Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Агротехнические требования, предъявляемые к лемешно-отвальным плугам общего назначения... 8
1.2. Анализ работоспособности пахотного агрегата 9
1.2.1. Влияние износа лемеха на эксплуатационно-технологические показатели пахотного
агрегата 10
1.2.2. Влияние износостойкости на срок службы лемехов 12
1.3. Материалы и технологии, применяемые для изготовления лемехов 16
1.4. Основные методы повышения износостойкости лемехов 21
Выводы 26
2. Теоретические исследования повышения износостойкости меха 29
2.1. Механизм абразивного изнашивания 29
2.1.1. Процесс микрорезания абразивом металлической основы 33
2.1.2. Процесс разрушения поверхностного слоя при вырыве карбидных включений 35
2.2. Факторы, определяющие тяговое сопротивление плуга 40
2.2.1 Определение усилий, возникающих при разрушении почвы рабочей поверхностью лемеха 40
2.2.2. Определение усилий, возникающих при подъеме пласта лемехом и усилий, возникающих при преодолении сил инерции разрушенного пласта 42
2.2.3. Определение усилий, возникающих при перемещении лезвия лемеха 45
2.3. Закономерности износа монометаллического лезвия лемеха 46
2.4. Закономерности износа биметаллического лезвия лемеха. 53
Выводы 63
3. Программа и методика экспериментальных исследований 65
3.1. Программа исследований 65
3.2. Объект исследований 65
3.3. Технические требования к лемехам, изготавливаемым из высокопрочного чугуна 67
3.4. Методика определения структуры и механических свойств материала лемеха 68
3.5. Методика стендовых лабораторных исследований 69
3.5.1. Подготовка стенда 71
3.5.2. Проведение микрометража 72
3.5.3. Проведение стендовых испытаний 75
3.6. Методика предварительных лабораторно-полевых поисковых исследований и испытаний лемехов 77
3.6.1. Проведение сравнительных исследований и испытанийлемехов 79
3.7. Методика исследований и испытаний лемехов на машиноиспытательных станциях 81
3.7.1. Агротехническая оценка 82
3.7.2. Энергетическая оценка 82
3.7.3. Оценка надежности. 85
3.7.4. Экономическая оценка 86
3.8. Обработка статистических результатов исследований 89
4. Результаты экспериментального исследования высокопрочного чугуна, лабораторных и лабораторно-полевых исследований и испытаний чугунных лемехов 93
4.1. Результаты лабораторных исследований высокопрочного чугуна 93
4.1.1. Влияние модификатора на микроструктуру и физико-механические свойства чугуна 93
4.1.2. Результаты анализа влияния модификаторов на износостойкость чугуна 100
4.1.3. Режимы термической обработки и упрочнения отливок лемехов. 102
4.2. Анализ результатов сравнительных стендовых испытаний лемехов 104
4.3. Анализ предварительных результатов лабораторно--полевых исследований лемехов 109
4.4. Результаты и анализ испытаний чугунных и серийных лемехов на машиноиспытательных станциях 115
4.4.1. Результаты испытаний на износостойкость лемехов в условиях Поволжской МИС 116
4.4.2. Оценка энергетических и агротехнических показателей пахотных агрегатов, укомплектованных серийными чугунными лемехами 121
Выводы 124
5. Результаты производственного использования и оценка экономической эффективности применения чугунных лемехов 125
5.1. Оценка экономической эффективности применения чугунных лемехов 135
Выводы.. 138
Выводы 139
Литература 141
Приложения 151
- Материалы и технологии, применяемые для изготовления лемехов
- Проведение микрометража
- Влияние модификатора на микроструктуру и физико-механические свойства чугуна
- Результаты испытаний на износостойкость лемехов в условиях Поволжской МИС
Введение к работе
Актуальность тема. В настоящее время основная обработка почвы выполняется плугами общего назначения. Производственные показатели плугоЕ остаются низкими из-за малых сроков службы рабочих органов. Основной деталью, лимитирующей работоспособность плуга, является лемех. Износ лемеха приводит к снижению эксплуатационно-технологических показателей пахотного агрегата. Серийновыпускаемые самозатачивающиеся лемехи имеют ряд недостатков,снижающих их долговечность. Эти лемехи трудоемки е изготовлении и практически исчерпали себя в плане повышения износостойкости. В сельском хозяйстве ежегодно расходуется 14-17 миллионов плужных лемехов, на изготовление которых затрачивается 87-106 тысяч тонн стального проката. Поэтоуу проблема повышения надежности и долговечности плужных лемехов относится к числу важнейших проблем современного машиностроения, которая не может быть решена без применения современных материалов, технологий их получения и оптимизации параметров, определяющих работоспособность лемеха.
