CC BY
17АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 612.9-621.98:633.31:631.55
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ БИОНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ НАПЛАВКИ КУЛЬТИВАТОРНЫХ ЛАП И НОЖЕЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;
Москалевич В. Ю., кандидат технических наук, доцент; Мищук С. А., кандидат технических наук, доцент,
Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Рассмотрены перспективные способы повышение ресурса почворе-жущих ножей и культиваторных лап наплавкой износостойкими материалами по бионически обоснованным параметрам. Разработана методика экспериментальных исследований почвообрабатывающих рабочих органов, упрочнённых наплавкой по различным формам. Приведены результаты поисковых исследований износостойкости стрельчатых культиваторных лап в полевых условиях.
Ключевые слова: бионика, упрочняющая наплавка, износостойкость, ресурс, экспериментальные исследования.
RESEARCH METHODOLOGY OF BIONIC SOUND REINFORCEMENT SURFACING OF HOES AND KNIVES OF TILLERS
Babitskiy L. F., Doctor of Technical Science, Professor;
Moskalevich V. Y., Candidate of Technical Science, Associate Professor; Mishchuk S. A., Candidate of Technical Science, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
Considered perspective ways of improvement of resource picwarehouse knives and hoes the surfacing wear-resistant material on bionic sound parameters. The developed technique of experimental studies of soil-cultivating working bodies, and hard facing for different forms. The results of researches of wear resistance of the lancet hoes in the field.
Key words: bionics, hardening surfacing, wear, resource, experimentally studies.
Введение. Эффективность почвообрабатывающих орудий в значительной степени зависит от надежности и долговечности их рабочих органов. Одной из основных предпосылок увеличения срока службы рабочих органов является
их износостойкость. В настоящее время разработано много путей повышения износостойкости рабочих органов сельскохозяйственных машин. Яркие примеры повышения износостойкости роющих конечностей животных и насеко-мых-землероев показывает нам живая природа. В природных объектах за счет реализации различной твердости обеспечивается условие самозатачивания с сохранением оптимальной формы режущих элементов конечностей. Особенно выражен этот эффект у крота и медведки. Зубья режущих конечностей у них «выполнены» двухслойными с различной твердостью, что обеспечивает эффект самозатачивания [2]. На основании этих бионических предпосылок нами предложены новые способы и формы упрочняющей наплавки ножей рабочих органов почвообрабатывающих машин [1, 8]. Для сравнительной оценки предложенных и существующих способов упрочнения разработана программа и методика их лабораторных исследований.
Материал и методы исследований. В настоящее время заводы сельскохозяйственного машиностроения серийно выпускают плужные лемехи, куль-тиваторные лапы и ножи плокорезов с наплавкой износостойким сплавом сор-майтом, что позволяет повысить их износостойкость до трех раз по сравнению с не наплавленными деталями. Однако такой способ упрочнения не позволяет решить проблему самозатачивания лезвий из-за большого разнообразия почв по типам и непостоянства их свойств. При наплавке сормайта на нижнюю поверхность лезвий они самозатачиваются только на суглинистых чернозёмных почвах средней влажности, а при верхней наплаве сормайтом самозатачивание происходит только при обработке песчаных и супесчаных почв с влажностью более 10% [4]. Существенно расширить область технологических условий работы почвообрабатывающих машин, при которых возможен эффект самозатачивания лезвий, позволили разработки Института электросварки имени Е. О. Патона совместно с учёными НУБиП Украины по так называемому «точечному» упрочнению лемехов твердосплавными материалами, которые были внедрены в производство НПО «Дозатор» [3, 5]. В процессе эксплуатации лезвия лемехов, упрочнённые указанным способом, приобретают волнисто-ступенчатую форму с острой кромкой при обработке почв всех типов. Износостойкость таких лемехов выше в 1,4...2 раза по сравнению с наплавленными сормайтом, при этом удельное тяговое сопротивление плугов снижается до 30%. Полученные результаты позволяют сделать заключение о перспективности исследований в данном направлении и, в частности, упрочнении почворежущих ножей и культиваторных лап по бионически обоснованным параметрам.
