Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цели и задачи исследования 11
1.1 Обзор конструкций высевающих аппаратов 11
1.2 Причины нарушения работоспособности дисковых высевающих аппаратов пневматических сеялок 16
1.3 Анализ научных работ по исследованию дисковых высевающих аппаратов 23
1.4 Обзор и анализ существующих технологий для повышения работоспособности сеялок и ресурса отдельных её элементов 27
1.5 Цель и задачи исследования 32
2 Теоретические исследования ресурса пары трения «диск-прокладка» высевающего аппарата пневматической пропашной сеялки 33
2.1 Теоретические предпосылки повышения ресурса высевающего комплекта 33
2.2 Теоретический анализ процесса работы высевающего комплекта 36
2.2.1 Анализ потерь вакуума в пневмотранспортной системе 36
2.2.2. Анализ взаимодействия высевающего диска и семени 39
2.2.3 Анализ взаимодействия дозирующего диска и уплотнительной прокладки 45
2.3 Теоретическая модель повышения ресурса высевающего комплекта 52
2.3.1 Теоретическая модель сравнительной оценки пары трения
«диск - прокладка» пневматического высевающего аппарата 59
2.4 Оценка эффективности процесса высева показателем надежности.. 68
2.5 Выводы по главе 72
3.Методика экспериментальных исследований 73
3.1 Методика исследования триботехнических свойств пары трения «диск - прокладка» з
3.1.1 Комплекс оборудования для исследований микрометража дозирующих дисков и уплотнительных проклдок 73
3.1.2 Комплекс оборудования для исследований микротвердости 74
3.1.3 Комплекс оборудования для исследований шероховатости 76
3.1.4 Определение коэффициентов трения материалов в парах трения 77
3.2 Методика проведения многофакторного эксперимента по определе
нию скорости изнашивания 78
3.2.1 Определение наиболее значимых факторов, влияющих на скорость изнашивания 78
3.2.2 Методика проведения многофакторного эксперимента 79
3.2.3 Методика определения скорости изнашивания материалов 3.2.3.1 Подготовка образцов к эксперименту 84
3.2.3.2 Весовой метод для определения величины износа 85
3.3 Методика проведения полевого эксперимента 86
3.3.1 Методика проведения полевого эксперимента, по определению предельного ресурса высевающего аппарата 86
3.3.2 Методика проведения полевого эксперимента по определению качества высева 87
3.3.3 Методика проведения полевого эксперимента, по определению равномерности высева 87
3.4 Методика обработки экспериментальных данных 87
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 93
4.1 Результаты исследования физико-механических свойств материалов пары трения «диск - прокладка» 93
4.1.1 Результаты микрометража дозирующих дисков пропашной пневматической сеялки 93
4.1.2 Результаты микрометрожа уплотнительных прокладок пропашной пневматической сеялки 96
4.2 Обоснование количества вводимой смазки 96
4.2.1 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания в исследуемых парах трения 97
4.3 Результаты проведения полевого эксперимента 104
4.3.1 Результаты проведения полевого эксперимента, по определению зависимости изменения нормы высева от суммарного износа серийного высевающего комплекта 105
4.4 Теоретические исследования зависимости надежности процесса высева от суммарного износа высевающего комплекта
4.5 Выводы по главе 117
5 Технико-экономическая оценка результатов исследования 119
5.1 Расчет затрат на увеличение ресурса высевающего комплекта «диск - прокладка» 119
5.2 Выводы по главе 124
Заключение 125
Список используемой литературы
- Анализ научных работ по исследованию дисковых высевающих аппаратов
- Анализ взаимодействия высевающего диска и семени
- Комплекс оборудования для исследований микротвердости
- Результаты микрометража дозирующих дисков пропашной пневматической сеялки
Анализ научных работ по исследованию дисковых высевающих аппаратов
После чего оставшиеся семена транспортируются в зону сброса, где разгрузка ячеек осуществляется экранированием вакуума в результате перекрытия присасывающих отверстий со стороны вакуумной камеры, затем семенной материал под действием собственного веса падает в сошник (на рисунке не показан) и укладываются в борозду [36, 152].
