машин 66
1.3.5. Программа эксплуатационных ресурсных испытаний рабочих органов 67
1.4. Общая методика проведения исследований 68
1.4.1. Методика изучения состояния проблемы 68
1.4.3. Методика обработки и оценки экспериментальных данных 69
1.4.4. Способы оценки износа рабочих органов почвообрабатываю щих машин 71
1.4.5. Методика экономической оценки эффективности повышения ресурса и работоспособности рабочих органов почвообрабаты вающих машин 73
Заключение и выводы по главе 1 74
2. Теоретические и экспериментальные исследования силовых характеристик рабочих органов почвообрабаты вающих орудий, применяемых в сельском и лесном хозяйствах. оценка влияния сопротивления резанию лезвийных рабочих органов от образования почвенного «уплотненного ядра» 76
2.1. Постановка задачи 76
2.2. Теоретические предпосылки к расчету нагрузок, действующих на рабочие органы машин для обработки почвы 78
2.3. Некоторые вопросы программы и методики разработки обобщенной математической модели расчета нагрузок, действующих на рабочие органы почвообрабатывающих машин 81
2.4. Разработка схемы расчета усилий, действующих на лицевую поверхность рабочих органов почвообрабатывающих машин 84
2.5. Разработка схемы расчета усилий, действующих со стороны тыльной нижней поверхности рабочих органов почвообрабатывающих машин. Оценка сопротивления резанию лезвием от воздействия уплотненного почвенного ядра 104
2.5.1. Анализ нагрузок, действующих на нижнюю грань рабочего органа и лезвие 104
2.5.2. Физические основы образования почвенного уплотненного ядра. Рабочая гипотеза, обосновывающая схему силового воздействия грунта на лезвийную часть почворежущего рабочего органа 109
2.5.3. Особенности воздействия почвенного уплотненного ядра на лезвия различных рабочих органов почвообрабатывающих машин.. 112
2.5.4. Определение расчетных усилий, действующих на рабочие органы со стороны тыльной поверхности 133
2.5.5. Оценка влияния влажности почвы на нагрузку со стороны тыльной (лезвийной) поверхности почворежущих рабочих органов. Фактор налипшего ядра 149
2.5.6. Оценка влияния древесных и других препятствий на сопротивление резанию со стороны тыльной (лезвийной) поверхности рабочих органов почвообрабатывающих машин. Предельный диаметр перерезания. Максимальная ударная нагрузка 152
2.6. Обобщенная силовая характеристика рабочих органов
почвообрабатывающих машин 157
2.6.1. Общие закономерности 157
2.6.2. Расчетные зависимости для определения составляющих усилий, действующих на рабочие органы 159
2.6.2.1. Особенности определения нагрузок и их составляющих, действующих на лемешно-отвальную поверхность рабочего органа плуга 160
2.6.2.2. Особенности определения нагрузок и их составляющих, действующих на лапы культиваторов 168
2.6.2.3. Особенности определения нагрузок и их составляющих, действующих на сферические гладкие и вырезные дисковые рабочие органы 178
2.7. Сравнение расчетных данных с нагрузочными показателями почвообрабатывающих орудий, полученными в эксплуатационных условиях. Проверка точности разработанной аналитической модели расчета нагрузок 189
2.8. Практическая ценность разработанной математической модели аналитического определения нагрузок, действующих на основные виды рабочих органов почвообрабатывающих машин 199
2.9 Анализ влияния затупления лезвия на силовую характеристику рабочих органов почвообрабатывающих машин. Определение рабочих органов почвообрабатывающих машин. Определение
значений критериев предельных состояний 200
Заключение и выводы по главе 2 205
3. Исследование износостойкости и условий формообразования лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин. разработка методов повышения лезвийной износостойкости 209
3.1. Постановка задачи 209
3.2. Исследование условий изнашивания и формообразования монометаллического и биметаллического лезвия рабочих органов почвообрабатывающих машин
3.2.1. Исследование условий изнашивания монометаллического лезвия. Подтверждение верности рабочей гипотезы, обосновывающей схему силового воздействия грунта на лезвийную часть почворежущего рабочего органа 212
3.2.2. Исследование условий изнашивания биметаллического лезвия с нижним расположением упрочненного слоя. Определение параметров улучшенного формообразования двухслойного лезвия 223
3.2.3. Исследование особенностей изнашивания биметаллических рабочих органов с верхним расположением упрочненного слоя 229
3.2.4. Определение значений удельных давлений, действующих на лезвие, и переходных коэффициентов. Математическое описание «изнашивающей способности почв» 235
3.2.5. Определение формы лезвия в процессе изнашивания 241
3.3. Изучение особенностей определения профиля рабочих органов в процессе изнашивания, с учетом воздействия нагрузки со стороны стенки борозды 244 с реальными показателями износостойкости рабочих органов в эксплуатационных условиях. Проверка точности разработанной расчетной методики по определению износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин 248
