Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние проблемы. Анализ характера и интенсивности изнашивания деталей рабочих органов плугов . 14
1.1. Характеристика деталей рабочих органов. 14
1.2. Физико-механические и технологические свойства почвы и их влияние на изнашивание рабочих органов. 15
1.3. Характер и интенсивность изнашивания деталей плужных корпусов . 25
1.3.1. Характер и интенсивность изнашивания "лемеха. 25
1.3.2. Характер и интенсивность изнашивания отвала. 30
1.3.3. Характер и интенсивность изнашивания полевой доски. 34
1.4. Анализ конструкций рабочих органов отечественных плугов и плугов некоторых зарубежных фирм. 36
1.4.1. Анализ конструкций лемехов отечественных плугов. 36
1.4.2. Анализ конструкций лемехов зарубежных фирм. 43
1.4.3. Анализ конструкций отвалов. 48
1.4.4. Анализ конструкций полевых досок. 49 Выводы. Цель и задачи исследований 49 CLASS Глава II. Научные основы повышения долговечности деталей рабочих органов плуга . 54 CLASS
2.1. Причины нарушения работоспособности машин и их составных частей. 54
2.2 Виды и стадии изнашивания пар трения. 56
2.3. Закономерности абразивного изнашивания материалов о почву . 61
2.4. Критерии предельного состояния рабочих органов плуга. 70
2.5. Основы расчета динамики изнашивания деталей плужного
корпуса и их долговечности. 77
2.5.1. Анализ аналитических методов определения износов. 77
2.5.2. Определение динамики изнашивания и долговечности деталей рабочих органов. 83
2.6. Повышение долговечности деталей рабочих органов плуга за счет их частичного залипання. 94
2.7. Конструкционное направление повышения долговечности деталей рабочих органов. 104
2.7.1. Повышение эффективности использования материала рабочих органов за счет обеспечения их равностойкости. 105
2.7.2. Повышение работоспособности и долговечности лемеха за счет изменения углов наклона лезвия к дну борозды и заточки. 109
Выводы 116
Выводы по второй главе: 117
Глава III. Программа и методика экспериментальных исследований. 118
3.1. Программа экспериментальных исследований. ' 118
3.2. Методика экспериментальных исследований. 119
3.2.1. Методика определения износостойкости материалов. 119
3.2.2. Методика исследования физико-механических свойств образцов, упрочненных различными способами. 123
3.2.3. Методика исследований прочности клеевых и паяных соединений. 125
3.2.4. Методика исследования коэффициента трения керамики и композиционного покрытия о почву. 125
3.2.5. Методика исследования влияния конструкционных параметров опытного лемеха на тяговое сопротивление. 126 3.2.5. Методика сравнительных эксплуатационных испытаний
опытных деталей рабочих органов. 127
Глава IV. Результаты исследования износостойкости материалов и изнашивающей способности почв 135
4.1. Результаты исследования износостойкости материалов 135
4.1.1. Износостойкость углеродистых сталей 135
4.1.2 Износостойкость легированных сталей 139
4.1.3. Износостойкость наплавочных материалов 144
4.1.4. Износостойкость белых чугунов 148
4.1.5. Сравнительная износостойкость керамических материалов 154
4.2. Зависимость относительной износостойкости материалов от давления 159
4.3. Изнашивающая способность почв и ее зависимость от давления 162 Выводы 167 CLASS Глава V. Повышение долговечности лемеха по показателям прочности. Выбор марки стали для изготовления лемеха . 168 CLASS
5.1. Повышение сопротивляемости лемеха ударным нагрузкам. 168
5.2. Расчет лемеха на изгиб. 181
5.3. Результаты испытаний на изгиб образцов, упрочненных наплавкой и цельной металлической пластиной. 189
5.4. Результаты исследований лемеха и груди отвала на их тяговое сопротивление. 196
5.5. Выбор марки стали для изготовления лемеха. 199 Выводы 201
Глава VI. Технологии упрочнения и результаты эксплуатационных испытаний деталей рабочих органов. 204