Большинство производимых сеялок для посева пропашных культур с пневмовакуумными высевающими аппаратами отличаются объемом семенной и вакуумной камеры; габаритами дозирующих дисков и ворошителей (ворошилок) семян; конструкциями и типами сбрасывателей «лишних» семян, а также выталкивателями семян в борозду или семяпроводами.
Применение пневматических высевающих аппаратов для точного посева позволяет повысить скорость посева, снимает проблему травмирования семян. Отпадает также необходимость в предварительной калибровке семян, так как можно использовать один дозирующий элемент с относительно крупными отверстиями для высева разных фракций. Хотя это не уменьшает зависимость качества работы аппарата от свойств высеваемой культуры, но делает их более универсальными.
На российском рынке сельскохозяйственной техники основные фирмы-производители от общего числа моделей пропашных сеялок предлагают около 77% сеялок точного высева с пневмовакуумной системой дозирования семян, с системой избыточного давления - около 6% и с механической системой - около 17%. При этом простыми в ремонте, привычными потребителю для посева считаются сеялки вакуумного типа отечественного и зарубежного производства. Однако качественный односемянной высев посевного материала сеялками данного типа возможен только при условии надежного захвата семян дозирующими элементами и стабильности параметров дозирующей системы в эксплуатации [142].
Анализ литературных источников показывает, что наибольшее распространение получили аппараты вакуумного типа. Наряду с их положительными качествами отмечен такой недостаток, как низкий межремонтный ресурс в результате износа высевающего комплекта, состоящего из дозирующего диска и уплотнительной прокладки, что приводит к нарушению агротехнических норм при высеве пропашных культур. Поэтому работы, направленные на повышение ресурса работы высевающих комплектов и качества, является актуальным и представляют практический интерес.
В этом случае рабочие органы высевающего аппарата находятся в зоне большой запыленности воздуха (от 0,05 до 1 Мг на 1 м2) с увеличенной концентрацией пылевидного абразива [40, 41]. В зону контакта пар трения «диск - прокладка», обеспечивающих необходимую величину разрежения, попадают абразивные частицы крупной и средней пыли в микронеровности (шероховатости) прокладки, приводящие к износу и нарушению стабильного присасывания семян, вызывающие неустойчивость и неравномерность высева, а также нарушению заделки семян в почву. Износ уплотнительной прокладки тоже подвержен абразивному изнашиванию и во многом схож с процессом изнашивания дозирующего диска, однако проходит более интенсивно, так как материал прокладки более мягкий.
Анализ показал, что рабочие поверхности остальных деталей высевающего аппарата оказывают влияние на работоспособность сеялки, но их роль не значительна [64].
Пыль в виде мелких абразивных частиц проникает в пары трения механизма, осаждается на поверхностях, что вызывает повышенные износы и разрушения деталей. Одни и те же пары трения «диск - прокладка» при севе на разных почвах изнашиваются не только с разной скоростью (темпом), но и с различным распределением самого износа по лицевой стороне дозирующего диска [52, 87].
Доминирующим фактором в изнашивающей способности почв является их гранулометрический состав. Величина коэффициента изнашивающей способности изменяется в больших пределах и зависит от размера абразивных частиц и их влажности [94, 114].
Количество частиц почвы зависит от ее механического состава, который определяет величину удельного сопротивления почвы при обработке. Высокой изнашивающей способностью обладают песчаные почвы, содержащие до 70-85% твердых минеральных частиц кварца. Меньшей твердостью характеризуются породы, образующие глинистые почвы.
Для характеристики механических свойств почвы используют весьма обширный перечень показателей [6, 18, 19, 94]. По способу их определения они могут быть разделены на три большие группы, в которые входят показатели, определяемые соответственно по результатам испытаний: штамповых, сдвиговых и на отдельные виды деформации (растяжение, сжатие и др.) почвы.
Мелкий В зависимости от влажности концентрация частиц пыли может быть от 5 до 15%. При высокой влажности концентрация пыли практически минимальна, но абразивные частицы будут присутствовать постоянно, так как они поступают с семенным материалом, поэтому минимальная концентрация абразива будет составлять не менее 5%.
