Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Особенности изнашивания РОУСХМ 10
1.2 Анализ срезающих устройств 11
1.3 Анализ способов увеличения ресурса рабочих органов режущих аппаратов уборочных машин 17
1.4 Анализ способов упрочнения трущихся поверхностей 27
1.5 Цель и задачи исследований 39
2 Теоретическое обоснование хромирования поверхностного слоя РОУСХМ 41
2.1 Электролитическое хромирование, как способ получения заданных свойств поверхностного слоя 41
2.2 Влияние условий электролитического хромирования на свойства
и качество покрытия 45
2.3 Априорное ранжирование факторов, влияющих на износостойкость РОУСХМ, упрочненных электролитическим хромированием 47
2.4 Теоретические предпосылки применения электролитического хрома для повышения износостойкости РОУСХМ 51
2.5 Теоретическая оценка влияния режимов электролитического хромирования на свойства получаемых покрытий 54
2.6 Экологическая безопасность и охрана труда на гальваническом производстве 58
2.7 Выводы 61
3 Программа и методика исследований электролитического хромирования РОУСХМ 62
3.1 Программа исследований процесса хромирования 62
3.2 Методика экспериментальных исследований 63
3.3 Планирование эксперимента при исследовании износостойкости режущих элементов уборочных машин 64
3.3.1 Отсеивающий эксперимент 64
3.3.2 Построение линейного уравнения регрессии
3.3.3 Движение к оптимуму методом крутого восхождения по поверхности отклика 76
3.4 Методика исследований электролитического хромового покрытия в лабораторных условиях 77
3.4.1 Методика металлографических исследований хромового покрытия 77
3.4.2 Методика исследований внутренних напряжений хромового покрытия 81
3.4.3 Методика исследований коррозионной стойкости хромового покрытия 83
3.4.4. Методика исследований износостойкости РОУСХМ 86
3.5 Методика эксплуатационных исследований и оценки качества хромирования поверхностного слоя для повышения износостойкости РОУСХМ 87
3.5.1 Методика исследования износостойкости рабочих органов, упрочненных хромированием, при различных параметрах электролиза 88
3.5.2 Методика исследования износостойкости стандартных и хромированных рабочих органов 90
3.6 Выводы 92
4 Результаты экспериментального исследования хромирования РОУСХМ 93
4.1 Результаты много факторного эксперимента при исследовании износостойкости рабочих органов 93
4.1.1 Результаты отсеивающего эксперимента 93
4.1.2 Построение линейного уравнения регрессии 96
4.1.3 Движение к оптимуму методом крутого восхождения
по поверхности отклика 105
4.2 Результаты исследований электролитического хромового покрытия в лабораторных условиях 109
4.2.1 Результаты металлографических исследований ромового покрытия 109
4.2.2 Результаты исследований внутренних напряжений хромового покрытия 114
4.2.3 Результаты исследований коррозионной стойкости хромового покрытия 115
4.2.4 Результаты исследований износостойкости РОУСХМ 118
4.3 Результаты эксплуатационных исследований и оценки качества хромирования поверхностного слоя для повышения износостойкости РОУСХМ 121
4.3.1 Результаты эксплуатационных исследований износостойкости ножей косилки КРН-2,1 121
4.3.2 Результаты эксплуатационных исследований износостойкости сегментов жатки комбайна ДОН-1500Б 1 4.4 Сравнительная оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований покрытий 131
4.5 Сравнительная оценка результатов лабораторных исследований на установке по патенту и на машине трения 134
4.6 Сравнительная оценка результатов лабораторных и эксплуатационных исследований износостойкости покрытий 136
4.7 Выводы 137
5 Технико-экономическая оценка хромирования поверхностей рабочих органов 142
5.1 Расчет стоимости материалов 142
5.2 Расчет заработной платы рабочего,
выполняющего хромирование 147
5.3 Расчет затрат на электроэнергию 145
5.4 Вывод 151
Общие выводы 152
Список использованной литературы 155
- Анализ способов увеличения ресурса рабочих органов режущих аппаратов уборочных машин
- Априорное ранжирование факторов, влияющих на износостойкость РОУСХМ, упрочненных электролитическим хромированием
- Планирование эксперимента при исследовании износостойкости режущих элементов уборочных машин
- Результаты эксплуатационных исследований и оценки качества хромирования поверхностного слоя для повышения износостойкости РОУСХМ
Введение к работе
Актуальность темы. Режущие кромки рабочих органов уборочных сельскохозяйственных машин, упрочнённые закалкой ТВЧ, имеют весьма небольшой ресурс. Это вызывает нарушение агротехнических требований, увеличение потерь урожая при уборочных работах, а также повышает энергетические затраты на их проведение. К тому же замена или заточка изношенных элементов сопровождается большими трудозатратами, что приводит к снижению производительности труда и к простоям техники в ремонте.