Повышение ресурса почворежущих ножей и культиваторных лап за счет улучшения их прочностных характеристик и стойкости к абразивному изнашиванию предлагается достигать за счет специальных форм наплавок износостойким электродным материалом. Характеристики испытываемых способов наплавки приведены ниже.
Прерывистая наплавка: твёрдый сплав располагают в зонах наплавки на ноже в виде вплавленных в его материал групп полусфер диаметром, равным
толщине основы ножа, причём центры полусфер в каждой группе размещают с шагом, равным их диаметру, вдоль дуги логарифмической кривой, выпуклой в сторону лезвия ножа, а группы полусфер совмещают параллельными переносами вдоль лезвия ножа с шагом, который рассчитывают в зависимости от длины лезвия и ширины почворежущего ножа таким образом, что отношение ширины зон наплавки к шагу составляет от 1:2 до 2:3 [8]. На рис. 1 изображена схема почворежущего ножа с прерывистой наплавкой.
Рисунок 1. Схема прерывистой наплавки: 1 - почворежущий нож, 2 - первоначальное лезвие ножа, 3 - полусферы износостойкого твёрдого сплава, 4 - линия лезвия ножа, образуемая в результате его изнашивания в процессе эксплуатации, 5 - носок ножа, а - ширина зон наплавки, Ь - расстояние между соседними зонами наплавки, с - толщина основы ножа, й - диаметр полусфер наплавляемого твёрдого сплава, ^ - шаг расположения полусфер износостойкого твёрдого сплава в группе, В - ширина почворежущего ножа, Ь - длина первоначального лезвие ножа, S - шаг совмещения параллельным переносом соседних групп полусфер наплавляемого твёрдого сплава, /(х) - дуга логарифмической кривой, вдоль которой размещают центры полусфер наплавляемого твёрдого сплава, г. - радиус-вектор логарифмической спирали, описывающей форму участка линии лезвия ножа между соседними зонами наплавки, образуемого в результате его изнашивания в процессе эксплуатации.
Волнистая наплавка: с тыльной стороны на уровне линии режущего лезвия в виде валика по форме косинусоидальной кривой с областью определения, равной ширине режущей кромки составных частей ножа, и на рабочей крошащей поверхности на уровне полуширины ножа с областью определения, равной ширине режущей кромки составных частей ножа, но с фазой смещения на 1800 по отношению к тыльной косинусоидальной кривой.
Ступенчатая наплавка: упрочняющий слой 1 нанесен на внешнюю сторону лезвия 2 в виде повторяющихся ступеней 4, имеющих вид прямоугольных треугольников с длиной ступени L, образованной катетом, лежащем на режущей кромке 3 и высотой ступени ^ образованной вторым катетом, выполненных с соотношением высоты ступеней к их длине Н^ равным 1:2 (рис. 2).
и Ж^в
х
Рисунок 2. Схема ступенчатой наплавки
На первом этапе проводятся лабораторные исследования. Их целью является проверка гипотезы о возможности формирования в процессе изнашивания волнистой или зубчатой формы лезвия, упрочнённого наплавкой по бионически обоснованным параметрам, что способствует повышению показателей работоспособности и долговечности почвообрабатывающих рабочих органов.
В задачи лабораторных исследований входит:
- определение закономерностей изменения формы почворежущего лезвия, упрочнённого наплавкой по различным формам от значений наработки, свойств почвы и других условий эксплуатации;
- нахождение условий улучшенного формообразования почворежущего лезвия, упрочнённого наплавкой по различным формам;
- установление влияния основных эксплуатационных факторов на линейную износостойкость и работоспособность лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин, упрочнённых наплавкой по различным формам.