3.5. Анализ влияния различных факторов на износостойкость и форму лезвия рабочих органов почвообрабатывающих машин 254
3.6. Разработка способа упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин 2 3.6.1. Общие вопросы применения упрочняющих технологий для повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин 258
3.6.2. Характеристика процесса плазменной дуговой наплавки рабочих органов. Сравнение с другими методами упрочнения 259
3.7 Оценка и выбор износостойких материалов рабочих органов
почвообрабатывающих машин. Проведение лабораторных
стендовых испытаний на износостойкость 273
3.7.1. Разработка стендового оборудования для лабораторных испытаний образцов - фрагментов лезвий рабочих органов. Программа и методика исследований абразивной износостойкости различных материалов основы рабочих органов и наплавочных твердых сплавов 273
3.7.2. Результаты лабораторных испытаний материалов на износостойкость. Оценка износостойкости и выбор материалов
для рабочих органов 280
3.8. Методика оценки лезвийной износостойкости и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин. Обобщенные результаты эксплуатационных испытаний на износостойкость
разработанных упрочненных рабочих органов 290
Заключение и выводы по главе 3 296
4. Исследование прочностных свойств рабочих органов почвообрабатывающих машин, используемых в лесном и сельском хозяйствах 299
4.1. Постановка задачи 299
4.2. Изучение свойств материалов, применяемых для изготовления отечественных и зарубежных рабочих органов почвообрабатывающих машин. Выбор направлений и объектов исследований 301
4.3. Лабораторные и эксплуатационные исследования прочностных характеристик сталей для рабочих органов почвообрабатывающих машин 304
4.4. Расчет на прочность рабочих органов почвообрабатывающих машин. Выбор геометрических параметров рабочих органов по критерию прочности. Особенности совместного расчета изделий на прочность и износостойкость 311
Заключение и выводы по главе 4 322
5. Экономическая оценка эффективности повышения износостойкости и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин
5.1. Постановка задачи 326
5.2. Критерии экономической целесообразности использования в почвообрабатывающих машинах упрочненных рабочих органов 326
5.3 Определение лимитной цены на разработанные упрочненные органы 332
5.4. Расчет годового экономического эффекта от использования разработанных упрочненных рабочих органов почвообрабатываю щих машин с повышенными характеристиками работоспособности и ресурса 339
Выводы по главе 5 344
6. Методика выбора конструктивных и материаловедческих параметров основных видов почворежущих рабочих органов с повышенными характеристиками работоспособности и ресурса. внедрение результатов исследований в производство 345
6.1. Постановка задачи 345
6.2. Методика выбора параметров лемехов плугов 346
6.3. Методика определения износостойкости и выбора материаловедческих параметров отвалов плугов 353
6.4. Расчет износа и прогнозирование ресурса по износу полевой доски плуга 356
6.5. Выбор параметров упрочнения лап культиваторов 362
6.6. Методика выбора параметров сферических дисковых рабочих органов повышенной работоспособности и увеличенного ресурса 362
6.7. Внедрение результатов исследований в производство 367
Заключение и выводы по главе 6 371
Общие выводы и рекомендации 372
Список использованых источников
- Программа стендовых испытаний материалов на износостойкость
- Теоретические предпосылки к расчету нагрузок, действующих на рабочие органы машин для обработки почвы
- Исследование условий изнашивания и формообразования монометаллического и биметаллического лезвия рабочих органов почвообрабатывающих машин
- Изучение свойств материалов, применяемых для изготовления отечественных и зарубежных рабочих органов почвообрабатывающих машин. Выбор направлений и объектов исследований
Введение к работе
Актуальность проблемы Обработка почвы является важнейшей и наиболее трудоемкой операцией при производстве сельскохозяйственной продукции и лесовозведешш Ее качество зависит от параметров и состояния рабочих органов
Рабочие органы почвообрабатывающих машин эксплуатируются в почвенной абразивной среде Вследствие изнашивания они изменяют свои форму и размеры, что отрицательно влияет на агротехнические и энергетические показатели той или иной операции обработки почвы
Несмотря на проведенные ранее исследовательские работы проблема повышения долговечности и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин до настоящего времени остается достаточно острой
