CC BY
46
УДК 631.3
Н. В. Костюченков1, В. А. Фурсов1, А. И. Козак2, Ж. Б. Шугубаев2
ИЗНАШИВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН И СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
1 КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С. СЕЙФУЛЛИНА, АСТАНА 2АККОЛЬСКИЙ ФИЛИАЛ КАЗАХСКОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
N. V. Kostiuchenkov1, V. A. Fursov1, A. I. Kozak2, Zh. B. Shugubaev2 WORKING BODIES DEPRECIATION OF TILLAGE MACHINES AND RESTORING
METHODS OF THEIR WORKING ABILITY
1KAZAKH AGRO TECHNICAL UNIVERSITY BY S. SEIFULLIN, ASTANA 2AKKOL BRANCH OF KAZAKH RESEARCH INSTITUTE OF MECHANIZATION AND ELECTRIFICATION
OF AGRICULTURE
Аннотация. Рассмотрена проблема изнашивания рабочих органов, описаны факторы и причины, влияющие на износ рабочих органов почвообрабатывающих машин. Выделяется и описывается характерная структура процесса изнашивания рабочих органов, а также приведены основные способы восстановления их работоспособности.
Ключевые слова: изнашивающая способность; абразивный износ; интенсивность изнашивания; восстановление.
Николай Васильевич Костюченков
Nikolai Vasilevich Kostiuchenkov доктор технических наук, профессор
Анатолий Иванович Козак
Anatolii Ivanovich Kozak
кандидат технических наук, доцент
Введение. Изнашивающая способность почвы с точки зрения процесса разрушения - это способность почвы изнашивать режущие элементы, изменять их геометрические размеры в результате режущего или скользящего воздействия составляющих почву частиц и включений.
В основе абразивного изнашивания лежит процесс микрорезания поверхности деталей вершинами абразивных зерен. На интенсивность процесса изнашивания большое влияние оказывает как острота граней, так и их количество. Чем больше острых граней имеют частицы, тем более высокое изнашивающее воздействие они оказывают на поверхность деталей.
Методика. При изнашивании в почве подтверждается справедливость основного закона абразивного изнашивания. Интенсивность изнашивания почворежу-щих деталей определяется количеством твердых абра-
Abstract. The problem of working bodies depreciation is described in the article. The factors and causes that affect the depreciation of the working bodies of tillers are also shown. The characteristic structure of the depreciation process of working bodies is isolated and described as well as the key ways to restore their working ability are shown.
Key words: wear away ability; abrasive wear; wear rate; recovery.
Валерий Александрович Фурсов
Valerii Aleksandrovich Fursov [email protected]
Жанат Баймурзович Шугубаев
Zhanat Baimurzovich Shugubaev [email protected]
зивных частиц, а также степенью их фиксации в остальной почвенной массе [1].
Установлено, что интенсивность и величина абразивного износа определяются физико-механическими свойствами почв. Чем больше в почве содержится песчаных частиц размером 1,00-0,25 мм, тем больше абразивный износ металла; при этом большую роль играют наиболее твердые минералы - кварц, микротвердость которого выше стали и достигает 800-1100 кг/мм. Важную роль играет окатаность зерен кварца. Чем круглее зерна, тем меньше абразивный износ, чем более неровные, тем интенсивнее износ металла.
Большое значение имеет степень фиксации (закрепления) песчаных зерен в массе суглинистой или глинистой почвы. При прочной фиксации (в сухой почве), наблюдается наибольший износ металла. При оптимальной влажности почвы, обеспечивающей минималь-
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2016 Технические науки 69
ное удельное сопротивление, износ также минимален в связи со слабой фиксацией песчаных зерен в почве. Увеличение плотности и твердости почвы ведет к увеличению абразивного износа металла, так как фиксация частиц при этом увеличивается.
Основными признаками, по которым классифицируют почвы, служат генетический тип и механический состав. Наряду с этим существенное значение для характеристики почвы имеют ее физические свойства, химический состав, структура и сложение, наличие каменистых включений.
В зависимости от размеров твердые частицы почвы подразделяют на каменистые включения и мелкозем. Каменистые включения почв различают в зависимости от диаметра. Крупный песок: диаметр частиц 1-3 мм, мелкий хрящ - 3-5 мм, крупный хрящ 5-10 мм, мелкий щебень - 10-30 мм, средний щебень - 30-50 мм, крупный щебень - 50-100 мм, камни - 100 мм и более.
Мелкозем подразделяют на следующие фракции: песок крупный с диаметром частиц от 1 до 3 мм; средний от 1 до 0,25 мм; мелкий - 0,25-0,05 мм; пыль крупная - 0,05-0,01 мм; средняя 0,01-0,005 мм; мелкая 0,005-0,001 мм; ил - менее 0,001 мм.