Для исследований износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин в лабораторных условиях разработан экспериментальный стенд кругового типа, который является аналогом (по цели использования) известного лабораторного стенда «Вращающаяся чаша» («ВЧ») конструкции А.Н. Розенбаума [6]. От «ВЧ» разработанный экспериментальный стенд имеет отличия, которые позволяют более существенно сблизить условия лабораторных испытаний с условиями реальной эксплуатации.
К этим отличиям относятся следующие:
- в экспериментальном стенде кругового типа образцы движутся в почве, а не почва по отношению к неподвижным образцам (как во «ВЧ»), что более приближено к реальным условиям;
- стенд имеет более совершенные конструктивные параметры, что позволяет уменьшить негативное влияние «дна» на результаты испытаний образцов;
- стенд позволяет проводить испытания с линейной скоростью, близкой к скорости эксплуатации реальных рабочих органов (2 м/с и более).
Экспериментальный стенд кругового типа для проведения исследований износостойкости элементов почвообрабатывающих рабочих органов изготовлен на базе расточного станка 2Е78П, который содержит станину с опорным столом и шпиндель с вращающейся головкой. Частота вращения шпинделя регулируется с помощью коробки передач станка, кроме этого осуществляется необходимое вертикальное перемещение шпинделя.
Образцом для испытаний является прямоугольная пластина, заточенная под углом 20°. Для определения оптимальной формы упрочняющей наплавки образец упрочняется (наплавляется) слоем твердого сплава необходимой толщины по теоретически обоснованным параметрам. В качестве эталона используется образец, изготовленный из стали 65Г, термообработанный до твердости НRС 40...42 ед. и наплавленный твердым сплавом того же состава, что и наплавка экспериментальных образцов. Эталонный образец наплавлен сплошным слоем одинаковой толщины по всей длине режущей кромки.
Одновременно испытываются два образца, один из которых эталон. Износостойкость образцов-фрагментов наплавленных рабочих органов оценивается по линейному износу. Для наплавленных образцов определяется относительная износостойкость биметаллических соединений с твердыми сплавами (упрочненных лезвий).
Поскольку на процесс изнашивания почвообрабатывающих рабочих органов влияет большое количество факторов, для изучения их влияния необходимо проведение значительного количества опытов. В наших исследованиях количество опытов сокращено введением следующих ограничений и допущений:
1. Лабораторные исследования на износостойкость проводятся на одной скорости, при которой эксплуатируются большинство видов почвообрабатывающих рабочих органов (2,0 ± 0,2 м/с).
2. За основу взята наиболее распространенная модель почвы среднесуг-линистого механического состава (33% глины + 67% песка) с твердостью 0,9...1,3 МПа на глубине обработки (8...9 см).
3. Лабораторные исследования на износостойкость проводятся при двух углах крошения (резания): 1-й угол устанавливается 15°, при этом моделируются условия эксплуатации и изнашивания лезвий культиваторных лап, ножей культиваторов-плоскорезов и других подобных орудий; 2-й угол устанавливается 30°, при этом моделируются условия эксплуатации и изнашивания лемехов плугов общего назначения, наральников культиваторов и др.
4. Испытываются образцы, наплавленные как с верхней, так и с нижней стороны лезвия.
Так как каждый образец испытывается одновременно с эталоном, повтор-ность опытов принята однократной. В случае получения несопоставимых результатов опыт повторяется.
Программой лабораторных исследований предусмотрено проведение двух серий опытов.
Первая серия: испытанию подвергаются следующие виды упрочняющих методов с наплавкой на внутренней (верхней) стороне образца:
• наплавка сплошным слоем твёрдого сплава одинаковой толщины по всей длине режущей кромки;
• прерывистая наплавка с расположением твёрдого сплава в зонах наплавки в виде вплавленных в материал образца групп полусфер;
• волнистая наплавка твёрдого сплава;
• ступенчатая наплавка твёрдого сплава.
Вторая серия: испытываются те же упрочняющие методы и виды сплавов, нанесенных с наружной (нижней) стороны образца и с той же толщиной наплавки.
