CC BY
0А.Е. Крупин, канд. техн. наук, доц., e-mail: krupin-ngiei@mail.ru Е.М. Тарукин, ст. преподаватель, e-mail: evgenij2202@yandex.ru И.М. Маслов, магистрант, e-mail: vanechka.maslov.91@mail.ru Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино
УДК 631.313.02
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ ПРИ УПРОЧНЕНИИ ЗУБЬЕВ БОРОН
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ
В статье представлены данные о возможности применения с целью повышения ресурса деталей упрочняющих покрытий повышенной твердости. Предложено определить влияние ряда параметров и условий наплавки на стойкость упрочненных зубовых борон к износу. Выявлено, что наиболее существенными факторами являются термообработка после наплавки, угол наклона валика к горизонту и зона или высота наплавки. Результаты лабораторных исследований показывают, что наибольший коэффициент износостойкости получен у образцов со слоем, наплавленным электродами марки Х-5 типа Э350Х26Г2Р2СТ. По результатам эксплуатационных исследований получено адекватное уравнение регрессии, выражающее зависимость отклика от трех факторов и их двойных взаимодействий. Уравнение показывает, что наибольшее влияние на износостойкость упрочненных зубьев борон оказывает зона наплавки. С увеличением значений всех факторов стойкость к износу повышается.
Ключевые слова: борона, зуб, износ, износостойкость, наплавка, отклик, фактор, электрод.
A.E. Krupin, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
E.M. Tarukin, Senior Lecturer I.M. Maslov, master
WEAR RESISTANCE OF COATINGS WHEN STRENGTHENING HARROWS' TEETH
BY ARC SURFACING
The article presents data on the possibility of using reinforcing coatings of high hardness in order to increase the life ofparts. It is proposed to determine influence of a number ofparameters and conditions of surfacing on durability of the strengthened tooth harrows to wear. It was found that the most significantfactors are the heat treatment after surfacing, the angle of inclination of the roller to the horizon and the zone or height of surfacing. The results of laboratory studies show that the highest coefficient of wear resistance obtained in samples with a layer of electrodes deposited brand X-5 type E350H26G2R2ST. According to the results of operational research, an adequate regression equation is obtained, which expresses the dependence of the response on three factors and their double interactions. The equation states that the greatest influence on the wear resistance of hardened teeth of harrows is exerted by the surfacing zone. With the increase in the values of all factors, resistance to wear increases.
Key words: harrow, tooth, wear problem, wear resistance, surfacing, response, factor, electrode.
Введение
Ресурс рабочих органов почвообрабатывающих сельскохозяйственных орудий представляет интерес для отечественных и зарубежных исследователей. Данные детали работают в условиях абразивного изнашивания и быстро переходят в предельное состояние, вызывая снижение качества выполняемых работ и нарушение агротехнических сроков в связи с простоем техники в ремонте. Немаловажным, с точки зрения долговечности деталей, является факт сезонного использования сельскохозяйственных орудий. При длительном хранении рабочие органы почвообрабатывающей техники подвергаются агрессивному влиянию окружающей среды [1, с. 491]. В связи с этим исследования, связанные с увеличением износостойкости зубьев борон, являются актуальными.
Исходя из проблем, связанных с низкой долговечностью рабочих органов почвообрабатывающих орудий, целью исследований является повышение износостойкости зубьев борон путем упрочнения их поверхностей ручной электродуговой наплавкой.
Материал и методы исследования
Как известно, из всех способов повышения ресурса деталей существенное место занимают технологические методы упрочнения и восстановления [2, с. 37], [3, с. 34]. На основании анализа существующих методов и способов повышения износостойкости рабочих органов зубовых борон БЗСС-1 и выявленных их недостатков решено определить возможность применения в качестве упрочнения зубьев борон наплавки электродами.
На первых этапах работы в теоретической части исследований проводилось выявление наиболее существенных факторов, влияющих на износостойкость покрытий путем проведения априорного ранжирования. В результате экспертной оценки в качестве существенных факторов были выбраны термообработка после наплавки (Х1, °С), угол наклона валика к горизонту (Х2, °), зона или высота наплавки (Х3) (рис. 1). В качестве отклика выбрана величина износа зуба бороны в граммах (У). Согласно ГОСТ 10051-75 для упрочнения деталей, работающих преимущественно в условиях абразивного изнашивания, рекомендуется применять наплавочные электроды следующих марок [4, с. 3-6]: 13КН/ЛИВТ, Т 620, Т 590 и Х-5.