6.1. Характеристика опытных лемехов. 204
6.2. Особенности технологий упрочнения деталей рабочих органов плуга. 205
6.2.1. Технологии упрочнения деталей рабочих органов наплавкой. 207
6.2.2. Упрочнение лемеха и полевой доски износостойким чугуном. 214
6.2.3. Упрочнение лемеха и полевой доски износостойкой сталью XI2. 219
6.2.4. Упрочнение деталей рабочих органов корундовой керамикой. 223
6.2.5. Нанесение на интенсивно изнашиваемые участки лемеха и груди отвала композиционного покрытия. 227
6.3. Прогнозирование долговечности деталей рабочих органов. 228
6.3.1. Прогнозирование долговечности лемеха. 228
5.2.1. Прогнозирование долговечности полевой доски. 237
5.2.2. Прогнозирование долговечности отвала (груди отвала). 240
6.4. Результаты эксплуатационных испытаний деталей рабочих органов. 244
6.4.1. Результаты испытаний лемехов. 244
6.4.2. Результаты испытаний грудей отвала. 254
6.4.3. Результаты испытаний полевых досок. 257 Выводы 259 Глва VII. Технико-экономическая оценка вариантов упрочнения рабочих органов. 261
7.1. Критерий технико-экономической оценки эффективности рабочих органов. 261
7.2. Расчет затрат на упрочнение лемеха по вариантам. 264
7.3. Эффективность применения композиционного покрытия для упрочнения лемеха. 267
7.4. Расчет затрат на упрочнение отвала (груди отвала) 269
7.5. Эффективность применения композиционного покрытия для упрочнения отвала (груди отвала). 271
7.6. Расчет затрат на упрочнение полевой доски. 272
7.7. Технико-экономическая оценка применения деталей рабочих органов плуга. 275 Общие выводы. 283
Список использованной литературы.
- Характер и интенсивность изнашивания деталей плужных корпусов
- Закономерности абразивного изнашивания материалов о почву
- Методика исследования физико-механических свойств образцов, упрочненных различными способами.
- Результаты исследований лемеха и груди отвала на их тяговое сопротивление.
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основным средством производства в сельском хозяйстве является почва. С целью создания благоприятных условий для роста и развития культурных растений в ней проводится ее механическая обработка: вспашка, глубокое рыхление, лущение, фрезерование, культивация, боронование, прикатывание. Качество обработки почвы, энергетические расходы и общие затраты на обработку в значительной мере определяются конструкционными параметрами и состоянием рабочих органов. На совершенствование рабочих органов особое внимание обращал и В.П. Горячкин. Он писал: «Теория всякого орудия должна отвечать на два вопроса: 1) какую форму должны иметь рабочие части орудия для наиболее совершенной по качеству работы; 2) каковы должны быть размеры и расположение всех составных частей (работающих и неработающих) орудия для наиболее удобного управления им при возможно малой затрате усилия». К указанным вопросам следует добавить и третий: какой должна быть долговечность деталей рабочего органа для обеспечения высокой эффективности использования орудия.
Рабочие органы почвообрабатывающих машин эксплуатируются в абразивной почвенной среде и интенсивно изнашиваются, изменяя свою форму и размеры, поэтому их приходится часто заменять или ремонтировать. Особенно это относится к лемешному плугу, с помощью которого выполняется, по словам В.П. Горячкина, «... самая важная, самая тяжелая и самая непроизводительная из всех сельскохозяйственных работ».
Хотя за последние годы появились новые технологии сберегающего земледелия, в основе которых лежит отказ от применения плуга, отвальная вспашка очевидно еще долго сохранится, т.к. обеспечить требования защиты окружающей среды в условиях борьбы с сорняками и вредителями растений без применения химических средств защиты растений затруднительно без их глубокого заделывания.
