Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса повышения надежности режущего аппарата уборочных машин, цель изадачи исследования 10
1.1 Анализ технического состояния уборочных машин 10
1.2 Анализ отказов уборочных машин 13
1.3 Обзор конструкций режущих аппаратов уборочных машин 17
1.4 Анализ работ, посвященных исследованию режущих аппаратов уборочных машин 23
1.5 Обзор и анализ существующих технологий повышения надежности режущих инструментов 32
Обобщения по главе 38
Цель и задачи исследования 39
2 Теоретические предпосылки повышения надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата 41
2.1 Анализ работы сегментно-пальцевого режущего аппарата 41
2.1.1 Силовое взаимодействие лезвия сегмента со стеблем растения 43
2.1.2 Мощность, затрачиваемая на процесс резания в сегментно-пальцевом режущем аппарате 2.2 Теоретическая модель формирования отказа сегментно-пальцевого режущего аппарата 53
2.3 Модель формирования ресурса сегмента режущего аппарата 57
2.4 Теоретическая модель повышения ресурса сегмента режущего аппарата, имеющего износостойкое покрытие 59
2.5 Затраты на восстановление работоспособности режущего аппарата при внезапном отказе 62
2.6 Компьютерное моделирование нагрузок, действующих на сегмент режущего аппарата 65
Обобщения по главе 70
3 Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1 Оборудование для металлографических исследований 73
3.1.1 Исследование геометрических параметров сегментов режущего аппарата 74
3.1.2 Определение твердости поверхности сегментов режущего аппарата 3.2 Методика нанесения износостойкого покрытия на рабочую поверхность лезвия 79
3.3 Методика проведения исследования износостойкости сегментов режущего аппарата, имеющих тонкопленочное покрытие 81
3.3.1 Определение уровней варьирования наиболее значимых факторов 81
3.3.2 Методика проведения многофакторного эксперимента 83
3.4 Стендовые испытания сегментов режущего аппарата 85
3.4.1 Описание работы стенда для определения износостойкости сегментов режущего аппарата 85
3.4.2 Устройство и работа стенда для проведения испытаний сегментов режущего аппарата на внезапный отказ 89
3.5 Методика проведения производственных испытаний 92
3.7 Методика обработки экспериментальных данных 94
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 100
4.1 Результаты исследований физико-механических свойств сегментов режущего аппарата 100
4.1.1 Результаты исследований твердости поверхности сегментов режущего аппарата 100
4.1.2 Результаты исследований геометрических параметров сегментов режущего аппарата
4.2 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению износостойкости модернизированных и стандартных сегментов режущего аппарата 106
4.3 Результаты сравнительных испытаний экспериментальных и стандартных сегментов на внезапный отказ 112
4.4 Определение ресурса стандартных и экспериментальных сегментов режущего аппарата 114
4.5 Результаты производственных испытаний экспериментальных сегментов режущего аппарата 116
Обобщения по главе 120
5 Технико-экономическая оценка результатов исследования 122
5.1 Расчет затрат на модернизацию сегмента режущего аппарата 122
5.1.1 Расчет стоимости механической обработки сегмента режущего аппарата 122
5.1.2 Расчет затрат на нанесения износостойкого покрытия на рабочую поверхность лезвия сегмента режущего аппарата 125
5.2 Технико-экономическая оценка применения экспериментального сегмента режущего аппарата 128
Общие выводы 132
Список литературы 134
- Обзор конструкций режущих аппаратов уборочных машин
- Силовое взаимодействие лезвия сегмента со стеблем растения
- Стендовые испытания сегментов режущего аппарата
- Результаты сравнительных испытаний экспериментальных и стандартных сегментов на внезапный отказ
Введение к работе
Актуальность темы. Важной задачей в технологическом процессе скашивания зерновых культур и трав является проведение работ в сжатые агротехнические сроки, так как каждый последующий день ведет к увеличению потерь биологического урожая. Успешное выполнение этой задачи во многом определяется наличием в хозяйстве необходимого количества уборочных машин и их техническим состоянием.
