CC BY
9
вращения / Блохин В.Н., Кувшинов Н.М., Случевский А.М., Кубышкин А.В., Лаптева Н.А., Орехова Г.В.; за-явл. 13.08.2018; опубл. 2019.
7. Пат. на полезную модель RU № 179946A01B33/10, A01B33/06. Рабочий орган почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения / Блохин В.Н., Случевский А.М., Кубышкин А.В., Бердышева О.Н., Лаптева Н.А.; заявл. 20.2.2018; опубл. 29.5.2018; Бюл. № 16.
8. Пат. на полезную модель RU № 186142U1. Рабочий орган почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения / Блохин В.Н., Кувшинов Н.М., Случевский А.М., Кубышкин А.В, Лаптева Н.А.; заявл. 12.09.2018; опубл. 10.01.2019.
9. Блохин В.Н., Случевский А.М. Фреза садовая с вертикальной или крутонаклонной осью вращения // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сб. матер. XIII междунар. науч.-практич. конф.: в 2 част. Барнаул, 2018. С. 152 - 154.
10. Блохин В.Н., Случевский А.М. К вопросу о преимуществах фрез с вертикальной осью вращения
над фрезами с крутонаклонной осью вращения // Продовольственная безопасность: от зависимости к самостоятельности: матер. междунар. науч.-практич. конф. Смоленск, 2017. С. 655 - 658.
11. Пат. на полезную модель RU №179945. Почвообрабатывающая фреза с вертикальной осью вращения / Блохин В.Н., Случевский А.М., Роганков С.И., Кувшинов Н.М., Ковалев А.Ф., Лаптева Н.А.; заявл. 20.02.2018; опубл. 29.05.2018.
12. Пат. на полезную модель RU № 187645U1. Почвообрабатывающая фреза с вертикальной осью вращения / Блохин В.Н., Случевский А.М., Кубышкин А.В., Орехова Г.В., Кузнецов В.В.; заявл. 13.12.2018; опубл. 14.03.2019.
13. Пат. на полезную модель RU №190984 U1. Почвообрабатывающая фреза с вертикальной осью вращения / Блохин В.Н., Кувшинов Н.М., Случевский А.М., Кузнецов В.В., Кубышкин А.В., Лаптева Н.А.; заявл. 16.04.2019; опубл. 18.07.2019.
Валерий Николаевич Блохин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет». Россия, 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино, ул. Советская, 2а, cit@bgsha.com
Александр Михайлович Случевский, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет». Россия, 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино, ул. Советская, 2а, Sluch62@mail.ru
Галина Владимировна Орехова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент. ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет». Россия, 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино, ул. Советская, 2а, orehowagalka@yandex.ru
Valery N. Blokhin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Bryansk State Agrarian University^, Sovetskaya St., Kokino village, Vygonichsky district, Bryansk region, 243365, Russia,
Alexander M. Sluchevsky, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Bryansk State Agrarian University. 2а, Sovetskaya St., Kokino village, Vygonichsky district, Bryansk region, 243365, Russia, Sluch62@mail.ru Galina V. Orekhova, Candidate of Agriculture, Associate Professor. Bryansk State University. 2а, Sovetskaya St.,
Kokino village, Vygonichsky district, Bryansk region, 243365, Russia, orehowagalka@yandex.ru
-♦-
Научная статья УДК 621.79
Повышение износостойкости и упрочнение сегментных ножей уборочной техники электродиффузионной обработкой
Алексей Владимирович Ставицкий
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Восстановление и упрочнение изношенных деталей многие годы не теряет своей актуальности, поскольку является основным путём снижения себестоимости и повышения качества ремонта оборудования. Данный вопрос применительно к перерабатывающим отраслям АПК заключается не только в обеспечении технологического качества восстанавливаемых деталей при сравнительно низкой себестоимости их восстановления, но и в строгом соблюдении санитарно-гигиенических требований, исключающих загрязнение пищевых продуктов. Износ сегментных ножей приводит к увеличению потерь урожая при уборочных работах, нарушению агротехнических требований и повышает энергетические затраты. Замена или ремонт изношенных сегментов является трудозатратным, что приводит к снижению производительности труда и к простоям техники. Цель работы - повышение износостойкости сегментных ножей уборочной техники за счёт упрочнения режущих поверхностей электродиффузионной обработкой. Разработана новая установка для электродиффузионной обработки сегментных ножей, позволяющая обеспечить повышение механических свойств режущих поверхностей. Установлено повышение микротвёрдости упрочнённой поверхности сегментных ножей в 1,4 - 1,9 раза на глубину 300 - 350 мкм. Оптимальные параметры упрочнения в рассматриваемых интервалах обеспечиваются за счёт использования в качестве электролита тетрабората натрия и режимов электродиффузионной обработки: плотность тока - 0,261 - 0,319 А/см2, температура электролита - 850 °С, продолжительность обработки - 2 ч.