Ресурс серийных лемехов плугов не превышает 5 22 га, дисков тяжелых и полевых борон, лесных дисковых культиваторов 8 20 га, лап и наралышков культиваторов 7 18 га Это, соответственно, негативно влияет на надежность почвообрабатывающих машин и орудий и приводит к необходимости выпуска большого количества запасных частей, расходованию на эти цели в РФ более 60 тыс тонн металлопроката в год
Кроме того, многие серийные рабочие органы имеют повышенные удельные нагрузочные показатели (особенно в изношенном состоянии), что приводит к увеличенному расходу топлива
Для существенного повышения ресурса и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин необходим комплексный подход к решению проблемы, под которым подразумевается совместный учет конструктивных, силовых, технологических факторов, влияющих на работоспособность, износостойкость и прочность деталей
Углубление теоретических основ резания почвы лезвием, обоснование параметров, обеспечивающих увеличение конструкционной и материаловед-ческой износостойкости рабочих органов, а также разработка практических мероприятий по повышению их долговечности составляют научную проблему данной работы, от решения которой, в значительной степени, зависит эффективность использования почвообрабатывающих машин и орудий в сельском и лесном хозяйствах
Объектом исследования являются процессы взаимодействия основных видов режущих быстроизнашиваемых рабочих органов почвообрабатывающих машин (лемехов, лап, дисков и др ) с обрабатываемой средой (почвой, древесными и каменистыми включениями)
Предметом исследования являются способы повышения долговечности и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин, эксплуатирующихся в условиях изнашивания, воздействия почвенного уплотненного ядра, древесных и каменистых включений
Целям» исследования являются разработка методик оценки нагрузочной способности и расчета рабочих органов почвообрабатывающих машин на износостойкость и прочность, обоснование и выбор способов повышения их долговечности и работоспособности с учетом конструктивных, технологических и материаловедческих факторов
Методы исследования Теоретические исследования базировались на математическом и физическом моделировании условий эксплуатации, нагружения и изнашивания рабочих органов, а также на положениях механики грунтов и теории резания почв Экспериментальные исследования выполнялись в полевых и лабораторных условиях с использованием нового и известного стендового, технологического и другого оборудования Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики
Научную новизну составляют
Подтвержденная экспериментально научная гипотеза, объясняющая характер силового воздействия почвы на лезвие
Система математических моделей, теоретических и эмпирических зависимостей, позволяющих
- определять нагрузки, действующие на различные типы рабочих органов с учетом изменяющихся режимов работы, установочных и геометрических параметров изделий, эксплуатационных условий, наличия в почве древесных и каменистых включений,
обосновывать геометрические параметры рабочих органов, в том числе двухслойных лезвий, имеющих улучшенное формообразование, в зависимости от действующих нагрузок и физико-механических свойств применяемых материалов,
определять количественные характеристики «изнашивающей способности почв»,
рассчитывать рабочие органы на износостоГжость и прочность
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена большим объемом лабораторных и эксплуатационных испытаний, длительной производственной проверкой характеристик разработанных рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также достаточно высокой сходимостью теоретических и экспериментальных данных
Практическую ценность составляют
методика определения нагрузок, действующих на рабочие органы почвоб-рабатывающих машин и оценка влияния различных конструктивных, эксплуатационных и установочных параметров на силовые и агротехнические показатели машин и орудий для обработки почвы,
методика выбора конструктивных и материаловедческих параметров двухслойных рабочих органов с улучшенными условиями формообразования лезвия,
конструкция «кругового почвенного стенда» для испытаний образцов рабочих органов на линейную износостойкость,
эффективный способ упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин плазменной дуговой наплавкой в среде сжатого воздуха, позволяющий многократно увеличить износостойкость деталей,
опытно- промышленные наплавочные установки для упрочнения различных типов почворежущих рабочих органов,
новые наплавочные твердые сплавы с улучшенными раскислительиымн свойствами и повышенной износостойкостью,
-технические требования к свойствам сталей для рабочих органов почвообрабатывающих машин и рекомендации по применению конкретных марок металлопроката,
- общая методика выбора конструктивных и материаловедческих параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин с повышенными характеристиками работоспособности и ресурса и технология их изготовления