В настоящее время для основной обработки почвы - пахоты используются рабочие органы, конструкционные параметры которых были разработаны 40...50 лет назад. И если в 60-х годах прошлого века скорости вспашки составляли в пределах 5 км/ч, сегодня они составляют 8... 10 км/ч. Учитывая, что к настоящему времени значительно возросла масса уборочных машин, что повлекло за собой повышение уплотняемости почв, нагрузки на рабочие органы пахотных агрегатов возросли примерно в 4 раза, хотя сами рабочие органы не изменились ни конструкционно, ни материаловедчески.
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 - 8.. .20 га, лапы культиваторов - 7... 18 га.
Все это свидетельствует о том, что долговечность рабочих органов почвообрабатывающих машин не достаточна.
В последнее время рынок сельскохозяйственной техники в нашей стране, в особенности почвообрабатывающих машин, значительно расширился за счет предложений зарубежных фирм. Широкое распространение в России, в частности, получили плуги таких известных зарубежных фирм, как «Lemken» (Германия), «Kverneland» (Норвегия), «Vogel-Noot» (Австрия), и др. Многие сельскохозяйственные предприятия предпочитают приобретать импортную технику в связи с тем, что она обладает целым рядом положительных свойств. За рубежом получили распространение оборотные плуги, обеспечивающие гладкую вспашку без свальных гребней и разъемных борозд.
Зарубежные фирмы предлагают широкую номенклатуру плужных корпусов, отличающихся шириной захвата, формой и типом лемешно-
отвальной поверхности, что позволяет потребителю подобрать наиболее подходящий из них для своих почвенных условий.
Особенно привлекательным в зарубежных плугах является то обстоятельство, что ресурс их рабочих органов в 2 и более раз превышает ресурс рабочих органов отечественных плугов. Этому способствует обеспечение плугов зарубежных фирм предохранительными устройствами, которые позволяют плужным корпусам огибать препятствия в виде камней, уплотненных участков почвы, других препятствий при пахоте, сохраняя рабочие органы от излома и деформации.
В то же время, как показывают расчеты, несмотря на целый ряд преимуществ, которыми обладают плуги зарубежных фирм, в силу дороговизны самих плугов, а также сменяемых деталей рабочих органов, удельные затраты на проведение вспашки зарубежными плугами превышают затраты на вспашку отечественными плугами не менее чем в 2.. .3 раза.
Сравнительные испытания отечественных плугов показывают [8], что по основным агротехническим показателям - крошению почвы, заделке растительных остатков, устойчивости хода по глубине обработки и ширине захвата они не уступают зарубежным.
Одним из направлений повышения эффективности отвальной вспашки отечественными плугами может быть совершенствование конструктивных параметров и технологий упрочнения деталей рабочих органов с целью повышения их работоспособности и долговечности при одновременном снижении удельных затрат на обработку почвы.
Большой вклад в изучение вопросов изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин и разработки мер по повышению их работоспособности и долговечности внесли следующие ученые: Бернштейн Д.Б., Бойков В.М., Бурченко П.М., Винокуров В.М., Виноградов В.Н., Голубев И.Г., Ермолов Л.С., Ерохин М.Н., Краснощекое Н.В., Крагельский И.В., Костецкий Б.И., Львов П.Н., Михальченков A.M., Ниловский И.Л., Огрызков Е.П., Панов И.М., Пронин А.Ф., Рабинович А.Ш., Розенбаум А.Н.,
Севернев М.М., Сидоров С.А., Синеоков Г.Н., Тененбаум М.М., Хрущев М.М. и многие другие ученые.
В то же время, как показывает анализ, ряд вопросов не получил должного решения. В частности, до настоящего времени нет достаточной обоснованности классификации почв по их изнашиваемости; отсутствуют математические описания относительной износостойкости материалов от их химического состава, а также износа и долговечности деталей рабочих органов в различных условиях изнашивания; нет обоснованных рекомендаций по оптимизации материалов для изготовления деталей рабочих органов, а также конструктивных параметров, обеспечивающих их равностойкость. Не решен ряд других вопросов. Все это свидетельствует о том, что исследования, направленные на повышение ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин, особенно плуга, являются актуальными и имеют важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» в течение 1998...2008 г.г. В процессе выполнения работы были реализованы государственные контракты с Министерством сельского хозяйства РФ №1479/26 от 11.10.2002 г. и №732/13 от 27.06.2004 г.
