КІРОВОГрадський Національний технічний університет
Саінсус олександр Дмитрович
УДК 621.793.8
Підвищеннядовговічності лап культиваторів композиційними покриттями перемінного складу
Спеціальність05.05.11- Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертаціїна здобуття наукового ступеня
кандидататехнічних наук
Кировоград-2008
Дисертацією єрукопис.
Робота виконана накафедрі експлуатації та ремонту машин Кіровоградського національного технічногоуніверситету Міністерства освіти і науки України.
Науковийкерівник: доктортехнічних наук, професор, член – кореспондент УААН, Черновол Михайло Іванович,Кіровоградський національний технічний університет, ректор.
Офіційніопоненти: доктортехнічних наук, професор, Козаченко Олексій Васильович, Харківський національний технічнийуніверситет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідувач кафедритехнічної експлуатації машин та устаткування;
кандидаттехнічних наук, доцент Новицький Андрій Валентинович, Національний аграрнийуніверситет Кабінету Міністрів України, м. Київ, доцент кафедри стандартизаціїі ремонту машинЗахист відбудеться 20 червня 2008 р. о 1300годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградськомунаціональному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград,проспект Університетський, 8.З дисертацією можна ознайомитись убібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою:25006, м. Кіровоград, проспект Університетський, 8.
Авторефератрозісланий 16 травня 2008 року
Вчений секретар
спеціалізованоївченої ради В.М. Каліч.
ЗАГАЛЬНАХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Лапи культиваторів є однією знайбільш масових деталей робочих органів сільськогосподарських машин. У процесівзаємодії з ґрунтом їх ріжучі кромки підлягають інтенсивному абразивномузношуванню. Внаслідок малих термінів служби витрачається велика кількість лап увигляді запасних частин, виробництво яких потребує значної кількості якісногометалу. Відповідно до технічних вимог гарантійне напрацювання стрільчастих лапкультиватора повинно бути не меншим 25 га. Разом з тим, як показує практикаексплуатації таких лап, їх напрацювання на відмову на різних ґрунтах неперевищує 14-19 га.
На сьогодні неіснує універсальних рекомендацій щодо підвищення довговічності лапкультиваторів. Їх наробіток залежить від конкретних умов експлуатації,оброблюваного ґрунту, матеріалів основи та зміцнюючого покриття, співвідношенняміж їх товщинами, кутів заточування тощо.
У результаті ряду фундаментальних досліджень розроблената широко використовується в сільськогосподарському машинобудуванні технологіяіндукційного наплавлення лез лап культиваторів, яка забезпечує певне підвищеннязносостійкості та досягнення явища самозаточування. У той же час проблемапідвищення довговічності культиваторних лап залишається актуальною – їхзносостійкість не відповідає вимогам, а вартість наплавлювальних матеріалівсуттєво високою.
Зв’язок роботи з науковимипрограмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державної цільової програми№ 062 «Програма виробництва технологічних комплексів, машин та обладнання дляагропромислового комплексу» на 1998-2005 рр. (Постанова Кабінету МіністрівУкраїни від 30 березня 1998 р. за №403), з планом науково-дослідних робітКіровоградського національного технічного університету, у тому числідержбюджетної теми «Підвищення зносостійкості деталей і спряженьсільськогосподарської техніки композиційними покриттями і матеріалами»,держреєстрація №104U000633.
Мета роботи. Підвищення ресурсу стрільчастихкультиваторних лап шляхом матеріалозберігаючого зміцнення – диференційованим індукцій-нимнаплавленням кераміко – металевих покрить.
Задачі дослідження:
1. Провестианаліз причин втрати працездатності та особливостей зношування стрільчастих лапкультиваторів і виявити можливі шляхи підвищення їх довговічності.
2. Розробити заходи підвищення зносостійкостікультиваторних лап при нанесенні зміцнювальних композиційних покритьперемінного складу.
3. Визначити склад суміші і схему нанесеннязносостійкого покриття для забезпечення збереження початкової форми леза прирівномірному його зношуванні уздовж ріжучої кромки.
4. Встановити закономірності зміни концентраціїзносостійких наповнювачів в матеріалі наплавки для забезпечення рівномірногозносу лап.
5. Вивчити характер втрати геометричної формизміцнених культиваторних лап, визначити їх працездатність і довговічність вумовах рядової експлуатації.
Об’єкт дослідження – процес підвищеннядовговічності стрільчастих лап культиваторів шляхом формування кераміко — металевихпокрить.
Предмет дослідження – закономірності управліннязносостійкістю лез лап культиваторів композиційними покриттями перемінногоскладу.
Методи дослідження. Теоретичні таекспериментальні дослідження виконувалися на основі положень землеробської механікиі матеріалознавства з використанням методик вимірювання абразивноїзносостійкості, металографії, електронної мікроскопії, математичногомоделювання з використанням ПЕОМ та вимірювальної техніки.
Наукова новизна отриманихрезультатів:
— удосконалена модель зносу стрільчастих лап культиваторів;
- уперше встановлена можливістьпідвищення рівномірності зносу по довжині ріжучого леза і, відповідно,довговічності стрільчастих лап культиваторів при індукційному наплавленнікераміко-металевого покриття змінного складу і властивостей;
— на рівніновизни отримано математичні залежності, які описують особливості зношуванняріжучої кромки лапи культиватора та впливу на них складових композиційнихпокрить;
— розвинено закономірності формуваннязміцнюючихкераміко-металевих покрить, які утворюються у процесі індукційного наплавленнякультиваторних лап;
— визначено закономірності зміни у процесіексплуатації тягового опору стрільчастих лап культиваторів зкераміко-металевими покриттями перемінного складу.