По данным Федеральной службы государственной статистики, в 2013 г. в Нижегородской области площадь зерновых, зернобобовых и кормовых культур составляла около 400 000 га. Если учесть, что ресурс рабочих органов уборочных машин (нож и сегмент) не превышает 30 га, то ежегодная потребность в таких деталях, изготавливаемых из дорогостоящей инструментальной стали составляет около 30 000 шт. При этом детали, достигшие за кратчайшее время предельного состояния, отправляются в металлолом.
Исходя из этого, проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских мероприятий по созданию эффективного способа увеличения ресурса таких деталей является актуальным.
Степень разработанности темы. Вопросами надежности уборочных машин и увеличением ресурса рабочих органов их режущих аппаратов занимались Горшенин В. И., Долгов И. А., Корнилович Р. А., Кузнецов И. С, Лебедев А. Т., Резник Н. Е., Терсков А. X., Ткачев В. Н., Трубилин Е. И. и др.
В ходе исследований выявлено, что наибольшее распространение получили технологические методы увеличения ресурса рабочих органов уборочных машин, направленные на упрочнение их поверхностей без изменения конструкции и материала основы.
Одним из технологических методов упрочнения трущихся поверхностей является их электролитическое хромирование. Большой вклад в развитие электролитического хромирования поверхностей внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Ажогин Ф. Ф., Батищев А. Н., Беленький М. А., Богород Л. Я., Борисов Г. А., Вайнер Я. В., Виноградов С. С, Гамбург Ю. Д., Гинберг А. М, Дасоян М. А., Зальцман Л. Г., Лайнер В. И., Мельников П. С, Молчанов В. Ф., Шлугер М. А., Ямпольский А. М. и др.
Результаты работы указанных исследователей показывают, что основными преимуществами хромирования с точки зрения износостойкости являются высокая твердость и прочность сцепления осадка с основой, хорошая химическая стойкость, а также низкий коэффициент трения получаемых покрытий. Износостойкость хромовых покрытий варьируется в широких диапазонах в зависимости от режимов их осаждения, что делает данный способ упрочнения поверхностей универсальным, т. е. пригодным для различных условий эксплуатации деталей. Свойства покрытий зависят и от множества
других факторов, начиная со стадии подготовки поверхности, заканчивая особенностями условий их использования.
В этой связи существует необходимость выявления зависимостей и закономерностей изнашивания рабочих органов уборочных машин упрочненных электролитическим хромированием, позволяющих создать оптимальные и универсальные варианты получения наиболее износостойких покрытий.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» на 2010 -2014 гг. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».
Цель исследований: повышение износостойкости рабочих органов уборочных сельскохозяйственных машин электролитическим хромированием их поверхностей.
Объект исследований: износостойкость рабочих органов уборочных машин упрочненных электролитическим хромированием.
Предмет исследований: условия осаждения хрома и свойства наносимого электролитического покрытия.
Научную новизну представляют:
результаты исследования износостойкости рабочих органов уборочных машин с использованием нового устройства, техническое решение которого защищено патентом РФ № 129332 на полезную модель с названием «Установка для исследования износостойкости рабочих органов режущих аппаратов уборочных сельскохозяйственных машин»;
зависимость износостойкости наносимых покрытий от температуры электролита, плотности тока и толщины наносимого слоя;
методика оптимизации параметров хромирования с целью минимизации износа покрытия;
экспериментальная оценка влияния условий хромирования на твердость, микроструктуру, внутренние напряжения, стойкость к износу и коррозии.
Практическую значимость результатов исследования представляет разработанный процесс упрочнения рабочих органов уборочных машин путем электролитического хромирования при определенных режимах электролиза, позволяющий увеличить ресурс деталей и сократить простои техники при ремонте.
Реализация результатов исследования. Технологический процесс электролитического хромирования с определенными условиями электролиза и оптимальной толщиной покрытий внедрен в ОАО «Нововязниковское РТП» Владимирской области, а упрочненные по предложенной технологии детали установлены на уборочную технику ООО племенной завод «Болынемураш-
кинский» Б.-Мурашкинского района Нижегородской области. Также результаты исследований применяются при реализации учебного процесса ГБОУ ВО «Нижегородский ГИЭУ».