Цель исследований. Повышение износостойкости и снижение стоимости лемехов плугов обиего назначения за счет применения высокопрочного чугуна и способа его упрочнения.
Объекты исследований. Физико-механические свойства материала, применяемого для изготовления лемехов, серийные самозатачивахияе-ся лемехи и лемехи из высокопрочного чугуна, лемепно-отвальные плуги обшего назначения,, укомплектованные серийными г экспериментальными лемехами.
Научная новизна. Выявлен механизм изнашивания материала лемеха в абразивной среде.
Получены аналитические выражения для определения усилий действующих на лезвие лемеха. Обоснованы закономерности износа однородного и биметаллического лезвия лемеха.
Разработан способ получения высокопрочного чугуна для яаготої-ления лемехов (а.с. 144524и)..
Разработан способ упрочнения лемехов изготовленных is высокопрочного чугуна {а.с. П753Ь}.
Практическая ценность работы; Подученные ваххсхкосп пожеолявт определить усилия действухвие на левв*е лемеха; озтаовиаине сои-
ношения физико-механических свойств материалов биметаллического лезЕия; оценивать работоспособность лемеха.
Получен состав высокопрочного чугуна для изготовления лемехов и способ их упрочнения.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Теоретические основы абразивного износа материала лемеха.
-
Аналитические зависимости для определения усилий, действующих на лезвие лемеха.
-
Обоснование закономерностей износа однородного и биметаллического лемеха.
-
Экспериментальное обоснование механических сеойсте высокопрочного чугуна и способов упрочнения отливок лемехов.
5» Экспериментальное исследование и испытание чугунных и серийных лемехов.
Апробацият Основные положения диссертационной работы докладывалась на научно-техничееких конференциях Саратовского института механизации сельского хозяйства(1979—1994г.г.) На международной конференции "Ревдеталь-вЗ" (г.Києе 1983г.). На научно-техническом совете ВЙСХОМ(г.Москва 1985г.) На областном научно-технической совете агропрома(г,Саратов 1982-1987г.г.) ' Чугунные лемехи экспонировались на ВДНХ СССР 1989, 19Э0г.г.
Внедрение. Результаты исследований реализованы на Саратовском подшипниковом заводе (ГЩ-3) и Саратовском заводе тяжелых зуборезных станков. Где по разработанной технологии были изготовлены чугунные лемехи в количестве 27000 штук, которые использовались на основной обработке почвы в хозяйствах Саратовской области.
Публикации; Основные положения и результаты исследований опубликованы в 10 работах из них в 5 отчетах по НИР, в том числе в описаниях к полученным 4 авторским свидетельствам.
Объем работы; Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Содержит ПО страниц основного текста, 54 рисунков 13 таблиц, список литературы аз 107 наименований, 44 стр. приложений.
Материалы и технологии, применяемые для изготовления лемехов
Плужные лемехи изготавливаются из стали Л53, 65Г. Они содержат: 0-0,6-0,66fc Mn-0,I4-0,2?0; Sl-0,7-156.