В данной паре трения абразивное изнашивание преобладает над другими видами изнашивания. Под абразивным изнашиванием чаще всего понимают разрушение поверхности металла в результате воздействия твердых частиц. Исследованию абразивного изнашивания материалов посвящены работы В.И. Костецкого, В.Д. Кузьнецова, И.В. Крагельского, М.М. Хрущева, П.Н. Львова, М.М Тененбаума и др. [57, 58, 63, 65, 82, 122, 123]. Однако до сегодняшнего дня нет единого взгляда на механизм отделения частиц металла деталей в этом процессе.
Абразивное изнашивание в течение длительного времени исследователи связывали исключительно с режущим действием абразивных частиц. Так, В.Д. Кузнецов [65] указывает, что механизм износа является простым и сводится к сумме большого числа элементарных процессов царапания. В.И. Костецкий [57, 58] также считает, что абразивный износ вызывается чисто механическим процессом срезания твердых частиц микрообъемов металла, при котором происходит еще и активация металла.
В то же время существует мнение, что при абразивном изнашивании разрушение поверхности металла происходит в результате действия двух процессов. М.М. Хрущев и М.А. Бабичев [128, 129] утверждают, что хотя для многих подвидов абразивного изнашивания существенной частью механического процесса, определяющего изнашивание, является микрорезание (т.е. отделение от металла микроскопической стружки в результате царапающего действия частицы), но все же, не все абразивные частицы входящие под нагрузкой в соприкосновение с металлической поверхностью, могут резать. Большинство из них оставляют след в виде пластически выдавленной канавки. Согласно гипотезе И.В. Крагельского [63], главной причиной изнашивания при трении металлов об абразивные закрепленные частицы является не снятие стружки абразивным зерном, а многократное пластическое деформирование одних и тех же микрообъемов металла («передеформирование»), в результате чего происходит их усталостное разрушение. И.В. Крагельский полагает вероятным также наличие второго процесса - непосредственного съема металла, но его доля незначительна.
Анализ взаимодействия высевающего диска и семени
Допустим, при насыщении уплотнительной прокладки антифрикционным материалом удалось увеличить ее износостойкость в два раза. Это значит, что за межремонтный период эксплуатации узла модернизированная деталь износится на величину в 2 раза меньшую, чем стандартная деталь, а за два межремонтных срока достигнет такой же величины износа, как стандартная деталь за один срок. На втором этапе производится перестановка ворошильных флажков в другую рабочую позицию дозирующего диска с насыщением уплотнительной прокладки антифрикционным материалом (рис. 2.17). ОБЩ
На первом этапе выполняется упрочнение нового дозирующего диска, который был равен объему работы Т, что соответствовало выбраковочному износу hB, но замена рабочих поверхностей осуществлялась в конце последнего сезона Тр, при средних затратах, направленных на увеличение продолжительности работы высевающего комплекта, выполненной в межсезонье З31. Допустим, при упрочнении дозирующего диска и насыщении уплотни-тельной прокладки удалось увеличить их износостойкость в два раза. Это значит, что за межремонтный период эксплуатации узла новое сопряжение упрочненной и модернизированной детали износится на величину в 2 раза меньшую, чем стандартные детали, а за два межремонтных срока достигнет такой же величины износа, как стандартные детали за один срок.
Рисунок 2.18 - Модель выполнения заданного объема посева пропашных культур и общих затрат сравниваемых серийных и усовершенствованных по комплексному подходу повышения ресурса дозирующего диска и уплотнительной прокладки Зв - затраты на восстановление дозирующего диска, руб. На третьем этапе производится перестановка ворошильных флажков в другую рабочую позицию с последующим упрочнением. Затраты, связанные с перестановкой ворошильных флажков, последующим упрочнением и насыщением уплотнительного материала на 3 этапе, можно определить по выражению где ЗПЕ - затраты на перестановку ворошильных флажков в другую рабочую позицию и упрочнение, руб.