Методология исследований. Системный подход к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических и физических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты исследований:
установка для исследования износостойкости рабочих органов уборочных машин (патент РФ № 129332);
уравнения регрессии, выражающие зависимость износостойкости покрытий от температуры электролита, плотности тока и толщины наносимого слоя;
методика оптимизации параметров электролитического хромирования;
- результаты исследований влияния условий электролитического
хромирования на твердость, микроструктуру, внутренние напряжения, стой
кость к износу и коррозии.
Степень достоверности результатов исследований подтверждена использованием теории математической статистики и планирования эксперимента, применением стандартизированных приборов и средств измерения, а также лабораторными и эксплуатационными исследованиями стандартных и электролитически хромированных рабочих органов уборочных машин и сходимостью их результатов.
Апробация работы. Основные положения исследований и их результаты докладывались на международных научно-практических конференциях ГБОУ ВПО «Нижегородский ГИЭИ» (2011, 2012 и 2014 гг.), на Всероссийской конференции студентов, аспирантов и ученых с международным участием ГБОУ ВПО «Нижегородский ГИЭИ» (2012 г.), на международных научно-практических конференциях «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов, 2014) и «Современный взгляд на будущее науки» (г. Уфа, 2014).
Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 21 печатной работе, 5 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 10 работ опубликованы без соавторов, получен один патент на полезную модель. Объём публикаций 4,6 п. л., в том числе собственных 3,6.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 187 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и общих выводов. Работа содержит 32 таблицы, 59 рисунков и 7 приложений. Список литературы включает 151 источник, в том числе 15 иностранных.
Анализ способов увеличения ресурса рабочих органов режущих аппаратов уборочных машин
Сегментные срезающие устройства. Сегментные срезающие устройства наиболее распространены в уборочных машинах, в их основу положены рабочие элементы - сегменты, установленные на специальной пластине. Это группа срезающих устройств подпорного среза, когда в процессе резания участвуют режущая и противорежущая части устройства. При этом скорости резания равны 1...3 м/с. В зависимости от конструкции противорежущей части эта группа срезающих устройств делится на сегментно-пальцевые и сегментные (беспальцевые) (рис. 1.3, а, б).
При уборке толстостебельных культур (конопля, подсолнечник, кукуруза, тростник) двойная опора стебля отрицательно влияет на срез. Защемление значительно возрастает, что резко увеличивает усилие, действующее на сегмент и палец. Это, в свою очередь, ослабляет крепление и вызывает поломки пальцев и сегментов. Поэтому в устройствах для срезания толстостебельных культур целесообразно применять пальцы без перовидных отроет 14 ков. Сегментно-пальцевые срезающие устройства менее энергоемкие, поскольку работают на небольших скоростях. Такие устройства находят широкое применение в косилках и жатках. Сегментно-пальцевые срезающие устройства имеют следующие геометрические и кинематические параметры (рис. 1.4): t - шаг режущей части (расстояние между осевыми линиями сегментов); t0 - шаг противорежущей части (расстояние между осевыми линиями пальцев); S - ход ножа (перемещение ножа из одного крайнего положения в другое). Срезающее устройство нормального резания с одинарным пробегом ножа (рис. 1.4, а) имеет следующие соотношения параметров: S= t = t0 = 76,2 или 90 мм. Устройства с таким шагом применяют в косилках и жатках для среза трав, зерновых и технических культур, а с шагом 90 мм - для среза кукурузы, подсолнечника и других толстостебельных культур. Срезающее устройство нормального резания с двойным пробегом ножа (рис. 1.4, б) имеет соотношения параметров: S = 2t = 2t0 = 152,4 или 101,6 мм. Устройство с размером 152,4 мм находит применение как в косилках, так и в жатках, устройство с размером 101,6 мм - в косилках для степных трав. Срезающее устройство низкого резания (рис. 1.4, в) характеризуется соотношением: S = t = 2t0 = 76,2 или 101,6 мм. В первом варианте устройство применяют в косилках, во втором - в комбайнах. Срезающее устройство среднего резания (рис. 1.4, г) имеет соотношение: S = t = Kt0 = 76,2 или 101,6 мм, где 1,2 К 1,4. Устройство с параметрами первого варианта встречается в зарубежных и малогабаритных косилках [119, с. 12].
Основной недостаток сегментно-пальцевых срезающих устройств -низкие скорости резания, обусловленные возвратно-поступательным движением ножа, вызывающим знакопеременные инерционные усилия, ограничивающие повышение рабочих скоростей косилок и жаток. А также работа деталей режущего аппарата в тяжелых условиях абразивного изнашивания [59].