Практичне значення результатівдосліджень:
— запропоновано нову методику оцінки інтенсивностіабразивного зношування ріжучої кромки по довжині культиваторної лапи;
— розробленоконструкції зміцнених лап культиваторів з раціональним поєднанням керамічних іметалевих складових у зміцнюючих покриттях лез лап;
— розроблено матеріалозберігаючий спосіб зміцненнякультиваторних лап кераміко-металевими покриттями дискретно — перемінногоскладу, з підвищеною рівномірністю зносу по довжині ріжучої кромкикультиваторної лапи (Патент України на винахід № 50620. Бюл. №10, 2002 р.);
— запропоновано дозуючий пристрій, який дозволяє наносити наплавлювальнушихту перемінного складу по довжиніріжучої кромки леза культиваторної лапи;
— розроблений технологічний процес підвищення довговічностікультиваторних лап прийнято до впровадження на ВАТ «Червона зірка» (м.Кіровоград). Очікуваний економічний ефект від впровадження розробленоїтехнології складає близько 3 грн. на одну лапу.
Особистий внесок здобувача. Результати проведених дослідженьотримані автором самостійно. Постановку проблеми і задач досліджень виконаноспільно з науковим керівником. Теоретично обґрунтована та експериментальнопідтверджена можливість використання для підвищення довговічності стрільчастих лапкультиваторів кераміко-металевих покрить змінного складу, які формуютьсяіндукційним наплавленням. Проведено стендові та експлуатаційні випробуванняекспериментальних культиваторних лап, здійснено техніко-економічну оцінкузапропонованого методу.
У наукових працях, виконаних у співавторстві, авторовіналежить таке: аналіз існуючих способів підвищення довговічності лапкультиваторів [1, 4]; спосіб зміцнення робочих органів сільськогосподарськихмашин шляхом зміни концентрації зміцнюючого наповнювача в покритті залежно відступеню зносу поверхні [3]; результати лабораторних [6, 10], стендових [8],експлуатаційних [7] досліджень зносостійкості зміцнювальних покрить таекспериментальних лап культиваторів; теоретичні дослідження впливу концентраціїнаповнювача на знос покриття [11]; принципи проектування лапи культиватора зрівномірним зносом леза по довжині [12].
Апробація результатів дисертації. Результати роботидоповідались на міжнародній конференції з механізації і електрифікаціїсільського господарства (Кишинів, 19-20 жовтня 2000 р.); міжнароднійконференції «Високі технології в машинобудуванні» (Харків, 2002 р.), 5-йміжнародній науково-практичній конференції «Проблеми конструювання, виробництвата експлуатації сільськогосподарської техніки” (Кіровоград, 2-4 листопада 2005 р.);4-й міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми технічного сервісусільськогосподарської техніки» (Харків, 16-17 листопада 2006 р.); 7-йміжнародній науковій конференції «Сучасні проблеми землеробської механіки»(Мелітополь, 17-18 жовтня 2006 р.), 7-й міжнародній науково-практичнійконференції «Інженерія поверхні і реновація виробів» ( Ялта, 29-31 травня 2007р.), науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітниківКіровоградського національного технічного університету (2000-2007 рр.),
Публікаціярезультатів досліджень. За результатами досліджень опубліковано 12 статей, із них 10у фахових виданнях, затверджених ВАК України, отримано 1 патент України навинахід.
Структура таобсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків,списку використаних джерел із 136 найменувань та додатків. Повний обсягдисертації становить 155 сторінок, включаючи 54 рисунки, 12 таблиць та 2додатки.
Основний зміст роботи
Вступ. Обґрунтовано актуальністьтеми, зв’язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачідосліджень, наукову новизну та практичну значущість одержаних результатів і їхапробацію.
У першомурозділі«Умови роботи лап культиваторів, їх пошкодження і методи підвищеннядовговічності» розглянуті конструкції лап культиваторів, умови їх роботи,зносостійкість лез та методи її підвищення.
Процесамвзаємодії робочих органів з грунтом при його обробці присвячена великакількість досліджень. Серед них можна виділити роботи Бабицького Л.Ф., ВасиленкаП.М., Гукова Я.С., Дубровіна В.О., Ковбаси В.П., Кушнарьова А.С., ПогорілогоЛ.В., Синєокова Г.М., Шевченка І.А. та багатьох інших вчених. Однак,розглядаючи раціональні підходи до обробітку грунту, в роботах недостатньоуваги приділялось зміні геометричної форми робочих органів в результатізношування і втрати знаряддями працездатності. Суттєвий вклад в рішення цієїпроблеми внесли Бойко А.І., Козаченко О.В., Петров М.Ю., Рабінович А.Ш., СевернєвМ.М., Ткачев В.Н., Черновол М.І., та інші.
Усі напрямкипідвищення довговічності лап культиваторів, які використовуються як при їхвиготовленні, так і при відновленні, можна розділити на чотири групи: вишуканнянових матеріалів для виготовлення лап; використання різних методів термічної іхіміко-термічної обробки; використання зміцнюючих покрить; визначенняоптимальної геометрії ріжучих кромок лез лап для забезпечення їх міцності ісамозаточування.
Особливу проблемупредставляє нерівномірність розподілення зносу лап і втрати їх початковоїгеометрії. Вирівнювання інтенсивностей зношування по окремим ділянкам робочихповерхонь лап може бути досягнуто відповідним розподілом зносостійкогоматеріалу, який наноситься на лезо з урахуванням його фізико-механічнихвластивостей.
В останній часрозроблена досить широка номенклатура прогресивних композиційних матеріалів,які дозволяють суттєво підвищити зносостійкість деталей в умовах абразивногозношування. Найбільший інтерес викликають композиційні матеріали системи«метал-кераміка», які, з точки зору сучасних положень теорії тертя ізношування, є найбільш прийнятними для підвищення довговічності знарядь вумовах абразивного зношування.
Однак питанняпроектування конструкції стрільчастої культиваторної лапи з композиційнимкераміко – металевим покриттям, вибір його складу, особливості нанесеннязалежно від зносу леза практично не досліджені. Виходячи з проведеного аналізута поставленої мети в роботі сформовані задачі дослідження.
У другомурозділі«Теоретичне обґрунтування підвищення довговічності лап культиваторів нанесеннямкомпозиційних покрить перемінного складу» розглянуто динаміку зносустрільчастої лапи культиватора, проведено аналіз зносу лап, які наплавленікомпозиційними покриттями системи «метал-кераміка» з нерівномірним розподіломзміцнюючого наповнювача по довжині леза лапи; обґрунтовано вибір технологічнихпараметрів індукційного наплавлення композиційних покрить; проведена оцінказміни тягового опору зміцненої лапи культиватора.