Результаты. Интенсивность изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин зависит от механического состава и влажности почв, а также наличия в ней каменистых включений. Износ лезвия и поверхности рабочих органов происходит в результате царапанья металла острыми углами и ребрами твердых почвенных частиц [2-4].
Так, в работе [5] отмечено, что определяющее влияние на изнашивающую способность оказывает наличие в почве кварцевых частиц, размерами больше 0,01 мм. Например, при наличии в почве таких частиц около 77 %, ее максимальная изнашивающая способность достигается при влажности около 14 %, при этом она более, чем в 8 раз выше, чем у почвы, имеющей в своем составе кварцевых частиц, больших 0,01 мм, 23,3 %. Максимум изнашивающей способности последней приходится при влажности 20 %. В процессе исследований получена следующая линейная зависимость изнашивающей способности почв И от процентного содержания в них кварцевых частиц фракции 1-0,25 мм:
И = 99,5 + 24,39К, г/га (1)
где К - процентное содержание в почве кварцевых частиц фракции 1-0,25 мм.
Увеличение изнашивающей способности в определенных интервалах влажности объясняется возрастанием плотности, коэффициента трения скольжения почвы по стали и усилия резания почвы, а резкое снижение изнашивающей способности после достижения определенной влажности - переходом почвы в консистентное состояние. Значение такой влажности зависит от механического состава. В случае, когда почва продолжительное время находилась при низкой влажности, ее изнашивающая способность находится в прямой зависимости от связанности (временного сопротивления на разрыв).
На основании проведенных исследований авторы предлагают все почвы разделить на три группы по их изнашивающей способности, выраженной удельным износом по весу (г/га):
- I группа - глинистые и суглинистые почвы, которые обладают такой изнашивающей способностью (для стрельчатой лапы 2-30 г/га);
- II группа - супесчаные и песчаные почвы с небольшим количеством каменистых включений, которые обладают средней изнашивающей способностью (для стрельчатой лапы максимальное значение 100 г/га);
- III группа - песчаные почвы с большим количеством каменистых включений, которые обладают большой изнашивающей способностью (для стрельчатой лапы до 260 и более г/га).
Наибольшей изнашивающей способностью обладают частицы размером 0,01-0,25 мм. В связи с этим однозначным является лишь положение, что изнашивающая способность почвы находится в прямой зависимости от содержания в ней кварцевых частиц размером более 0,01 мм.
Таким образом, изнашивающая способность почв будет зависеть от степени фиксирования твердых минеральных частиц, которая непосредственно зависит от наличия глинистой фракции в почве. Увеличение количества глинистой фракции в составе почвы неизбежно должно привести к увеличению связности почвы, а значит, еще более увеличить закрепленность твердых минеральных частиц. Максимальной изнашивающей способностью обладают супесчаные почвы, в которых наряду со значительным содержанием песчаной фракции, имеется достаточное количество глинистой фракции для фиксирования твердых частиц [6].
С изменением влажности почвы происходит изменение ее твердости и прочности, так как увлажнение приводит к нарушению молекулярного взаимодействия между частицами, и почва теряет связность. Увеличение влажности почвы почти линейно связано со снижением твердости.
В результате повышения влажности почвы до 1220 % ее изнашивающая способность возрастает до пределов, характерных для каждого из видов почвы, после чего изнашивающая способность начинает резко уменьшаться, вследствие перехода почвы в консистентное состояние.
Ряд авторов считают, что коэффициент трения песчаных почв о сталь ниже, чем суглинистых и глинистых и даже приводят графическую зависимость коэффициента трения почвы о сталь от содержания «физической глины» [5]. С увеличением влажности до определенного предела значение коэффициента трения почв о сталь возрастает, а затем, по мере дальнейшего увлажнения почвы - снижается. Для чернозема обыкновенного максимум коэффициента трения f наблюдается при влажности 27 %, а зависимость коэффициента трения от влажности описывается параболической зависимостью:
f= 0,228 + 0,695W- 0,001W2, (2)
где W - значение влажности, %.
От почвенно-климатических условий зависит не только интенсивность изнашивания, но и характер износа рабочих органов. При этом характер износа может влиять на срок службы рабочих органов почвообрабатывающих машин больше, чем интенсивность изнашивания. Абразивная среда настолько интенсивно изнашивает рабочие органы, что расход металла, отнесенный к единице выполненного объема работ, может достигать 3,5 кг/га [5].