Методика лабораторных исследований износостойкости элементов почвообрабатывающих рабочих органов включает: заготовку образцов элементов почвообрабатывающих рабочих органов с наплавкой различной формы; нумерацию образцов; взвешивание образцов перед наплавкой на лабораторных весах с точностью до 0,01 г; наплавку образцов твёрдым сплавом по различным исследуемым формам; взвешивание образцов после наплавки на лабораторных весах с точностью до 0,01 г; определение твердости изнашиваемых поверхностей образцов элементов почвообрабатывающих рабочих органов; проведение испытаний образцов на износ; определение параметров износа исследуемых образцов.
Оценка износостойкости и работоспособности лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин при лабораторных исследованиях проводится по специальной методике, основы которой были разработаны в ГОСНИТИ и
НПО ВИСХОМ [7]. По этой методике контролируются следующие параметры: линейный износ (илин), который определяется как разница значений ширины детали (образца) до начала и после окончания процесса изнашивания; угол заострения лезвия величина толщины лезвия (Во).
Результаты и обсуждение. С целью изучения перспективности предлагаемых технологий наплавки, наплавочных материалов и форм наплавки в условиях Крыма кафедрой механизации, энергетики и технического сервиса проведены исследования износостойкости стрельчатых культиваторных лап в полевых условиях. Для определения влияния вида наплавочного материала и формы наплавки стрельчатых лап на их износостойкость была выполнена наплавка по различным формам порошковыми материалами на основе карбида вольфрама. В качестве контрольного варианта использовались заводские стрельчатые лапы с нанесенным на нижнюю поверхность лезвия слоем сормайта. Ниже приведены результаты измерений твердости образцов (табл. 1).
Таблица 1. Твердость материалов испытываемых образцов культиваторных лап
Материал Твердость, ЖС
Основной материал лап 16,25±3,18
Слой сормайта заводских лап 56,50±1,06
Элементы наплавки порошковым материалом 46,25±2,88
В результате обработки культиватором 70 гектаров посевных площадей в УНТРЦ АБиП «КФУ имени В. И. Вернадского» получены следующие результаты износа стрельчатых лап по массе (табл. 2).
Таблица 2. Износ образцов культиваторных лап по массе
№ образца Вид наплавки Наработка на одну лапу, га Масса стрельчатой лапы, г Износ по массе, г
до испытания после испытания
1 сплошная сормайтом 3,3 1086 928 158
2 точечная порошковым материалом 3,3 1155 1108 47
3 ступенчатая порошковым материалом 3,3 1221 1114 107
Анализ полученных результатов показывает, что наибольший износ получен у контрольной лапы с наплавкой сормайтом (158 г), а наименьший износ -у лапы с точечной наплавкой порошковым материалом (47 г).
Выводы. Перспективным направлением повышения износостойкости почвообрабатывающих рабочих органов с обеспечением эффекта самозатачивания их лезвий является упрочняющая наплавка твердосплавным материалом по бионически обоснованным параметрам прерывистым, волнистым и ступенчатым способами. Для проверки гипотезы о возможности формирования в процессе изнашивания волнистой или зубчатой формы лезвия разработана методика лабораторных исследований на экспериментальном стенде кругового типа. Поисковые исследования в полевых условиях износостойкости стрельчатых культиваторных лап, упрочненных прерывистой наплавкой порошковым материалом на основе карбида вольфрама показали возможность увеличения технического ресурса рабочих органов в 2,5.3 раза по сравнению со сплошной наплавкой твёрдым сплавом «сормайт».
Список использованных источников:
1. Бабицкий Л. Ф., Мищук С. А. Рекомендации по выбору технологии восстановления рабочих органов сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин. - Симферополь: ЮФ НУБиПУ «КАТУ», 2010. - 30 с.
2. Бабицкий Л. Ф., Москале-вич В. Ю. Биосистемный подход к повышению долговечности рабочих органов сельскохозяйственных машин // Проблемы и перспективы инновационного развития экономики в 21 веке: материалы XX международной научно-практической конференции, Алушта, 14-19.09.2015. / Союз научных и инженерных специалистов Крыма. - Симферополь: ИП Семенова Е.А., 2015. - с. 262-266.