Аналіз процесувзаємодії лапи культиватора з ґрунтом проведено на моделі клину. На основірозгляду силового впливу ґрунту на робочий орган отримано вираз загальної силинормального тиску ґрунту на клин, а також сили тертя під час руху клину вґрунті. Показано, що у процесі взаємодії лапи з ґрунтом змінюється профіль їїрізальної кромки, який набуває в перерізі форму параболи та змінюється зусилля,що діє на робочий орган.
В результатіпроведеного дослідження встановлені закономірності розподілу лінійногозношування /> уздовж ріжучої кромки лезалапи культиватора, яке описується експоненціальним законом:
/>, (1)
де /> – величина зносу носкалапи при />= 0; /> – твердість матеріалулапи; />– твердість абразиву; />– модуль пружностіматеріалу лапи; />– питоменавантаження ґрунту на лапу; />–шириназахвату лапи; />– швидкість руху;/>– час обробки; c– емпірична стала, що враховуєконст-руктивні та експлуатаційні характеристики; />–площа робочої поверхні лапи; />–відстань від носка лапи вздовж її різальної кромки.
З урахуваннямнайважливіших показників композиційного покриття, що впливають на йогозносостійкість (твердість матриці і наповнювача, модуль пружності тощо)закономірність величини зношування, виходячи з (1), представляється рівнянням:
/>, (2)
де />– твердість матриці інаповнювача композиційного покриття; />– модуліпружності матеріалу матриці і наповнювача; />–вміст наповнювача в покритті; />–напрацювання на одну лапу.
Отриманазакономірність розподілу зносу (2) дала підстави для формування вимог до складуматеріалу зміцнювального покриття з метою вирівнювання інтенсивностей зносуокремих дільниць леза лапи культиватора.
Для збереженнягеометрії лапи запропоновано наносити диференціальне зміцнювальне композиційнепокриття. Це здійснюється зміною концентрації керамічного наповнювача в покриттівздовж різальної кромки від носка лапи до її країв.
Виходячи з умови,що вміст зносостійкого наповнювача в наплавленому зміцнюючому шарі повинензабезпечувати рівність інтенсивностей зносу по всій довжині леза, встановленазакономірність зміни концентрації наповнювача, що описується рівнянням :
/>, (3)
де /> — концентрація наповнювачау шихті i-го дозатора, розташованого на відстані /> від носка лапи; />/>-максимальна концентрація наповнювача в шихті;
/> – коефіцієнт, що характеризуєфізико-механічні властивості покриття на відстані /> відноска лапи для даних умов експлуатації.
/>
Рис. 1.Залежність зміни інтесивності зносу в точках, які розташовані вздовж леза лапи при різній концентрації керамічногонаповнювача.
Слід зауважити,що формула (3) отримана, виходячи з допущення, що при формуванні композиційногопокриття з різною концентрацією наповнювача інтенсивність зносу в кожній точцівздовж довжини лапи культиватора практично залишається незмінною (рис. 1),тобто інтенсивність зносу однакова (/>).
При цьомуконцентрація наповнювача в шихті в і-му дозаторі дорівнює:
/>, (4)
де /> – максимальнаконцен-трація керамічного наповнювача в шихті; /> –відстань і-го доза — тора від носка лапи; />;/>– відповідно інтенсивностізносу в області носка і в /> -хлокальних областях, де вноситься відповідно концентрація наповнювача />.
Наприклад, увипадку семи дозаторів вміст наповнювача, який визначається за формулою (4),буде змінюватися від максимального значення 30% — на носку лапи, до 0% напериферії крила лапи (рис. 2).
/>
Рис. 2. Розподілнаповнювача в шихті вздовж довжини леза лапи
Перевіркуефективності застосування запропонованої конструкції зміцнених лап татехнології їх виготовлення проводили шляхом оцінювання геометрії лез прививченні їх зношування, а також зміни величини тягового опору лапи культиваторав умовах експлуатації.
У третьомурозділі«Програма і методика досліджень» викладена загальна програма досліджень;розглянуто методики вимірювання зносу лап культиватора, вибору складів порошковоїшихти для індукційного наплавлення, вивчення структури та основних властивостейпокрить, проведення стендових та експлуатаційних випробувань зміцнених лап.
Комплексекспериментальних досліджень по підвищенню довговічності культиваторних лапвиконувався у такій послідовності:
1. Проведенняаналізу зміни розмірів та форм лап культиватора в процесі обробітку грунту.Розробка заходів управління формою зношування культиваторних лап, яківраховують нерівномірний характер розподілу зносу по всій довжині леза.
2. Проведеннялабораторних досліджень раціонального складу, структури та основнихвластивостей зміцнюючих зносостійких покрить.
3. Вивченнядинаміки зносу зміцнених лап культиваторів в умовах стендових випробувань.
4. Розробкатехнологічного процесу зміцнення лап культиваторів, вивчення їх працездатностіі довговічності в експлуатаційних умовах, техніко-економічна оцінка розробленихзаходів.
Лінійні зноси лапвизначали відносно контуру нової (шаблонної) лапи в 14-ти точках уздовж кожноголеза. При цьому в зоні носка лапи виміри проводилися у 5-ти точках. Позношеному лезу викреслювали його контур, а потім проводили замір лінійногозносу від бази на шаблоні. Така методика виміру зносу лап використовувалася якпри вивченні зносів серійних лап після рядової експлуатації, так і при вивченніпорівняльної зносостійкості експериментальних лап.
Вибір складупорошкової шихти для індукційного наплавлення композиційних покрить проводивсяв кілька етапів: вибір основи шихти для одержання матриці покриття; вибіркерамічного наповнювача; обґрунтування кількісного співвідношення основи шихтиі наповнювача. Індукційне наплавлення ґрунтообробних знарядь — це доситьосвоєний багаторічною практикою процес, і цей досвід свідчить, що найбільшприйнятним порошковим матеріалом для створення зміцнюючих покрить індукційнимнаплавленням є суміші на основі сормайтів. Вони технологічні, мають високузносостійкість, їх промисловий випуск освоєно в Україні (м.Торез, Донецькаобл.).