В сегментном (беспальцевом) устройстве (рис. 1.3, б) режущая пара -два сегмента, срезающие растение с опорой в одной точке. Такие режущие пары меньше забиваются при уборке спутанных и полеглых растений. Одна 15 ко из-за отгибов носков сегментов в процессе работы они также склонны к забиванию. В них затруднена замена поврежденного сегмента. Применяют одно- и двухножевые устройства. В одноножевом подвижен только один нож, а в двухножевом оба ножа совершают аппозитивные движения, благодаря чему увеличивается равновесие всей машины. Перемещения каждого ножа в таком устройстве в 2 раза меньше, чем в одноножевом, за счет чего уменьшаются силы инерции, действующие на нож.
Основной недостаток сегментных беспальцевых срезающих устройств - забиваемость при уборке спутанных и полеглых растений, а также сложность конструкции механизма привода ножей.
Ротационные срезающие устройства. Данные срезающие устройства применяются для скашивания трав, грубостебельных культур и растений с большим диаметром стебля (кукуруза, подсолнечник, тростник и др.). Эта группа срезающих устройств подразделяется на три подгруппы: дисковые, комбинированные и барабанные (рис. 1.5). Дисковые срезающие устройства (рис. 1.5, а) могут быть одно- и двухдисковыми, когда в процессе срезания участвуют: в первом случае - один вращающийся диск и противорежущая пластина, а во втором - два встречно вращающихся диска [47, с. 53].
Диски заточены по всей кромке, и при их вращении и перемещении вместе с машиной стебли, попадая в рабочую зону, перерезаются. Устройство работает на больших скоростях резания, качество среза высокое. При затуплении режущей кромки или ее разрушении необходима смена диска.
Конструкция механизма привода не обеспечивает низкий срез стеблей. Комбинированные срезающие устройства (рис. 1.5, б) представляют собой вращающиеся диски с закрепленными на них режущими элементами. Такими элементами могут быть прямоугольные заточенные пластины или сегменты. По мере износа или излома пластины могут заменяться индивидуально. Широкое применение нашли дисковые срезающие устройства с шарнирно закрепленными режущими пластинами. Качество уборки культур высокое за счет того, что режущий элемент в момент срезания находит свое оптималь Рисунок 1.5 - Ротационные срезающие устройства: а - дисковые; б - комбинированные; в - барабанные
16 ное положение на диске, энергоемкость процесса при этом снижается. Кроме этого по мере износа режущей кромки имеется возможность переворота пластины и работы другой её стороной. Барабанные срезающие устройства (рис. 1.5, в) представляют собой барабан, на котором шарнирно расположены ножи, вращающиеся в вертикальной плоскости. При движении по полю передний щит 2 наклоняет стебли вперед. Барабан 6 с шарнирно закрепленными ножами 3 вращается с большой скоростью (40...60 м/с). Нож, соприкасаясь с наклоненными вперед стеблями, сообщает им удар, в результате которого они срезаются и с большой скоростью подаются вверх через зазор между неподвижным ножом 1 и ножами барабана 3. Во избежание забивания зазор делают не менее 12 мм. Стебли при прохождении через него подвергаются повторным ударам других ножей, измельчаются и, обладая запасом кинетический энергии, движутся по трубе 4 вверх, а оттуда направляются в тележку. Косилки-измельчители с таким устройством успешно производят срез, как тонких трав, так и толстых стеблей подсолнечника и кукурузы.
Роторно-ломающее срезающее устройство предназначено для снятия с поля растений большого диаметра, стебли которых имеют узлы и междоузлия. Отделение стебля от корневой части происходит не путем перерезания, а за счет ломки его по узлу. Рабочим органом таких режущих аппаратов являются пальцы, установленные на роторе наклоняющего устройства и стебле-подающего транспортера. При движении по полю вращающиеся пальцы ударяют по комлевой части стеблей, и они ломаются по нижним узлам. Срез получается достаточно чистым и ровным. При этом затраты энергии на процесс ломки незначительны [120, с. 22, 23].
Основные недостатки ротационных срезающих устройств - нарушение агротехнических требований, увеличение потерь при уборке культур, повышенные энергетические затрат и т. п. вследствие интенсивного изнашивания и изменения геометрии режущей части и больших размеров рабочих органов уборочных машин. К тому же замена или заточка изношенных элементов сопровождается большими трудозатратами, что приводит к снижению производительности труда и к нежелательным простоям техники в ремонте. 1.3. Анализ способов увеличения ресурса рабочих органов режущих аппаратов уборочных машин
Существующие способы повышения ресурса рабочих органов режущих аппаратов уборочных машин основываются на увеличении износостойкости поверхностей режущих элементов и изменении их конструкции.