Цель работы. Исследование закономерностей изменения износостойкости различных материалов в зависимости от их химического состава, физического состояния и условий абразивного изнашивания, разработка методик расчета рабочих органов почвообрабатывающих машин, на примере деталей плужного корпуса, на прочность и долговечность при изнашивании, методов и технологий повышения их ресурса.
Объектами исследования являются детали плужного корпуса - лемех, отвал, полевая доска, процессы их взаимодействия с почвой, а также материалы для их изготовления и упрочнения - стали, чугуны, наплавочные, керамические, композиционные материалы.
Предмет исследования. Установление зависимостей между материаловедческими, конструкционными, технологическими параметрами деталей рабочих органов и их работоспособностью и долговечностью.
Общая методика исследований включает следующие вопросы: анализ физико-механических и технологических свойств почв и их влияние на характер изнашивания деталей рабочих органов плуга; теоретические исследования процесса абразивного изнашивания и разработка на этой основе рабочей гипотезы о факторах, влияющих на интенсивность изнашивания; экспериментальные исследования в лабораторных условиях износостойкости материалов, которые используются или могут найти применение для изготовления и упрочнения рабочих органов, в т.ч. сталей, наплавочных материалов, износостойких чугунов, технической керамики; сравнительные эксплуатационные испытания существующих и опытных рабочих органов, разработанных на базе оптимальных материаловедческих, конструкционных и технологических параметров; внедрение в производство методов и технологий повышения ресурса рабочих органов и оценка экономической эффективности их применения.
Научную новизну диссертации составляет теоретическое обоснование прочностных свойств и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин в различных почвенных средах и разработка комплексного подхода к их формированию для условий статических и динамических нагрузок с учетом материаловедческих, конструкционных, фрикционных и экономических аспектов.
Практическую ценность исследования составляют:
Классификация почв по их относительной изнашиваемости;
Аналитические выражения"для определения:
относительной износостойкости сталей и наплавочных материалов;
долговечности рабочих органов по их изнашиваемости;
3. Материаловедческие, конструкционные и технологические
параметры лемехов плуга общего назначения;
4. Технологии упрочнения лемеха, отвала (груди отвала) и полевой доски с применением:
методов наплавки (ручной дуговой, плазменной, индукционной);
пластин и брусков из износостойкого белого чугуна марки ИБЧ300Х9Ф6;
пластин и конусных наставок из износостойкой стали XI2;
пластин из корундовой керамики марок ТК-Г, Лунат-2, Б-11;
композиционного покрытия из клея ВК-36 и корундовых зерен размером 0,001, 0,05 и 0,1 мм.
Реализация результатов исследования.
Технологический процесс изготовления и упрочнения деталей плужного корпуса внедрен в производство в ООО «ТАИР» г. Дубна, ОАО «Луховицкая сельхозтехника» Московской области. Материалы исследований включены в учебный процесс в сельскохозяйственных вузах РФ при подготовке специалистов по направлению «Агроинженерия».
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
ежегодных научно-практических конференциях, в т.ч. международных, проводимых МГАУ им. В.П. Горячкина в течение 1998...2008 гг.;
между нар одной научно-практической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, технического обслуживания машин и восстановления деталей», г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2005 г.
Опытные высокоресурсные детали рабочих органов представлялись на ВВЦ в 2004 и 2005 гг.
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 34 работах общим объемом около 30 п.л., в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК для
публикации материалов диссертаций - 7, патентах на изобретения - 4, в отчетах о научно-исследовательских работах — 3.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографии использованных литературных источников (223 наименования). Работа содержит 334 стр. машинописного текста, включая 93 рисунка, 43 таблицы, 5 приложений.
На защиту выносятся:
Теоретическое обоснование, основных направлений обеспечения долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин: материаловедческого, конструкционного и технологического.
Результаты исследований относительной износостойкости различных марок сталей, наплавочных материалов, износостойкого чугуна, технической керамики.