У зв’язку з цим вроботі за основу шихти було прийнято порошок ПГ-УС-25. Масовий склад:C=4,4-5,4%; Cr=35-41%; Si=1,6-2,6%; Mn=2,5%; Ni=1,0-1,8%; Fe – решта. Розмірфракцій – 150-200 мкм.
На основілітературних даних і попередніх дослідів як наповнювач були вибрані карбідхрому Cr3C2 і плакований карбід хрому марки КХНП-20, уякого частки покриті оболонкою Ni (вміст нікелю у частках складає 20%).
Гранулометричнийсклад порошків визначали за допомогою лічильника «ТА-П» фірми «Культер»(Франція). Морфологія поверхні порошків вивчалась за допомогою растровогоелектронного мікроскопа «Сamebax microbeam”.
Вміст Cr3C2чи КХНП-20 в механічній суміші змінювали на рівнях 10, 20, 30 об. %. Уякості бази для порівняння брали порошкову суміш ПС 14-60, яка використовуєтьсяу серійній технології зміцнення лап культиватора. Остання складається зі сплавутипу «сормайт» – 40%, та ферохрому – 60%, який виконує роль наповнювача.
Нанесення покритьна зразки зі сталі 65Г і лапи проводилось на промисловому обладнанні ВАТ«Червона зірка». Наплавлення струмами високої частоти проводили на установцітипу ВЧГ- 2=100/0,066 за прийнятим на заводі режимом: струм індуктора — 0,8 А;струм аноду — 7,5-8,0 мА; розжарення — 12 А; потужність — 10 кВт. Товщина наплавленого покриття знаходилася в межах 0,4/> мм.
Дослідженнямакро-, мікроструктури і мікротвердості покрить проводили на зразках, що буливирізані з лап культиваторів. Мікроструктуру досліджували на оптичнихмікроскопах «Neophot-21» і МІМ-8 при збільшеннях від х50 до х500, а також нарастровому електронному мікроскопі-мікроаналізаторі BS-340 фірми «TESLA», якийдозволяє здійснити локальне визначення хімічного складу ділянок покриття.Мікротвердість структурних складових покриття досліджували на мікротвердометрахПМТ-3 і «Shemadzu» (Японія).
Лабораторнідослідження наплавлених зразків на зносостійкість проводили в абразивномусередовищі на машині тертя типу НК (нерухоме кільце). Питомий тиск на поверхнютертя зразка складав 0,02; 0,085 і 0,15 МПа, швидкість ковзання — 0,56 м/с.Зношування визначали ваговим методом на вагах АДВ-200М.
Стендовівипробування наплавлених культиваторних лап проводили на круговому стенді, якийімітує роботу робочих органів культиваторів у польових умовах. Експлуатаційнівипробування експериментальних лап проводилися на культиваторах КПСП-4, якіагрегатувались із трактором МТЗ-80.
У четвертомурозділі«Дослідження зносостійкості культиваторних лап з композиційними покриттями»представлені результати дослідження структури, твердості та зносостійкості якзразків кераміко-металевих покрить, так і лез культиваторних лап, які зміцненікомпозиційними покриттями з різним вмістом керамічного наповнювача; розглянутіпитання проектування лез культиваторів з покриттями перемінного складу.
Зноснівипробування (стендові та експлуатаційні) серійних лап культиваторівН043.05.102, зміцнених методом індукційного наплавлення порошковою сумішшюПС-14-60, показали, що серійні лапи не відпрацьовують гарантійний термін.
Вимірюваннялінійного зносу лез показало (рис.3), що на крилах стрільчастих лап вінзбільшується пропорційно напрацюванню при проведенні випробувань. У мірунаближення до носка інтенсивність зносу зі збільшенням часу напрацюваннясуттєво зростає. У початковий період випробувань також має місце прискоренийзнос носка, що пов’язано з округленням його контуру.
/>
Рис.3. Лінійні зноси серійної стрільчатої лапи (В=270 мм) при різному напрацюванні у процесі експлуатаційних випробувань: 1-5га; 2-15 га;3-25 га; 4-35 га
Таким чином,внаслідок різниці в інтенсивності зношування на різних ділянках стрільчастоїлапи наплавлений шар на носку стирається значно швидше (в 1,8 — 2,0 рази), ніж накрилах. Зносостійкий шар на носку культиваторної лапи практично зникає післянапрацювання 17...19 га. В той же час на крилах культиваторної лапи навітьпісля напрацювання 35 га частково зберігається наплавлений шар.
При дослідженнімікроструктури покриття, наплавленого за серійною технологією сумішшю ПС-14-60,спостерігається значна кількість пор та мікротріщин у частках наповнювача — ферохрому. Така структура покриття не може забезпечувати високу зносостій-кістьлез при динамічній взаємодії з ґрунтом.
Металографічнідослідження будови експериментальних композиційних покрить, які отримано ізсуміші порошків ПГ-УС-25 і КХНП-20, показали міцний зв’язок наповнювача(карбіду хрому) з металічною матрицею. Наплавлені шари при вмісті в них 30%КХНП-20 мали агрегатну твердість HRC 54-56, на відміну від серійних зразків, уяких твердість складала HRC 44-48.
Результатилабораторних випробувань зносостійкості зразків з різним вмістом наповнювача(КХНП-20) наведені на рис. 4. Найбільш інтенсивно зношуються шари, які утвореніпри наплавленні сплаву ПГ-УС-25 без наповнювача, а найбільш високазносостійкість у наплавки ПГ-УС-25+30%КХНП-20. Особливо суттєво ця різниця проявляєтьсяпри підвищенні питомого тиску до 0,15 МПа. Отримані залежності дозволяють зарахунок підбору відповідних складів досягнути рівномірного зношування лапи подовжині ріжучих лез.