Структуру механохимической модели процесса изнашивания рабочих органов [7] можно определить как:
1 Механический контакт, упругопластическая деформация.
2 Образование равномерного слоя деформированного активного металла.
3 Взаимодействие активного металла с химически активными компонентами среды и, как результат, образование ослабленных вторичных структур.
4 Разрушение вторичных структур последующим механическим контактом.
Модель соответствует нормальным условиям эксплуатации и износа рабочих органов. Исходя из этой модели видно, что в условиях эксплуатации износ рабочих органов происходит не за счет снятия микростружки, микрорезания и диспергирования, а путем пластической деформации, активизации поверхностного слоя металла и взаимодействия его с активными компонентами среды, образования вторичных ослабленных структур и их разрушения. Величину износа при этом определяют по зависимости:
И..
С ^k
(3)
t
где И - величина износа, мм;
1-1 из 11
С - постоянная (безразмерная величина) ;
р - толщина слоя вторичных структур, мм;
? - время существования вторичных структур, мин;
8к - площадь контакта, см2.
Рабочие органы в процессе работы беспрерывно соприкасаются с почвой и быстро изнашиваются. Так, например, у лемехов интенсивно изнашиваются лицевая сторона, носок и лезвие, в результате чего нарушается нормальная работа плуга. Он выглубляется, ширина захвата становится неустойчивой, возрастает тяговое сопротивление. Основные виды износов культива-торных лап - деформация и износ крыльев, носка, держателя, а также неустранимые сваркой разрывы и трещины этих элементов. Несвоевременная замена изношенных лемехов или лап культиваторов приводит к увеличению тягового сопротивления орудия до 50 %. Простои при замене превышают 10 % рабочего времени [8].
Выводы. Как показали проведенные исследования [8], существенным резервом снижения затрат на запасные части и ремонт машин является восстановление изношенных деталей. В зависимости от видов и степени износов различных рабочих органов при восстановлении применяют следующие способы восстановления:
заточку, оттяжку, приварку компенсационных деталей (нескольких размерных групп в зависимости от степени износа), закалку и наплавку.
Лемеха восстанавливают путем наплавки на лемех малоуглеродистого электродного материала параллельными друг другу валиками, при этом каждый последующий валик наносят со скоростью, обеспечивающей образование закалочной структуры, после остывания предыдущего валика.
Лапы культиваторов при незначительном затуплении затачивают. Сильно изношенные лапы оттягивают и закаливают. Хорошие результаты дает наплавка на лапы культиваторов с тыльной стороны твердого сплава (сормайта № 1 или релита). Наплавку проводят под слоем флюса, электролизным борированием, в среде углекислого газа и самозащитной порошковой проволокой. В качестве упрочняющего материала применяют сплав «Сормайт 1», электроды Т-590 (Т-620), порошковые наплавочные проволоки, упрочняют изношенные лемеха методом напайки на лезвия пластин из металлокерамики ТН-20, Т5К10, Т15К6. Результаты производственных испытаний восстановленных лемехов и культива-торных лап показали, что интенсивность изнашивания у них меньше, чем у новых заводского производства, причем их стоимость на 30-40 % ниже.
Список литературы
1 Винокуров В. Н. Исследование, разработка и внедрение в производство самозатачивающихся рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий : монография. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2009.
2 Синеоков Г. Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. - М. : Машиностроение, 1965.
3 Костюченков Н. В., Гришин А. Н., Капов С. Н. Тенденции развития ресурсосберегающих почвообрабатывающих агрегатов // Материалы научно-теоретической конференции 5-6 мая 1998 г «Казахстан-2030 стратегия развития науки, образовании и культуры. - Акмола : ААУ 1998. - С. 36-38.
4 Костюченков Н. В., Капов С. Н. Функциональный анализ МТА как система // Материалы научно-теоре-тической конференции 5-6 мая 1998 г. «Казахстан-2030 стратегия развития науки, образовании и культуры. - Акмола : ААУ, 1998. - С. 38-42.
5 Васильев С. П., Ермолов Л. С. Об изнашивающей способности почв. - М. : Изд. Машиностроение,1965.
6 Южанов И. В. Исследование процесса изнашивания металлов при трении о грунты : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Харьков, 1959.
7 Шугубаев Ж. Б., Фурсов В. А. Анализ износов и способ восстановления рабочих органов почвообрабатывающих машин // 7th International scientific conference. - Вена, 2015.
8 Обеспечение работоспособности и топливной экономичности машинотракторных агрегатов : Отчет о НИР; № 0112РК02533, инв. № 0214РК0014 / АФ ТОО «КазНИИ-МЭСХ» / рук. Кошик А. П. - Акколь, 2013. - 108 с.