Ключевые слова: уборочная техника, сегментные ножи, электродиффузионная обработка, повышение износостойкости.
Для цитирования: Ставицкий А.В. Повышение износостойкости и упрочнение сегментных ножей уборочной техники электродиффузионной обработкой // Известия Оренбурского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 121 - 126.
Original article
Increase of wear resistance and strengthening of segment knives of harvesting equipment by electrodiffusion treatment
Alexey V. Stavitsky
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The restoration and hardening of worn-out parts has not lost its relevance for many years, since it is the main way to reduce the cost and improve the quality of equipment repair. This issue in relation to the processing industries of the agro-industrial complex is not only in ensuring the technological quality of the restored parts with a relatively low cost of their restoration, but also in strict observance of sanitary and hygienic requirements, excluding food contamination. The wear of the segment knives leads to an increase in crop losses during harvesting operations, violation of agrotechnical requirements and increases energy costs. Replacing or repairing worn segments is labor intensive, which leads to a decrease in labor productivity and equipment downtime. The purpose of the work is to increase the wear resistance of the segment knives of harvesting equipment due to the hardening of the cutting surfaces by electrodiffusion treatment. A new installation for electrodiffusion processing of segment knives has been developed, which allows improving the mechanical properties of cutting surfaces. An increase in the microhardness of the hardened surface of segment knives by 1.4 - 1.9 times to a depth of 300 - 350 microns has been established. The optimal hardening parameters in the considered intervals are ensured by using sodium tetraborate as an electrolyte and electrodiffusion treatment modes: current density - 0.261 - 0.319 A/cm2, electrolyte temperature - 850 °C, treatment duration - 2 hours.
Keywords: harvesting equipment, segment knives, electro-diffusion treatment, increased wear resistance.
For citation: Stavitsky A.V. Increase of wear resistance and strengthening of segment knives of harvesting equipment by electrodiffusion treatment. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 121 - 126. (In Russ.).
Восстановление и упрочнение изношенных деталей сельскохозяйственной техники является основным путём снижения себестоимости и повышения качества ремонта оборудования. В сложившейся ситуации необходимо внедрение научных разработок на машиностроительных предприятиях и в ремонтных цехах, одной из которых является электродиффузионная термическая обработка (ЭДТО), ранее называвшаяся термоэлектрической. Суть ЭДТО заключается в создании направленной диффузии легирующих компонентов и углерода в поверхностный слой изнутри образца, а не из внешней насыщающей среды. В результате поверхность детали обогащается легирующими элементами, углеродом, входящими в состав стали, и улучшаются эксплуатационные характеристики изделия. Преимуществами инновационной разработки являются простота технологии и используемого оборудования, стабильность результатов, безот-ходность, экологическая чистота, низкая себестоимость. Сегментные ножи широко используются в зерноуборочных и кормоуборочных комбайнах, а также на косилках. Ресурс сегментных ножей не превышает 30 га, а ежегодная потребность в таких деталях в Тюменской области составляет не менее 100 000 шт. Стоимость комплекта сегментных ножей Schumacher ProCut (120 шт.) комбайна «ACR0S-530» составляет 12 000 руб.
Целью исследования является повышение износостойкости сегментных ножей уборочной техники за счёт упрочнения режущих поверхностей электродиффузионной обработкой.
Задачи исследования:
1. Установить взаимосвязь параметров ЭДО с характеристиками упрочнённых слоёв в низколегированных сталях.
2. Разработать технологический процесс восстановления с упрочнением ЭДО сегментных ножей уборочной техники и определить его экономическую эффективность.