/>
а) б)
Рис.4. Динамікаабразивного зношування при лабораторних дослід-женнях наплавлених зразків.Питомі тиски: а) Р=0,02 МПа; б) Р=0,15 МПа. Наплавлені зразки: 1) ПГ-УС-25; 2)ПГ-УС-25 + 10% КХНП-20; 3) ПГ-УС-25 + 20% КХНП-20; 4) ПГ-УС-25 + 30% КХНП-20.
Як видно зпредставлених графіків, ваговий знос суттєво залежить від питомого тиску.Прийнявши на носку лапи питомий тиск Р=0,15 МПа, а на кінці крила Р=0,02 МПа,отримані залежності було трансформовано в залежність вагового зносу від питомоготиску, що розподілений лінійно уздовж леза культиваторної лапи (рис.5). Останнюзалежність можна розглядати як номограму, що дозволяє орієнтовно, з метоюдосягнення близьких значень зносу, визначити необхідний вміст наповнювача внаплавлювальній шихті на різних ділянках ріжучого леза (A, B, C, D).
Для підтвердженнярезультатів лабораторних досліджень зносостій-кості зразків проводили стендовівипробовування натурних лап, зміцнених наплавленням таких сумішей: склад А-ПГ-УС-25+30% КХНП-20; склад Б- ПГ-УС-25+20% КХНП-20; склад В- ПГ-УС-25+10%КХНП-20; склад Г- 100% ПГ-УС-25.
/>
Рис.5. Номограма длявизначення перемінногоскладу зміцнювальногокомпозиційного покриттяпо довжині ріжучого леза стрільчастої лапикультиватора. Склад сумішей для наплавлення: 1) ПГ-УС-25; 2)ПГ-УС-25 + 10%КХНП-20; 3)ПГ-УС-25 + 20% КХНП-20; 4)ПГ-УС-25 + 30% КХНП-20
Значення лінійнихзносів леза, які виміряні у напрямку руху культиваторної лапи, наведені втабл.1.
Таблиця 1
Розподіл лінійного зносу (мм) по ширині захвату культиваторних лап(напрацювання 192 годин), які зміцнені наплавленням різних сумішей
Склад
шихти Відстань від осі культиваторної лапи, мм 6 16 27 37 47 57 67 78 88 98 107 118 123 А 20 16 12 9 9 9 8 8 8 8 7 7 7 7 Б 27 22 17 14 13 13 12 12 12 11 11 10 10 10 В 33 29 24 20 18 17 16 16 15 15 15 14 14 14 Г 54 46 39 34 30 28 26 25 24 23 22 22 22 21
Отримані значеннялінійного зносу зміцнених лез свідчать про збереження загальних закономірностейстирання культиваторних лап — величина зносу леза зменшується по мірівіддалення від носка до крил. Відсутність у складі порошкової сумішінаповнювача (склад Г) веде до різкого зниження зносостійкості наплавленихпокрить. В той же час мінімальний знос носка культиваторної лапи, якийнеобхідний для суттєвого підвищення довговічності лап, досягається лише привмісті у порошковій суміші 30% наповнювача КХНП-20.
Результатидосліджень показали, що найбільш рівномірного зносу усіх ділянок лезастрільчастої лапи можливо досягнути за умови використання значної кількостіскладів шихти зі змінним уздовж леза вмістом наповнювача за встановленимекспотенційним законом (3). В умовах виробництва найбільш технологічною єдискретна (порційна) засипка шихти різного складу на окремі ділянки ріжучоїкромки леза. На рис.6 представлені прогнози зміни форми леза в варіантахзасипки 3-х і 4-х складів наплавлювальної шихти для різних зон наплавлення.
Дослідженнямивстановлено, що на рівні прийнятного можна рекомендувати такий варіантзміцнення (рис.6, а): зона 1 – склад А; зона 2 – склад Б; зона 3 – склад В;зона 4 – склад Г. Як видно із побудованих варіантів, при зменшенні кількостіскладів до 3-х виникає можливість суттєвих перепадів значень зносостійкостілеза між суміжними ділянками.
Установлено, щодля індукційного наплавлення змінних за кількістю наповнювачакераміко-металевих покрить раціонально використовувати петльовий індуктор, уякого змінюється відстань між витками – від 20 мм на носку і до 25 мм в кінцікрила лапи. Це дозволяє створити раціональні, за часом, умови розплавленнясуміші «метал-кераміка».
/>
а) б)
Рис.6. Прогнози зміни форм зміцнених лезкультиваторних лап при їх зношуванні (1- контур наплавленої лапи; 2 — прогнозована лінія зносу; 3 — контур наплавленного шару). Варіанти засипанняпорошкової суміші: а) чотири зони наплавлення сумішами А+Б+В+Г; б) три зонинаплавлення сумішами А+Б+Г
У п’ятомурозділі«Дослідження працездатності лап, які зміцнені композиційними покриттямиперемінного складу, в експлуатаційних умовах. Техніко-економічна оцінка ефективностізміцнення» викладені результати експлуатаційних випробовувань зміцнених лапкультиваторів, проведено оцінку зміни тягового опору експериментальних лап;розглянуто технологічний процес та оснастка зміцнення культиваторних лапіндукційним наплавленням композиційних покрить змінного складу; розрахованаекономічна ефективність використання розроблених заходів.
Проводилисьпорівняльні польові випробовування серійних лап культиватора таекспериментальних лап, які наплавлені шихтою змінного складу. При цьому довжиназон засипки і, відповідно, зон наплавлення вздовж ріжучого леза, починаючи відноска, складала: 0...40 мм-ПГ-УС-25+30% КХНП-20; 40...80 мм-ПГ-УС-25+20%КХНП-20; 80...240 мм-ПГ-УС-25+10% КХНП-20; 240...270 мм-ПГ-УС-25. Для вивченнязміни форми лез після рядової експлуатації були відібрані експериментальні тасерійні лапи з напрацюванням 15, 25, 35, 40 і 45 га. Наплавлений зносостійкийшар на носку експериментальних лап спрацьовується після напрацювання не менше30 га (у серійних – 17...19 га). В той час як у серійних лап лінійний зносноска у 2,2...2,5 рази перевищує знос крила стрільчатої лапи, векспериментальних лап така різниця значно менша (у 1,2...1,3 разів), щосвідчить про більш раціональне використання порошкової кераміко-металічноїшихти (рис.7).