Реализация результатов исследовании
Ряд разработанных упрочненных рабочих органов (лемехи, лапы, диски), получивших положительные рекомендации по результатам государственных и ведомственных испытаний, внедрены в производство на шести предприятиях РФ (ОАО «РТП Петровское», Ставропольский край, ОАО «Архангельское РТП», Республика Башкортостан, ОАО «МЭМЗ», г Москва и др )
За последние три года суммарный ежегодный выпуск упрочненных рабочих органов достигает 47 тысяч единиц на сумму порядка 33 млн руб
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГУЛ (г Москва, в 1989, 1995,1997 2007 г г), на секции «Надежность и материалы» НТС ОАО -«ВИСХОМ» (г Москва, в 1989, 1995, 1999 г), на НТС ГСКБ ПО «Сибсель-маш» (г Новосибирску 1986 90 г г), на секции «Технический сервис» Всероссийской научно- практической конференции «Техническая политика в АПК России» (г Ижевск, в 1994 г), на научно-практической конференции «Инженерное обеспечение агропромышленного комплекса» (г Орел, 1998г)
Разработанные упрочненные рабочие органы экспонировались на ВВЦ (г Москва, в 1999 и 2001 гг, получены две медали «Лауреат ВВЦ»), на выставке сельскохозяйственной техники в г Добрич (Болгария, в 1999 г), на выставках-демонстрациях «День Российского поля» (г Рязань, в 2005г и в г Саранске, 200бг)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 30 работ общим объемом 7 п л , включая раздел в энциклопедии «Машиностроение» и 3 патента на изобретения Лично автором опубликовано 13 работ общим объемом 4 п л
Структура и объем работы
Программа стендовых испытаний материалов на износостойкость
Близкие к последним результаты получены Г.Н. Синеоковым [125] при изучении влияния угла крошения «р» 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 («є», см. рисунок 2.14., 215 - глава 2) принимает отрицательные значения, т. е. образовывается «затылочная фаска». А.Д. Далин считает [93], 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 «р» и оставлять приемлемым значение заднего угла резания (угла зазора), так как они связаны жестким соотношением:
Например, для дисковых сферических рабочих органов, в работе американских ученых Г. Годвина, Д. Сейга, М. Эллота [161] справедливо отмечается, что «идеальная геометрия диска должна обеспечивать низкий передний угол на вогнутой части (имеется ввиду угол резания или крошения - прим. автора) для улучшения заглубления и уменьшения тягового усилия; высокий передний угол и небольшой задний угол (угол зазора - прим. автора) на выпуклой стороне для уменьшения сопротивления заглублению, обеспечения заглубления при низких углах атаки и сведения к минимуму тягового сопротивления и боковой силы; эти требования взаимно несовместимы на одном о том же диске, поэтому конструктивное решение должно быть компромиссным с тенденцией к наименьшей скребковой реакции».
По нашему мнению, данное положение в значительной мере можно отнести не только к дисковым, но и к лемешно-лаповым рабочим органам. «Скребковая реакция» же будет меньше, когда выполняются два условия: отсутствует давление затылка лезвия рабочего органа и величины угла заострения и толщины лезвия имеют минимальные возможные значения [111].
Следует отметить, что у сферических дисковых рабочих органав угол резания не является постоянным и существенно изменяет свое значение в процессе одного оборота диска (см. главу 2), и в общем случае, уменьшение угла резания у сферических дисков не уменьшает, а наоборот, увеличивает (в отличие от лемешно-лаповых рабочих органов) величину нагрузки вследствие соответствующего (сопутствующего) увеличения кривизны диска и объема захватываемой (перемещаемой) за один цикл (оборот) почвы. Хотя, в этом случае, улучшаются заглубляющая способность диска и качество оборота пласта, увеличивается крошение почвы.
Увеличение глубины обработки вызывает пропорциональное увеличение всех сил. При увеличении глубины обработки почвы на 1 см сопротивление в среднем увеличивается на 5... 12% [70, 111, 124, 127, 133, 145, 159].
Для некоторых видов рабочих органов, особенно сферических дисков, важным параметром является угол атаки. Как правило, тяговое сопротивление у дисковых рабочих органов при росте угла атаки увеличивается [70, 111] либо, в отдельных случаях при увеличении угла атаки с 10... 12 до 15... 17 несколько снижается, а при дальнейшем его увеличении - возрастает [111, 133, 135]. Особенно существенно тяговое сопротивление дисковых рабочих органов растет при углах атаки, превышающих 30 [70, 111, 133, 135]. Выталкивающая сила у сферических дисков при росте угла атаки снижается, при этом, соответственно, улучшается заглубляющая способность дисков. Боковая (поперечная) сила при росте угла атаки изменяется по параболическому закону - сначала (до 20.. .32) существенно увеличивается, затем (при углах атаки дисков более 30.. .32) несколько снижается [70,111].