Рисунок 1 - Зуб бороны
В теории усталостного разрушения материалов известна зависимость (1):
I=—Ц*, (1)
где I - износ (или износостойкость); НВ - твердость; 8е - деформация при разрушении; а и в - показатели, связанные с рельефом и усталостными свойствами материалов [5, с. 234].
Опираясь на указанную зависимость и данные о твердости получаемых покрытий, следует отдать предпочтение в качестве наплавочного материала электродам типа Э-Э350Х26Г2Р2СТ марки Х-5 с твердостью 61 Ш.С.
С целью подтверждения данного факта принято решение провести экспериментальные исследования в лабораторных условиях с помощью машины трения 77МТ-1 по существующей методике [6].
Для того чтобы определить, какой из четырех вариантов электродов обеспечит максимальную износостойкость, планируется провести сравнительную оценку износа образцов с упрочняющим покрытием по высоте и массе. Для объективной оценки стойкости к изнашиванию упрочненных и стандартных деталей рассчитывался коэффициент их относительной износостойкости.
Коэффициент относительной износостойкости (к) определялся по формуле (2) через изменение высоты образцов [7, с. 87], [8, с. 11]:
А/
эт
к =
А/
ис
(2)
где АРт - изменение параметра образца без покрытия, принятого за эталон; АТЛс - изменение параметра упрочненного образца.
Разрушение металла может происходить путем микрорезания, многократной пластической деформации поверхности трения и коррозионно-механического изнашивания, когда твердость металла меньше твердости абразивных частиц. Наплавленный слой обладает высокой твердостью и поэтому отличается высокой износостойкостью, в том числе и в условиях абразивного изнашивания.
После упрочнения зуба каждым из четырех вариантов электродов из деталей вырезался образец. Это обусловлено конструктивными особенностями машины трения 77МТ-1. Размеры и форма образца для оценки износостойкости на машине трения представлены на рисунке 2. Зона наплавки на образцах была сплошной (по всей длине образца).
Образец закреплялся в неподвижном патроне машины и прижимался к бруску из белого электрокорунда (ГОСТ 27595-88). Усилие, прикладываемое к образцу, составляло 3 Н. Общее количество циклов (двойных ходов) за период исследований составляет 1000. Через каждые 200 циклов производился замер высоты образца микрометром МК-25 ГОСТ 6507-90 с точностью 0,01 мм и производилось взвешивание на весах ВЛР-200 (ГОСТ 24104-80) с точностью 0,001 г. Для каждого вида покрытия в зависимости от марки электрода изготавливается по 5 образцов. Полученные результаты усредняются.
Рисунок 2 - Схема образца после оценки износостойкости на 77МТ-1 На рисунке 3 изображена машина трения горизонтального типа 77МТ-1.
Рисунок 3 - Машина трения горизонтального типа 77МТ
Результаты исследования и их обсуждение
В таблице 1 представлены электроды, применяемые для наплавки рабочих органов и контролируемые при оценке износа параметры.
Таблица 1
Результаты оценки износа зубьев в лаборатории
№ Электрод Износ упрочненного зуба Коэффициент износостойкости (масса/высота/средний)
тип марка По массе, мг По высоте, мм
1 Э-80Х4С 13КН/ЛИВТ 13,64 1,99 2,24/2,80/2,52
2 Э-320Х23С2ГТР Т-620 13,89 2,01 2,20/2,76/2,48
3 Э-320Х25С2ГР Т-590 13,52 1,90 2,26/2,92/2,59
4 Э350Х26Г2Р2СТ Х-5 13,26 1,86 2,30/3,00/2,65
5 Сталь 45 30,56 5,56 1,00
Результаты исследований показывают, что наибольший коэффициент износостойкости получен у образцов со слоем, наплавленным электродами марки Х-5 типа Э350Х26Г2Р2СТ (стр. 4, табл. 1). Его значение составило 2,65 по отношению к образцам без упрочнения. Полученные результаты являются основанием для принятия решения использовать в качестве упрочняющего материала электроды указанной марки.
Затем после выбора электрода проводились эксплуатационные исследования, по итогам которых была получена зависимость величины износа деталей с покрытиями от значений выбранных ранее факторов.
Для получения уравнения регрессии был реализован полный факторный эксперимент nk, где n - уровень варьирования значений факторов, а к - количество рассматриваемых факторов (в нашем случае n = 2, к = 3).
Для его реализации плана полного факторного эксперимента применялись программные обеспечения Microsoft Excel и StatGraphics Centurion. Обработка данных осуществлялась в соответствии с существующими рекомендациями [9-16].
В таблице 2 представлены данные о факторах и величине отклика при проведении эксплуатационных исследований износостойкости упрочненных зубьев борон.