/>
Рис.7. Лінійнізноси експери-ментальних стрільчатих лап (В=270 мм) при різному напрацюванні упроцесі експлуатаційних випробувань: 1 — 25 га; 2 — 35 га; 3 — 40 га; 4 — 45 га
Експлуатаційнівипробовування показали, що у серійних лап граничне значення зносу наплавле-ного шару на носку досягається при напрацюванні 19га, а в експери-ментальних – після 31 га. Таким чином, індукційне наплавленнякомпозиційних покрить сумішшю порошків ПГ-УС-25 та 30% КХНП-20 збільшує періодроботи носка лапи з ефектом самозаточування в 1,63 раза (рис.8).
У реальнихвиробничих умовах лапи експлуатують до зменшення відстані від першогокріпильного отвору до носка – 130 мм, що відповідає зносу 45 мм. Такий гра-ничнийзнос носка серійних лап досягається при середньому напрацюванні 29 га, аекспериментальних – при 42 га.
/>
Рис. 8.Залежність зносу носка стрільчастих культиваторних лап від напрацювання: 1-серійні лапи; 2- експериментальні лапи; 3- лапи із сталі 65Г (термічна обробка– нормалізація) без наплавлення
Порівняльними досліджен-нями залежності тягового опору експериментальних та серійних лап від їх напрацювання встановлено (рис.9), що макси-мальний тяговий опір лапи, зміцненої композиційним покрит-тям, після напрацювання понад 20 га дещо менший (на5...20%), ніж у серійної. Це повязано зі зниженням у серійних лап ефекту самозаточуванняпісля напрацю-вання понад 20 га.
Запропонованатехнологія виготовлення стрільчастих лап культиваторів з підвищеним ресурсомвідрізняється від існую-чої модернізацією двох операцій: засипки порошковоїсуміші і безпосередньо наплавлення.
Для реалізаціїпроцесу зміцнення культиваторних лап засипання наплавлювальної шихти перемінногопо довжині леза складу проводилось розробленим дозуючим пристроєм із семибункерів (рис.10). Індукційне оплавлення композиційних покрить виконувалося задопомогою розробленого індуктора, у якого змінюється відстань між витками. Наділянці наплавлення носка лапи індуктор мав відстань між витками 20 мм, а докінця крила ця відстань лінійно зростала до 25 мм.
/>
Рис.9.Динаміка зміни величини тягового опору стрільчастих культиваторних лап віднапрацювання: 1- серійна лапа; 2-експеримен-тальна лапа
/>
Рис.10. Пристрійдля засипання порошкових сумішей наробочу поверхню культиваторних лап.
Економічний ефектвід впровадження розроблених заходів досягається: у сфері виробництва – зарахунок зниження затрат на наплавлювальні матеріали; у сфері експлуатації – зарахунок підвищення ресурсу лапи та зниження експлуатаційних затрат внаслідокзменшення тягового опору.
Очікуваний сумарнийекономічний ефект у сфері виробництва та у сфері споживання складає близько 3грн. на одну лапу.
Загальні висновки
В результатівиконаних теоретичних і експериментальних досліджень отримали подальшийрозвиток наукові основи підвищення ресурсу стрільчастих культиваторних лапшляхом матеріалозберігаючого зміцнення – диференційованим нанесенням кераміко –металевих покрить змінного складу. Серійна технологія індукційного наплавленняне забезпечує досягнення передбаченої довговічності культиваторних лап. Зарахунок різниці в інтенсивності зносу різні ділянки ріжучої кромки серійнихкультиваторних лап зношуються нерівномірно. При вирішенні даної проблемиотримані результати досліджень, основний зміст яких полягає у наступному:
1. Аналізіснуючих заходів щодо підвищення довговічності лап культиваторів показав, щонайбільш перспективним напрямком є вдосконалення технології індукційногонаплавлення композиційних кераміко –металевих покрить, яка забезпечує певнепідвищення зносостійкості лез лап та досягнення явища самозаточування. Однакпитання проектування конструкції лапи з композиційним кераміко – металевимпокриттям, вибір його складу, особливості нанесення залежно від зносу лезапрактично не досліджені.
2. На основітеоретичного аналізу процесу зношування стрільчастих лап культиватора встановленаможливість управління рівномірністю зносу лап по довжині леза за рахунок їхзміцнення композиційними кераміко-металевими покриттями перемінного складу.
3.Обґрунтовано,що ефективним складом шихти для індукційного наплавлення лез лап культиваторівє: металева основа – сплав типу сормайт ПГ УС –25, керамічний наповнювач –карбід хрому (вміст у шихті від 0 до 30 об.%, залежно від зони наплавлення подовжині леза). Доведено, що з точки зору бездефектності і пониженої швидкостірозчинення, доцільно використовувати як наповнювач карбід хрому, плакованийнікелем КХНП-20.
4.Доведено, щонайбільшою зносостійкістю, при змінюванні питомого тиску в межах 0,02-0,15 МПа,відзначаються покриття з вмістом наповнювача (плакований нікелем карбід хромуКХНП-20) у шихті 30 об.%.
5. Встановленіумови формування змінних за складом кераміко-металевих покрить по довжині лезакультиваторної лапи, виходячи з рівномірності зносу леза (патент України №50620, Бюл. № 10, 2002 р.); побудована номограма, яка дозволяє визначатираціональний вміст керамічного наповнювача у наплавлювальній шихті по зонахнаплавлення лапи.
6.Визначенораціональне розміщення зміцнюючих зон на лезі стрільчастої лапи культиватора заумови формування рівномірного зносу по довжині леза – від носка до периферіїкрил лапи. Доведено, що найбільш раціональним варіантом наплавленнядиференційованого по зонах вздовж леза лапи є: зона 1 (зона носка лапи) – 14 % довжинилеза, склад – ПГ-УС-25 + 30% наповнювача КХНП-20; зона 2 (зона, яка прилягає доноска лапи)- 14 % довжини леза, склад – ПГ-УС-25 + 20% наповнювача КХНП-20;зона 3 (умовна середина леза лапи) – 58% довжини леза, склад – ПГ-УС-25 + 10%наповнювача КХНП-20; зона 4 (периферія крил лапи) – 14% довжини леза — складПГ-УС-25 без наповнювача, тобто «чистий» сплав типу «сормайт».