Метод повышения износостойкости высокоуглеродистой стали легирование, детально рассмотрен А.Н. Розенбаумом / 69 /. Изучалось влияние кремния, титана, ванадия, кремния совместно с марганцем. Исследовались стал! 9ХС; I5Х6С,- I5X6ТІ; I5X6T2; 15Х6Ф1; 15X618. В результате исследований делается вывод, что износостойкость сталей при абразивном изнашивании тем выше, чем больше содержание углерода. Наиболее сильное влияние на износостойкость оказывает присутствие в структуре карбидов. Кремний оказывает положительное влияние на износостойкость сталей, но из-за низкой твердости кремниевые стали для изготовления лемехов не применяются.
Хром образует карбиды повышенной твердости, причем износостойкость повышается тем быстрее, чем больше в стали содержание углерода. Способствуют повышению износостойкости титан, ванадий и вольфрам. Рекомендуется также при односторонней закалке лемеха применять стали с возможно более высоким содержанием углерода/70/.
Введение в сталь легирующих элементов исследовалось в работе [ЩРезультаты опытов, позволяют автору сделать вывод, что износостойкость сталей для лемехов можно повысить на 30-50$, увеличив в них от 1,5 до 2%0; от 6 до 12$ S , и при введении до 1,5-2$ Cz и ванадия. Однако, применение перечисленных элементов в качестве легирующих, влечет за собой значительное удорожание стали, и в некоторых случаях это экономически нецелесообразно.
Технологический процесс изготовления стальных лемехов является сложным как по количеству операций, так и по разнообразию требуемого оборудования.
Для изготовлении серийно-выпускаемых лемехов применяется специальная сталь Л53, получаемая путем передела расплавленного чугуна и добавкой легирующих элементов.
Затем полученные слитки прокатывают для получения специального профиля проката, идущего в кузнечно-прессовое производство для штамповки стальных лемехов, после чего производят наплавку лезвия износостойкими сплавами.
Применение чугуна для изготовления лемехов позволяет производить законченные изделия по наиболее короткому циклу: жидкий металл-готовое изделие / 71 /. Исследовательская работа показала полную обоснованность производства лемеха из высокопрочного чугуна. Исследование по применению высокопрочного чугуна для изготовления лемехов проводилось в трех направлениях:
- получение трехслойного лемеха с отбеленной поверхностью, отбеленным лезвием и с вязкой сердцевиной в сыром (без отжига) состояния;
- получение лемеха со сквозным отбелом, последующим отжигом спинки и сохранением отбеленного лезвия;
- получение лемеха отжигом всей отбеленной отливки с закалкой лезвия.
По первому варианту получали отбеленную износоустойчивую корку, толщина которой от 1,0-1,5мм в верхней части и возрастала до 3,0-3,5мм в направлении к лезвию. Само лезвие имело сквозной отбел. Однако трехслойный чугунный лемех при полевых испытаниях не показал ни требуемой прочности, ни высокой износостойкости.
Получение литого лемеха с отбеленным лезвием и вязкой сердцевиной при отливке его в кокиль оказалось несостоятельной.
Второй вариант - отливка лемеха со сквозным отбелом и последующим отжигом крепежной его части- спинки. В этом случае место крепления получается вязким, а рабочая часть- и износостойким при рациональном использовании начальной твердости белой отливки.
Полевые испытания показали малую прочность данных лемехов.
Третий вариант предусматривал отливку лемехов со сплошным отбелом, путем термообработки получали перлитную структуру, закалкой лезвия.
Испытания этих лемехов показали удовлетворительные результаты / 72 /.
Лемехи, ввиду их тонкого сечения и значительной металлоемкоети считаются нетехнологичными деталями в литейном отношении. В то же время возможность конструктивных их изменений ограничена, т.к. лемех является гостированной и взаимозаменяемой деталью. Поэтому изменения в размерах делались только в соответствии с требованиями литейной технологии: лемеху придавали клиновидную форму с уклоном 1,5мм по длине; для повышения прочности в наиболее нагруженном сечении вводились упрочняющие ребра.