Исследования надежности зерноуборочных комбайнов показали, что из всех простоев техники, составляющих 32...35 % общего рабочего времени, на долю технических неисправностей приходится 17,4...19,8 %. Наибольшее количество отказов связано с поломкой деталей жатвенной части, механических передач, гидросистемы, электрических и электронных средств контроля. В свою очередь количественный анализ отказов жатвенной части показал, что наибольшее число неисправностей приходится на рабочие органы режущего аппарата, а именно сегменты, противорежущие пластины и пальцы.
Основными неисправностями сегментов режущего аппарата, вызывающими отказ уборочной техники, являются износ режущей кромки лезвия, деформация или поломка вследствие внезапных отказов, а также ослабление его крепления к ножевой полосе из-за некачественной фиксации.
Из вышесказанного следует, что исследования, направленные на повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин за счет совершенствования параметров сегментов, являются актуальными и представляют практический интерес.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2011-2015 гг, № 1.4.33 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих с материалом».
Цель исследования - повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин совершенствованием параметров сегментов.
Объект исследования - рабочие поверхности сегмента режущего аппарата, определяющие его ресурс, и процесс разрушения при внезапном отказе.
Предмет исследования - закономерности развития износа рабочей поверхности лезвия сегмента режущего аппарата и характер его разрушения при возникновении внезапного отказа.
Методика исследования предусматривает использование теории вероятностей и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание работы сегмента режущего аппарата, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов.
Научная новизна. Теоретическая модель формирования параметрического отказа в результате износа рабочих поверхностей лезвий сегмента, контактирующих с материалом стеблей растений, и зависимости скорости изнашивания его рабочих поверхностей. Теоретическая модель повышения долговечности лезвия сегмента
режущего аппарата путем формирования износостойкого покрытия. Новая конструкция сегмента (патент № 2453099), обеспечивающая надежную работу режущего аппарата за счет увеличения износостойкости лезвия и снижения затрат на восстановление его работоспособности при возникновении внезапных отказов.
Практическая значимость работы. Предложенные технические решения обеспечивают повышение ресурса лезвия сегмента в 2,8...3,2 раза и уменьшают энергоемкость процесса резания на 10 %, а также снижают последствия внезапного отказа, вызванного попаданием в зону резания посторонних предметов, что сокращает общее время простоя уборочной машины по техническим причинам и материальные затраты на ликвидацию неисправности.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены: на 73-й научно-практической конференции «Молодые аграрии Ставрополья» (Ставрополь, 2009 г.); конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Ставрополь, 2010 г.); конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И. Д. Тменова (Владикавказ, 2010 г.); VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, 2012 г.); научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа (Нальчик, 2012 г).
Реализация результатов исследования. Предлагаемые образцы сегментов режущего аппарата изготовлены и внедрены при проведении уборочных работ зерноуборочными комбайнами в агрофирму ОАО «Агротехсервис» Ставропольского края.
Разработанные стенды для испытания машиностроительных материалов на абразивное изнашивание и исследования работы сегментно-пальцевого режущего аппарата на внезапный отказ внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ на факультете механизации при проведении лабораторно-практических занятий.
Публикации результатов исследований. По результатам исследований было опубликовано 13 печатных работ, в их числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения: математическая зависимость контактного взаимодействия рабочих поверхностей лезвия сегмента со стеблем растения, учитывающая основные факторы, влияющие на работоспособность режущих аппаратов уборочных машин; теоретическая модель повышения ресурса сегмента режущего аппарата за счет формирования на его рабочих поверхностях тонкопленочного износостойкого покрытия, обеспечивающего постоянство значений геометрических параметров формы лезвия в заданных пределах при реализации технологического процесса резания; технико-экономическая модель затрат на восстановление работоспособности режущего аппарата при возникновении внезапных отказов сегмента; результаты стендовых испытаний стандартных и экспериментальных сегментов режущего аппарата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 146 страницах машинописного текста, в том числе 54 рисунков и 3 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований, в том числе 2 - на иностранных языках. Имеются 12 приложений на 24 страницах.
Обзор конструкций режущих аппаратов уборочных машин
Зерноуборочный комбайн представляет собой сложную техническую систему, состоящую из большого числа деталей, узлов и механизмов. Каждый узел и агрегат выполняет определенные функции в зависимости от сво его назначения. При этом одним из основных показателей работы зерноуборочного комбайна является его надежность.