На каждом этапе уплотнительная прокладка насыщается антифрикционным материалом. Тогда общие затраты, связанные с повышением ресурса серийного высевающего комплекта после проведения комплекса работ, определяются по выражению 3?=(Здд+3Уп+Зн+Зу)+(3Уп+Зн+Зв+Зу)+(3Уп+Зн+ЗпЕ+Зу)+(3Уп+Зн+Зв+Зу)(2.38)
Куп - коэффициент, учитывающий увеличение стоимости на 0,2...0,25 от затрат на покупку и замену высевающего комплекта при покупке уплотнительной прокладки; Ку - коэффициент, учитывающий увеличение стоимости на 0,1...0,15 от затрат на покупку и замену дозирующего диска при выполнении упрочняющей операции; Кн - коэффициент, учитывающий увеличение стоимости на 0,025...0,075 от затрат на покупку и замену дозирующего диска при выполнении насыщения уплотнительного материала антифрикционным составом; Кв - коэффициент, учитывающий увеличение стоимости на 0,075...0,125 от затрат на покупку и замену дозирующего диска при выполнении восстановительных операций;
КПЕ - коэффициент, учитывающий увеличение стоимости на 0,05...0,1 от затрат на покупку и замену дозирующего диска при выполнении перестановки ворошильных флажков диска в другую рабочую позицию.
Зная коэффициенты увеличения стоимости проводимого метода повышения долговечности, можно получить значение обобщённого коэффициента в пределах К0Б=2,5...3,25.
По предварительным данным, применение предлагаемого комплекса выполненных работ по повышению долговечности высевающего комплекта дает преимущество в выигрыше затрат на потерю продукции и кратности замен серийных дозирующих дисков и уплотнительных прокладок до выбраковки.
Анализ выражения показывает, что выигрыш в эксплуатации в основном определяется как в снижении кратности затрат на замену, так и ликвидации затрат, связанных с потерей продукции за счет повышения долговечности пары трения «диск - прокладка». Кроме этого, применение комплексного подхода по продлению срока службы высевающего комплекта позволяет неоднократно использовать серийные дозирующие диски при сравнительно невысоких сопутствующих затратах [70, 71].
Комплекс оборудования для исследований микротвердости
Так, при Р = 3,2 кПа скорость изнашивания уплотнительной прокладки для твердого граничного трения составила U = 1,9512 мг/ч, а при добавлении 10% твердой смазки на образец - U = 1,2948 мг/ч. То есть скорость изнашивания U снизилась на 33,6%. При Р = 4 кПа скорость изнашивания уплотнительной прокладки для твердого граничного трения составила U = 1,899 мг/ч , а при добавлении 10% твердой смазки на образец - U = 1,129 мг/ч. То есть скорость изнашивания U снизилась на 40,5%.
При Р = 4,8 кПа скорость изнашивания уплотнительной прокладки для твердого граничного трения составила U = 1,8468 мг/ч, а при добавлении 10 % твердой смазки на образец - U = 0,9632 мг/ч. То есть скорость изнашивания U снизилась на 47,8%. Следует отметить тот факт, что при уменьшении давления и увеличении количества смазки, происходит прирост снижения скорости изнашивания на 14,2%.
Аналогичный анализ этих зависимостей при неизменном количестве смазки (См =const) показал, что при твердом трении (См =0) и давлении Р = 4,8 кПа скорость изнашивания уплотнительного материала равна 1,9512 мг/ч, а при давлении Р = 4,8 кПа - 1,8468 мг/ч. То есть при снижении давления скорость изнашивания уменьшилась на 5,4%.
При См=5% и при давлении Р = 3,2 кПа скорость изнашивания уплотнительного материала равна 1,623 мг/ч, а при давлении Р = 4,8 кПа - равна 1,405 мг/ч. То есть при снижении давления скорость изнашивания уменьшится на 13,4%.