Классификация почв по их относительной изнашивающей способности.
Материаловедческие и конструкционные параметры лемехов для обработки почв различного гранулометрического состава.
Аналитические выражения для определения:
износа и долговечности рабочих органов;
относительной износостойкости сталей и наплавочных материалов в зависимости от их химического состава и твердости;
условий равностойкости различных участков рабочих органов с целью эффективного использования основного материала;
ударной вязкости, которой должен обладать лемех плуга с целью его сохранности от излома при столкновении с препятствием (уплотненная почва, камень и др.).
6. Методика выбора оптимальной марки стали для изготовления
рабочих органов по критерию минимума стоимостной оценки
износостойкости.
Использование частичного залипання наиболее изнашиваемых участков рабочей поверхности рабочего органа как метода повышения его ресурса и экономическое обоснование применения этого метода.
Технологии повышения ресурса лемеха, отвала (груди отвала), полевой доски наплавкой износостойкого материала, применением упрочняющих пластин из износостойкого чугуна, износостойкой стали Х12, технической керамики, а также композиционного покрытия.
Характер и интенсивность изнашивания деталей плужных корпусов
В связи со значительными различиями почв по механическому составу и их агротехническому состоянию, а следовательно, их изнашивающей способности, интенсивность изнашивания рабочих органов на различных почвах будет значительно отличаться. Учитывая так же то обстоятельство, что давление почвы на различных участках разное, различные участки рабочих поверхностей изнашиваются неравномерно. В связи с этим предельное состояние деталей определяется различными параметрами в зависимости от вида и состояния обрабатываемых почв.
В одних условиях рабочие органы теряют свою работоспособность вследствие затупления режущей кромки лезвия, в других - вследствие сквозного протирания, в-третьих - вследствие изнашивания рабочего органа до башмака корпуса плуга и т.д.
Так, сквозное протирание носовой части лемеха и лицевой поверхности отвала при вспашке песчаных почв происходит после выработки 10... 15 га на один лемех [27] и 20...25 га на один отвал, в то время как при вспашке суглинистых и глинистых почв износ лемехов и отвалов по толщине происходит крайне медленно. Однако на глинистых почвах, при сравнительно медленном изнашивании, лемех и отвал могут дойти до предельного состояния (например, вследствие образования недопустимо большой затылочной фаски на лезвии лемеха или износа полевого обреза у отвала) быстрее, чем в условиях большой скорости изнашивания, но с благоприятным распределением износа по поверхности рабочего органа.
Лемех по интенсивности нарастания износа можно разделить на три зоны (рис. 1.7): носовую часть (1); лезвие (2); среднюю часть (3).
Выступающий перед лезвием носок первым внедряется в почву, обеспечивая заглубление лемеха и устойчивость лемеха при пахоте. В результате в зоне носка возникают давления, вызывающие его опережающее изнашивание по отношению к лезвию. Средние давления в зоне носка в 2,8...4,6 раз больше среднего давления в его центральной части [12].
В результате, по мере роста наработки лемеха, значение вылета носка перед лезвием снижается, приближаясь к нулю, поэтому лемех лишается способности заглубляться. В итоге он теряет свои функциональные свойства и выбраковывается с большим запасом неизношенного металла по ширине.
Не редко выбраковка лемеха осуществляется в результате образования на лезвии лемеха затылочной фаски-площадки, наклоненной к дну борозды навстречу пахотному слою под отрицательным углом у (рис. 1.8).
Как показывает практика [7], угол наклона, конфигурация затылочной фаски и износ лицевой стороны лемеха зависят от типа почв (механического состава) и их агрегатного состояния. При вспашке глинистых почв у достигает 35 , лезвие наиболее тупое (рис. 1.8, а). В процессе работы такого лезвия на твердых почвах возникающая на этой фаске вертикальная составляющая сила Рв выталкивает лемех из почвы, делая невозможным его использование по назначению при относительно небольшом износе по ширине лемеха, а горизонтальная сила Л повышает усилие резания и сопротивление плуга. При вспашке суглинистых почв у=8... 15 (рис. 1.8, б); при вспашке песчаных и супесчаных почв у=5... 10 (рис. 1.8, в), фаска представляет собой плоскую площадку, формирующую наиболее острое лезвие и обеспечивающая его работоспособное состояние до предельного износа по ширине.