Разработана установка для ЭДО сегментных ножей, позволяющая обеспечить повышение механических свойств режущих поверхностей. Разработанная технология восстановления с упрочнением ЭДО сегментных ножей уборочной техники апробирована в АО ПЗ «Учхоз ГАУ Северного Зауралья», г. Тюмень.
Режущие кромки рабочих органов уборочных сельскохозяйственных машин, упрочнённые закалкой ТВЧ, имеют весьма небольшой ресурс.
Износ сегментных ножей вызывает нарушение агротехнических требований; увеличение потерь урожая при уборочных работах; повышает энергетические затраты на их проведение.
Замена или заточка изношенных сегментов сопровождается большими трудозатратами, что приводит к снижению производительности труда и к простоям техники в ремонте. Опыт эксплуатации зерноуборочных комбайнов показывает, что от 10 до 20 % отказов приходится на режущий аппарат.
Сегментные ножи, упрочнённые закалкой ТВЧ (токами высокой частоты), имеют весьма небольшой ресурс, который не превышает 30 га.
Разработанная технология может быть использована для упрочнения сегментных ножей зерноуборочных и кормоуборочных комбайнов, а также косилок.
Материал и методы. Материалами для исследований явились сегментные ножи Schumacher ProCut (Германия) и Марал Инвест (Россия), используемые на уборочной технике.
Для исследований были использованы сегментные ножи режущего аппарата зерноуборочного комбайна «ACR0S-530» и самоходной сенокосилки «FORTSCHRITT 303» с травяной жаткой.
Анализ структуры шлифов выполняли на металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1М после их травления 4%-ным ниталем и/или 5%-ным спиртовым раствором йода при разных увеличениях. Размеры зёрен определяли металлографическим методом по ГОСТуР ИСО 643-2015.
Были применены следующие методы исследований: металлографический, измерение микротвёрдости, испытания на износ, рентгено-флюоресцентный анализ, растровая электронная микроскопия.
Микротвёрдость HV исследованных сталей измеряли по ГОСТу 9450-76 с помощью прибора ПМТ-3М при нагрузке на индентор 1,96 Н. Рассчитывали К-соотношение средних величин микротвёрдостей поверхности насыщения толщиной до 100 мкм и нижележащего слоя на глубине 2 - 3 мм [1].
Рентгеновский фазовый анализ сталей сегментных ножей, подвергнутых электродиффузионной обработке, осуществляли на дифрактометре ДРОН-7. Также рентгенофлюоресцентный анализ проводили на Х-МЕТ 5000 фирмы «Oxford Instruments Analytical Oy», руководствуясь ГОСТом
сегментных ножей
Подгатобите/ьный этап | Основной этап Заключительный этою \
1 1 1
Шятбко электролита Установка б печь Удаление оатжоё электролита
1 1 1
Сборка рабочего электрода Нагреб new до температуры 850'С Разборка рабочего электрода
1 1
Зшрузка злектролшш бнупрь бспомогшпе/ьного электрода Погружение рабочего электрода б злектролшп
Анодная поляризация токам плотностью 0,13-0,50А/см б течение 2 часоб
I
Изблечение рабочего электрода из печи
Teprsxöpaöaixo
Рис. 1 - Технология электродиффузионной обработки сегментных ножей
28033-89. Тонкие особенности структуры и микроанализ элементов в сталях, подвергнутых ЭДО, выполняли на электронном растровом микроскопе JEOLJSM-6510A с интегрированным спектрометром.
Технология ЭДО сегментных ножей состоит из трёх этапов: подготовительного, основного и заключительного (рис. 1). На основном этапе ЭДО нагревали в печи тигель с электролитом до 850 °С, погружали рабочий электрод с сегмента-мив электролит, проводили анодную поляризацию током плотностью 0,18 - 0,50 А/см2 в течение 2 час. После чего извлекали из печи сегменты и проводили термообработку [2].
Рис. 2 - Схема ЭДО сегментных ножей
Рис. 3 - Расчётная схема ЭДО сегментных ножей:
1а - высота анода; 1к - высота катода; Лк - радиус катода; Л™1", Лэл, Лан - сопротивление катода, электролита и анода
Рассмотрим схему ЭДО сегментных ножей (рис. 2, 3). Поток вакансий в глубь анода соответствует сумме встречных потоков спла-вообразующих атомов (моль/с):
3 =-У 3 .