При См=10% и при давлении Р = 3,2 кПа скорость изнашивания уплотнительного материала равна 1,2948 мг/ч, а при давлении Р = 4,8 кПа - 0,9632 мг/ч. То есть при снижении давления скорость изнашивания уменьшилась на 25,6%. Следует отметить тот факт, что с увеличением количества смазки снижение давления дает прирост снижения скорости изнашивания на 20,2%. Однако снижение давления в высевающем аппарате более 4,8 кПа приводит к появлению пропусков семян, в результате снижения силы присасывания.
При исследовании было отмечено что максимальная скорость изнашивания образца наблюдался при Р=3,2 кПа без смазки U = 1,9512 мг/ч, а минимальная скорость изнашивания при Р=4,8 кПа с 10% твердой смазки U = 0,9632 мг/ч, разница составляет 50,6% Рассмотрение аналогичным способом скорости изнашивания дозирующего диска при Са = 10%, показало, что процессы износа идентичны (рис. 4.6). Зависимость скорости изнашивания материала дозирующего диска от давления Р и количества твердой смазки Смпри Са=10% Но следует отметить тот факт, что скорость изнашивания дозирующего диска примерно в десять раз ниже износа уплотнительной прокладки. Это объясняется тем, что поверхность диска значительно тверже поверхности уплотнительной прокладки.
При этом, надо сказать, что максимальная скорость изнашивания дозирующего диска наблюдался при Р=3,2 кПа без смазки U = 0,1864 мг/ч, а минимальная скорость изнашивания при Р=4,8 кПа с 10% твердой смазки U = 0,1272 мг/ч, при этом разница составила 31,7%.
В результате проведенных исследований установлено, что испытанные образцы имеют различную скорость изнашивания при изменении количества смазки и давления. Также следует отметить, что с понижением давления износ уменьшается. Отсюда следует вывод - для того чтобы стабилизировать работу пары трения необходимо внедрить не менее 10% твердой смазки.
Процесс износа в паре трения «диск - прокладка» имеет свои характерные особенности. Износ уплотнительнои прокладки проявляется в большей степени в отличие от дозирующего диска. При добавлении антифрикционного материала в пару трения «диск - прокладка» эти поверхности покрываются пленкой, которая защищает поверхности уплотняемых деталей от износа.
Наибольшую информативность и обоснованность в принятии решения о выборе материалов в парах трения дает оценка через показатели относительной износостойкости, которые представляют собой отношения: К = , (4.7) к2 = її. (4.8) где кх - показатель относительной износостойкости пары трения без смазки к этой же паре трения с См=5% твердой смазки; к2 - показатель относительной износостойкости пары трения без смазки к этой же паре трения с См=10% твердой смазки.
Коэффициенты kt и к2 показывают отношение скорости изнашивания пары трения без смазки соответственно к парам трения с 5 и 10% количества твердой графитной смазки (рис 4.7).
Уменьшение давления в паре трения «диск - прокладка» при максимальном количестве абразива увеличивает относительную износостойкость пары трения с двумя точками смазки значительно интенсивнее по сравнению с той же парой трения, но с одной точкой смазки.
Анализ рисунка показывает, что относительная износостойкость уплотнительнои прокладки при давлении прижатия сопрягаемых деталей Р=4,8 кПа и концентрации абразива Са= 10% при См =5% количества твердой смазки увеличивается в 1,202 раза, а при См =10% смазки количества твердой смазки в 1,506, что больше на 20,1%.
Результаты микрометража дозирующих дисков пропашной пневматической сеялки
Экспериментально установлено, что при суммарной величине износа серийного высевающего комплекта, равной 2,5 мм, происходит нарушение норм высева и густоты распределения семян. Если оценку эффективности процесса высева осуществлять по предлагаемой методике, то показатель надежности P(t)= 10-23%, а показатель фактической результативности крайне незначителен и составляет FpB=0,1-0,3. По этому было установлена величина рекомендуемого выбраковочного износа 2,1-2,2 мм, которая обеспечит показатель надежности не менее 80...90% по качеству распределения семян, а фактическая результативность процесса составит FpB=4...9.
