Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние в опроса, постановка цели и задач исследований 11
1.1 Условия работы культиваторных лап, их конструктивные особенности и причины потери работоспособности .11
1.2 Анализ современных методов и материалов упрочнения культиваторных лап .18
1.3 Особенности метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, как перспективного способа упрочнения 23
1.4 Выводы, цель работы и задачи исследований 24
2 Теоретическое представление процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза .26
2.1 Исследование порошковых материалов для поверхностного упрочнения с различными теплофизическими и физико-механическими свойствами и их анализ 27
2.2 Исследования по определению оптимального состава шихты 28
2.3 Методы подготовки и дальнейшие исследования полученных образцов 44
2.4 Выводы .30
3 Программа, оборудование и методы экспериментальных исследований 33
3.1 Программа научного исследования 33
3.2 Материалы, оборудование, программа и методики экспериментальных исследований 33
3.3 Методика исследований по подготовке и инициализации различных вариантов шихт 35
3.4 Методика определения эффективной толщины шихты 41
3.5 Методика определения твердости образцов 42
3.6 Методика испытания на коррозионную стойкость 45
3.7 Определение количества испытуемых лап для достаточной точности проводимых испытаний 57
3.8 Методика проведения агротехнической оценки 57
3.9 Методика лабораторных испытаний на износ 58
3.10 Методика натурных испытаний на износ .59
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 60
4.1 Результаты испытаний по инициализации вариантов шихт 60
4.2 Результаты испытаний по определению эффективной толщины шихты..67
4.3 Результаты определения твердости образцов .75
4.4 Результаты испытания на коррозионную стойкость 76
4.5 Результаты лабораторных испытаний испытаний 78
4.6 Результаты натурных, эксплуатационных испытаний 80
4.7 Результаты агротехнической оценки .84
4.8 Выводы 84
5. Разработка практических рекомендаций 86
5.1 Технология упрочнения культиваторных лап с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза .86
5.2 Разработка автономного устройства для инициализации процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 93
5.3 Разработка комплекса оборудования для экономически эффективного производства порошковых тугоплавких продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза .99
5.4 Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии упрочнения культиваторных лап .112
5.5 Выводы .116
Заключение 118
Литература 119
- Условия работы культиваторных лап, их конструктивные особенности и причины потери работоспособности
- Методика испытания на коррозионную стойкость
- Результаты натурных, эксплуатационных испытаний
- Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии упрочнения культиваторных лап
Условия работы культиваторных лап, их конструктивные особенности и причины потери работоспособности
Механическая обработка почвы - мощный регулятор плодородия почвы. Интенсивная обработка почвы в течение длительного времени приводит к увеличению интенсивности минерализации органического вещества.
Для подготовки почвы на селе в настоящее время используется большой ассортимент различных почвообрабатывающих орудий (плуги, культиваторы, сеялки, рыхлители), самым массовым орудием являются культиваторы. Органом для упрочнения были выбраны культиваторные лапы, как самый массовый, наглядный и подверженный износу рабочий орган.
При культивации происходит обработка уже подготовленной, вспаханной ранее почвы. В процессе культивации происходит рыхление, вспушивание на определенную глубину пахотного слоя с одновременным подрезанием корневой системы сорняков. Помимо борьбы с сорной растительностью благодаря культивации улучшается водное и воздушное состояние почвы.
Культивация создает на поверхности почвы рыхлый слой, препятствующий капиллярному поднятию влаги и интенсивному ее испарению с поверхности почвы. Она выравнивает вспаханную почву и является эффективным средством борьбы с сорной растительностью. Проводится прицепными и навесными культиваторами с рабочими органами различных типов.
Лапы культиваторов имеют различную форму и размеры в зависимости от выполняемого процесса. Различают лапы плоскорезные или полольные; универсальные или рыхлительные. Лапы по форме делятся на двусторонние — стрельчатые и односторонние (бритвы). Применяются и лапы в форме наральника на пружинных стойках. Для глубокого рыхления вместо лап ставятся долота. Кроме того, на культиваторах могут быть установлены вместо лап окучники (небольшие двухотвальные плужки). На культиваторах, предназначенных для одновременного внесения удобрений, устанавливают специальные лапы-ножи для внесения удобрений[5-6].
Наиболее типичным видом рабочего органа в культиваторах являются двусторонние стрельчатые подрезные или рыхлительные лапы.