Безотказность и долговечность эксплуатации уборочных сельскохозяйственных машин во многом зависит от ресурса режущих элементов их срезающих аппаратов. В процессе работы режущие кромки этих элементов подвергаются абразивному изнашиванию (при контакте со стеблями растений, верхним слоем почвы, с поверхностями противорежущих пластин и др.).
В этой связи, а также исходя из отмеченных недостатков срезающих устройств, конструкторами и учеными велись и ведутся исследования, направленные на разработку методов и создание способов увеличения перио да нормальной эксплуатации режущих элементов с целью улучшения показателей надежности уборочных машин в целом.
1. В частности, в работе [124] приводится описание метода повышения износостойкости режущих элементов уборочных машин способом их электроискровой обработки электродами из нанокристаллических и аморфных сплавов [102]. Износостойкое покрытие наносилось в два прохода электрода на мягком и грубом режимах. Ширина следа, оставленного электродом, составляла 1,5... 2,0 мм.
По результатам металлографических исследований и эксплуатационных испытаний нанесение на кромки режущих деталей износостойкого покрытия электродами из нанокристаллического и аморфного сплава, толщиной 20...25 мкм и шириной следа 1,5...2,0 мм, позволяет повысить износостойкость противорежущей пластины в 2 раза. По данным автора [59], существенной разницы в скорости износа противорежущих пластин отечественного и импортного производства выявить не удалось.
2. Режущий аппарат косилочного типа, содержащий режущую пару из сегмента и вкладыша в виде пластин с боковыми лезвиями, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, пластины выполнены с отгибом лезвий, нижняя грань которых параллельна основанию пластины, а на боковые грани нанесен упрочненный слой (рис. 1.6). Благо- даря этому режущий аппарат может работать с
Рисунок 1 6 - Усовер- сохранением начальной геометрии лезвий до шенствованный сегмент полного износа сегмента и вкладыша, так как вследствие отгиба лезвий, несущих на себе упрочненный слой, резко уменьшается площадь контакта режущего и противорежущего элемента, а истирание их трущихся поверхностей соответственно увеличивается, что обеспечивает самозатачивание лезвий в процессе работы [4].
Априорное ранжирование факторов, влияющих на износостойкость РОУСХМ, упрочненных электролитическим хромированием
Исходя из вышеперечисленного можно сделать вывод о том, что экспериментальные исследования прочности сцепления слоя хрома с материалом основы при строгом соблюдении технологии нанесения электролитического осаждения не являются принципиально обязательными.
Для уточнения результатов теоретических исследований свойств электролитических хромовых покрытий возникает необходимость проведения экспериментальной оценки микроструктуры и микротвердости покрытий, анализа их внутренних напряжений и коррозионной стойкости, а также исследование износостойкости в лабораторных и производственных условиях в зависимости от режимов осаждения осадков хрома.
Экологическая опасность гальванического производства (в т. ч. и при хромировании) вызвана в основном негативным влиянием сточных вод от обработки поверхностей и промывки деталей на близлежащие поверхностные водоемы. При электролитическом хромировании загрязнения тяжелыми металлами менее опасны, чем анионы, выделяющиеся при электролизе.
Поверхностные воды содержат хром 0,01...0,001 мг/л, в ряде случаев их содержание может достигать 0,112 мг/л. В водопроводной воде средняя концентрация хрома составляет 0,0023 мг/л, а максимальная достигает 0,079 мг/л [21, с. 20]. Также негативное влияние от гальванического производства связано с выбросом вредных веществ в атмосферу воздуха. ПДК хромового ангидрида в атмосферном воздухе жилых массивов составляет 0,0015 мг/м3.
Для обеспечения экологически безопасного производства при электролитическом хромировании согласно существующим рекомендациям [23, 25, 54, 61, 90] следует осуществлять ряд определенных мероприятий: оценку экологической опасности гальванического производства; очистку промывочных и сточных вод; регенерацию (восстановление работоспособности) отработанных электролитов; рекуперацию (утилизация в гальваническом производстве) отработанных технологических растворов; утилизацию гальванических шламов; очистку отсасываемого воздуха от вредных веществ [50, с. 75]. Требования к производству при электролитическом хромировании: - растворы, приготовляемые из смеси кислот, вводят в порядке возрастания их плотности; - контакт хромового ангидрида с уксусной кислотой, керосином, спиртом и другими горючими жидкостями не допускается; - отработанные растворы и электролиты перед спуском в сточные воды должны быть нейтрализованы; - чистку ванн и другого оборудования следует производить с увлажненной поверхности. Концентрация вредных веществ в воздухе производственного помещения Пары и аэрозоли хромового ангидрида, попадающие от гальванических ванн и вытяжных систем в воздух производственных помещений, являются очень токсичными. ПДК хромового ангидрида в рабочей зоне производст-венных помещений по ГОСТ 12.1.005-76 составляет 0,01 мг/м , что соответствует первому классу опасности. Для сведения, к тому же классу опасности относятся ртуть и свинец (они имеют такое же значение ПДК). Очистка сточных вод от шестивалентного хрома
Высокотоксичные соединения шестивалентного хрома содержатся в промывных сточных водах, а также в отработанных технологических растворах (электролитах) хромирования.