3. Денисенко М. I., Войтюк В. Д. Пщвищення експлуатацшно! надш-ност деталей робочих оргашв грун-тообробних машин [Электронный ресурс] URL: http://elibrary.nubip.edu. ua/8855/1/dmi_1.pdf.
4. Клюенко В. Н. Универсальные самозатачивающиеся плужные леме-хи повышенной износостойкости //
References:
1. Babitskiy L. F., Mischuk S. A. Recommendations on the choice of technology of restoration of the working bodies of agricultural tillage machines.
- Simferopol: SB NULES Ukraine «CATU», 2010. - 30 p.
2. Babitskiy L. F., Moskalevich V. Y. Biosystemic approach to improving the durability of the working bodies of agricultural machines // Problems and prospects of innovative development of economy in the 21st century: proceedings of the XX international scientific and practical conference, Alushta, 14-19.09.2015. / The Union of scientific and engineering specialists of the Crimea. - Simferopol: IE Semenova E. A., 2015. - p. 262-266.
3. Denisenko M. I., Voytuk V. D. Improving the reliability of parts of the working bodies of tillage machines [Electronic resource] URL: http:// elibrary.nubip.edu.ua/8855/1/dmi_1.pdf.
4. Kluenko V. N. Universal self-sharpening plow shares improved wear resistance // Tractors and farm machines.
- 1986. - №9. - p. 38-42.
Тракторы и сельхозмашины. - 1986. -№9. - с. 38-42.
5. ООО Научно-производственная фирма «Дозатор» [Электронный ресурс] URL: http://www.dozator.lg.ua.
6. Розенбаум А. Н. Исследование износостойкости сталей для режущих органов почвообрабатывающих орудий / В кн. Исследование материалов деталей сельскохозяйственных машин // Труды ВИСХОМ. Вып. 53. -М.: 1969. - с. 3.
7. Тененбаум М. М., Кауфман С. М. и др. Методика установления предельных состояний рабочих органов почвообрабатывающих машин. - М.: ВИСХОМ, 1985. - с. 33.
8. Удельный Н. Н., Москале-вич В. Ю. Обоснование параметров прерывистой наплавки лемехов и ножей почвообрабатывающих машин // Научно-практическая конференция «Молодая наука»: сборник трудов / Под общей редакцией Н. Г. Гончаровой. - Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2015. - с. 184-186.
5. SLL Scientific and production company «Dozator» [Electronic resource] URL: http://www.dozator. lg.ua.
6. Rosenbaum A. N. Investigation of wear resistance of steels for cutting bodies of tillers / In the book. Study materials of parts of agricultural machines // Proceedings of WISHOM. Vol. 53. - M.: 1969. - p. 3.
7. Tenenbaum M. M., Kaufman S. M. etc. The methodology for determining limit state of the working bodies of tillage machines. - M.: WISHOM, 1985. - p. 33.
8. Udelniy N. N., Moskalevich V. Y. Substantiation of the parameters of the intermittent surfacing of coulters and knives tillage machines // Scientific-practical conference «Young science»: collection of papers / Under the General editorship of N. G. Goncharova. -Simferopol: IT «ARIAL», 2015. -p.184-186.
Сведения об авторах:
Бабицкий Леонид Федорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Москалевич Вадим Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, доцент
Information about the authors:
Babitskiy Leonid Fedorovich -Doctor of Technical Sciences, Professor, the head of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work of Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: a.m.izotov@mail.ru, FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Moskalevich Vadim Yurievich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, associate Professor
кафедры механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: v_moskalevich@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Мищук Сергей Анатольевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: missa2009@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work of Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: a.m.izotov@mail.ru, FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Mischuk Sergey Anatolievich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, associate Professor of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work of Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: a.m.izotov@mail.ru, FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Uni-versity».