Стрельчатые подрезные лапы и бритвы предназначены для подрезания сорняков в почве на уровне распространения основной массы их корней (на глубине 6—12 см) и извлечения их на поверхность для пересыхания[4-6].
Универсальные или рыхлительные двусторонние лапы предназначены для рыхления почвы на глубину 8—16 см вслед за подрезными лапами и для совместной работы — подрезания сорняков с одновременным рыхлением.
Культиваторные лапы различаются: шириной захвата, толщиной крыла, шириной крыла, величиной угла раствора. Культиваторные лапы в процессе работы должны самоочищаться от сорняков и обеспечивать резание сорняков со скольжением по ним.
Культиваторная лапа может по-разному воздействовать на корни сорных растений. Они могут быть: выдернуты, разрезаны или разорваны. Вид воздействия на корневища зависит от двух показателей: скорости и степени остроты режущей кромки лапы. Если лезвие будет толщиной менее 0,3 мм и скорость движения будет приемлемой, то сорняк будет перерезан.
Однако если эти условия не будут выполнены, сорное растение будет просто вдавлено в почву, однако, если растение будет крепко держаться корневой системой, то оно разорвется. Разрыв – является самым распространенный видом разрушения корня сорняка. Поскольку лезвия лапы быстро затупляются и толщина режущей кромки быстро увеличивается.
Разрыв корня сорняка может произойти из -за: смятия, излома, растяжения или одновременно от всех этих деформаций.
Назначение культиваторной лапы в первую очередь состоит в том, чтобы разрезать или разорвать корни сорняков, до того момента, как лапа разрыхлит слой почвы, для этого угол установки лап по отношению к горизонту делают небольшим. Таким образом корневище имеет подпор со
Гораздо хуже, если сорняк будет скользить вдоль лезвия и окажется на поверхности целым.
В первую очередь, деформация смятия обладает большим сопротивлением, нежели растяжение во время скольжения вдоль лезвия культиваторной лапы, а так, как лапа представлена в виде клина с вершиной 2, то ширина обработки всегда меньше, чем длинна режущей части. Из этого можно сделать вывод о снижении удельной работы резания (нагрузка на лезвие). При обработки почвы, лапа давит с давлением N на сорные растения и почву, которое направлено по нормали к лезвию (рис. 1). Однако трение почвы и корня сорняка о лезвие лапы отклонит силу N на угол трения , так как возникающая при этом сила трения Fmax = Ntg .
В этих условиях на корень сорняка и частицы почвы действуют две силы: N и NT - F , результирующая которых - сила R направлена под углом к нормали N. Срез корня возникает при перемещении по направлению этой единственной силы R. Из этого следует, что при передвижении лапы из положения І в положение II на длину пути S сорняк переместится из точки m в точку пі2 , то есть пройдет по лезвию путь ml-m2 , если только он не будет срезан раньше. Так как сорняк проходит вдоль лезвия определенный путь, то режется со скольжением. Если 90 - , то сила трения F, как реактивная, равна слагающей NТ и корень сорняка движется по направлению силы N, то есть резания со скольжением не происходит. Следовательно, резание со скольжением возможно, если 90 - , то есть если половина угла раствора лапы меньше разности между /2 и углом трения перерезаемого материала по металлу лапы [10-12].
Коэффициент скольжения материала по лезвию, есть отношение пути ml-m2 , проходимого частицей материала по лезвию, к пути m-m2 перемещения этой же частицы в почве. В соответствии с теоремой синусов получаем значение коэффициента скольжения по формуле (1.3)[1,2]
Коэффициент скольжения тем больше, чем меньше угол . Если 90 - = , то есть + = 90, то і = 0. В этом случае скольжения не происходит.
Половина угла раствора лапы, то есть угол , значение которого определяет возможность скольжения сорняков по лезвию, является решающим параметром в технологии работы лапы. Так как угол трения сорняков о лезвие лапы равен примерно 45, то и угол = 90 - = 45, а предельное значение угла раствора 2 = 90.
Угол раствора лапы 2у связан не только с условиями подрезания корней сорняков, но и с трением почвы. На вязких почвах при угле раствора 60...70 уже наблюдается забивание культиваторных лап. Поэтому для обработки черноземных и близких к ним почв повышенной вязкости принимают 2 = 50...58 - для почв средней вязкости - 2 = 60...78, для песчаных и сыпучих почв 2 = 70...80.