При вспашке суглинков наиболее ярко проявляется зависимость у от агрегатного состояния почвы. В засушливые годы при твердости почвы более 3...4 МПа, значения у минимальны, затылочная фаска практически параллельна дну борозды, а режущая кромка лезвия остается острой. При большей влажности почвы интенсивность изнашивания лезвия не велика, однако образуется тупая закругленная режущая кромка, при этом у 15.. .25 .
Закономерности абразивного изнашивания материалов о почву
Сторонники второго направления - профессора И.В. Крагельского и др. - отрицая возможность резания при малых глубинах внедрения минеральных частиц, рассматривают процесс абразивного изнашивания в почве как усталостное разрушение с отделением микроскопических частиц вследствие многократного деформирования поверхностных слоев при прохождении абразивных зерен. Под влиянием объемного напряженного состояния у места внедрения абразивного зерна, даже хрупкие тела проявляют пластичность, в результате чего внедрившийся выступ зерна образует перед собой валик.
Возможны случаи упругого и пластического оттеснения материала под воздействием абразивного зерна, причем при многократном упругом оттеснении с восстановлением формы неизбежно превышение предела выносливости материала. Усталостное разрушение облегчается действием внутренних концентраторов напряжений в виде искажений в кристаллической решетке — дислокаций и вакансий, то есть атомарных дефектов. Повторные деформации вызывают скопление дислокаций в колонии, что увеличивает число дефектов. В результате в поверхностном слое образуются ультрамикротрещины, материал разупрочняется и разрушается [106].
Факт различного влияния твердости металлов на их износостойкость при разных отношениях твердости металла Нм к твердости абразивных зерен НА дает основание для рассмотрения границ применимости основных концепций механизма абразивного изнашивания. Как установлено [91], при величине отношения ИМ1НЛ 0,6 износостойкость линейно возрастает с увеличением твердости металла, а с переходом за это значение дальнейшее повышение твердости вызывает резкое нелинейное приращение износостойкости, причем одновременно улучшается чистота изнашиваемой поверхности.
По-видимому, различие влияния твердости в разных интервалах является следствием неидентичного механизма изнашивания при разных отношениях твердости металла и абразивных зерен. Так, если при отношении твердостей менее 0,6 ведущую роль играют явления микрорезания, то с переходом к большим отношениям приобретает важную роль передеформирование. Поскольку твердость минеральных зерен почвы соизмерима или превышает твердость сталей и наплавочных материалов, можно предположить, что при изнашивании рабочих органов почвообрабатывающих машин имеет место смешанный процесс с преобладанием микрорезания при больших контактных давлениях и малых отношениях твердости металла к твердости абразивных зерен, и с преобладанием процессов передеформирования и усталостного разрушения при малых контактных давлениях и больших отношениях твердостей.
Эти процессы надо рассматривать не как изолированные, а как накладывающиеся один на другой, из-за чего даже при однородной структуре металла протекает сложный процесс, подчиняющийся еще не выясненным закономерностям.
Абразивные зерна, не способные к резанию, деформируют металл, производя наклеп и искажая структуру поверхностных слоев со сращиванием дислокаций и разупрочнением вследствие накопления субмикроскопических повреждений. Такие зерна не только подготавливают металл к усталостному разрушению, но и облегчают резание последующими зернами с большей твердостью или более благоприятной ориентацией граней.
М.М. Тененбаум [92] предполагает наличие сложного процесса, который он называет полидеформационным. Этот процесс заключается в многократном искажении решетки с одновременно происходящим упрочнением благодаря наклепу и разупрочнением из-за накопления дефектов в структуре, которое завершается разрушением после достижения предельного состояния, когда материал в микрообъемах оказывается не в состоянии изменить свою форму без нарушения сплошности.