Для дисковых орудий в определенных условиях стоит вопрос о целесообразности использования вырезных или гладких («цельнокрайних») сферических дисков. В сельском хозяйстве, несмотря на худшую заглубляемость вырезных дисков, их применение достаточно обоснованно (особенно в первом ряду у дисковых тяжелых борон) ввиду увеличения крошения почвы, несколько лучшего перерезания мелких растительных остатков и т. п. Однако, в лесном хозяйстве, при обработке почв на вырубках, а также засоренных древесными включениями, вырезные диски, по данным П.Э. Гончарова, менее эффективны в сравнении с гладкими [21]. Повышение скорости движения почвообрабатывающих агрегатов, как уже отмечалось, вызывает увеличение нагрузок на рабочие органы. Усреднено увеличение скорости в 2 раза приводит к увеличению нагрузок на рабочие органы, в зависимости от различных условий, на 22...68% [17, 40, 51, 85, 93].
Некоторыми специалистами [70, 111,125] отмечается заметное влияние на действующие нагрузки расстояния между рядом идущими рабочими органами в орудии. При увеличении этого расстояния (уменьшении перекрытия) индивидуальные нагрузки на рабочие органы возрастают. Особенно существенно (до двух раз) возрастают нагрузки при отваливании (отбросе) почвенного пласта на необработанное поле [70, 111, 125]. 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, а также от вида рабочих органов (лемешные, лаповые, дисковые и другие).
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 [127, 145]. При значении абсолютной влажности, превышающем 30%, большинство почворежущих рабочих органов не могут удовлетворительно выполнять свои эксплуатационные функции.
Достаточно обоснованных конкретных данных о влиянии стороны заточки лезвия на их силовую характеристику и работоспособность в литературе мало. Обычно у рабочих органов применяют внутреннюю (верхнюю) заточку лезвия, т.к. при этом, несколько меньше задний угол резания (угол зазора) и, соответственно, меньшая «скребковая реакция». Недостатком внутренней заточки является увеличение угла резания. Некоторыми зарубежными фирмами («Во-гель и Ноот», «Лемкен» и др.) 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 внутреную заточку при наружном (нижнем) расположении упрочненного слоя. При этом, на определенных видах почв обеспечивается так называемое «самозатачивание первого рода» [94]. Вернее этот процесс следует назвать «более выгодным формированием профиля лезвия» [106]. Подробнее эта проблема будет изучена в главе 3.
Теоретические предпосылки к расчету нагрузок, действующих на рабочие органы машин для обработки почвы
Необходимо отметить, что наличие уплотненного ядра у лезвий рабочих органов, обрабатывающих грунты (почвообрабатывающие и дорожные машины, экскаваторы), отмечали многие исследователи. Впервые о наличии уплотненного ядра упоминается в трудах Е. Динглиндера и У. Ратье, которые в своих опытах по протаскиванию в песке лезвий определили, что впереди лезвия образуется «тело повышенного давления» из песка, которое разделяет окружающие частицы [93]. А. Н. Зеленин, А. Д. Далин, И. Я. Айзеншток также изучали процесс образования перед лезвием «уплотненного ядра из грунта» [93]. Академик А. Н. Зеленин установил, что во всех случаях «ядро» имеет параболическую форму [93].
Однако, в последние два - три десятилетия специалисты в области абразивного изнашивания почворежущих деталей в своих исследованиях практически не обращались к теории «уплотненного ядра», направляя усилия в основном на изучение практических закономерностей изнашивания. Многие, полученные при этом зависимости, лишь «формально описывают явления» [93], не учитывая реально происходящие физические процессы. В то же время, используя и развивая «теорию уплотненного ядра», по нашему мнению, можно объяснить многие процессы, имеющие место при эксплуатации лезвийных почворежущих рабочих органов и обосновать их параметры, не прибегая к обширным эксплуатационным испытаниям.
Согласно исследованиям И. Я. Айзенштока, А. Н.Зеленина и нашим наблюдениям можно предположить, что процедура образования уплотненного ядра носит циклический характер. Частицы почвы в ядре хотя и имеют скорость скольжения существенно меньшую поступательной скорости рабочего органа, тем не менее, они также постоянно перемещаются, создавая, при этом, определенное (по нашим предварительным данным относительно постоянное) давление на рабочие поверхности лезвия и, соответственно, изнашивая их при этом. «Почвенному уплотненному ядру» соответствует определенный «путь трения». Представляется, что каждому этапу продвижения режущего элемента («резца») в почвенном грунте, описанном И. Я Айзенштоком [93], соответствует определенное состояние «почвенного уплотненного ядра».