Под надежностью технического средства понимается способность его и его составных частей выполнять заданные функции, сохранять во времени значения, параметров соответствующих режимам и условиям их использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [31].
Исследования надежности зерноуборочных комбайнов [78] показали, что из общих простоев техники, составляющие 32...35% от рабочего времени, по причине технической неисправности приходится 17,4... 19,8%. По результатам государственных испытаний на машиноиспытательных станциях фактическая наработка на отказ у отечественных комбайнов находится пределах 3...70 ч, а коэффициент готовности 0,85...0,97 соответственно. Наибольшее количество отказов приходится на жатвенную часть, механические передачи, гидросистемы, рабочие органы молотилки, электрические и электронные средства контроля (рисунок 1.5).
Распределение отказов зерноуборочного комбайна В свою очередь количественный анализ отказов жатвенной части показал, что наибольшее число неисправностей приходится на детали режущего аппарата, а именно сегментов, противорежущих пластин и пальцев (рисунок 1.6). Следует отметить, что поломки противорежущих пластин и пальцев в основном происходят в результате наскакивания на них сегментов, деформировавшихся от попадания в зону резания посторонних предметов.
Среди основных неисправностей сегментов режущего аппарата, вызывающих отказ уборочной техники, можно выделить износ режущей кромки лезвия, их деформацию или поломку вследствие внезапных отказов, а также ослабление его крепления к ножевой полосе из-за некачественной фиксации.
Износ лезвия сегмента происходит в основном за счет трения о срезанные стебли растений (рисунок 1.7). Нижняя режущая кромка сегмента 1, при прямом и обратном ходе ножа, взаимодействует со стерней, а так же с кромкой противорежущей пластины 2. В связи с этим интенсивность истирания нижней части сегмента значительно выше, чем верхней. В результате износа изменяются значения остроты кромки лезвия д и угла заточки лезвия /?, что приводит к снижению работоспособности режущего аппарата.
При эксплуатации уборочной техники на полеглых хлебах, низком срезе и неровных полевых участках существует вероятность попадания в зону резания посторонних предметов (камней, деталей сельскохозяйственных машин, фрагментов металлических изделий и т.д.). Повернутый и отогнутый в вертикальной плоскости сегмент, при возвратно-поступательном движении, встречает элементы пальца, которые разрушают его, разрушаясь при этом сами. Сегменты ломаются и срываются со спинок по заклепкам, противоре-жущие части пальца быстро затупляются и иногда выкрашиваются по кромке (рисунок 1.8). Все эти явления приводят к увеличению времени простоя комбайна на устранение последствий отказа. При этом за прошедшие годы как отечественные так и зарубежные производители уборочной техники не смогли кардинально решить проблему предотвращения попадания в рабочие органы посторонних предметов, а, следовательно, и их защиту от аварийных поломок. Деформация сегмента
В основу классификации режущих аппаратов уборочной техники положен принцип бесподпорного и подпорного резания (рисунок 1.9) [64,122].
Бесподпорные режущие аппараты с вертикальной или горизонтальной осью вращения состоят из ножей шарнирно соединенных с диском или барабаном. В процессе резания такими аппаратами, растение не имеет подпора со стороны элементов машины, его отгиб ограничивается жесткостью стебля, силой инерцией и частично подпором от соседних стеблей.
Режущие аппараты подпорного резания (рисунок 1.10) бывают сегментно-пальцевые и беспальцевые. Сегментно-пальцевые режущие аппараты срезают растения при скорости сегмента 1,5..3,0 м/с. Режущая пара в таких аппаратах представляет собой сегмент и противорежущую пластину, которая крепится на палец или является нижней его частью. Сегмент подводит растение к противорежущей пластине и, защемляя ее в растворе этих элементов аппарата, срезает. В момент среза стебель опирается на противорежущую пластину (точка Б) и на перо-видный отросток пальца (точка А), т.е. на две опоры, что уменьшает изгиб стебля и тем самым повышает вероятность среза, особенно тонкостебельных растений, имеющих малую жесткость.