Кристаллизация чугунных лемехов в металлической форме происходит с сильным переохлаждением, причем в отдельных частях отливки (лезвии) кристаллизация заканчивается раньше, чем в более толстом сечении, что приводило к образованию трещин и к некачественной отливке. Лемехи, изготовленные по данному способу; из-за их невысокой прочности также не получили широкого применения / 73 /.
Для производства лемехов применялся ваграночный чугун следующего химического состава: С=3,4-3,6$; ІІ =2,9-3,1 $Мп =0,4-0,6$; Р до 0,15$; S до 0,1$; модифицирование производилось 75$ ферросилицием в количестве 0,3$ и магнием в количестве 0,15$ к весу жидкого металла; магний вводился в ковш в стальных дверчатых стаканчиках; плавка велась в вагранке.
Для получения лемехов из данного чугуна заданной структуры и качества необходимо произвести термическую обработку, по следующему режиму: нагрев до 950С; выдержка при данной температуре 2 часа, последующее охлаждение на воздухе.
Полученная перлитная структура принята как исходная для проведения закалки по режиму: нагрев в соляной ванне до 920-950С и охлаждение в воде. После чего производился низкий отпуск.
Отливка лемехов по данной технологии не позволяла получать крепежные отверстия в литье, которые получали пробивкой или механической обработкой, что давало надрывы и дополнительную концентрацию напряжений.
Анализ ранее проведенных работ по применению чугуна для изготовления лемехов показал, что необходимо повышение механических свойств высокопрочного чугуна, а также отработка технологического процесса отливки лемехов с целью исключения возникающих дефектов.
Для увеличения износостойкости при абразивном изнашивании рабочих органов почвообрабатывающих машин, в частности лемехов, фирмы "Лодпе Керамике" и "Морган Матрок" (Великобритания) приступили к выпуску керамических лемехов. Срок службы которых по износостойкости превосходит стальные в 12 раз, однако стоимость их изготовления очень велика.
В процессе использования обнаружились недостатки этих лемехов-при динамической нагрузке появляются сколы, что приводит к образованию трещин / 74,75 /.
Анализируя материалы и технологии применяемые для изготовления лемехов можно сделать следующие выводы:
- основным материалом, для изготовления лемехов, являются железо-углеродистые сплавы, сталь и чугун; для повышения их износостойкости и прочности производят их легирование;
- перспективной технологий изготовления лемехов является их отливка из высокопрочного чугуна с последующей термической обработкой отливок.
Проведение микрометража
Перед началом и в процессе испытаний износостойкости лемехов, проводится микрометраж, заключающийся (рис.3.4) в измерении износа лемехов по ширине в трех сечениях СІ- СП-СШ: длины лемеха и носка лемеха L ; толщины лезвия лемеха Ъ и угла заточки# (рис.3.5); в контроле за изменением радиуса закругления Я , ширины затылочной фаски о и ее угла наклона Ъ к дну образуемой борозды (рис.3.5); в.измерении величины выступления режущей части упрочненного слоя. Радиус закругления & определяется вдавливанием острия лезвия в свинцовую пластину толщиной не менее 20мм. с помощью приспособления ВИСХОМ (рис.3.6).
Приспособление надевают на лемех так, чтобы его тыльная сторона совпала с базовой пластиной, закрепленной в корпусе приспособления болтами, а острие лезвия упиралось в свинцовую пластину. Рычаг нажимного эксцентрика находится при этом в нижнем положении. Лемех прижимают к пластине поворотом рычага эксцентрика по часовой стрелке.
Вдавливание свинцовой пластины в острие лезвия осуществляется поворотом рычага эксцентрика вверх против часовой стрелки.