Первому этапу, отвечающему по И. Я Айзенштоку, пластическому сжатию и сопровождающимся развитием напряженной зоны перед режущим элементом соответствует, по нашим данным, процесс образования уплотненного ядра. Второму этапу, заключающемся в сдвигании элемента почвы по плоскости скольжения, либо же в отрывании этого элемента от плоскости скольжения, соответствует процесс схода элементов ядра, образованного приведенным выше элементом почвы (у И. Я Айзенштока он обозначен «первым элементом»), с лезвийной поверхности. Одновременно со вторым этапом, по И. Я. Айзенштоку, протекает первый этап у следующего элемента, т.е. на лезвии, соответственно, начинает образовываться ядро из новых почвенных частиц. Наличие этапов определяет периодичность и цикличность усилия при резании грунта (почвы).
Тот или иной процесс во 2-м этапе (сдвиг или отрыв) «зависит от соотношения предельных напряжений соответствующих деформаций и решается в пользу того вида деформации, предельное сопротивление которой меньше».
Что же касается непосредственно задней грани лезвия, то И. Я Айзен-шток формирует следующий важный вывод, что «силовое воздействие на заднюю грань зависит не только от геометрии задней грани, но и от геометрии передней грани». Физическая природа действующих сил определяется процессом разгружения под задней гранью материала, нагружение которого произошло при воздействии на него передней грани».
Наше видение «поведения» уплотненного ядра у рабочих органов почвообрабатывающих машин при изменении геометрии передней и задней грани лезвия будет показано ниже.
Итак, мы предварительно установили, что удельные нагрузки, действующие на изнашиваемые поверхности лезвия рабочего органа, не адекватны (т.е. их сумма не равна и, как правило, существенно меньше, суммы соответствующих общих усилий) общим нагрузкам, действующим на рабочий орган.
Наиболее вероятной причиной этого является возникновение перед лезвием «тела повышенного давления из грунта» или «уплотненного почвенного ядра». Исходя из описанного, можно сформулировать рабочую гипотезу, обосновывающую схему силового воздействия грунта на лезвийную часть почворе-жущего рабочего органа, которая заключается в следующем: «На режущую поверхность лезвия рабочего органа почвообрабатывающего орудия воздействует постоянная удельная нагрузка, величина которой зависит только от физико -механических свойств почвы, установочных и скоростных параметров орудия и не зависит (либо слабо зависит) от геометрии лезвия и параметров его затупления. Причиной постоянства удельной нагрузки при одновременном существенном увеличении общего сопротивления (при затуплении лезвия) рабочего органа и орудия в целом является уплотненное почвенное ядро, циклически образующееся перед и под лезвием и создающее дополнительную силу трения грунта о грунт. Это добавочное усилие составляет значительную часть повышенного общего сопротивления». Соответственно, должны несколько изменяться направления общих нагрузок при изменении вида трения металл-грунт на грунт-грунт. Но это положение является только гипотезой и требует более достоверных научных подтверждений.
Исследование условий изнашивания и формообразования монометаллического и биметаллического лезвия рабочих органов почвообрабатывающих машин
Несмотря на общий характер представленных нагрузок для конкретных видов рабочих органов (лемешные, лаповые, дисковые), как уже отмечалось в данной главе, имеются определенные отличия, которые необходимо учитывать при определении значений и направления действия усилий.
Наиболее характерным отличием, например, лемешных и лаповых рабочих органов от дисковых, является различие, для первых, нагрузок, действующих на носовую часть и непосредственно на лезвие (см.п.2.5.4.). Следует также отметить, что далеко не все перечисленные виды нагрузок необходимо учитывать при расчете рабочих органов, эксплуатирующихся в конкретных эксплуатационных условиях, на износ, прочность, усталостную долговечность. Например, при эксплуатации в сельском хозяйстве встреча с древесными препятствиями носит, как правило, случайный характер и в расчетах рабочих органов может учитываться только в качестве необходимого (как правило, уже имеющегося из других условий) запаса на прочность. Крупные каменистые включения (за исключением гравия и гальки) могут учитываться в расчетах на прочность и усталостную долговечность в соответствующих почвенных зонах. В расчетах на износ, как правило, древесные и каменистые препятствия (за исключением гравия и гальки) не учитываются. У рабочих органов используемых на обработке лесных почв при расчетах на прочность и усталостную долговечность необходимо учитывать нагрузки, возникающие при встрече с древесными перерезаемыми и не перерезаемыми препятствиями, а также наличие каменистых закрепленных и незакрепленных препятствий.
Обратим внимание, что для расчетов конструктору необходимо знать не только общие значения усилий, но и их составляющие, то есть значения проекций на декартовые координатные оси.