Таблица 2
Результаты эксплуатационных исследований
№ Последовательность операций Х1, °С Х2, ° Х3, мм Y, г
1 Основной уровень 800 30 50
2 Интервал варьирования, Дх 100 30 30
3 Нижний уровень 700 0 20
4 Верхний уровень 900 60 80
Опыт 1 - - - 140,148
Опыт 2 + - - 137,455
Опыт 3 - + - 134,518
5 Опыт 4 + + - 129,010
Опыт 5 - - + 126,317
Опыт 6 + - + 124,726
Опыт 7 - + + 126,317
Опыт 8 + + + 122,400
Условия эксплуатационных исследований износостойкости.
- скорость движения агрегата: 10 км/ч;
- глубина обработки: 8 см;
- абсолютная влажность почвы: 10 %;
- плотность почвы: 1,4 г/см3;
- твердость почвы: 1,9 МПа;
- наработка на борону: 50 га.
Уравнение регрессии, выражающее зависимость отклика от трех факторов и их двойных взаимодействий, выглядит следующим образом (с учетом только значимых коэффициентов): М = 15,6492 - 0,001635 • Х1 + 0,002125 • Х2 - 0,0311583 • Х3 + 0,000163333 • Х2 • Х3 .
Значения переменных указаны в их исходных единицах измерения.
Для графического изображения степени влияния факторов и их взаимодействий в порядке убывания важности строится диаграмма Парето (рис. 4). На диаграмме отмечена статистическая значимость факторов и взаимодействий.
Рисунок 4 - Относительная значимость факторов и их взаимодействий
Также для наглядного отображения влияния факторов на отклик были получены поверхности отклика при поочередной фиксации одного из трех факторов на основном уровне. Одна из полученных поверхностей отклика показана на рисунке 5.
Х3=50,0
Х1
Рисунок 5 - Зависимость износа детали по массе (г) от температуры термообработки (Х1) и угла наклона наплавляемых валиков (Х2) при высоте наплавки 50 мм (Х3)
Выводы
Наибольшее влияние на износостойкость упрочненных зубьев борон оказывает зона наплавки. На втором и третьем месте по значимости влияния на износостойкость деталей находятся факторы «угол наклона валиков к горизонту» и «термообработка после упрочнения соответственно». Характер влияния трех факторов одинаков, т.е. с увеличением их значений повышается стойкость к износу.
Библиография
1. Миронов Е.Б. [и др.]. Устройство для приготовления защитных составов при консервации сельскохозяйственной техники // Вестник Мордовского университета. - 2016. - Т. 26, № 4. - С. 490498. DOI: 10.15507 / 0236 - 2910.026.201604.490 - 498.
2. Крупин А.Е., Маркин М.В., Матвеев В.Ю. Анализ научных разработок в сфере увеличения ресурса деталей режущих аппаратов уборочной техники // Роль и место информационных технологий в современной науке: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1 - Уфа: МЦИИ ОМЕГА САИНС, 2016. -С. 37-39.
3. Крупин А.Е. Увеличение износостойкости ножей косилки // Сельский механизатор. - 2013. -№ 3 (49). - С. 34-35.
4. ГОСТ 10051-75 Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. - Введ. 1977-01-01. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам (с изменениями от 2003 г. ИПК Изд-во стандартов), 1977. - 6 с.
5. Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Буше Н.А. и др. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учебник для технических вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. - 664 с.
6. ХрущевМ.М. Трение, износ и микротвердость материалов: избранные работы (к 120-летию со дня рождения) / отв. ред. И.Г. Горячев. - М.: Красанд, 2012. - 512 с.
7. Крупин А.Е. Повышение износостойкости рабочих органов уборочных сельскохозяйственных машин электролитическим хромированием их поверхностей: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Крупин Александр Евгеньевич. - Саранск, 2015. - 187 с.
8. Крупин А.Е. Повышение износостойкости рабочих органов уборочных сельскохозяйственных машин электролитическим хромированием их поверхностей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Крупин Александр Евгеньевич. - Саранск, 2015. - 20 с.
9. Работа с электронными таблицами Microsoft Excel 2010: методические указания к выполнению лабораторных работ по информатике для обучающихся по всем программам бакалавриата и специали-тета дневной формы обучения / сост. Н.Д. Берман, В.В. Стригунов, Н.И. Шадрина. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2014. - 36 с.
10. Попов Л.А. Анализ и прогнозирование временных рядов STATGRAPHICS Centurion: учеб. пособие. - М.: Изд-во Рос. экон. акад., 2006. - 118 с.
11. ГОСТ 24026-80 Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. - Введ. 1981-01-01. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1980. - 15 с.