После Едавливания пластина с отпечатком острия лезвия вынимается из приспособления, а затем отпечаток заливается быстротвердеющей смесью. Радиус закругления R определяется совмещением полученного слепка с шаблоном под микроскопом. Угол наклона затылочной фаски к дну борозды $ (рис.3.5) определяется угломером, а ее ширина с помощью свинцовой пластины сечением 1x5мм. Полоска прижимается к лезвию вручную до полного устранения просвета между ней и лезвием.
Со снятых деформированных полосок снимается копия профиля лезвия на миллиметровую бумагу. Для последующего изучения динамики изнашивания перед и в процессе испытаний периодически снимается копия профиля лезвия лемеха. Испытанию в стендовых условиях для получения сравнительных данных подлежат по 5 лемехов, каждой представленной партии. Испытывались серийновыпускаемые лемехи с объемной закалкой и с наплавленной сормайтом тыльной стороной лезвия лемеха, а также опытные, с вальцованной кромкой лезвия, представленные ВИСХОМом, и чугунные с упрочненной тыльной стороной лезвия.
Влияние модификатора на микроструктуру и физико-механические свойства чугуна
Определение оптимального количества вводимого в чугун модификатора и исследование влияния его на микроструктуру, физико-механические свойства и проводились на сплавах, в которых РЗМ менялся от О до 0,30$ через 0,05$ (приложение 4). В качестве исходного материала выбран усредненный состав серого чугуна /100/. Его химический состав: С= 3,2-3,9$; Si =2,2-2,9$; to-0.6-0,8fc Р до 0,2$; S до 0,12$. Исходный чугун (рис.4.1) состоит из графита пластинчатой формы, металлическая основа перлит П98.
Введение в исходный расплав 0,05$ модификатора приводит к частичному рафинированию расплава. Графитовые включения становятся тоньше и короче, металлическая основа практически не меняется, (рис.4.2), физико-механические характеристики незначительно возрастают (рис.4.3). Введение в расплав РЗМ до 0,10$ приводит к резкому изменению состояния расплава. Что указывает на активное его рафинирование расплава. Активное рафинирование приводит к значительному изменению микроструктуры (рис.4.3), пластинки графита утолщаются, металлическая оснога измельчается.
Механические характеристики возрастают до величия: 6 6= 34КГ/ММ2; =0,5$; 0 = 0,5.Ю2 кДЕ/мм2 (рис.4.8)
При введении 0,15$ модификатора нараду с графитовыми включениями пластинчатой формы имеется до 50$ шаровидного графита (рис. 4.4). При таком количестве введенного модификатора наиболее интенсивно продолжается его взаимодействие с азотом и серой, находящийся в расплаве. Механические характеристики возрастают в 2-2,2 раза по сравнению с исходным чугуном (рис.4.8).
Повышение вводимого РЗМдо 0,20$ приводит к полной дегазации и десульфурации расплава чугуна по азоту и сере (рис.4.5). Графитовые включения принимают полностью шаровидную форму. Механические характеристики полученного чугуна возрастают в 2,5-2,7 раза по сравнению с исходным чугуном и составляют Э =50кг/мм2; & =1,2$; CU = 0,8 Ю2 кДД/м2.
Последующее увеличение вводимого модификатора до 0,25$ и 0,30$ приводит к окончательному рафинированию расплава по сере и остальным элементам. Форма графитовых включений - шаровидная, металлическая основа перлито-ферритная (рис.4.6).
При введении 0,30$ модификатора в металлической основе встречаются отдельные включения цементита, что несколько снижает механические свойства чугуна (рис.4.7).
Анализ полученных результатов (рис.4.8) показывает, что оптимальное количество вводимого РЗМ находится в пределах 0,20-0,22$, при этом чугун будет иметь следующие физико-механические свойства. % = 55 мн/м2; S =1,3$ ; CU -Ю2 кДО/м2; НВ -250.