По его представлению, вследствие разнообразия форм, размеров, механических свойств абразивных частиц и прилагаемых нагрузок, в поверхностном слое изнашивающегося материала возникает широкий спектр контактных напряжений. Величина напряжений зависит от радиуса контактной поверхности абразивной частицы, ее механических свойств (прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.), нагрузки, приходящейся на данную частицу, силы сцепления частиц между собой (определяющей степень «закрепленности» абразивных зерен) и механических свойств материала, на который эта частица действует.
Методика исследования физико-механических свойств образцов, упрочненных различными способами.
Наиболее распространенным методом повышения долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин является наплавка твердыми сплавами. Однако, при наплавке, из-за высоких температур нагрева, наблюдается интенсивный рост зерна основного материала, приводящего к снижению прочности изделия. На наплавленном слое развиваются усталостные процессы. Остаточные напряжения в поверхностных слоях металла существенно влияют на эксплуатационные свойства деталей и прежде всего на их динамическую прочность при циклических нагрузках.
Образцы для испытаний на прочность были изготовлены из стали 65Г и представляют собой прямоугольные пластины с габаритными размерами 10x30x180 и упрочнены наплавкой или припайкой пластины (рис.3.2).
Образцы упрочнялись электродуговой наплавкой электродом Т-590, или припайкой износостойкой пластины из стали XI2, с помощью высокотемпературного припоя МНМЦ-68-4-2.
Оценку прочности образцов производили путем приложения сосредоточенной нагрузки на машине ИМЧ-30 (рис. 3.3) как со стороны упрочнения, так и с противоположной стороны, до разрушения (рис.3.4). Методика исследовании прочности клеевых и паяных соединений.
Испытания на прочность клеевого и паяного соединений металл-керамика, чугун-сталь и сталь-сталь проводили на разрывной машине МР-05, позволяющей проводить испытания на растяжение и сжатие и измерять величину нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины. Регулирующие и измерительные приборы соответствовали требованиям ГОСТ 7164-78, ГОСТ 9245-79, ГОСТ 9736-91. Схема испытаний представлена на рис. 3.5. пластина чугунная, высокоуглеродистая, стальная, керамическая пластина соединение клеевое паяное пластина стальная
Исследования коэффициента трения керамики и композиционного покрытия о почву проводили на приборе В. А. Желиговского в диапазоне влажности от 10 до 35%. В качестве исследуемых образцов использовали керамику ТК-Г, лемешную сталь Л53, а также композиционное покрытие в составе: клей ВК-36 и корундовый порошок. Порошок представлял собой смесь корундовых зерен в соотношении размеров зерна: 0,1 мм - 50%, 0,05 мм - 30%, 0,001 мм - 20%. Удельный вес корунда в композиции составлял 60%. Коэффициент трения определяли на суглинистой почве.
Экспериментальные исследования по определению влияния конструктивных и технологических параметров на тяговое сопротивление рабочего органа проводились в почвенном канале ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П.Горячкина.
Почвенный канал представляет собой ров глубиной около 1 м, длиной 20 м и шириной 1,5 м, стены которого выложены из кирпича, по верхним кромкам которых установлены рельсы (рис. 3.6).
По рельсам перемещается тележка, на которую устанавливается рабочий орган. В движение тележка приводится через трос от приводной станции, включающей в себя электродвигатель, редуктор, барабан. Скорость 126 движения тележки изменяется с помощью редуктора. Трос проходит через блок на тележке и закреплен на динамометре, который закреплен на стенке канала. Кинематическая схема представлена на рис. 3.9. Динамометр ДПУ-5-2 предназначен для измерения усилия до 500 кг. Общее сопротивление корпуса плуга определяли путем записи показаний со шкалы динамометра на видеокамеру с последующим просмотром кадров с интервалом 0,02 сек.