Силовое взаимодействие лезвия сегмента со стеблем растения
Первая часть выражений (2.7 и 2.8) отражает процессы, происходящие на кромке лезвия, а вторая на его фаске. С учетом того, что лезвие сегмента имеет насечку, величина силы Ррез будет зависеть от ее геометрических параметров и числа зубьев, вступающих в контакт со стеблем, последнее определяется диаметром срезаемого стебля dcm и шагом насечки tH. Тогда формула (2.7) примет вид: ( E h2 p J__ еж рез 2 Л p acm KP f [ + /sinV + //(f + cos2/?)]l (2.9) \ " "ел где dcm - диаметр срезаемых стеблей, м; tH - шаг зубьев насечки лезвия сегмента, м; Ррез - сопротивление разрушению стебля под кромкой лезвия, Н; Е — модуль упругости материала, МПа; ксж - сжатие материала, предшествующее разрушению, м; hCJI - толщина перерезаемого слоя материала, м; Р— угол заточки лезвия, град; / - коэффициент трения перерезанных волокон стебля о грани клина; // - коэффициент Пуасссона. Для расчета силы, действующей со стороны перерезаемого стебля растения на зуб насечки Ррез, предположим, что удельное давление растительной массы распределено равномерно по поверхности сечения зуба.
Под действием нормальных сил N2 и N3 на боковых гранях зуба возникают силы трения Т2тр, Тзтр. Силы R2 и JRJ соответственно являются равнодействующими сил N2, N3 и Т2тр, Т3тр. R2 = T2mp + N2, (2.10) R3=T3mp + N3. (2.11) Тогда Ppe3 = R,+R2+R3, (2.12) где Ri - сила, действующая на вершину зуба, Н. Силу R] можно представить как произведение площади контакта зуба со стеблем FK на разрушающее контактное напряжение (7Р: R, = apFK=apSl, (2.13) где 5- острота кромки лезвия, м; / - длина вершины зуба, м. Величина нормальных сил N2 и N3 определяется по уравнениям: м, х h3 N = aj sin (p2 где фи (fa- углы наклона боковых граней зуба, град; h3 - высота зуба насечки, м. (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) Касательные силы трения можно найти по формулам: T,2mp—j 2 Тзтр =fl 3, где /- коэффициент трения между зубом насечки и стеблем растения. Общая сила резания Ррез волокон стебля зубом насечки: 4- T„S—2— + f(rpS— - + fCTpS—3— cm en. і h рез & pM + Opd . " p . J p . J p . « sin, sin (Зо smq), sinfi 2 (2.18) + = CTPS Sin , Sin 2 J всех сил, противодействующих Ркр, получим: Подставляя значения "cm t„ Р = кр 2d cm .(су S l + h3(l + f{- — + -J— L vsin i sin Фі у (2.19) cm V cm ( cm J j Преобразуя полученное выражение, получим: l+h3(l+fi—+- 1 + sin sin J J Г Ґ Л 1 М ҐТ.Г-2 ,r v 2 H , 3 0ИЕ/ 17т,_пу„ J k\2 35r J M2 1- где dcm - диаметр срезаемых стеблей, м; tH - шаг зубьев насечки лезвия сегмента, м; Ор - разрушающее контактное напряжение, Н/м2 8— острота кромки лезвия, м; / - длина вершины зуба, м; (2.20) h3 - высота зуба насечки, м; /- коэффициент трения перерезанных волокон стебля о грани клина; (рь Р2 - углы наклона боковых граней зуба, град; Е - модуль упругости материала, МПа; Іісж - сжатие материала, предшествующее разрушению, м; J3— угол заточки лезвия, град; // - коэффициент Пуасссона; Som - величина отгиба стебля, м; J - полярный момент инерции поперечного стебля, м4; Ъ - расстояние от верхней части пальца до лезвия сегмента, м; к - зазор между сегментом и противорежущей пластиной, м; mm - масса стебля на участке I-II, кг; v„ - скорость сегмента, м/с; т— время удара режущего инструмента о стебель, с.
Данное выражение отражает и определяет основные параметры, влияющие на процесс разрушения стебля при разрезании его сегментом режущего аппарата: конструктивные - Д 8, tH, I, h3, ри (fe; физико-механические -,//,/, Op и некоторые режимные - dcm, Ьсж, т, v,„ киЬ.
Первое слагаемое выражения (2.20) определяет явления, приводящие непосредственно к разрушению и расщеплению материала под действием зубьев насечки и могут характеризоваться как полезные. Второе определяет явления, связанные с деформацией растительного материала в направлении перемещения лезвия, которые отрицательно влияют на показатели надежности технологического процесса резания, такие как энергоемкость и чистота среза.