Угол резания Ро (рис. 1.2), образуемый верхней фаской лезвия и горизонтальной плоскостью, также влияет на чистоту подрезания сорняков. Угол о слагается из двух углов - угла заострения і и затылочного угла .
Угол заострения i обычно равен 12...15. Затылочный угол є составляет примерно 10. Поэтому угол резания составляет 0 = (12... 15) +10 = 22...25.
Угол крошения Р образуется верхней плоскостью полки лапы и горизонталью. Если угол крошения 15, то заточка лапы должна быть верхней (рис. 1.2, а), если 15 25, то - двусторонней (рис. 1.2, б), при 25 - нижней (рис. 1.2, в).
Для плоскорежущих лап = 15...18, для универсальных лап = 20...30.
Рессорно-пружинные стали 65Г и 70Г ГОСТ 1343-82, являются самым распространенным материалом для изготовления отечественных культиваторных лап [85, 94, 96, 139].
Во время полевых работ, абразивы, содержащиеся в почве интенсивно изнашивают почвообрабатывающие орудия, изменяя их геометрические размеры и ухудшая рабочие параметры, что в дальнейшем сказывается на количестве получаемой продукции [94, 119, 132, 139, 140, 152].
Износ крыльев по всему периметру, затупление лезвия, износ носовой части – являются основными дефектами культиваторных лап, так же могут возникать различные деформации в виде трещин, погнутостей, изломов [11, 44, 76, 129, 130, 144]. На рисунке 1.3 представлен наиболее характерный износ по носку и ширине крыльев.
На носок лапы приходится наибольшее давление, и как следствие максимальный износ, который превышает износ крыльев лап в 2-2,5 раза[81, 130, 135, 139].
Известно, что лапы культиватора расположенные в первом ряду изнашиваются сильнее тех, что стоят за ними, так как первыми начинают обработку уплотненной почвы. В среднем они испытывают вдвое большое сопротивление, нежели лапы последующих рядов[76, 81, 121, 130, 139, 142].
Благодаря такой особенности, как симметричность, стрельчатые лапы подвергаются износу равномерно с обоих сторон, исключение составляют те моменты, когда нарушена их регулировка и установка на раме культиватора.
Но на процесс износа рабочих органов влияет и тип земель. Кварц – это наиболее распространенный абразив, который содержится в почве. Его содержание составляет от 75 до 85 %, при этом обладает высокой твердостью 10,5-12,5 ГПа [15, 94, 109, 117, 118].
По степени изнашивающей способности, все почвы можно разделить на три категории с соответствующими коэффициентами.
КИЗН – это коэффициент, показывающий отношение износа почвенного образца к эталону, величина является безразмерной.
Первая категория почв, имеющая КИЗН = 1,3 - 3,0 чаще изнашивает лапы по толщине. Почвы относящиеся ко второй группе с коэффициентом износа 0,5 - 1,3 наоборот, более сильно изнашивают лапы по ширине, третья же группа с КИЗН = 0,37- 0,65 в основном изнашивает только по ширине.
Степень износа рабочих органов так же зависит и от влажности почвы [15, 119, 126, 139, 145]. При влажности от 14 до 18% глины и суглинки меньше всего изнашивают рабочие органы сельскохозяйственных машин, а супесчаные при влажности 14% обладают максимальным износом.
Степень срезания корней сорняков является важнейшим показателем, определяющим соответствие агротехническим требованиям культиваторных лап. Чем острее лезвие лапы-тем лучше подрезаются сорняки, обработка поля проходит равномернее и увеличивается средняя глубина обработки. Так же снижается тяговое сопротивление агрегата [11, 23, 30, 44, 128, 151].
Методика испытания на коррозионную стойкость
Данные испытания заключались в исследовании влияния нанесенного покрытия на коррозионную стойкость. Сущность метода заключается в выдерживании образцов, в условиях повышенной влажности воздуха и температуры с периодической конденсацией влаги на поверхности образцов. Использовались стальные пластины размером (50,0 50,0) ± 0,2 мм, толщиной 4,0 мм с отверстием для подвеса образца в соответствии. Материал пластин сталь 65Г. Внешний вид образцов представлен на рисунке 3.6. Пластины зашлифовывались со всех сторон до шероховатости от 1,25 до 0,63 мкм по ГОСТ 2789-73. Каждый образец промывался, обезжиривался ацетоном, высушивался в термошкафу и взвешивался на аналитических весах VIBRA HT 224RCE.