Основными способами очистки от Сг6+ являются реагентный и электрохимический. Последний отличается сложностью технологической схемы производственной установки для очистки вод. Она включает в себя: двухсекционный резервуар-усреднитель сточных вод, электролизер, отстойник для осветления обработанной воды, насос для перекачки сточных вод, баки для приготовления растворов поваренной соли и щелочных реагентов для корректировки величины рН обработанной воды перед осветлением.
Наиболее эффективным и распространенным способом очистки вод от шестивалентного хрома является реагентный. Это способ предусматривает две стадии очистки: 1) восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного; 2) осаждение трехвалентного хрома в виде гидроксида.
Восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного
В качестве реагентов-восстановителей применяют: соли сернистой кислоты (сульфит, бисульфит, пиросульфит); отходы металлического железа (например, стальная стружка); сульфат двухвалентного железа; пероксид водорода; сернистый газ; гидразин.
При применении в качестве реагента сульфида, бисульфида или перок-сида водорода скорость и полнота реакций восстановления до Сг зависит от величины рН реакционной смеси, подкисление которых при необходимости проводят 15 % раствором серной кислоты. Максимальная скорость окисления достигается в кислой среде при рН 2,0.. .2,5. Доза реагента зависит от исходной концентрации Сг6+. Если в качестве реагента используется пиросульфит, то дозы реагента принимают в 1,8 раз больше.
При использовании металлического железа подкисленные сточные воды (рН 2) фильтруются через слой железной стружки.
При использовании в качестве реагента гидразина или двухвалентного железа подкисление сточных вод не требуется, но при использовании двухвалентного железа увеличивается (более чем в 4 раза) содержание твердой фазы в осадках.
Планирование эксперимента при исследовании износостойкости режущих элементов уборочных машин
Критерием прекращения опытов при крутом восхождении явились тех нологические ограничения нанесения хрома и резкое снижение износостойкости образцов с покрытиями. Увеличение температуры электролита свыше 63 С влечет за собой его интенсивное испарение и как следствие его повы-шенный расход. При повышении плотности тока свыше 64 А/дм кромки лезвий образцов начинали обгорать, т. к. их площадь очень мала и величина тока на этих участках стремилась к бесконечности. Увеличение толщины наносимого покрытия свыше 38 мкм вызывало повышенное трещинообразование и влекло скалывание покрытия.
Минимальное значение отклика (выделено в таблицах жирным курсивом) получено для ножей и сегментов в опытах № 12. В следующих опытах износ образцов начал увеличиваться (табл. 4.8 и 4.9). Это может объясняться преобладанием негативного влияния на отклик взаимодействий факторов 1 -3 и 2-3 над положительным влиянием трех рассматриваемых факторов в отдельности.
Раскодирование уравнения регрессии в расчетные формулы Преобразование линейных членов уравнения производилось согласно выражения (3.17). В результате преобразования получены результаты:
Полученные уравнения регрессии хорошо согласуются с экспериментальными данными. Так, расчетное значение износа образца ножа по массе по уравнению (4.6), например при Х\ = 63, Х2 = 61 и Х3 = 32, составит 417 мг при экспериментальном значении в опыте № 12, равном 413 мг (отклонение менее 1 %). Значение износа образца сегмента по уравнению (4.7) при Х\ = = 62, Х2 = 61 и Хз = 32 составит 389 мг, а экспериментальное значение 387 мг (отклонение около 2 %). Поэтому уравнения (4.6) и (4.7) вполне могут быть использованы при оценке износостойкости, как ножей, так и сегментов.
Реализация плана крутого восхождения позволила получить оптимальные значения факторов при минимуме отклика, при этом полученные уравнения хорошо согласуются с экспериментальными данными. Поэтому по 109 строение уравнений регрессии второго порядка является в данной ситуации не обязательным.