V / у i
(1)
=-
1 dN„
- В ^, (2)
дх
Я
общ
= ^кат + Яэл + Яан
(3)
«=4=.
Плотность потока вакансий в глубь анода зависит от интенсивности выхода катионов из сплава в электролит:
Л
где п - количество обрабатываемых сегментных ножей;
Sсн - площадь сегментного ножа, мм2; dNv /Л - частота генерирования вакансий при наличии электрического тока; О,3 - коэффициент диффузии ,-го компонента в электролите, мм2/с;
- химической потенциал катиона в электролите, Дж/моль;
к - количество компонентов в сплаве. Сопротивление электролитической ячейки при ЭДО будет сумма сопротивлений катода, электролита и анода (Ом):
Рис.
4 - Диффузионный поток на режущие
поверхности сегментного ножа при ЭДО
Скорость электрохимической реакции на аноде при ЭДО прямопропорциональна площади анода и плотности тока (моль/с):
V = П^ (4)
& '
где , - плотность тока, А/мм2;
г - количество электронов, участвующих в единичной реакции на аноде; ^ - число Фарадея, Кл/моль Соотношение площадей анода и катода при ЭДО сегментных ножей представлены формулой: пБс„ пБс„
у-*/
^ 2пЯЛ + < ПЯД24 + Як)
где 1к - высота катода; Як - радиус катода.
Диффузионный поток на режущие поверхности сегментного ножа при ЭДО (рис. 4) согласно
ЛС
1-му закону Фика 3 = -DS- прямо пропор-
Лх
ционален коэффициенту диффузии, количеству и площади сегментных ножей:
3 = D1 П5т ^, (6)
х
где - коэффициент диффузии ,-го компонента в сплаве, мм2/с;
АС - градиент концентрации сплавообразую-щего компонента, моль/мм3; х - расстояние от поверхности насыщения, мм.
Основными элементами установки для ЭДО сегментных ножей (рис. 5) являются: 1 - шахтная
Рис. 5 - Схема установки для ЭДО сегментных ножей:
1 - шахтная электропечь сопротивления;
2 - металлический тигель; 3 - токоподвод вспомогательного электрода; 4 - ^Т-образный токоподвод рабочего электрода; 5 - упрочняемый сегментный нож; 6 - электропроводящий расплав; 7 - цифровой измеритель-регулятор температуры; 8 - блок питания постоянного тока; 9 - амперметр; 10 - вольтметр; 11 -регулятор точной настройки напряжения;
12 - регулятор грубой настройки напряжения;
13 - регулятор точной настройки тока; 14 -регулятор грубой настройки тока
,=1
электропечь, 8 - блок питания постоянного тока. Внутри печи размещают металлический тигель 2, который заполняют электролитом. Упрочняемые сегментные ножи 5 размещают горизонтально тыльной стороной вниз на £/-образном токо-подводе и помещают в тигель. Требуемые режимы анодирования устанавливают с помощью регуляторов точной и грубой настройки тока и напряжения [3].
Рентгенофлюоресцентный анализ сегментных ножей показал, что сегментный нож Schumacher ProCut изготовлен из низколегированной стали 30ХГ, а Марал Инвест из стали 20 (рис. 6).
Часть сегментов, подвергнутых ЭДО, разрезали для изготовления продольных и поперечных микрошлифов с целью проведения металлографических исследований и определения микротвёрдости [4, 5] (рис. 7).
В результате ЭДО микротвёрдость упрочнённого слоя сегментных ножей повысилась в 1,4 - 1,9 раза по сравнению со стандартными на глубину 300 - 350 мкм (рис. 8).
На рисунке 9 представлено распределение микротвёрдости в поверхностном слое сегментного ножа Schumacher ProCut после ЭДО. В результате ЭДО величина микротвёрдости от поверхности к нижележащим слоям снижается плавно.
В микроструктуре стали после ЭДО выявили упрочняющие фазы, количество которых в поверхности больше, чем в центральных участках. При рентгеновском фазовом анализе после ЭДО установлено образование в упрочнённом слое карбида хрома СГ7С3.