Установленная величина рекомендуемого выбраковочного износа для следующих комплектов при обеспечении надежности процесса высева не менее 80...90% для серийного высевающего комплекта при наработке 47,6...49,2 га. При достижении серийным высевающим комплектом выбраковочного износа производится работа по переустановке ворошильных флажков в другую рабочую позицию на неизношенную поверхность дозирующего диска с обязательной заменой уплотнительнои прокладки на новую, что позволяет увеличить наработку данного высевающего комплекта до 78...81 га. Если внедрить 10% твердой антифрикционной смазки от площади выступов уплотнительнои прокладки с последующей переустановкой ворошильных флажков и повторной заменой насыщенной уплотнительнои прокладки, наработка будет составлять 135,6...139,8 га. При этом использование комплексного подхода по повышению ресурса дозирующего диска и уплотнительнои прокладки позволяет использовать их до максимальной наработки в 305,8...321,4 га.
Расчет затрат на увеличение ресурса высевающего комплекта «диск - прокладка» Технико-экономическую оценку увеличения ресурса высевающего комплекта «диск - прокладка» рассмотрим применительно ко всем вариантам: 1 вариант - серийный высевающий комплект. Стоимость будет складываться из стоимости дозирующего диска Свд и уплотнительной прокладки Суп и определяется по формуле Сс=Свд+Суп (5.1) 2 вариант - серийный дозирующий диск и уплотнительная прокладка работаю до выбраковочного износа с последующей переустановкой воро шильных флажков в новую рабочую позицию диска с заменой уплотнитель ной прокладки. Стоимость затрат можно определить по формуле СДЕР= Свд+2Суп+ЗдЕР (5-2) 3 вариант - серийный дозирующий диск и уплотнительная прокладка, насыщенная точками твердой смазки работающют до выбраковочного износа с последующей переустановкой ворошильных флажков в новую рабочую пози цию диска с заменой уплотнительной прокладки на новую с точками смазки. Стоимость определяется по формуле Сн=Свд+2Суп+23н+Згшр. (5-3) 4 вариант - комплексный подход по повышению ресурса дозирующе го диска и уплотнительной прокладки предусматривает 4 этапа: - на первом этапе произвести упрочнение серийного дозирующего диска; - на втором и четвертом этапах производится восстановление рабочих поверхностей дозирующего диска соприкасающихся с выступами уплотни 121 тельной прокладки с последующим упрочнением; - на третьем этапе производится перестановка ворошильных флажков в другую рабочую позицию дозирующего диска; - на каждом этапе производится замена изношенной уплотнительной прокладки на новую, в выступах которой вырезаны продолговатые пазы, заполненные точками твердой смазки.
Так как при модернизации высевающего комплекта необходимо произвести 4 раза замену насыщенной уплотнительной прокладки, 4 раза произвести упрочнение дозирующего диска при этом произвести двукратное восстановление дозирующего диска с последующей переустановкой ворошильных флажков. Зу - затраты на упрочнение дозирующего диска, руб.; Зв - затраты на восстановление дозирующего диска, руб.; ЗПЕ - затраты на перестановку ворошильных флажков в другую рабочую позицию, руб.
Стоимость затрат на переустановку ворошильных флажков в новую рабочую позицию диска с заменой уплотнительной прокладки составит: Кп =300+50=350 руб. (5.5) Экономический эффект от использования перестановки ворошильных флажков в другую рабочую позицию с заменой уплотнительной прокладки, для обеспечения надежности процесса высева в районе 85% при наработке их
Исходя из данных таблицы и рисунка получаем, что при эксплуатации высевающего комплекта при наработке 400 га затраты на серийный высевающий комплект составили 15120 руб. На переустановку ворошильных флажков в другую рабочую позицию с заменой уплотнительной прокладки необходимо затратить 10922 руб., что на 28 % меньше. При выполнении тех же операций по переустановке ворошильных флажков, но уже с насыщенным антифрикционным материалом уплотнительных прокладок, затраты составят 7227,5 руб., что на 52 % меньше. При использовании комплексного подхода по повышению ресурса дозирующего диска и уплотнительной прокладки необходимо затратить 6736,4 руб., что на 55% ниже.