Также нужно отметить, что результаты крутого восхождения дают основание предположить, что выбранный ранее центр эксперимента находится вблизи области оптимума, поскольку наилучшие результаты получены уже после реализации четвертого и пятого дополнительных опытов. 4.2 Результаты исследований электролитического хромового покрытия в лабораторных условиях
В процессе исследования структуры хромовых покрытий были получены металлографические снимки, которые представлены на рисунках 4.9 (поперечный микрошлиф) и 4.10 (продольный микрошлиф).
Увеличенные поперечные снимки микрошлифов свидетельствуют о том, что при оптимальных для износостойкости параметрах хромирования покрытия более равномерны и содержат меньшее количество пор (рис. 4.9).
Так как наносимый слой при оптимальных параметрах является более однородным и равномерным, можно сделать вывод, что все участки покрытия будут оказывать одинаковое сопротивление изнашиванию (рис. 4.9, б). Микрофотографии осадков на рисунках 4.9, а и 4.9, в свидетельствуют о том, что полученные покрытия являются менее равномерными и в связи с этим участки с меньшей толщиной слоя будут больше подвержены изнашиванию.
Количество пор оказывает влияние на коррозионную стойкость покрытий. Чем больше их количество, тем сопротивление коррозии ниже. Также поры играют роль концентраторов напряжения, вызывающих рост хрупкости и инициирующих зарождение трещин [22, с. 60].
Лучшая износостойкость покрытий, полученных при оптимальных значениях факторов, подтверждается металлографическими исследованиями
по поперечных микрошлифов. Это объясняется тем, что покрытие более равномерное и содержит меньшее количество пор.
Получение более равномерных и беспористых покрытий при условиях электролиза, указанных на рис. 4.9, б, обусловлено разным характером влияния на процесс кристаллизации температуры и толщины наносимого покрытия. Увеличение толщины покрытия повышает интенсивность его растрескивания, а повышение температуры снижает количество пузырьков газа и тем самым уменьшает количество и величину пор. В данном случае можно сделать вывод о том, что положительное влияние повышения температуры на пористость покрытия более выражено, чем отрицательное влияние увеличения толщины покрытия.
Наиболее износоустойчивыми являются плотные, твердые и мелкозернистые покрытия. Текстура покрытий при металлографическом исследовании продольных шлифов свидетельствует о появлении более плотных и мелкозернистых осадков при оптимальных значениях факторов.
Это объясняется тем, что условия нанесения покрытий обеспечивают превышение скорости образования зерен над скоростью их роста. Мелкозернистость и высокая плотность осадков обеспечивается повышением плотности тока. Высокая плотность тока увеличивает перенапряжение катода и тем самым повышает количество активных центров, участвующих в процессе электрокристаллизации [57, с. 24]. Повышение температуры электролиза вызывает уменьшение перенапряжения катода, снижает твердость и способствует образованию слоистой структуры покрытий, что негативно сказывается на качестве покрытий [57, с. 34]. Таким образом, получение наиболее плотных, твердых и мелкозернистых покрытий обусловлено разным характером влияния на процесс кристаллизации температуры и плотности тока.
Анализ результатов металлографических исследований свидетельствует о том, что заданное сочетание параметров электролиза и толщины покрытия обеспечивает получение более износоустойчивых покрытий за счет их равномерности и мелкозернистости, а также из-за отсутствия в них крупных трещин и пор.
Определение микротвердости и кратности увеличения снимков
На рисунке 4.10, а, бив представлены поверхности, покрытые электролитическим хромом при различных условиях электролиза. В процессе определения микротвердости покрытий на них наносились отпечатки и измерялись их диагонали. Длины горизонтальной и вертикальной диагоналей отпечатка, выраженные через деления барабанчика окуляр-микрометра, определяются по формуле (3.19):
Результаты эксплуатационных исследований и оценки качества хромирования поверхностного слоя для повышения износостойкости РОУСХМ
Масса образцов (вырезанных из сегментов) без покрытия после 1000 двойных ходов абразивного бруска в среднем снизилась на 0,57 г, а масса хромированных - всего лишь на 0,28 г. Разница в изменении массы стан дартных и хромированных образцов составляет 0,29 г или 49,1 %. Высота образцов (вырезанных из сегментов) без покрытия после 1000 двойных ходов абразивного бруска по их поверхности снизилась в среднем на 3,04 мм, что в процентном соотношении составило 36,8 % от их начальной высоты. Высота хромированных образцов при испытании в тех же условиях снизилась в среднем на 1,81 мм или на 22,4 % от их начального размера. Разница в изменении линейных размеров (высоты) стандартных и упрочненных образцов составила 1,23 мм или 59,5 %.