Для сравнения приводим механические характеристики стали Д53, идущей на изготовление серийных лемехов. (О, "56Ш/М2; S =11%; О,- г. иЛцж/м2; НВ = 265.
Результаты испытаний на износостойкость лемехов в условиях Поволжской МИС
Исследования и сравнительные испытания чугунных и серийных лемехов проводились на Поволжской МЙС в оптимальных и экстремальных условиях.
Очевидно наибольший интерес представляют результаты испытаний чугунных лемехов в экстремальных условиях. В 1987 году Поволжской МИС проводились испытания лемехов в совхозе "Красная Заря", Кинельского района, Куйбышевской области на почвах, чернозем обыкновенный, тяжелосуглинистый
Условия сравнительных испытаний приведены в таблице 4.3.
Опытные и серийные лемехи устанавливались на плуг навесной ПНИ-8-40 в смешанном комплекте, через один. В качестве энергосредства использовался трактор K-70I.
В процессе испытаний определялись следующие показатели:
- абсолютный износ длины носка лемеха;
- абсолютный износ лемеха по ширине;
- абсолютная потеря массы лемеха.
Испытания проводились д в два этапа.
Первая партия чугунных лемехов допытывались со 2 июня по 28 августа 1987 года при влажности почвы 13,5-35,4$ и твердости почвы 0,11-1,28 МПа в слоях 0-0,Зм.
Результаты испытаний лемехов на первом этапе даны в приложении 12 и представлены на графиках (рис.4.22,4,23,4.23).
Анализируя полученные результаты видно, что закономерность износа длины носка лемеха и потеря массы от наработки близка к криволинейной зависимости, а абсолютный износ лемеха по ширине имеет линейную закономерность.
Интенсивность износа и потери массы у серийных лемехов выше, чем у чугунных. Криволинейная закономерность изменения абсолютного износа длины носка лемеха и потери массы объясняется тем, что по мере увеличения наработки лемеха изменяется геометрическая форма лезвия, приводящая к увеличению силы нормального давления на лезвие лемеха со стороны почвы.
Линейную закономерность абсолютного износа лемеха по ширине определяет величина удельного давления почвы, действующего на рабочую поверхность лемеха. Значение площади рабочей поверхности лемеха по ширине изменяется в незначительных пределах. Вследствие этого величина силы нормального давления по мере наработки лемеха будет изменяться в небольших пределах.
При достижениях наработки 39 га серийные лемехи были выбракованы из-за предельного износа носка и полевого обреза. При наработке 61 га чугунные лемехи достигли предельного износа по длине носка, при этом рабочие органы плуга не заглублялись в почву.
В процессе испытания лемехов было установлено, что удельные показатели по износу длины носка лемеха, износу лемеха по ширине ж потере массы у чугунных лемехов соответственно составляли 0,83мм/га, 0,14мм/га, 18г/га, у серийного лемеха соответственно 1,98мм/га, 0,19мм/га, 30г/га.
Если принять показатели удельных износов серийного лемеха за 100$, то удельные износы чугунного лемеха соответственно составят 58,1$, 26,3$, 40$, из этого можно заключить, что износостойкость чугунного лемеха относительно серийного по выбраковочным параметрам в 1,58 раза выше.
Вторая партия лемехов .допытывалась с 28 августа по 26 октября 1987 года. Первая половина этого периода из-за частого выпадания осадков характеризовалась экстремальной влажностью (34,4-35,4$) и низкой твердостью почвы (0,П-0,55М1а). Во второй половине испытания второй партии лемехов произошло промерзание поверхности поля в слоях до 0,1м, что привело к повышению твердости почвы до 3,12-5,6МПа. При работе а таких условиях у серийных лемехов происходил частый изгиб и излом носков, за этот период было заменено 5 комплектов серийных лемехов.
При дальнейшем промерзании почвы до 0,2м испытания чугунных лемехов были прекращены, наработка их при этом составила 36 га. Поломок чугунных лемехов не отмечалось.