7.Експлуатаційнимивипробуваннями експериментальних лап установлено, що довговічність лап,зміцнених за розробленою технологією, у 1,45 рази вища від серійних ігарантовано забезпечує напрацювання до 32 га ґрунту. Тяговий опір культиваторнихлап, зміцнених композиційними покриттями змінного складу, після 30 ганапрацювання знижується порівняно з серійними до 20%.
8. Розробленотехнологічний процес і оснастка для реалізації індукційного наплавлення лез лапкультиваторів окремими зонами різними за складом кераміко-металевимипокриттями; дозуючий пристрій, який дозволяє виконувати засипаннянаплавлювальної шихти від 1 до 7 складів; петльовий індуктор, в якогозмінюється відстань між витками, що забезпечує ефективне формування якіснихзміцнючих покриттів.
9. Розроблений технологічний процеспідвищення довговічності культиваторних лап прийнято до впровадження на ВАТ «Червоназірка» (м. Кіровоград). Очікуваний економічний ефект у сфері виробництва ісфері експлуатації для культиваторних лап, виготовлених за розробленоютехнологією, складає 124429 грн. за рік (або близько 3 грн. на одну лапу).
Список праць, опублікованих за темою дисертації
1. Саинсус А.Д., Черновол М.И.,Кропивный В.Н. Повышение долговечности лап культиваторов // Збірник науковихпраць Кіровоградського національного технічного університету (техніка всільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). –Кіровоград: КНТУ. – 2000. – Вип. 6. – С. 49-52.
2. Саинсус А.Д. Материалы дляповышения абразивной износостойкости почвообрабатывающих машин // Збірникнаукових праць Кіровоградського національного технічного університету (технікав сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація).– Кіровоград: КНТУ. — 2001. – Вип. 9.– С. 49-59.
3. Саинсус А.Д.,Черновол М.И., Кропивный В.Н., Соловых Е.К., Златопольский Ф.И.Повышение надежности машин методами наплавки и напыления // Збірник науковихпраць НТУ «ХПІ» «Високі технології в машинобудуванні», Вип.1 , -Харків, -2002, С.432 — 436.
4. Саинсус А.Д.Динамика износа стрельчатых лап культиватора.//Загальнодержавний міжвідомчийнауково-технічний збірник «Конструювання, виробництво та експлуатаціясільськогосподарських машин». – Кіровоград: ТОВ “Имекс ЛТД”. – 2003. – Вип. 33.- С. 281-285.
5. Саинсус А.Д.,Черновол М.И., Кропивный В.Н., Надворный Б.Е. Повышение абразивной стойкостистрельчатых культиваторных лап дифференцированной индукционной наплавкой //Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету(техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування,автоматизація). – Кіровоград: КНТУ.– 2004.– Вип 15. – С. 306–313.
6. Саінсус О.Д,Сало В.М. Експериментальне визначення динаміки зміни тягового опорукультиваторних лап від наробітку // Загальнодержавний міжвідомчийнауково-технічний збірник “Конструювання, виробництво та експлуатаціясільськогосподарських машин”. – Кіровоград: КНТУ. – 2004.– Вип. 34. — С. 8-12.
7. Саінсус О.Д., Черновол М.І.,Кропівний В.М., Надворний Б.Є. Механізація процесу зміцнення культиваторних лапдиференційованим індукційним наплавленням // Загальнодержавний міжвідомчийнауково-технічний збірник «Конструювання, виробництво та експлуатаціясільськогосподарських машин». – Кіровоград: КНТУ. –2005.– Вип. 35. — С.145-147.
8. Саінсус О.Д., Черновол М.І.,Кропівний В.М., Надворний Б.Є. Випробування культиваторних лап, зміцненихдиференційованим індукційним наплавленням // Вісник Харківського національноготехнічного університету сільського господарства імені Петра Василенка(технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарськомумашинобудуванні).- Харків: ХДТУСГ. -2005. -Вип.39. -С. 63-68.
9. Саінсус О.Д., Черновол М.І.,Кропівний В.М., Надворний Б.Є. Особливості структуроутворення при індукційномунаплавленні кераміко-металевих зносостійких шарів // Збірник наукових працьКіровоградського національного технічного університету (техніка всільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). –Кіровоград: КНТУ. – 2006. – Вип 17. – С. 161–168.
10. Черновол М.И., Аулин В.В., СаинсусА.Д. Получение равно-износного композиционногопокрытия по длине лезвия рабочих органов почвообрабатывающих машин // Материалы7-й Международной научно- практической конференции «Инженерия поверхности иреновация изделий». – К. –2007. – С. 232-235.
11. Саинсус А.Д., Черновол М.И., Кропивный В.Н.,Надворный Б.Е. Проектирование керамико-металлических покрытий переменногосостава для индукционной наплавки культиваторних лап // Збірник наукових працьКіровоградського національного технічного університету (техніка всільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). –Кіровоград: КНТУ.– 2007. – Вип. 17. – С. 54–57.
12. “Спосіб зміцнення робочих органівсільськогосподарських машин”. Патент на винахід № 50620. Бюл.№10, 2002 г.(Автори Саінсус О.Д., Черновол М.І., Кулєшков Ю.В., Кропівний В.М., Аулін В.В.,Надворний Б.Є.).
Анотація
Саінсус О.Д.Підвищення довговічності лап культиваторів композиційними покриттямиперемінного складу. – Рукопис.
Дисертація наздобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 –машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. — Кіровоградський національний технічний університет, Кіровоград, 2008.
Дисертаціяприсвячена підвищенню довговічності стрільчастих лап культиваторів шляхомуправління зносостійкістю леза лап по їх довжині за рахунок нанесення композиційнихкераміко-металічних покриттів змінного складу. На основі теоретичного аналізупроцесу зношування стрільчастих лап культиваторів вперше встановлена можливістьпідвищення рівномірності зносу по довжині ріжучої кромки лап при індукційномунаплавленні кераміко-металевого покриття дискретною зміною концентраціїкерамічного наповнювача в наплавлювальній шихті.