12. Иванкина О.П. Основы планирования эксперимента: учеб.-метод. пособие для студентов и аспирантов. - Рязань: РИ МГОУ, 2001. - 82 с.
13. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
14. Шкляр В.Н. Планирование эксперимента и обработка результатов: конспект лекций для магистров по направлению 220200 «Автоматизация и управление в технических (мехатронных) системах». - Томск: Изд-во Томск. политех. ун-та, 2010. - 90 с.
15. Hinkelmann K. Design and Analysis of Experiments. Vol. 3. Special Designs and Applications // John Wiley & Sons, Ltd. - 2012. - 565 p.
16. Huitema B.E. The Analysis of Covariance and Alternatives Statistical Methods for Experiments, Quasi-Experiments, Single-Case Studies Second Edition // A john wiley and sons, inc., publication Kalamazoo. - Michigan, 2011. - 662 p.
Bibliography
1. Mironov E.B. [et al.]. The device for preparation of protective structures at preservation of agricultural machinery // Bulletin of the Mordovian university. - 2016. - Vol. 26, N 4. - P. 490-498. DOI: 10.15507 / 0236-2910.026.201604.490-498/
2. Krupin A.E., Markin M.V., Matveev V.Yu. Analysis of scientific developments in the sphere of increasing the resource of cutting equipment parts of harvesting equipment // The role and place of information technologies in modern science: a collection of articles of the International scientific and practical conference. P. 1. - Ufa: OMEGA SIENCE, 2016. - P. 37-39.
3. Krupin A.E. The increase in wear resistance of blades of the mower // Sel'skij mekhanizator. - 2013. - N 3 (49). - P. 34-35.
4. GOST 10051-75. Metal coated electrodes for manual arc welding of surface layers with special properties. - Introd. 1977-01-01. - M.: The state Committee of the USSR on standards (with changes from 2003 IPK Publishing house of standards, 1977. - 6 p.
5. Chichinadze A.V., Braun E.D., Bushe N.A. et al. Basics of tribology (friction, wear, lubrication): Textbook for technical universities. - 2nd ed. revised and extended. - M.: Mashinostroenie, 2001. - 664 p.
6. Khrushhev M. M. Friction, wear and microhardness of materials: Selected works (to the 120th anniversary of the birth) / executive editor I.G. Goryachev. - M.: Krasand, 2012. - 512 p.
7. Krupin A.E. Increase of wear resistance of working bodies of harvesting agricultural machines by electrolytic chrome plating of their surfaces: diss. ... kand. tech. sciences: 05.20.03 / Krupin Aleksandr Evgen-evich. - Saransk, 2015. - 187 p.
8. Krupin A.E. Increase of wear resistance of working bodies of harvesting agricultural machines by electrolytic chrome plating of their surfaces: abstract of diss. ... kand. tech. sciences: 05.20.03 / Krupin Aleksandr Evgenevich. - Saransk, 2015. - 20 p.
9. BermanN.D., Strigunov V.V., ShadrinaN.I. Working with spreadsheets Microsoft Excel 2010: laboratory operations manual on computer science for students in all undergraduate programs and specialties of full-time education. - Khabarovsk: Publishing house of the Pacific. state un-ty, 2014. - 36 p.
10. Popov L.A. Analysis and forecasting of time series STATGRAPHICS Centurion: manual. - M.: Publ. house of Rus. Econ. Acad., 2006. - 118 p.
11. GOST 24026-80. Research tests. Design of experiment. Terms and definitions. - Introd. 1981-0101. - M.: State Committee of USSR on standards, 1980. - 15 p.
12. Ivankina O.P. Basics of experiment planning: manual for undergraduate and graduate students. -Ryazan: RI MGOU, 2001.- 82 p.
13. Melnikov S.V., Aleshkin V.R., Roshhin P.M. Experiment planning in researches of agricultural processes. - 2-nd ed. revised and extended. - L.: Kolos. Leningr. Dep., 1980. - 168 p.
14. Shklyar V.N. Experiment planning and results processing. Lecture notes for masters in the direction 220200 "Automation and control in technical (mechatronic) systems". - Tomsk: Publ. house of Tomsk Politechnical un-ty, 2010. - 90 p.
15. Hinkelmann K. Design and Analysis of Experiments. Vol. 3. Special Designs and Applications / John Wiley & Sons, Ltd. - 2012. - 565 p.
16. Huitema B.E. The Analysis of Covariance and Alternatives Statistical Methods for Ex-periments, Quasi-Experiments, Single-Case Studies Second Edition // A john wiley and sons, inc., publication Kalamazoo. - Michigan, 2011. - 662 p.