Процесс резания в сегментно-пальцевом режущем аппарате разделен на две фазы: отгиб стебля сегментом до момента возникновения противорежу щего подпора и непосредственно среза. При этом нож, относительно стебля, совершает двоякое движение: поступательное, вместе с уборочной машиной и колебательное получаемое от механизма привода. В зависимости от конструкции косилок и жаток таким механизмом может служить планетарный механизм, качающаяся вилка, механизм качающейся шайбы и др. Колебательное движение, передаваемое приводом, порождает инерционные силы, которые снижают надежность режущего аппарата и увеличивают энергозатраты на перемещение ножа [39]. Мощность, потребляемая режущим аппаратом N,„ определяется по формуле [64]: NH = PH-vH (2.21) где Рн - сила на перемещение ножа, Н; VH - скорость движения ножа, м/с. Сила на перемещение ножа и его скорость не являются постоянными величинами и зависят от конструктивных особенностей режущего аппарата и его привода. На жатках комбайнов, в качестве привода режущего аппарата, наибольшее распространение получил механизм качающейся шайбы, кри-вошипно-ползунный и планетарный механизмы [39]. Рассмотрим процесс работы режущего аппарата (рисунок 2.6). Скорость ножа в процессе резания не постоянна и меняется в зависимости от его положения. Минимальное ее значение соответствует началу и окончанию резания, а максимальное среднему положению шатуна. Сила на перемещение ножа Рн складывается из трех составляющих: силы затрачиваемой на перерезание стеблей - Р, силы на преодоление сил инерции - Рин и усилия необходимого на преодоление трения - F. РН = Р + Рин +F. (2.22) н
Стендовые испытания сегментов режущего аппарата
Одним из путей, решения указанных недостатков сегмента, является оптимизация его формы таким образом, чтобы он сохранил свою прочность и режущую способность. Для этого необходимо подобрать методы расчета, позволяющие с достоверной точностью оценить напряженно-деформированное состояние ножа, соответствующее его эксплуатационной нагрузке и условиям, возникающим при попадании посторонних предметов в зону резания. Одним из таких методов является метод конечных элементов с использованием специального программного обеспечения [123].
Для расчета нами использовался российский программный комплекс АРМ WinMachine, который наиболее точно позволяет смоделировать нагрузки, действующие на узлы и детали во время их эксплуатации. Расчет выполнялся в следующей последовательности. В первую очередь создается 3D модель в программе, далее в модуле АРМ Structure 3D расставляются места крепления сегмента к ножевой полосе и действующие внешние нагрузки (рисунок 2.12).
По данным исследований [46], величина внешних сил, которые приводят к изгибу сегмента в вертикальной плоскости на расстояние достаточное для возникновения внезапного отказа, составляет Р = 100 Н. Затем задаются параметры материала из которого изготовлен исследуемый объект. Для сегментов режущего аппарата, изготовленных из стали У9, приняты следующие свойства: модуль упругости - 2,07x10 Па, коэффициент Пуассона - 0,3, плотность 7745 кг/м\ теплопроводность - 48,8 Вт/м-С, коэффициент линейного расширения - 0,00001125 С"1, допустимое напряжение при растяжении -3,15x10 Па. После проделанных действий производится разбиение модели на конечно-элементарную (КЭ) сетку. Шаг разбиения выбирается таким образом, чтобы по толщине стенки располагалось не менее трех объемных элементов, для нашего случая дискретность разбиения сетки принята 5 мм. В качестве выходных данных программа выдает модель исследуемой конструкции, на которой представлена карта эквивалентных напряжений по Мезе су (расчетный параметр «SVM») в виде контуров, каждому диапазону значений соответствует свой контур (рисунок 2.13).
Анализируя полученные карты распределения напряжения можно выделить три основные зоны (рисунок 6). Зона «А» располагается у носка сегмента и характеризуется малыми значениями напряжения, не оказывающими влияние на его надежность. Зона «Б» находится в средней части спинки сегмента и имеет напряжения с малым численным разбросом. Зона «С», которая располагается у основания, где значения разрушающего напряжения имеют максимальные значения. У всех исследуемых образцов максимальное напряжение сконцентрировано у основания. При этом, образец V имеет в зоне «С» две ярко выраженные области: лезвие (область I) и область просечки (область II). Из рисунка видно, что просечка в образце II не оказывает существенного влияния на распределение разрушающего напряжения по сечению сегмента.