Обґрунтованісклади шихти для індукційного наплавлення лез лап культиваторів: металеваоснова – сплав типу сормайт ПГ УС – 25, керамічний наповнювач – плакованийнікелем карбід хрому (марка КХНП-20). Спроектовано раціональне розташуваннязміцнюючих зон по довжині леза виходячи з умов формування рівномірного зносу. Ресурслап, які зміцнені за розробленою технологією, в 1,45 раза вищий, ніж у серійних, що гарантованозабезпечує їх напрацювання до 32 га грунту. Тяговий опір культиваторних лап,зміцнених композиційними покриттями перемінного складу, після 30 ганапрацювання знижується, порівняно з серійними на 20%.
Модернізованотехнологічний процес виготовлення лап: операція засипки наплавлювальної шихтипроводиться спеціальним дозуючим пристроєм по окремим зонах леза з різноюконцентрацією зміцнюючого наповнювача; операція індукційного наплавленняздійснюється індуктором, у якого змінюється відстань між витками.
Ключові слова: лапа культиватора, динаміказношування, індукційне наплавлення, композиційні покриття, зміцнення,перемінний склад, тяговий опір, довговічність.
Аннотация
Саинсус А.Д. Повышениедолговечности лап культиваторов композиционными покрытиями переменного состава.- Рукопись.
Диссертация на соисканиеученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины исредства механизации сельскохозяйственного производства. – Кировоградскийнациональный технический университет, Кировоград, 2008.
Диссертация посвященапроблеме повышения долговечности стрельчатых лап культиваторов путем управленияизносостойкостью лезвия лап по их длине за счет нанесения композиционныхкерамико-металлических покрытий переменного состава. Анализ существующихметодов повышения долговечности почвообрабатывающих орудий показал, что они неучитывают в полной мере неравномерный характер их изнашивания по всейгеометрии. В результате износостойкой наплавки наиболее изнашиваемые частирежущих элементов – носок для стрельчатой лапы культиватора, часто остаются“недоупрочненными”, а периферия лапы, наоборот, получает излишний экономическинецелесообразный запас износостойкости. На основе теоретического анализапроцесса изнашивания стрельчатых лап культиваторов впервые установленавозможность повышения равномерности износа по длине режущей кромки лап прииндукционной наплавке керамико-металлического покрытия дискретным изменениемконцентрации керамического наполнителя в наплавочной шихте.
Обоснованы составы шихтыдля индукционной наплавки лезвий лап культиваторов: металлическая основа –сплав типа сормайт ПГ УС – 25, керамический наполнитель – карбид хрома,плакированный никелем (марка КХНП-20). Спроектировано рациональное расположениеупрочняющих зон по длине лезвия, исходя из условий формирования равномерногоизноса: зона 1 (носoк лапы) – 14 % длины лезвия, состав-ПГ-УС-25 + 30%наполнителя КХНП-20; зона 2 (зона прилегающая к носку лапы) – 14 % длинылезвия, состав – ПГ-УС-25 + 20% наполнителя КХНП-20; зона 3 (середина лезвиялапы) – 58% длины лезвия, состав-ПГ-УС-25 + 10% наполнителя КХНП-20; зона 4(периферия крыльев лапы)- 14% длины лезвия — состав-ПГ-УС-25 без наполнителя т.е.«чистый» сплав типа «сормайт».
Установлено, что ресурслап, упрочненных по разработанной технологии в 1,45 раза выше серийных, чтогарантировано обеспечивает их наработку до 32 га почвы. Тяговое сопротивление культиваторныхлап, упрочненных композиционными покрытиями переменного состава, после 30 ганаработки снижается, по сравнению с серийными, на 20%.
Модернизировантехнологический процесс изготовления лап: операция засыпки наплавочной шихтыпроизводится специальным дозирующим устройством по зонам лезвия с различнойконцентрацией упрочняющего наполнителя; операция индукционной наплавкиосуществляется индуктором с изменяющимся расстоянием между витками.
Ключевые слова: лапа культиватора, динамикаизнашивания, индукционная наплавка, композиционные покрытия, упрочнение,переменный состав, тяговое сопротивление, долговечность.
SUMMARY
Sainsus А.D.Increasing the longevity of cultivator hoes by the coating of variablecompounds.- Manuscript.
Dissertationon the competition of graduate degree of candidate of engineering sciences onspeciality 05.05.11- Machines and means of mechanization of agriculturalmanufacture.- Kirovograd national technical university, Kirovograd, 2008.
Thedissertation is devoted to the problem of increasing the longevity of A- hoeedges of cultivators by a means of controlling the wear resistance of the hoe edgesalong their length by the technique of coating a ceramics-metal compound ofvariable structure. It is proved for the first time on the basis of the theoreticalanalysis of wear resistance processes of cultivators A- hoe edges that it ispossible to increase the tearing down avenness along the cutting edges whenceramics-metal coating is fused by quantified changing the concentration of aceramics compound in a fusing charge.
The structuresof a fusing charge for induction fusing the cultivator hoes edges are grounded:the metal base is an alloy such as sormite ПГ УС – 25, the ceramics compound ischrome carbide plated with nickel (KХHП-20 grade). The rational arrangement ofhardening zones along the edge length depending on the conditions of makingsimilar tearing down is designed. The specified life on the hoes hardened bythe suggested technique is 1,45 times as high as that of serial ones thatguarantees their operating time up to 32 hectares of soils. The draughtresistance of the cultivator hoes hardened with composite coatings of avariable structure the operating time is reduced by 20 % as compared to serialones after 30 hectares of cultivating. Тhe technological process of hoesmanufacturing is upgraded: the operation of fusing charge filling is performedby special dosing device which ensures different density of the hardening fusealong separate zones of the edge; the operation of induction fusing is carriedout by an inductor with a varied distance between coils.
Key words: a cultivator hoe,dynamics of tearing, induction fusing, composite coatings, hardening, variablestructure, draught resistance, longevity.