В данном параграфе приведем расчетные зависимости (таблицы 2.3.... 2.6) для определения каждой из составляющих проекций сил для основных видов рабочих органов: лемешно-отвальной поверхности, лап культиватора, дисковых рабочих органов борон и лущильников.
При этом, обычно заданы следующие начальные условия: - параметры рабочего органа: линейные параметры, угол заострения лезвия (і), толщина лезвия (bo), толщина листа материала из которого изготовлен рабочий орган (с) и др.; - параметры, характеризующие свойства почвы: твердость почвы (Т), угол трения почва-металл ((р) и почва-почва ( рПп); абсолютная влажность почвы (W), иногда содержание в почве песка (X), глины (У), удельная масса почвы (у); - установочные параметры: глубина обработки (а), угол атаки, установки (а), расстояние между деталями (т, у); - скорость обработки (V) - сведения о возможных препятствиях: вид, масса, размеры и др. Примеры расчёта усилий, действующих на лемешно-отвальную поверхность плуга, лапу культиватора и сферический диск тяжёлой бороны приведены в Приложении.
Значения усилий сведем в таблицу 2.3. Используемые обозначения и параметры показаны в п. 2.4...2.5, и на рис.2.1, 2.16, 2.18. Одной из основных особенностей определения нагрузок на лемешную поверхность (как и на лапу культиватора) являются различия в определении нагрузки, действующей непосредственно на лезвие лемеха и на носовую его часть. Это различие определяется коэффициентом Со«0,35 (см.п.2.5.4). Физическая сущность этого коэффициента - ослабление плотности почвенного ядра при переходе от носка к лезвию.
Другой особенностью, характерной для расчета нагрузок, воздействующих на плужные корпуса, является учет дополнительного сопротивления от воздействия полевой доски (F пол.доски)- Это усилие определяется по методике Г. Н. Си-неокова [125], исходя из того факта, что полевая доска принимает на себя сопротивления, воздействующие на корпус плуга в поперечной плоскости и компенсирует их.
Одним из видов косвенной проверки правильности полученных результатов является оценка составляющих нагрузок, действующих по оси «z». Очевидно, что у реального плуга, находящегося в равновесии в вертикальной плоскости, эта сумма должна приближаться к нулю. Но, при этом, следует учитывать, что часть нагрузки по этой оси воспринимает опорное колесо плуга. Причем, если лемехи острые, плуг лучше заглубляется, то опорное колесо берет на себя большую массу плуга, если лемехи тупые, то наоборот, выталкивающая сила больше, опорное колесо принимает на себя меньшую нагрузку. Обозначим коэффициент восприимчивости веса плуга опорным колесом Коок.
Изучение свойств материалов, применяемых для изготовления отечественных и зарубежных рабочих органов почвообрабатывающих машин. Выбор направлений и объектов исследований
Меньшие и большие значения коэффициентов выбираются аналогично условиям для Ki. Также большие значения следует применять при расположении износостойкого слоя с верхней стороны лезвия.
Коэффициенты С], С2, С]Н, С2Н, характеризуют изнашивающую способность материала граней рабочих органов в определенных почвенных условиях. Определяющим фактором, наиболее существенно влияющим на величину коэффициента «С», следует признать «изнашивающую способность почвы» (обозначим ее X). Предлагается следующее определение «изнашивающей способности почвы»: X - износ по толщине элементарной площадки, вырезанной из лезвийной части рабочего органа, изготовленного из стали 45 с твердостью HRC 40, экс 237 плуатирующегося при эталонном удельном давлении Рэ = 0,1 МПа и пути трения 25 000 м (что примерно соответствует наработке в 1 га для лемеха плуга), мм/га. Величина «(А,)» определяется по следующей эмпирической формуле: X = (X2 + 0,08 Y + 1,5 Z) Тш, мм/га, (3.58) где X, Y, Z - процентное содержание в почве (по весу) соответственно песка, глины и мелких каменистых включений (гравия, гальки и пр.) в долях от единицы, т. е. X + Y + Z = 1 (100%);
Исходя из классификации почв по механическому составу по Н.А. Ка-чинскому для различных видов почв приведем усредненные расчетные значения изнашивающей способности почв (X), рассчитанные по формуле (3.58), соответствующие глубине обработки 20...30 см. (таблица 3.1.)