Было подготовлено 3 образца с нанесенным покрытием, также 3 образца были предназначены для испытания без упрочняющего слоя.
Для проведения испытаний образцы размещались на подвесе в камере соляного тумана КСТ 18-001.
Данная камера позволяет проводить испытания по ГОСТ 20.57.406-81, ГОСТ 9.401-89, ГОСТ 28207-89, ГОСТ 9.719-94. Климатические камеры серии КСТ предназначены для проведения испытаний на устойчивость к коррозии в агрессивной среде солевого тумана.
Применяются в лабораториях промышленных предприятий по производству деталей машин, электроники, инструментов и других предприятий и научных институтов где требуется проверка устойчивости готовой продукции и образцов материалов на устойчивость к коррозии.
Особенности:
материал рабочей камеры – ПВХ;
система распыления:
o используются распыляющие насадки (регулируемые по высоте);
o размер частиц соляного тумана очень маленькая;
o объем осаждения регулируется автоматически;
o режимы распыления подобраны так, чтобы на сопло насадки не осаждалась соль;
запатентованная коническая насадка позволяет обеспечить высокую степень дисперсии и скорость распыления;
контроллер управления оснащен сенсорным экраном и понятным интерфейсом;
крышка рабочей камеры снабжена пневматическим механизмом открывания и закрывания;
большая емкость напольного резервуара с солевым раствором;
продолжительность испытания зависит от методики проведения испытания или коррозионной стойкости материала. Испытания проводились в течение 1 месяца. Внешний вид камеры соляного тумана и лабораторных весов представлены на рисунке 3.7 и 3.8 соответственно.
Высокоточные аналитические весы Vibra (Рисунок 3.8) производства компании Shinko (Япония) серии HT/HT-R – в настоящий момент являются самыми надежными среди подобных измерительных приборов. Установленный датчик Tuning–Fork обеспечивает уникальные преимущества для лабораторных весов VIBRA HT/HT-R. Весы серии HT/HT-R устойчивы к перегрузкам до 15 раз, а точность показаний не зависит от условий окружающей среды и электромагнитных помех. На аналитических весах VIBRA можно взвешивать как простые грузы, так и магнитные образцы. Эргономичная конструкция и использование высококачественных материалов в конструкции прибора, гарантируют устойчивость при транспортировке и эксплуатации. Весы VIBRA HT/HT-R быстро входят в рабочий режим, просты и удобны в использовании, оборудованы интуитивно понятным пользовательским интерфейсом нового поколения и устойчивы к вибрации и ударам. Высокая устойчивость к внешним воздействиям делает возможным эксплуатацию на промышленном производстве без потери точности измерений. Благодаря высокой надежности и точности весы VIBRA HT/HT-R отличаются широкой сферой применения – различные лабораторные исследования, область микроэлектроники и машиностроения, в фармацевтике и биотехнологии, медицинской сфере и оборонно-промышленном комплексе, а так же в области химии и нефтехимии.
Весы VIBRA HT/HT-R внесены в государственный реестр СИ РФ под номером 38225-08, им присвоен I специальный класс точности по ГОСТ 24104-2001.
Основные преимущества и функциональные особенности аналитических весов VIBRA HT/HT-R
Высокая точность измерений, которые не зависят от температуры окружающей среды.
Обновленный интуитивно понятный интерфейс пользователя.
Простота конструкции и удобство очистки от загрязнений. Весы легко разбираются для тщательной чистки.
Большой 16 сегментный дисплей.
Все значения кнопок и доступные функции отображаются на дисплее.
4 свободные кнопки позволяют запрограммировать до 20 функций.
Высокая скорость всех проводимых операций.
Внутренняя и внешняя калибровка весов.
Защита от низкочастотных вибраций – оборудования, производственных участков и вибраций окружающей среды.
Устойчивость к перегрузу в 15 раз.
Весы нечувствительны к электромагнитным помехам.
Стабильная нулевая точка.
Профили пользователей с индивидуальными настройками надежно защищены паролем. Разграничение профилей пользователей позволяет не допускать ошибок в работе. Возможно создание до трех профилей на одних весах.
Высокая скорость измерений и быстрое начало работы – весы входят в рабочий режим менее, чем за 1 минуту.
Высокая скорость стабилизации.
Работа с магнитными материалами без дополнительных приспособлений.
Обширный набор всех необходимых функций и режимов:
- Счетный режим.
- Тарирование.
- Процентное взвешивание.
- Измерение плотности (опция).
- Статистическая функция.
- Поддержка протоколов ISO/GLP/GMP.
- Возможность взвешивания под весами негабаритных грузов.
Пластиковый защитный чехол на корпус весов.
Ветрозащита.
Результаты натурных, эксплуатационных испытаний
Натурные испытания проводились на суглинистых полях СПК «Ополье» Владимирской области, Юрьев-Польского района, установленными на культиватор БПК 12-200 (рисунок 4.11).
Подготовленные культиваторные лапы предварительно было взвешены, измерены и пронумерованы, как и серийные образцы и установлены попарно на культиватор(рисунок 4.12).
В процессе работы(рисунок 4.13) лапы проверялись через 5 га наработки, вплоть до наступления критического состояния, которое наступило для серийных лап уже через 30 га (Рисунок 4.14).
В этот момент серийные лапы вместе с упрочненными были сняты с культиватора и подвергнуты анализу на потерю массы и геометрических параметров.
Результаты натурных испытаний доказали эффективность метода СВС упрочнения и при дальнейшей эксплуатации показали наработку на отказ 80 га, это в 2,67 раза больше, чем серийные лапы, которые при достижении обработки 30 га выходили за предельные значения по износу и выбраковывались.
Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии упрочнения культиваторных лап
При определении экономического эффекта от внедрения разработанной технологии применены методики, содержащиеся в работах [39, 69, 153].
Экономическая эффективность применения данной технологии определяется по формуле: где Эу - экономическая эффективность от упрочнения лап, руб.; Цн, Цу- цена новой и упрочненной лапы соответственно, руб.; Рн, Ру - наработка новой и упрочненной лапы соответственно, га; СдСТ , CQCT- остаточная стоимость после эксплуатации новых и упрочненных лап, считается по цене металлолома( 15руб. за кг), при весе лапы 1,1 кг = 16,5 руб.; Nr - годовой объем упрочняемых лап.
Цену реализации упрочненной с использованием разработанной технологии стрельчатой лапы обычно принимают на 30% выше, чем себестоимость ее упрочнения, т.е.: где Су- себестоимость упрочнения лапы культиватора, руб. Себестоимость упрочнения стрельчатой лапы определяют по формуле: где ЗП - заработная плата (основная и дополнительная) производственных рабочих с начислениями, руб.; См - стоимость ремонтных материалов, руб.; ОПУ - расходы, связанные с созданием производства и его управлением, руб. Заработную плату производственных рабочих определяют: где, Тн ,ТН , Тн. - нормы времени на проведение операций технологии СВС в расчёте на одну лапу культиватора, мин.; СР , СР , ..., СР. - часовые тарифные ставки необходимых разрядов работ на выполнение операций СВС, руб.; КЦ - коэффициент, учитывающий доплату по премиям (7Сп=1Д-1,4); Кд - коэффициент, учитывающий заработную плату (дополнительную) (Кд = 1Д-1,5); Кс - коэффициент, учитывающий отчисления на социальное страхование (Кс = 1,302).
Для облегчения расчётов составляем таблицу 5.3.
Расходы, связанные с создание производства и его управлением, определяют из соотношения:
ОПУ = 2 ЗП, руб. (5.6)
ОПУ = 2 80,2 = 160,4 руб.
Возвращаясь к формуле (5.3), будем иметь: Су = 80,2 +111,6 +160,4 = 352,2 руб. Возвращаясь к формуле (5.2), получим: Цу = 0,3 352,2 + 352,2 = 457,86 руб.
Таким образом, эффективность внедрения разработанной технологии СВС для стрельчатых лап (формула 5.1) в расчете на одну лапу составит:
Таким образом, при упрочнении 192 лап с двух культиваторов БПК 12-200 в СПК «Ополье», годовая экономическая эффективность внедрения разработанной технологии упрочнения методом СВС в расчете на данное количество упрочняемых лап составит:
Срок окупаемости капитальных вложений определяют по формуле: (5.7) где К — капитальные вложения на оборудование, включая затраты на его доставку, монтаж и наладку, руб.
Показатели оценки разработанного технологического СВС процесса упрочнения стрельчатых лап культиваторов типа БПК 12-200 сведены в таблицу 5.5.
Экономическая эффективность от применения данной технологии выражается минимум в двукратном увеличении ресурса 48 лап для рассматриваемого культиватора. Ресурса стандартных лап хватает на один сезон(два сезона в календарный год).