Средний износ ножей по ширине после уборки 25 га многолетних трав в зависимости от условий нанесения покрытий составляет 1,59... 1,85 мм. Интенсивность изнашивания варьируется в пределах 63,6...74 мкм/га. Интенсивность изнашивания не хромированных ножей составляет в среднем 122,8 мкм/га при уменьшении его ширины на 3,07 мм. Среднее значение износа ножей во время эксплуатационных испытаний при параметрах, оптимальных для лабораторных исследований, так же является минимальным. Следовательно, данные значения факторов позволяют минимизировать износ рабочих органов, как в лабораторных условиях, так и при использовании их по назначению.
Более эффективным является упрочнение поверхностей ножей хромированием с обеих сторон. Следует также отметить, что ножи с слоем хрома на тыльной стороне изнашиваются меньше по сравнению с ножами, хромированными с лицевой стороны. Таким образом, износ ножей (по ширине), упрочненных с обеих сторон, составил 1,59 мм, что на 0,58 мм или на 26,7 % меньше, чем у ножей, хромированных с лицевой стороны, и на 0,9 мм или на 36,1 % меньше, чем у ножей, хромированных с тыльной стороны. Аналогичная тенденция прослеживается и при оценке износостойкости ножей через остроту их лезвий.
Наибольшая разница в износе по ширине у стандартных и хромированных ножей наблюдается на расстоянии 70 мм от его края. Износ стандартных ножей по ширине на данном расстоянии более чем в 2 раза превышает износ хромированных.
Средний износ сегментов при оптимальных значениях параметров осаждения является меньшим по отношению к другим вариантам условий электролиза и составляет 0,927 г за 30 га убранных культур. При проведении лабораторных исследований износостойкости величина износа при данных параметрах осаждения также является минимальной. Интенсивность изнашивания сегментов в зависимости от условий получения покрытий находится в пределах 30,90...32,77 мг/га. Тогда как интенсивность изнашивания стандартных сегментов составляет 54,87 мг/га при износе 1,646 г.
Более эффективным является упрочнение поверхностей сегментов хромированием с обеих сторон. Однако сегменты с слоем хрома на тыльной стороне изнашиваются меньше по сравнению с сегментами, хромированными с лицевой стороны. Таким образом, износ сегментов (по массе) упрочненных с обеих сторон составил 0,93 г, что на 0,19 г или на 20,4 % меньше, чем у сегментов, хромированных с тыльной стороны, и на 0,34 г или на 36,6 % меньше, чем у сегментов, хромированных с тыльной стороны. Аналогичная тенденция прослеживается и при оценке износостойкости сегментов через их толщину.
Наибольшая разница в износе по толщине у стандартных и хромированных сегментов наблюдается на расстоянии 30 мм от его края. Износ стандартных сегментов по толщине на данном расстоянии в 2 раза больше чем у хромированных. Средний износ сегментов без упрочнения по толщине на 42 мкм или на 44 % больше износа хромированных сегментов.
Острота лезвий ножей, упрочненных хромированием, в среднем за всю наработку составила 95 мкм, что на 98 мкм или на 50,8 % меньше остроты лезвий, не хромированных ножей.
Коэффициенты износостойкости ножей и сегментов по результатам лабораторных исследований составляют 1,95 и 1,78 соответственно.
Величина расхождения результатов теоретических и эксплуатационных исследований износостойкости стандартных и хромированных рабочих органов уборочных машин (около 3 %) свидетельствует о хорошей сходимости полученных результатов.
Среднее значение расхождения результатов теоретических и экспериментальных исследований микротвердости покрытий составляет 0,89 ГПа или 10,2 %. Это может объясняться тем, что при теоретических расчетах не учитывалась толщина наносимых покрытий, которая так же как плотность тока и температура электролита, оказывает влияние на микротвердость наносимого слоя хрома.
Максимальное сопротивление покрытий коррозии по результатам тео-ретических исследований достигается при плотности тока 59 А/дм и температуре электролита 62 С, а по результатам экспериментальных исследова-ний при плотности тока 61 А/дм и температуре электролита 63 С. Расхождение может объясняться тем, что при теоретических расчетах не учитывалась толщина наносимых покрытий, которая так же как плотность тока и температура электролита, оказывает влияние на коррозионную стойкость наносимого слоя хрома.
Значения абсолютного и относительного расхождения между ре зультатами эксплуатационных и лабораторных исследований, выраженными через коэффициенты износостойкости, соответственно составляют для ножей 0,02 или 1 %, для сегментов 0,06 или 4 %, что свидетельствует о высокой степени сходимости результатов экспериментальных исследований, прово димых при эксплуатации и в условиях лаборатории.