Целью измерений было получить величину сопротивления корпуса плуга при работе следующих упрочненных деталей: - серийного лемеха П-702; - серийной груди отвала без упрочнения; - опытного лемеха без упрочнения; - опытного лемеха, упрочненного с тыльной стороны пластиной из износостойкого чугуна толщиной 5 мм; - опытного лемеха упрочненного с тыльной стороны наплавкой электрода Т-590, с толщиной наплавки 4 мм; - опытного лемеха, упрочненного керамической пластиной толщиной 4 мм с тыльной стороны носка; - опытного лемеха, упрочненного конусной наставкой и композиционным покрытием носка с лицевой стороны; - опытного лемеха, упрочненного с лицевой стороны носка композиционным покрытием и с тыльной стороны - пластиной из износостойкого чугуна толщиной 5 мм; - серийной груди отвала, упрочненной композиционным покрытием.
Результаты исследований лемеха и груди отвала на их тяговое сопротивление.
Наиболее интенсивное возрастание износостойкости наблюдается при твердости свыше HRC 50 (рис.4.2). Верхний предел твердости определяется исходя из требований прочности детали. В условиях значительных ударных нагрузок на лезвия рабочих органов, повышение твердости углеродистых сталей более HRC 50 снижает их ударную вязкость, что приводит к поломке, поэтому техническими требованиями для большинства рабочих органов почвообрабатывающих машин твердость задается в пределах HRC 50.
Для достижения высокой износостойкости обработку доэвтектоидных сталей (содержание С 0.8%) следует проводить при режимах: нагрев выше критической точки Асз (рис.4.3) на 30...50С (примерно 820-870С), выдержка при данной температуре и последующее охлаждение со скоростью больше критической (в воде). Структура стали при этом состоит из мелкоигольчатого мартенсита, а при содержании углерода более 0,6%, кроме мартенсита, имеется небольшое количество остаточного аустенита. При перегреве стали при закалке, т.е. при нагреве ее до температур, превышающих критическую точку АСз на 150...200С [45], вызывает рост зерна аустенита, что увеличивает склонность стали к появлению деформации и образованию трещин при закалке. Структура такой стали состоит из крупноигольчатого мартенсита, и обладает пониженной ударной вязкостью.
Нагрев заэвтектоидных (содержание 00,8%) сталей для закаливания осуществляют до температуры на 30...50С выше критической точки Асі (727С), т.е. примерно до температуры 760С, также выдержка при этой температуре и последующее охлаждение.
Структура такой стали состоит из мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Цементит обладает высокой твердостью и не снижает твердости закаленной стали, а следовательно и износостойкости. Аустенит, наоборот, мягче мартенсита и снижает общую твердость. Закалка заэвтектоидных сталей с температур, превышающих линию Аст (рис.4.3), ведет к получению крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита. Такая структура создает в стали повышенные внутренние напряжения, коробление, трещины и пониженную ударную вязкость.
Охлаждающими средами при закалке стали служат вода, водные растворы солей, щелочей, кислот, масло. В воде закаливают среднеуглеродистые стали. Стали с содержанием углерода менее 0,3%С, практически не закаливают т.к. скорость их охлаждения даже в воде меньше необходимой критической скорости закалки. Аустенит только частично превращается в мартенсит или ферритно — цементитную смесь. В связи с этим такие стали не используют для изготовления рабочих органов.
Для охлаждения при закалке высокоуглеродистых и легированных сталей используется масло.
Возможности повышения1 износостойкости стали путем одного лишь увеличения, содержания углерода сравнительно не велики. Как следует из рис.4.1, при повышении содержания углерода с 0,45 до 1,2% износостойкость повышается лишь на 20...25 процентов. Повышение стоимости стали и усложнение технологии могут перекрыть, эту разницу. В связи с этим используется легирование металла добавками, способствующими изменению физико-механических свойств в т.ч. и износостойкости. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, кремний, марганец и никель. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы не используются как самостоятельные присадки, а вводят в сталь в сочетании с хромом, марганцем, и никелем для улучшения свойств.
Легированные стали обладают наилучшими механическими свойствами после термообработки. Легирующие элементы повышают устойчивость закаленной стали против отпуска. Для- получения требуемой твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой-температуре, чем углеродистые. Это позволяет не только полностью снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание твердости и вязкости.