Ввиду того, что сферические дисковые рабочие органы имеют определенные особенности в условиях эксплуатации в сравнении с лемешными и лаповыми рабочими органами, связанные, в частности, с различными величинами реакции почвы на лезвие в процессе одного оборота (цикла), трансформацией углов резания и заднего угла резания, а также ввиду наличия у них эффекта «ослабления или увода уплотненного почвенного ядра» (см. п. 2.5.3), определение величин коэффициентов «С» для дисковых рабочих органов проводится по следующей переходной зависимости: где Сд - соответствующий коэффициент «С» для дисковых рабочих органов; Сл - соответствующий коэффициент «С» для лемешных и лаповых рабочих органов, определяемый по формуле (3.58). г - коэффициент приведения, равный отношению длины окружности (лезвия), погруженной в почву части диска, к длине всей окружности (TCD), ИЛИ В сокращенном виде:
Для наиболее распространенных случаев эксплуатации дисковых рабочих органов (диаметр диска, глубина обработки) приведем расчетные значения «rj» (таблица 3.2.) Значения Рцдазв) и Р Тезв) определяются по зависимостям, аналогичным формулам 3.54 и 3.56 для лемешных и лаповых рабочих органов, но с некоторой коррекцией, учитывающей относительно небольшое влияние углов атаки (а) на величины удельных давлений, действующих на лезвия дисковых рабочих органов
Знак (-) в последнем выражении показывает уменьшение удельного давления на затылочную поверхность заточки лезвия диска при росте угла атаки. Ширина захвата дискового рабочего органа определяется по известной формуле:
Форму (параметры) лезвия в процессе изнашивания можно также определить на основе принятой расчетной методики. При известной величине линейного износа «илин» (зависимости 3.17, 3.22, 3.35, 3.36) профиль лезвия на верхней грани будет представлять наклонную прямую (рис. 3.8), параметры которой определяются исходя из следующих зависимостей (отсчет параметров изнашивания производится от нижней грани):
На величину угла наклона изнашиваемого лезвия к нижней грани Єї (рис. 3.8) влияет большое количество факторов, главные из которых, согласно наших исследований, это - изнашивающая способность почв (К), угол установки (so), соотношение удельных давлений на верхней и нижней гранях лезвия
Нами были рассмотрены условия изнашивания лезвий рабочих органов. Но для некоторых частей рабочих органов, также участвующих в непосредственном процессе обработки почвы, характерны некоторые особенности в условиях нагружения и изнашивания. Это касается тех частей почвообрабатывающих деталей, на которые, кроме нагрузки, действующей противоположно направлению движения орудия, воздействуют еще дополнительная боковая нагрузка от давления почвы со стороны стенки борозды. Подобное боковое давление действует на точки носка лемеха плуга и его бороздного образа (см. рис. 3.9, 3.10), а также на крайние точки крыльев лап культиваторов и лемехов культиваторов - плоскорезов, грудей отвалов плугов и некоторых других подобных деталей.
По нашим данным, в случае бокового воздействия почвы, «уплотненное ядро» не образуется ввиду существенного отличия воздействия стенки борозды на рабочий орган в сравнении воздействием обрабатываемого почвенного пласта на лезвие. Стенка борозды «ведет себя» относительно пассивно при отрезании рабочим органом пласта почвы, ей «нет необходимости» продавливаться под грани лезвия, условия схода воздействующей почвенной массы, в этом случае, также относительно легки и поэтому «уплотненное ядро почвы» не образуется. По своей природе боковое давление стенки борозды на рабочий орган является силой трения.
Исходя из опытных данных, по параметрам износа можно сделать вывод, что боковое удельное давление стенки борозды хотя и меньше удельного давления на лезвие, но, тем не менее, составляет значительную величину, которой при определении профиля детали в процессе изнашивания пренебрегать нель 245
зя. Сложность, в данном случае, состоит в том, что на ряд точек рабочего органа (носовая часть и часть бороздного обреза лемеха плуга, крайние точки крыльев лап культиваторов и др.) одновременно действуют несколько удельных нагрузок с разных направлений. Примерные эпюры удельных давлений, действующих на носок и бороздной обрез лемеха и часть отвала, а также эпюра линейного износа лемеха представлены на рис. 3.9.
Износ крайней точки носка лемеха (UcyM), являющейся одновременно и крайней точкой бороздного обреза, как правило, является наибольшим. Как видно из рис. 3.9 износ в крайней точке носка лемеха является следствием воздействия удельных давлений в двух взаимно перпендикулярных направлениях (фронтального и бокового). Соответственно, износ в данной точке определяется как геометрическая сумма износов от воздействия «соответствующих» удельных давлений. Но, учитывая, что изнашиваются места, подверженные давлениям с обоих сторон, а реальные значения износов (каждого в отдельности) от воздействия конкретных удельных давлений являются, по сути, теоретическими (условными), то реальный износ увеличит величину Ucp (рис. 3.10) на AU. Согласно логике и опытным данным:
