автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин

На правах рукописи

МАКАРЕНКО Дмитрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СЕГМЕНТНО-ПАЛЬЦЕВОГО РЕЖУЩЕГО АППАРАТА УБОРОЧНЫХ МАШИН

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г % ПАР 2013

Зерноград — 2013

005051041

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СтГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лебедев Анатолий Тимофеевич

Официальные оппоненты: Алексенко Николай Петрович,

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

Ридиый Сергей Дмитриевич,

кандидат технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ, доцент кафедры)

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН «Госсельхозакадемии»)

Защита диссертации состоится 12 апреля 2013 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан « // » 20 г.

Ученый секретарь у

диссертационного совета ц. ц. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной задачей в технологическом процессе скашивания зерновых культур и трав является проведение работ в сжатые агротехнические сроки, так как каждый последующий день ведет к увеличению потерь биологического урожая. Успешное выполнение этой задачи во многом определяется наличием в хозяйстве необходимого количества уборочных машин и их техническим состоянием.

Исследования надежности зерноуборочных комбайнов показали, что из всех простоев техники, составляющих 32...35 % общего рабочего времени, на долю технических неисправностей приходится 17,4... 19,8 %. Наибольшее количество отказов связано с поломкой деталей жатвенной части, механических передач, гидросистемы, электрических и электронных средств контроля. В свою очередь количественный анализ отказов жатвенной части показал, что наибольшее число неисправностей приходится на рабочие органы режущего аппарата, а именно сегменты, противорежущие пластины и пальцы.

Основными неисправностями сегментов режущего аппарата, вызывающими отказ уборочной техники, являются износ режущей кромки лезвия, деформация или поломка вследствие внезапных отказов, а также ослабление его крепления к ножевой полосе из-за некачественной фиксации.

Из вышесказанного следует, что исследования, направленные на повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин за счет совершенствования параметров сегментов, являются актуальными и представляют практический интерес.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских рабш ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 201! 2015 гг., № 1.4.33 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих с ма териалом».

Цель исследования - повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин совершенствованием параметров сегментов.

Объект исследования - рабочие поверхности сегмента режущего аппарата, определяющие его ресурс, и процесс разрушения при внезапном отказе.

Предмет исследования - закономерности развития износа рабочей поверхности лезвия сегмента режущего аппарата и характер его разрушения при возникновении внезапного отказа.

Методика исследования предусматривает использование теории вероятностей и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание работы сегмента режущего аппарата, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов.

Научная новизна. Теоретическая модель формирования параметрического отказа в результате износа рабочих поверхностей лезвий сегмента, контактирующих с материалом стеблей растений, и зависимости скорости изнашивания его рабочих поверхностей. Теоретическая модель повышения долговечности лезвия сегмента

режущего аппарата путем формирования износостойкого покрытия. Новая конструкция сегмента (патент № 2453099), обеспечивающая надежную работу режущего аппарата за счет увеличения износостойкости лезвия и снижения затрат на восстановление его работоспособности при возникновении внезапных отказов.

Практическая значимость работы. Предложенные технические решения обеспечивают повышение ресурса лезвия сегмента в 2,8...3,2 раза и уменьшают энергоемкость процесса резания на 10 %, а также снижают последствия внезапного отказа, вызванного попаданием в зону резания посторонних предметов, что сокращает общее время простоя уборочной машины по техническим причинам и материальные затраты на ликвидацию неисправности.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены: на 73-й научно-практической конференции «Молодые аграрии Ставрополья» (Ставрополь, 2009 г.); конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Ставрополь, 2010 г.); конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И. Д. Тменова (Владикавказ, 2010 г.); VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, 2012 г.); научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа (Нальчик, 2012 г.).

Реализация результатов исследования. Предлагаемые образцы сегментов режущего аппарата изготовлены и внедрены при проведении уборочных работ зерноуборочными комбайнами в агрофирму ОАО «Агротехсервис» Ставропольского края.

Разработанные стенды для испытания машиностроительных материалов на абразивное изнашивание и исследования работы сегментно-пальцевого режущего аппарата на внезапный отказ внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ на факультете механизации при проведении лаборагорно-практических занятий.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований было опубликовано 13 печатных работ, в их числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

На защиту выносятся следующие положения: математическая зависимость контактного взаимодействия рабочих поверхностей лезвия сегмента со стеблем растения, учитывающая основные факторы, влияющие на работоспособность режущих аппаратов уборочных машин; теоретическая модель повышения ресурса сегмента режущего аппарата за счет формирования на его рабочих поверхностях тонкопленочного износостойкого покрытия, обеспечивающего постоянство значений геометрических параметров формы лезвия в заданных пределах при реализации технологического процесса резания; технико-экономическая модель затрат на восстановление работоспособности режущего аппарата при возникновении внезапных отказов сегмента; результаты стендовых испытаний стандартных и экспериментальных сегментов режущего аппарата.

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 146 страницах машинописного текста, в том числе 54 рисунков и 3 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований, в том числе 2 — на иностранных языках. Имеются 12 приложений на 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель работы, ее краткая характеристика, новизна и значимость результатов для науки и практики.

В первой главе «Состояние вопроса повышения надежности режущего аппарата уборочных машин, цель и задачи исследования» представлен анализ технического состояния уборочной техники, дана диаграмма распределения отказов узлов зерноуборочного комбайна, рассмотрены классификация режущих аппаратов и параметры его рабочих органов, выполнен анализ основных направлений повышения надежности жатвенных машин, ставятся цель и задачи исследования.

Значительный в [слад в повышение надежности уборочных машин и деталей режущих аппаратов внесли такие ученые, как В. П. Горячкин, Э. В. Жалнин, Н. Е. Резник, А. Н. Карпенко, И. А. Долгов, Е. С. Босой, Е. А. Лисунов, Н. П. Алексенко, Н. В. Валуев, В. А. Черноволов, В. Н. Курочкин, Э. И. Липкович, Е. И. Трубилин и др. Также решению данной проблемы посвящены работы научных коллективов ведущих научно-исследовательских организаций и вузов ВИМ, ГОСНИТИ, РО-СИНФОРМАГРОТЕХ, МГАУ, СГТбГАУ, КубГАУ, СГАУ, ГорГАУ, СтГАУ, ОрелГАУ, АЧГАА, КБГСХА, БелГСХА и др.

Анализ конструкций отечественных и импортных уборочных машин показал, что широкое применение в жатвенной части получил сегментно-пальцевый режущий аппарат, что объясняется высокими показателями качества среза растительной массы и малой энергоемкостью работы по сравнению с аппаратами бесподпорного среза. Однако из-за конструктивных недостатков сегмента, к которым можно отнести сравнительно невысокий ресурс лезвия и пластическую деформацию его спинки в момент попадания в зону резания посторонних предметов при возникновении внезапных отказов, надежность таких аппаратов невысока.

Поэтому для повышения надежности режущего аппарата уборочных машин возникла потребность в совершенствовании параметров сегмента.

Рабочая гипотеза состоит в том, что повысить надежность режущего аппарата уборочных машин в рядовых условиях эксплуатации и при возникновении внезапных отказов возможно за счет нанесения тонкопленочного покрытия на лезвие сегмента, без существенного изменения его геометрических параметров, и выполнением просечек, обеспечивающих как снижение массы сегмента, так и его разрушение без пластической деформации при попадании в зону резания посторонних предметов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математические зависимости контактного взаимодействия рабочих поверхностей лезвия сегмента со стеблем растения для определения основных факторов, влияющих на его ресурс и работоспособность режущих аппаратов уборочных машин;

- разработать теоретические модели повышения надежности режущего аппарата при постепенном износе сегментов и при возникновении внезапных отказов;

- исследовать параметры формы и свойства рабочих поверхностей сегментов режущих аппаратов уборочных машин;

— экспериментально установить скорость изнашивания лезвия сегментов, время и материальные затраты на восстановление работоспособности режущего аппарата при устранении последствий внезапного отказа;

— провести сравнительные производственные испытания модернизированных сегментов режущего аппарата и выполнить технико-экономическую оценку эффективности предложенных решений.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата» изложены основные результаты теоретического исследования влияния параметров и условий работы рабочих поверхностей сегмента на надежность режущего аппарата.

Согласно методике повышения эффективности технологических процессов, которую предложил профессор А. Т. Лебедев, режущий аппарат представим в

виде сложной технической системы (рис. 1). Низшими элементами такой иерархической схемы являются рабочие поверхности лезвия и спинка сегмента. Рабочая поверхность лезвия сегмента из-за своеобразной формы насечек, в виде игловидного зуба, не только обеспечивает защемление перерезаемого растения, но и снижает усилие резания и обеспечивает хорошее качество среза.

Рабочая поверхность спинки сегмента обеспечивает ему требуемую прочность и компенсацию ударных нагрузок, возникающих при работе режущего аппарата, поэтому она имеет меньшую твердость по сравнению с лезвием. Однако при попадании в зону резания посторонних предметов или сорных растений, имеющих высокую твердость, значительно превышающую сопротивление резанию культурных растений, наличие в сегменте зоны меньшей твердости приводит к его пластическому деформированию, что вызывает повреждение рядом стоящих пальцев или поломку ножевой полосы.

Поэтому геометрические параметры формы и физико-механические свойства рабочей поверхности лезвия сегмента, вступающие в контакт со стеблем растений, должны оставаться постоянными в заданных пределах и сохраняться при выполнении технологического процесса разделения материалов в течение уста-

Рисунок 1 - Иерархическая схема сегментно-пальцевого режущего аппарата

новленного периода работы. Рабочая поверхность спинки сегмента, обеспечивая прочность на всех режимах резания, при попадании в эту зону посторонних предметов не должна пластически деформироваться, что исключит повреждение других деталей режущего аппарата. Это и есть целевое назначение рабочих поверхностей сегмента режущего аппарата.

Анализ взаимодействия лезвия сегмента режущего аппарата со стеблями растений (рис. 2) на основе теории удара основоположника земледельческой механики академика В. П. Горячкина и с учетом зависимостей, которые получили профессор Е. С. Босой и профессор Н. Е. Резник, позволил получить математическую модель, описывающую данный процесс:

/+М1+Л

1 1

--ь-

Ьк1 1--Г

Ш X

17

35т

[/&р+/5іп2р + ц(/ + со52р)]-

(1)

где с/ - диаметр срезаемых стеблей, м; <я- шаг зубьев насечки лезвия сегмента, м; а - разрушающее контактное напряжение, Н/м2; 5 - острота кромки лезвия, м; / - дл на вершины зуба, м; - высота зуба насечки, м;/- коэффициент трения перерезанных волокон стебля о грани клина; ф,, <р2 - углы наклона боковых граней зуба, град; Е - модуль упругости материала, МПа; толщина сжатого слоя материала, предшествующая разрушению, м; Р - угол заточки лезвия, град; ц - коэффициент Пуассона;

- величина отгиба стебля, м; J - полярный момент инерции поперечного стебля, м"; Ь - расстояние от верхней части пальца до лезвия сегмента, м; к - зазор между сегментом и противорежущей пластиной, м; т[ п - масса стебля на участке 1-Й, кг; V -скорость сегмента, м/с; т - время удара сегмента о стебель, с.

Рисунок 2 - Силовое взаимодействие лезвия со стеблем: а) схема резания стебля;

б) силы, действующие на лезвие; в) силы, действующие на зуб насечки; 1 - сегмент: 2 - стебель; 3 - противорежущая пластина; 4 - верхняя часть пальца

Выражение (1) уточняет зависимости, полученные предыдущими исследователями, и устанавливает влияние параметров фор мы зуба насечки на надежность технологического процесса резания и надежность работы режущего аппарата уборочных машин. Таким образом, с точки зрения стабильности технологического процесса резания необходимо, чтобы геометрические параметры рабочей поверхности лезвия сегмента как можно дольше сохраняли свои исходные значения. С другой стороны, затраты энергии на привод режущего аппарата при возвратно-поступательном движении ножа во многом определяются его массой, зависящей от массы сегментов тс и их количества Поэтому повысить надежность технологического процесса резания и надежность работы режущего аппарата возможно

не только стабильностью параметров рабочих поверхностей зубьев насечки в пределах заданного ресурса, которые определяют величину сил сопротивления резанию со стороны стеблей, но и уменьшением массы сегментов тс при соблюдении их прочностных требований.

Академик В. С. Авду-евский отмечает, что ресурс деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, имеет линейную аппроксимацию. В этом случае закономерность формирования ресурса сегмента режущего аппарата (рис. 3) за счет изменения остроты лезвия 5 при постепенном износе определится по формуле "Р

Рисунок 3 - Модель формирования ресурса сегмента режущего аппарата

5 = 5„ + у-Д

пр 0 '

(2)

Из уравнения видно, что основным фактором, определяющим техническое состояние сегмента, является скорость его износа у.

Откуда следует, что для снижения скорости износа необходимо обеспечить ресурс сегмента, равный времени Т:

(3) 1

Добиться решения этой задачи возможно путем изменения свойств рабочей поверхности лезвия нанесением специальных износостойких покрытий. Модель формирования параметрического отказа для этого случая показана на рисунке 4.

Скорость изнашивания покрытия уп - случайная величина с плотностью распределения /(уя). Скорость изнашивания основного материала уо и толщина покрытия (А) не варьируются. Дополнительная временная ось 5(/г)°определяет мо-

мент полного износа покрытия. При нормальном законе распределения скорости изнашивания покрытия /(ул) вероятность безотказной работы определяется соотношением

Р(Г) = 0,5 + Ф

(4)

где М — математическое ожидание скорости изнашивания, мкм/ч; а в тическое отклонение скорости изнашивания покрытия уп.

Из выражения (5), приравняв квантиль Н к значению аргумента Ф, получим формулу ресурса сегмента, имеющего покрытие

■ среднеквадра-

Т = -

Н.. - а... +М.„

-+Д. (5)

Из выражений (4), (5) следует, что при постоянной скорости изнашивания 7о основного материала сегмента режущего аппарата, за счет формирования покрытия на его рабочей поверхности лезвия, можно получить приращение времени А', которое будет определять увеличение ресурса.

Внезапные отказы, связанные с попаданием в зону резания посторонних предметов, сопровождаются значительными последствиями, которые выражаются не только затратами на замену поврежденных элементов режущего аппарата, но и дополнительно вынужденными простоями уборочной техники. Общие затраты Зобщ на восстановление работоспособности в этом случае определяются выражением

Рисунок 4 — Модель формирования постепенного износового отказа сегмента при варьировании скорости изнашивания покрытия

3 - =3+3+3,,

оощ 1 2 З7

(6)

где - стоимость замены поврежденных элементов, руб.; Зг — затраты, приходящиеся на 1 час простоя, руб.; Зъ — затраты на топливо, связанные с дополнительными переездами техники, руб.

Величина затрат 31 зависит от количества пт и стоимости С', поврежденных элементов каждого /-того вида и определяет тяжесть ущерба, нанесенного попаданием в зону резания посторонних предметов при внезапном отказе. В эксплуатации зерноуборочных комбайнов продолжительность простоя связана не только со временем и числом операций, необходимых для восстановления работоспособности технического средства, но и потерями биологического урожая за этот период. Поэтому с учетом зависимости, которую предложил профессор А. Ш. Рабинович,

общие затраты на восстановление работоспособности комбайна определяются по зависимости

Дзби; ~ "+ С2

а- Ъ„-

(. Т„ +Тт+гъ-Тдп ■ Тдс+пъ ■ Т +П2 ■ Т +Т

2-Ш-Т„

1 +

+ (7)

где С\ - стоимость поврежденного элемента, руб.; п.— количество поврежденных элементов, штук; С2 - стоимость продукции, руб/кг; а - урожайность, кг; Ь- потери зерна от осыпания, кг/га; площадь зерновых, убранная с учетом осыпания, га; IV - производительность комбайна, кг/ч; Т - общая продолжительность работы комбайна в сутки в случае отсутствия отказов, ч; — время, затраченное на выезд уборочной машины из загона, ч; Т - время обнаружения причины неисправности, ч; Ты~ время демонтажа пальцев и прижимных пластин, ч; Тл - время демонтажа поврежденного сегмента, ч; Т - время установки нового сегмента, ч; Т - время установки пальцев и прижимных пластин, ч; Т - время проверки работоспособности установленных элементов, ч; Г— время, затраченное на переезд уборочной машины к месту работы, ч; пу пъ— число поврежденных сегментов и пальцев соответственно, штук; Ст~ часовой расход топлива, кг/ч; С3 — стоимость топлива, руб/кг.

Из выражения (7) следует, что одним из основных резервов снижения общих затрат на восстановление работоспособности режущего аппарата является уменьшение последствий самого отказа. Необходимо, чтобы при попадании посторонних предметов в зону резания сегмент разрушался и не вызывал повреждения других деталей режущего аппарата.

Для реализации поставленной задачи нами был использован метод конечных элементов, который с достоверной точностью позволяет оценить напряженно-деформированное состояние сегмента, соответствующее его эксплуатационной нагрузке и условиям, возникающим при попадании посторонних предметов в зону резания.

Проведенное компьютерное моделирование сил и напряжений, действующих в сегменте, показало, что в нерабочей части сегмента имеются зоны, не оказывающие значительного влияния на его режущую способность. Ликвидация этих зон

в виде просечек позволит сохранить достаточную жесткость и прочность сегмента на всех режимах нормальной работы.

На основании теоретической модели повышения ресурса лезвия и результатов компьютерного анализа формы сегментов разработана его новая конструкция (1Ш № 2453099) (рис. 5).

Эффективность предложенного Рисунок 5 - Экспериментальный сегмент решения проблемы внезапных от-режущего аппарата казов предлагается оценивать коэф-

фициентом относительного снижения затрат Эот, представляющим соотношение затрат на восстановление работоспособности режущего аппарата в предлагаемом 3"бщ и существующих 3""щ вариантах, по зависимости

пПр

(8)

общ

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» разработана программа исследований, дана общая и частная методика исследований, описано оборудование и условия проведения эксперимента.

В соответствии с задачами, а также для достижения поставленной цели была принята следующая программа исследований: исследовать физико-механические и геометрические свойства сегментов режущего аппарата; провести стендовые испытания сегментов режущего аппарата на износостойкость и внезапный отказ; определить влияние массы сегмента на усилие перемещения ножа; провести эксплуатационные испытания сегментов режущего аппарата.

Для проведения исследований были отобраны следующие образцы сегментов режущего аппарата: Кемеровского механического завода (Н066.14) — образец I; Симферопольского завода (Н066.14) - образец II; Claas - образец III; New Holland - образец IV и Pro-Cut - образец V. Толщина всех рассматриваемых ссг ментов составляла s = 3 мм. Для сравнительных испытаний в качестве контрольных сегментов выбран образец II.

Пробоподготовка образцов осуществлялась с помощью современного оборудования учебного научно-производственного центра «Восстановление и упрочнение деталей машин» СтГАУ. включающего в себя отрезной станок Brillant 201, пресс для запрессовки образцов в шлифы METAPRESS-M, шлифовально-полировальный станок FORCIMAT-1M.

Измерения угла заточки и остроты кромки лезвия производились методом снятия оттисков. Их анализ осуществлялся на металлографическом микроскопе серии Axiovert 40 Mat.

Измерение твердости вдоль лезвия проводилось согласно ГОСТ 9013-89 методом Роквелла твердомером модели HBRV-178.5. Значение твердости вдолт поперечного сечения сегмента определялось методом Микро - Виккерса ГОСТ 2999-85 твердомером HV-1000, по анализу диагоналей отпечатка алмазной пира миды с углом 136° при вершине.

Обработка рабочей поверхности лезвия сегмента осуществлялась с помощью установки УФПУ-111, которая позволяет наносить тонкопленочное износостой кое покрытие на основе оксикарбида кремния (SiCO).

С целью определения скорости изнашивания рабочей поверхности лезвия стандартных сегментов и образцов, имеющих покрЕ.ггие, в зависимости от абсо лютной скорости перемещения сегмента VB, концентрации абразива в зоне резанкл Са и величины нормальной силы 1'2, которая прижимает сегмент к противореча щей пластине, был проведен многофакторный эксперимент.

Определение износостойкос ти материала сегмента осуществлялось на лабораторной установке (рис. 6), позволяющей смоделировать условия износа сегмента при контакте со стеблем.

і г з І

А 7

и А

Рисунок 6 - Лабораторная установка: 1 - электродвигатель; 2 - вал; 3 - барабан; 4 - солома; 5 - образец сегмента; 6 - рычаг; 7 - груз; 8 - емкость с абразивом; 9 - желоб; 10 - дозатор; 11 - датчик оборотов; 12 - АЦП; 13 - ПК

ш-шз

Испытания сегментов на внезапный отказ проводились на стенде, который воспроизводит работу режущего аппарата, тензометрирование усилия перемещения ножа и моделирует условия при внезапном отказе (рис. 7).

Для установления характера и динамики износа сегментов с покрытием, а также сравнения их ресурса со стандартными образцами нами были проведены сравнительные исследования износостойкости сегментов в рядовых условиях эксплуатации.

Износ рабочей поверхности сегмента фиксировали методом отпечатка. Учитывая, что лезвие изнашивается неравномерно по длине, оттиски снимались в трех точках (А, Б и С) на расстоянии: А = 20 мм, Б = 40 мм и С = 60 мм от носка сегмента. Одновременно в процессе работы комбайнов производился контроль поломок деталей режущего аппарата и хронометраж времени устранения последствий их внезапных отказов.

Рисунок 7 - Схема и общий вид лабораторной

установки: 1 - ножевая полоса; 2 - палец; 3 - сегмент; 4 - ПК; 5 - АЦП; 6 - тензозвено; 7 - направляющие; 8 - МКШ; 9 - датчик оборотов; 10 - электродвигатель; 11 - регулятор скорости

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты проведенных экспериментальных исследования и дан их анализ.

Результаты проведенных исследований твердости рабочих поверхностей сег ментов показали, что отечественные образцы уступают импортным не только по численным значениям самих параметров, но и по их отклонениям от среднего значения.

Сравнение стандартных полей допусков твердости сегментов по величине с измеренными значениями (рис. 8) показало, что лучшими показателями обладают импортные образцы III и V. У образца III твердость закаленной части выше требуемых значений и составляет в среднем HRC. 56,4, а образец V имеет коэффициент вариации твердое i . лезвия V = 1,7 %. В отличие от образца I, у которого данный показатель им;-; коэффициент вариации V — 5,2 %.

Анализ геометрических параметров рабочих поверхностей лезвия рассматриваемых сегментов, новых и после наработки 0,76 га, позволил условно разделы; ь их на три группы (рис. 9).

HRC 60;

I ооразец 1

(образец 11

¡ооразец

Рисунок 8 - Диаграмма полей допуска твердости сегмен-' : 1 — твердость вдоль лезвия; 2 - твердость в закаленной части; 3 - твердость в незакаленной части

г ш» - д шттшж-'мтм

Рисунок 9 - Результаты исследований параметров сегментов режущего аппарата:

-----контур насечки лезвия после наработки сегмента 0,76 га;

а) образец I; б) образец И; в) образец III; г) образец IV; д) образец V

Форма насечки сегментов первой группы (образец I) в плоскости затылочной части лезвия представляет собой ряд равнобедренных треугольников, перпендикулярных лезвию с углом наклона граней (¡>ср == 60° и высотой зубьев Изср= 0,98 мм. Такая форма насечки лезвия приводит к быстрому износу вершины зубьев, что, в свою очередь, вызывает увеличение сопротивления резанию.

Насечка сегментов второй группы (образцы II и III) представляет собой клинья, острие которых ориентировано по направлению перемещения сегмента относительно противорежущей пластины. Высота зубьев составляет кзср = 1,20 мм с углами наклона боковых граней ср]е = 40° и Ц>2ср = 96° соответственно, что способствует меньшему износу вершины зубьев при взаимодействии лезвия со стеблем растения.

Форма насечки третьей группы сегментов (образцы IV и V) представляет собой резцы с вершиной в виде дуги, средняя длина которой составляет / = 0,87 мм, а углы наклона граней ф, = 40° и Ц>2ср= 90° соответственно. Характер износа лезвия сегментов данной группы аналогичен предыдущей, но благодаря особой форме вершины зубьев лезвие дольше сохраняет свою режущую способность по сравнению с другими формами насечки.

Сравнение стандартных нолей допусков геометрических параметров лезвия с измеренными значениями (рис. 10) показало, что у сегмента под номером III верхняя граница интервала распределения значения остроты кромки лезвия 5 выходит за пределы, установленные ГОСТом, на 25 %, а у образца П данный показатель имеет большой диапазон значений с коэффициент ом вариации V = 10,17 %. Такие отклонения параметра формы лезвия могут привести к его неравномерному износу и быстрому выходу из работоспособного состояния.

1 [

? "1

И*! 11 ■ " ' ■ ш и

V 4

: ■

а " Сор**-,,, Ойро^цп/

. м щх:' .. тж..

1" !" I: "Ж № 1 ш 1 V - ЛЗ»«- %

1 1'ш /.,-2,14» Е ш 1 ».„-глг | V 5.

1 I

С&РМвцУ Г О&Р»-»»^! Обр«мц1| Серая*-] III V

Рисунок 10 — Средние значения геометрических параметров лезвия сегмента и диапазон их распределения: а) высота зубьев сегмента; б) шаг насечки; в) острота кромки лезвия; г) угол заточки лезвия

Обработка экспериментальных данных многофакторного эксперимента позволила получить функции отклика параметра оптимизации, уравнения регрессии которых в раскодированном виде имеют вид:

Уст = 0,99 -1,72С + 0,02Р + 0,08У( + 0,09С 1\ + 1,02 Са V, (10)

у = 0,52 - 0,64С + 0,00 84Р +0,03 IV +0,036С Р +0,4С V. (11)

' уп ' ' а ' г ' н ' а г 7 а

Анализ закономерностей износа стандартных и экспериментальных сегментов показал, что при увеличении абсолютной скорости перемещения сегмента V и концентрации абразива Са скорость изнашивания у в исследуемом диапазоне значений нормальной силы Рг имеет тенденцию к возрастанию (рис. 11).

— Рг = ¡он -о-Ся - 0,1 и/и1

-Рі.-ЗОН

-о-Сп - о/пг;^

а б

Рисунок 11 — Зависимость скорости изнашивания рабочей поверхности сегмента: а) стандартный сегмент; б) экспериментальный сегмент

Установлено, что скорость износа стандартных и экспериментальным образцов по мере увеличения абсолютной скорости перемещения сегмента уц и нормальной силы Рг снижается, что объясняется ростом силы удара абразивных частиц о рабе чую поверхность лезвия. При этом в диапазоне концентрации абразива Са в зоне трения от 0,1 до 0,35 кг/м2 при увеличении абсолютной скорости сегмента рос г скорости изнашивания стандартных образцов на 20 % выше, чем в интервале от 0,35 до 0,60 кг/м2.

Результаты сравнительных испытаний на внезапный отказ показали (рис. 12). что экспериментальные сегменты при попадании в зону резания посторонних предметов полностью разру шаются у основания, а стандартные образцы деформируются и в случае многократных ударов вызывают повреждение деталей ре жущего аппарата (пальцев, прогиворежущих пластин и др.).

Деформация сегмента

Разрушение сегмента

Рисунок 12 — Результаты испытаний сегментов: а) стандартный сегмент; б) экспериментальный сегмент

щ г. К(о

100 .......I • А' ^■сГЙ'1

/:

54,8 46,8 48

Рисунок 13 - Модель формирования отказа стандартных и экспериментальных сегментов

Участок I

4 чкм 100

Участок II

10 20 30

Врегая работы сегментов /. '

10 30 50 70 90

Выработка зерю>:6ороч«<>го камбшшаЛ;,, га

0,1

03

0,5

0,7

0,9

Усилие перемещения ножевой полосы с установленными на ней экспериментальными сегментами на 10 % меньше, чем со стандартными.

Основываясь на результатах многофакторного эксперимента и модели формирования ресурса сегментов, имеющих тонкопленочное покрытие (рис. 13), определено, что наработка стандартных образцов на отказ составляет 14,8... 46,8 ч, а экспериментальных -48... 139 ч соответственно.

Таким образом, нанесение тонкогшеночного износостойкого покрытия на рабочие поверхности лезвия сегментов обеспечивает повышение их ресурса в 2,80...3,24 раза.

Обработка результатов эксплуатационных испытаний сегментов позволила установить закономерности развития износа режущей кромки лезвия (рис. 14). Наработка до достижения лезвием предельного износа в 5 = 100 мкм для стан-

пр

дартных образцов составила Т'" = 46,3 ч, а для экспериментальных Т'к= 112,3 ч.

При проведении эксплуатационных испытаний по причине попадания в зону посторонних предметов было заменено 3 сегмента, из которых 1 стандартный и 2 эксперимен-

В'.зраОогьа I сегмснта V, п)

:*.' . Значение осдроты дсзиич эксиер«мейтааьйа.ч еегмевтов Л мем О ~ Зязченаи остроты дели и. стандартных сегаенто» о. мех

тальных.

Используя выражение (9) и экспериментальные данные о количестве внезапных отказов и их тяжести, установлено, что затраты при внедрении предлагаемого решения в 2 раза меньше (рис. 15), что объясняется снижением последствий отказа и продолжительностью его ликвидации.

Рисунок 14 - Изменение о 'троты кромки лезвия сегмента в зависимости от выработки

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность предложенных решений» описана методика определения эффективности предложенного технического решения и приведены результаты расчетов. Результаты технико-экономических расчетов показали, что при годовой загрузке зерноуборочного комбайна в 200 га использование в его жатвенной части сегментов предлагаемой конструкции позволяет снизить удельные затраты на 34 %, при их стоимости, в 2 раза превосходящей стандартные образцы. Срок окупаемости при отсутствии внезапных отказов составляет 1,46 года, а при их наличии в случ <> минимальных последствий (поломка одного сегмента и пальца) — 1,40 года, щ максимальных (повреждение ножевой полосы) - 0,54 года. Чистый дисконтированный доход за два сезона работы для первых двух вариантов составит 1043,65 ,1 1149,71 руб. соответственно.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ процесса работы режущего аппарата уборочных машин с позии- 1 рассмотрения его как сложной системы, низшими элементами которой в его иерархической схеме являются рабочие поверхности сегмента, позволил определить их целевое назначение с точки зрения повышения его надежности при постепен ном износе, снижения материальных затрат и времени восстановления работу-, способности при внезапных отказах. Уточнены математические зависимости сил сопротивления при резании и затраты мощности на привод режущего аппарата позволяющие определить направления повышения его надежности за счет сохранения параметров формы и свойств насечки лезвия сегмента в течение заданного периода работы.

2. Разработана теоретическая модель повышения ресурса сегмента за счет формирования износостойкого тонкопленочного покрытия на рабочих поверхнс стях лезвия, обеспечивающего снижение скорости его изнашивания и изменение параметров формы зубьев насечки.

1 Получена технико-экономическая модель и коэффициент относительного снм

жения затрат на восстановление работоспособности режущих аппаратов уборочных машин при устранении последствий внезапных отказов.

Для практической реализации этих' йаправлений обоснована новая конструкция сегмента, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение I № 2453099.

Стандартный сегмент Экспериментальный сегмент

і *

....

ЗХ, ""302,77 руб. зл 1 78 руб.

>32 руб. '2,48 ру б.

3*=

1 1 (/"47, 55руб. Ч," 1 7.40 руб

\ 8.9 руб. ! 98 .9 руб.

Затраты яра внезапном отказе . руб.

Рисунок 15 — Схема затрат при внезапном отказе сегментов

3. По результатам экспериментальных исследований сегменты режущего аппарата по форме рабочих поверхностей лезвия условно разделены натри группы. По сохранению режущей способности и характеру развития износа лезвия наилучшими показателями обладают сегменты третьей группы, насечка которых имеет вершину зубьев в виде дуги длиной / = 0,87 мм, а углы наклона граней ф, = 40° и (р. = 90° соответственно.

4. Установлено, что скорость изнашивания рабочей поверхности лезвия экспериментальных сегментов в 2,1...2,4 раза меньше, чем у стандартных образцов. Результаты производственных испытаний показали, что среднее значение ресурса экспериментальных сегментов составляет Тж= 112,3 ч, а стандартных Тст= 46,3 ч.

5. Испытания сегментов на внезапный отказ подтвердили эффективность предложенных технических решений по снижению з£[грат на восстановление работоспособности режущего аппарата в случае попадания в зону резания посторонних предметов. Установлено, что материальные затраты при использовании экспериментальных сегментов снижаются в 1,96...2,94 раза, а время восстановления работоспособности режущего аппарата на 12.. .36 %.

6. При годовой загрузке зерноуборочного комбайна в 200 га использование в его жатвенной части сегментов предлагаемой конструкции позволяет снизить удельные затраты на 34 %. Срок окупаемости дополнительных затрат при отсутствии внезапных отказов составляет 1,46 года, а при их наличии в случае минимальных последствий (поломка одного сегмента и пальца) — 1,40 года, при максимальных (повреждение ножевой полосы) — 0,54 года. Чистый дисконтированный доход за два года работы для первых двух вариантов составит 1043,65 и 1149,71 руб. соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Макаренко, Д. И. Анализ параметров сегментов режущих аппаратов отечественного и импортного производства [Текст] / А. Т. Лебедев, Д. И. Макаренко, Д. В. Прокопов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. -№ 1. - С. 19-21.

2. Макаренко, Д. И. Повышение ресурса сегментов режущего аппарата [Текст] / Д. И. Макаренко, А. Т. Лебедев // Техника в сельском хозяйстве. -2011.-№ 6.-С. 7-8.

3. Макаренко, Д. И. Новый сегмент режущего аппарата [Текст] / А. Т. Лебедев, Д. И. Макаренко // Сельский механизатор. - 2011. - № 9. - С. 14.

4. Макаренко, Д. И. Сегменты режущего аппарата: отечественные и импортные [Текст] / А. Т. Лебедев, Д. И. Макаренко, Б. В. Малюченко // Сельский механизатор. - 2012. - № 4. - С. 12-13,27.

2. Статьи в сборниках конференций и семинаров:

5. Макаренко, Д. И. Сравнительный анализ основных параметров сегментов отечественного и импортного производства [Текст] / Д. И. Макаренко, А. Т. Лебедев // Молодые аграрии Ставрополья : сбориик научных статей

(по материалам 73-й научно-практической конференции). - Ставрополь, 2009. — С. 89—93.

6. Макаренко, Д. И. Повышение износостойкости рабочей поверхности сегмента [Текст] / Д. А. Федяев, Д. И. Макаренко, А. Т. Лебедев // Молодые аграрии Ставрополья : сборник научных статей (по материалам 74-й научно-практической конференции). - Ставрополь, 2010. - С. 98-101.

7. Макаренко, Д. И. Анализ параметров сегментов режущих аппаратов отечг ственного и импортного производства [Текст] / Д. И. Макаренко, Д. В. Прокопов, А. Т. Лебедев // Труды Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И. Д. Тменова. - Владикавказ, 2010. - С. 53-54.

8. Макаренко, Д. И. Оборудование и методика проведения исследований износа сегментов режущего аппарата [Текст] / А. Т. Лебедев, Д. И. Макаренко // '.ктуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сборник научных статей по материалам VI Международной научно-практической конференции в рамках Х1П Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2011». - Ставрополь, 2011. - С. 146-150.

9. Макаренко, Д. И. Модернизация конструкции сегмента как способ снижения последствий отказов режущих аппаратов уборочных машин [Текст] / Д. И. Макаренко // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК / Сборник материалов VI Российской научно-практической конференции. - Ставрополь, 2011. - С. 94-97.

10. Макаренко, Д. И. Методика исследования на износостойкость сегментов режущего аппарата [Текст] / А. Т. Лебедев, Д. И. Макаренко // Устойчивость, безопасность общества и экологическое образование в рамках проекта Tempus JPCR 159311/2009 «Сеть магистерских программ в области управления водными ресурсами». - Ставрополь, 2011. - С. 152.

11. Макаренко, Д. И. Повышение долговечности с егментов режущего аппарата уборочных машин [Текст] / Д. И. Макаренко // Сборник «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники». - Ставрополь 2012 -

С. 151-153.

12. Макаренко, Д. И. Анализ параметров сегментов режущего аппарата, влияющих на их эксплуатационную надежность [Текст] / Д. И. Макаренко, А. Т. Лебедев, В. С. Кобылко // Научно-практическая конференция студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального окпу-га. - Нальчик, 2012. - С. 67-72.

3. Патенты на изобретение:

13. Пат. 2453099 Российская Федерация, A01D 34/14 (2006.01). Сегмент режущего аппарата [Текст] / Лебедев А. Т., Макаренко Д. И., Павлюк Р В [и др.]. - № 2010154786/13 ; заявл. 30.12.2010 ; опубл. 20.06.2012 Бюл №17.-5 с. ' '

Подписано в печать 01.03.2012. Формат 60x84 V16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 102.

Отпечатано в типографии издагельско-полиграфичесшго комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Департамент научно-технологической политики и образования ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет

На правах рукописи

МАКАРЕНКО Дмитрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СЕГМЕНТНО-ПАЛЬЦЕВОГО РЕЖУЩЕГО АППАРАТА УБОРОЧНЫХ МАШИН

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени ^ кандидата технических наук

ю „ ю £

СО £

Ю

О О

^ СО Научный руководитель -

доктор технических наук, О доцент

ЛЕБЕДЕВ А.Т.

Зерноград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РЕЖУЩЕГО АППАРАТА УБОРОЧНЫХ МАШИН, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1 Анализ технического состояния уборочных машин 10

1.2 Анализ отказов уборочных машин 13

1.3 Обзор конструкций режущих аппаратов уборочных машин 17

1.4 Анализ работ, посвященных исследованию режущих аппаратов уборочных машин 23

15 Обзор и анализ существующих технологий повышения

надежности режущих инструментов 32

Обобщения по главе 38

Цель и задачи исследования 39

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЕГМЕНТНО-ПАЛЬЦЕВОГО РЕЖУЩЕГО АППАРАТА 41

2.1 Анализ работы сегментно-пальцевого режущего аппарата 41

2.1.1 Силовое взаимодействие лезвия сегмента со стеблем растения 43

2.1.2 Мощность, затрачиваемая на процесс резания в сегментно-пальцевом режущем аппарате 50

2.2 Теоретическая модель формирования отказа сегментно-пальцевого режущего аппарата 53

2.3 Модель формирования ресурса сегмента режущего аппарата 57

2.4 Теоретическая модель повышения ресурса сегмента режущего аппарата, имеющего износостойкое покрытие 59

2.5 Затраты на восстановление работоспособности режущего аппарата при внезапном отказе 62

2.6 Компьютерное моделирование нагрузок, действующих на сегмент режущего аппарата 65

Обобщения по пиве 70

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 72

3.1 Оборудование для металлографических исследований 73 311 Исследование геометрических параметров сегментов режущего

аппарата 74

3.1.2 Определение твердости поверхности сегментов режущего

аппарата 77

3.2 Методика нанесения износостойкого покрытия на рабочую поверхность лезвия 79

3.3 Методика проведения исследования износостойкости сегментов режущего аппарата, имеющих тонкопленочное покрытие 81

2

3.3.1 Определение уровней варьирования наиболее значимых факторов 81

3.3.2 Методика проведения многофакторного эксперимента 83

3.4 Стендовые испытания сегментов режущего аппарата 85

3.4.1 Описание работы стенда для определения износостойкости сегментов режущего аппарата 85

3.4.2 Устройство и работа стенда для проведения испытаний сегментов режущего аппарата на внезапный отказ 89

3.5 Методика проведения производственных испытаний 92

3.7 Методика обработки экспериментальных данных 94

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ 100

4.1 Результаты исследований физико-механических свойств сегментов режущего аппарата 100

4.1.1 Результаты исследований твердости поверхности сегментов режущего аппарата 100

4.1.2 Результаты исследований геометрических параметров сегментов режущего аппарата 103

4.2 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению износостойкости модернизированных и стандартных сегментов режущего аппарата 106

4.3 Результаты сравнительных испытаний экспериментальных и стандартных сегментов на внезапный отказ 112

4 4 Определение ресурса стандартных и экспериментальных сегментов

режущего аппарата 114

4.5 Результаты производственных испытаний экспериментальных

сегментов режущего аппарата 116

Обобщения по главе 120

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 122

5.1 Расчет затрат на модернизацию сегмента режущего аппарата 122

5.1.1 Расчет стоимости механической обработки сегмента режущего аппарата 122

5.1.2 Расчет затрат на нанесения износостойкого покрытия на рабочую поверхность лезвия сегмента режущего аппарата 125

5.2 Технико-экономическая оценка применения экспериментального сегмента режущего аппарата 128

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134

ПРИЛОЖЕНИЯ 147

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей в технологическом процессе скашивания зерновых культур и трав является проведение работ в сжатые агротехнические сроки, так как каждый последующий день ведет к увеличению потерь биологического урожая. Успешное выполнение этой задачи во многом определяется наличием в хозяйстве необходимого количества уборочных машин и их техническим состоянием.

По данным [110, 78] более 60% всей сельскохозяйственной техники в стране выработали свой ресурс или технически устарели. При этом ежегодные затраты сельхозтоваропроизводителей на поддержание технических средств в работоспособном состоянии составляют более чем 60 млрд. рублей в год [110].

Исследования надежности зерноуборочных комбайнов [78] показали, что из всех простоев техники, составляющих 32...35% общего рабочего времени, на долю технических неисправностей приходится 17,4...19,8%. По результатам государственных испытаний на машиноиспытательных станциях фактическая наработка на отказ у отечественных комбайнов находится в пределах 3...70 ч, а коэффициент готовности 0,85...0,97, соответственно. Наибольшее количество отказов приходится на жатвенную часть, механические передачи, гидросистемы, рабочие органы молотилки, электрические и электронные средства контроля.

В свою очередь количественный анализ отказов жатвенной части показал, что наибольшее число неисправностей приходится на детали режущего аппарата, а именно сегментов, противорежущих пластин и пальцев. Следует отметить, что поломки противорежущих пластин и пальцев в основном происходят в результате наскакивания на них сегментов, деформировавшихся от попадания в зону резания посторонних предметов.

Основными неисправностями сегментов режущего аппарата, вызывающих отказ уборочной техники, являются износ режущей кромки лезвия,

деформация или поломка вследствие внезапных отказов, а также ослабление его крепления к ножевой полосе из-за некачественной фиксации.

Из выше сказанного следует, что исследования, направленные на повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин за счет модернизации конструкции сегментов, являются актуальными и представляют практический интерес.

Цель исследования - повышение надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата уборочных машин совершенствованием параметров сегментов.

Объект исследования — рабочие поверхности сегмента режущего аппарата, определяющие его ресурс, и процесс разрушения при внезапном отказе.

Предмет исследования - закономерности развития износа рабочей поверхности лезвия сегмента режущего аппарата и характер его разрушения при возникновении внезапного отказа.

Методика исследования предусматривает использование теории вероятностей и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание работы сегмента режущего аппарата, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов.

Диссертация состоит из пяти глав и посвящена повышению надежности режущего аппарата уборочных машин за счет формирования улучшенных конструктивно эксплуатационных параметров сегментов.

В первой главе «Состояние вопроса повышения надежности режущего аппарата уборочных машин, цель и задачи исследования» проведен анализ технического состояния жатвенных машин и выявлены основные причины их простоя в период уборки, проведен обзор конструкций режущих аппара-

тов и их режущих элементов, проанализированы основные способы повышения надежности режущих аппаратов. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения надежности сегментно-пальцевого режущего аппарата» применен новый подход рассмотрения режущего аппарата как сложной технической системы, низшими элементами которой являются рабочие поверхности сегмента режущего аппарата и получена теоретическая модель их наработки до отказа. Рассмотрено взаимодействие лезвия сегмента со стеблем растения и получена математическая зависимость, отражающая основные параметры, влияющие на энергоемкость процесса резания. Проведен анализ общих затрат, связанных с восстановлением работоспособности режущего аппарата при внезапном отказе. Разработана теоретическая модель повышения ресурса лезвия сегмента нанесением износостойкого покрытия.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены общая программа исследований, комплекс оборудования для нанесения износостойкого покрытия и металлографического анализа сегментов режущего аппарата, методика компьютерного моделирования нагрузок, действующих на сегмент, дано описание лабораторных установок для исследования на износостойкость и внезапный отказ сегментов, представлена общая методика обработки экспериментальных данных.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты исследования определения физико-механических свойств сегментов и геометрических параметров их формы, результаты компьютерного моделирования нагрузок действующих на сегмент. По результатам многофакторного эксперимента установлена взаимосвязь износостойкости экспериментальных сегментов режущего аппарата от режимов и условий работы. Представлены результаты испытаний модернизированных сегментов на внезапный отказ и спрогнозирована долговечность

их работы в условиях рядовой эксплуатации.