Таким образом, для сегментов стандартной формы и образца II вследствие того, что лезвие имеет твердость 50...55 HRC, а сердцевина 30...35 HRC, у краев в зоне «С» будет происходить хрупкое разрушение, а в средней части пластическая деформация, что приведет к изгибу. При возвратно поступательном движении ножа изогнутый сегмент заденет рядом стоящие детали. Также из рисунка следует, что при внезапном отказе в образце V разрушение начнется в области II, а затем перейдет в область I, так как его материал по всему сечению имеет одинаково высокую твердость. Однако отсутствие незакаленной сердцевины может привести к его разрушению в процессе работы из-за действующих ударных нагрузок об элементы пальцевого бруса.
На основании полученных результатов нами предлагается сделать две просечки в средней части сегмента у носка и у основания. Компьютерный анализ предложенного технического решения показал, что максимальные напряжения сосредоточены в области «С» по краям лезвия у про 9 9 сечки. Их значения увеличиваются с 6,307 Н/мм до 24,99 Н/мм , что позволяет обеспечить более легкое разрушение сегмента при внезапном отказе. В зоне «Б» у второй просечки напряжения имеют минимальные значения, что не повлияет на прочность сегмента (рисунок 2.14). юна Б
На основании теоретической модели повышения ресурса лезвия и полученных результатов компьютерного анализа формы сегментов разработана его новая конструкция - патент № 2453099 (приложение, рисунок 2.15) [83].
Отличительная особенность новой конструкции сегмента режущего аппарата состоит в том, что на затылочную часть лезвия нанесено износостойкое покрытие толщиной 2,5...3,0 мкм, а в спинке имеются две просечки. Указанная толщина покрытия практически не оказывает влияния на изменение исходной остроты лезвия сегмента, а наличие просечек позволяет ему полно стью разрушиться при внезапном отказе. Снижение массы сегмента положительно сказывается на уменьшении инерционных нагрузок и затрат мощности на привод.
Для анализа эффективности предложенного решения проблемы внезапных отказов, введем коэффициент относительного снижения затрат Эот , выраженный в процентах. Он представляет собой отношение затрат, приходящихся при восстановлении работоспособности режущего аппарата в случае реализации предлагаемого решения Зпр0бЩ и при обычных ситуациях Зстобщ описанных выше. Эот= . (2.57) ит густ Расчет проведем для зерноуборочного комбайна Дон - 1500А, используя данные о его производительности, наработке на отказ и норм времени на замену сегмента - из литературных источников [113, 122, 78]. Предположим, что в первом случае произошел отказ сегмента и пальца, а во втором только сегмента. При этом примем, что время, затраченное на переезд уборочной машины к месту работы Т3 и на выезд уборочной машины из загона Твз, для обоих случаев одинаково.
Подставив численные значения переменных в формулу (2.57), получим, что затраты при внедрении предлагаемого решения на 57,8% меньше. Это объясняется тем, что в первом случае, происходит снижение показателей 3j и 32 за счет уменьшение последствия отказа и времени его ликвидации.
Результаты сравнительных испытаний экспериментальных и стандартных сегментов на внезапный отказ
Анализ геометрических параметров рабочих поверхностей лезвия рассматриваемых сегментов, новых и после наработки в 0,76 га, позволил условно разделить их на три группы [84].
К первой группе отнесен образец I. Его зубья, в плоскости затылочной части сегмента, представляют собой ряд равнобедренных треугольников перпендикулярных лезвию с углом наклона (рср = 60 и высотой зубьев h3Cp = 0,98 мм (рисунок 4.3а). Такая форма насечки лезвия приводит к быстрому износу вершины зубьев, что, в свою очередь, вызывает увеличение сопротивления резанию [84].
Во вторую группу включены образцы II и III. Насечка у этой группы сегментов представляет собой клинья, острие которых ориентировано по направлению перемещения сегмента относительно противорежущей пластины. Высота зубьев составляет h3Cp= 1,20 мм с углами наклона боковых граней (р1ср = 40 и (р2Ср = 96 соответственно, что способствует меньшему износу вершины зубьев, при взаимодействии лезвия со стеблем растения (рисунок 4.3 б, в).
К третьей группе отнесены образцы IV и V. Их насечка представляет собой резцы с вершиной в виде дуги, средняя длина которой составляет 1ср = 0,87 мм, а углы наклона граней (р\ср - 40 и (р2ср = 90 соответственно. Характер износа лезвия сегментов данной группы аналогичен предыдущей, но благодаря особой форме вершины зубьев, лезвие дольше сохраняет свою режущую способность по сравнению с другими формами насечки (рисунок 4.3г, д). Следует отметить, что такая форма насечки является немецким стандартом и отвечает требованиям DIN 11300.
Результаты проведенного анализа геометрических параметров сегментов режущего аппарата и обработка экспериментальных данных показали, что у всех исследуемых образцов значения параметров соответствуют требованиям ГОСТа. Но следует отметить, что высота зубьев h3 у образцов III и V более чем в 2 раза превышает требуемое значение. Запас режущей способности у таких лезвий будет выше, но и вероятность выкрашивания насечки также высока. У образца II зубья имеют угол заострения р в среднем на 10 меньше, чем у других сегментов. Такая насечка обладает лучшей проникающей способностью, но и вероятность ее выкрашивания также высока.
Сравнение стандартных полей допусков геометрических параметров лезвия с измеренными значениями, показывает, что у сегментов под номером III и IV верхняя граница интервала распределения значений остроты кромки лезвия выходит за пределы, установленные ГОСТом, на 50% и 25% соот 105
ветственно, а у образца II данный показатель имеет большой диапазон значений с коэффициентом вариации V = 10,17%. Такие отклонения параметра формы лезвия могут привести к его неравномерному износу и быстрому выходу из работоспособного состояния.
Таким образом, лучшими показателями эксплуатационной надежности обладает образец V. Наличие округлой вершины на зубьях лезвия со средней длиной дуги 1,10 мм и достаточная высота насечки h3 =1,12 мм с углом наклона (pi =54 позволяет им дольше сохранять режущую способность и свое функциональное назначение.
Для обработки данных, полученных в ходе эксперимента по трехуровневому плану Бокса-Бенкина 2-го порядка, была разработана программа в Microsoft Excel, алгоритм которой соответствует методике обработки экспериментальных данных (приложение 4) [26, 90, 135].
После обработки экспериментальных данных были получены функции отклика параметра оптимизации, уравнения регрессии которых в раскодированном виде имеют вид: уст = 0,99 -1,72Са + 0,02Рг + 0,08v„ + 0,09СЙ Р + 1,02 Са v, (4.1) уэк = 0,52 - 0,64Са + 0,0084Рг + 0,031 vH + 0,036Са Р + 0,4Са v. (4.2)
Полученные уравнения подвергались статистической проверке разработанной программой по критериям Кохрена (оценка воспроизводимости), Стьюдента (оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии по доверительному интервалу) и Фишера (оценка адекватности расчетных значений критерия оптимизации по уравнениям регрессии, полученным в ходе эксперимента) [26, 90, 135].
Анализ закономерностей износа стандартных и экспериментальных сегментов (рисунок 4.4) показал, что все зависимости имеют линейный характер. При этом при увеличении абсолютной скорости перемещения сегмента vH и концентрации абразива Са скорость изнашивания у в исследуемом диапазоне значений нормальной силы Рг (Pz = 10 Н, Pz = 20 Н, Рг = 30 Н) имеет тенденцию к возрастанию. К примеру, при Pz= ЮН скорость изнашива-ния стандартного сегмента для vH = 2,8 м/с и Са = 0,1 кг/м равна у = 1,62 мкм/ч, а при v„ = 4,2 м/с и Са = 0,1 кг/м равна у- 1,87 мкм/ч. При увеличении концентрации абразива до максимального значения, при тех же значениях скорости и нормальной силы, скорость износа имеет значения у = 2,64 мкм/ч и у = 3,60 мкм/ч соответственно. То есть с увеличением абсолютной скорости перемещения сегмента и концентрации абразива скорость изнашивания у увеличилась в первом случае в 1,6, а во втором в 1,9 раза.