Разработанная установка для электродиффузионного упрочнения сегментных ножей представлена на рисунке 10 и состоит из шахтной электропечи, блока питания постоянного тока. Вспомогательный электрод состоит из металлического тигеля и токоподвода.
Эксплуатационные испытания зерноуборочного комбайна «ACR0S-530» после скашивания 30,9 га овса показали снижение износа сегментных ножей, упрочнённых ЭДО, в 1,7 раза по сравнению со стандартными. Отмечается
Рис. 6 - Рентгенофлюоресцентный анализ сегментных ножей на Х-МЕТ 5000
А
Б
Рис. 7 - Этапы изготовления микрошлифов
сегментных ножей, подвергнутых ЭДО:
А - места разреза сегмента; Б - готовый микрошлиф
300
250
о
х 200
о.
ф
150
о
S 100
50
0
Стандартный После ЭДО
И Schumacher ProCut ЕЭ Марал Инвест Рис. 8 - Микротвёрдость упрочнённого слоя
сегментных ножей
350
300
Ь 250
200
150
100
50 100 150 200 250
Растояние от поверхности сегмента, мкм
Рис. 9 - Распределение микротвёрдости в
упрочнённом слое сегментного ножа Schumacher ProCut после ЭДО
Рис. 10 - Установка для электродиффузионного упрочнения сегментных ножей
снижение износа режущей кромки стандартных ножей, работающих в паре с упрочнёнными ЭДО.
В результате износа наблюдается увеличение рассмотренных зазоров между режущими сегментами как с верхней, так и с нижней поверхностями противорежущих сдвоенных пальцев, изменение угла заточки режущего сегмента. При достижении такого значения режущий сегмент не срезает, а лишь накалывает стебель и затягивает в противорежущий палец, что приводит к повышению потребляемой мощности и вибрации. Поэтому такие режущие сегменты должны быть заменены, а их ремонт и восстановление не предусмотрены [4 - 6].
Сравнение внешнего вида нового и изношенного режущих сегментов позволяет отметить, что
на поверхности изношенных сегментов образуется сложный рельеф, копирующий насечку на лезвии сегмента. Появление рельефа обусловлено протеканием процесса накалывания стеблей растений и последующего их протаскивания при резании в увеличивающийся зазор изношенной режущей пары [5].
Годовой экономический эффект от внедрения в технологический процесс составит 54000 руб. при годовой программе восстанавливаемых сегментов 1200 шт.
Вывод. Результаты исследования показали, что данная технология может быть использована для упрочнения сегментных ножей зерноуборочных и кормоуборочных комбайнов, косилок и других деталей режущего аппарата сельскохозяйственной техники.
Литература
1. Особенности формирования упрочнённого слоя электродиффузионной термообработкой / М.Ф. Ждано-вич, В.Ю. Паульс, А.В. Ставицкий [и др.] // Молодой учёный. 2015. № 6 - 5 (86). С. 1 - 4.
2. Инновационная технология электродиффузионного упрочнения ножей косилок / В.Ю. Паульс, Н.И. Смолин,
A.В. Ставицкий [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 5. С. 40 - 42.
3. Паульс В.Ю., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Упрочнение деталей трактора Т-4А из низколегированных сталей электродиффузионной термообработкой // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 12. С. 50 - 51.
4. Ставицкий А.В. Влияние и упрочнение сегментов зерноуборочного комбайна электродиффузионным воздействием // Эпоха науки. 2017. № 10. С. 95 - 97.
5. Ставицкий А.В. Упрочнение ножей косилок электродиффузионной термической обработкой //Новые задачи технических наук и пути их решения: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. Пермь, 2016. С. 139 - 142.
6. Пат. на полезную модель № 148889 Российская Федерация, МПК F27B19/02. Установка для электродиффузионной термообработки полых деталей / Паульс
B.Ю., Жданович М.Ф., Смолин Н.И., Скок М.А., Ставицкий А.В. (РФ); заявл. 10.06.14; опубл. 20.12.14, Бюл. № 35.
Алексей Владимирович Ставицкий, старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, stavickkiiav@gausz.ru
Alexey V. Stavitsky, senior lecturer. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, stavickkiiav@gausz.ru