6

Пятая глава «Технико-экономическая оценка результатов исследования». Представлены основные показатели работы модернизированного сегмента режущего аппарата и даны экономические расчеты эффективности предложенных решений по повышению надежности режущих аппаратов.

В конце диссертации изложены общие выводы.

Научная новизна:

— теоретическая модель формирования параметрического отказа в результате износа рабочих поверхностей лезвий сегмента, контактирующих с материалом стеблей растений, и зависимости скорости изнашивания его рабочих поверхностей;

— теоретическая модель повышения долговечности лезвия сегмента режущего аппарата путем формирования износостойкого покрытия;

— новая конструкция сегмента (патент № 2453099), обеспечивающая надежную работу режущего аппарата за счет увеличения износостойкости лезвия и снижения затрат на восстановление его работоспособности при возникновении внезапных отказов.

Практическая значимость работы. Предложенные технические решения обеспечивают повышение ресурса лезвия сегмента в 2,8...3,2 раза и уменьшают энергоемкость процесса резания на 10%, а также снижают последствия внезапного отказа, вызванного попаданием в зону резания посторонних предметов, что сокращает общее время простоя уборочной машины по техническим причинам и материальные затраты на ликвидацию неисправности.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на: 73-научно-практической конференции «Молодые аграрии Ставрополья», Ставрополь, 2009 г.; конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно - инновационного конкурса», г. Ставрополь, 2010 г.; конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных

технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И.Д. Тменова, г. Владикавказ, 2010 г.; У1-ой Российской научно-практической конференции: «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», г. Ставрополь, 2011 г.; научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники», г. Саратов, 2012 г.; научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов СевероКавказского федерального округа, г. Нальчик, 2012 г.

Реализация результатов исследования.

Предлагаемые образцы сегментов режущего аппарата изготовлены и внедрены при проведении уборочных работ зерноуборочными комбайнами в агрофирму ОАО «Агротехсервис» Ставропольского края.

Разработанные стенды для испытания машиностроительных материалов на абразивное изнашивание и исследования работы сегментно-пальцевого режущего аппарата на внезапный отказ внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ факультета механизации при проведении лабораторно-практических занятий.

На защиту выносятся следующие положения:

— математическая зависимость контактного взаимодействия рабочих поверхностей лезвия сегмента со стеблем растения, учитывающая основные факторы, влияющие на работоспособность режущих аппаратов уборочных машин;

— теоретическая модель повышения ресурса сегмента режущего аппарата за счет формирования на его рабочих поверхностях тонкопленочного износостойкого покрытия, обеспечивающего постоянство значений геометрических параметров формы лезвия в заданных пределах при реализации технологического процесса резания;

— технико-экономическая модель затрат на восстановление работоспособности режущего аппарата при возникновении внезапных отказов сегмента;

- результаты стендовых испытаний стандартных и экспериментальных сегментов режущего аппарата.

Публикации результатов исследований.

По результатам исследований было опубликовано 11 печатных работ, в их числе 4 публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РЕЖУЩЕГО АППАРАТА УБОРОЧНЫХ МАШИН, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ технического состояния уборочных машин

Важной задачей в технологии уборки является проведение работ в сжатые агротехнические сроки (7-12 дней), так как каждый последующий день ведет к увеличению потерь биологического урожая. К примеру, увеличение продолжительности уборки зерновых на площади 300 га приводит к потерям от 0,3 до 1,4 т за 1 час [133], а при заготовке кормов к потерям в них протеина до 20% [115]. Успешное выполнение этой задачи во многом определяется наличием в хозяйстве необходимого количества уборочных машин и их техническим состоянием.

По данным [110, 114, 128] более 60% всей сельскохозяйственной техники в стране выработали свой ресурс или технически устарели. При этом в хозяйствах, чье производство основано на применении машин с высокой степенью износа, урожайность зерновых культур не превышает 12,0-19,3 ц/га [111]. В общем, по стране ежегодные затраты сельхозтоваропроизводителей на поддержание технических средств в работоспособном состоянии составляют более чем 60 млрд. рублей в год.

Анализ оснащения сельскохозяйственных предприятий техникой в России и Ставропольском крае [78, 107, 108] показал (рисунок 1.1 и 1.2), что в настоящий момент имеет место отрицательная динамика снижения количества основных видов сельхозмашин. В частности, за последние десять лет число зерноуборочных комбайнов по краю уменьшилось в 1,4 раза, тогда как в целом по стране это снижение составило в 5,0 раз.

Как видно из рисунка 1.3 за последние пять лет в стране по причине износа было списано около 41 тыс. зерноуборочных и 11 тыс. кормоуборочных

комбайнов, а приобретено новой техники более 25 тыс. зерноуборочных и 5,2

10

тыс. кормоуборочных комбайнов. Выбытие этих видов техники превысило замену в 1,8...2,2 раза. В Ставропольском крае приобретение зерноуборочных комбайнов составило 1172 единиц, а списание 1210 единиц, что также свидетельствует о превышении темпа выбытия техники над ее обновлением. 20 г

2000

2001

2002

2009

2010

2011

—♦—Списанные зерноуборочные комбайны

- Приобретенные зерноуборочные комбайны —А—Списанные кормоуборочные комбайны

- 11риобретенные кормоуборочные комбайны

Рисунок 1.1 - Диаграммы списания и приобретения основных видов техники в

среднем по России

н

а

я *

я я

X &

о аз н о О) X

я

§

400 т 350 300 250 200 150 100 50 0

> <

Я" * V \ ч л-- •

♦- ч \ V- —■—, —*

—*= -- - —1 -----■ ч-—- -4-- - г—# >

2000

2001

2002

2009

2010

2011

♦ Списанные зерноуборочные комбайны

- Приобретенные зерноуборочные комбайны —Д—Списанные кормоуборочные комбайны

- Приобретенные кормоуборочные комбайны

Рисунок 1.2 - Диаграммы списания и приобретения основных видов техники в среднем по Ставропольскому краю

Сокращение количества техники объясняется, главным образом, высокой стоимостью новой и диспаритетом цен на сельскохозяйственную и промышленную продукцию. Однако, несмотря на уменьшение числа уборочной техники, нагрузки на нее значительно возросли. В 2011 году нагрузка на один зерноуборочный комбайн составил 327 га посевов соответствующих культур, при норме в 200 га, на кукурузоуборочный комбайн 817 га куку