автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение ресурса плужных лемехов формированием износостойкого покрытия на основе чугуна

На правах рукописи

Магомедов Рабазан Алиевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПЛУЖНЫХ ЛЕМЕХОВ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ЧУГУНА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013 005051384

Зерноград - 2013

005051384

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 опноненты: Курочкин Валентин Николаевич,

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

(ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

Белый Иван Федорович,

кандидат технических наук (ФГУ «Северо-Кавказская МИС», зав. отделом)

Ведущая организация: Новокубанскпй филиал Федерального

государственного научного учреждения «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических иссл едова н и й по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГНУ «Росинформагротех») — Куб НИИТиМ

Защита диссертации состоится 26 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 « 22 » ¡ИсР/'/ГШ._2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.И.Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Операции, связанные с обработкой почвы, являются важными и наиболее трудоемкими при производстве сельскохозяйственной продукции. Качество выполнения этих операций зависит от параметров и состояния рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования. Эксплуатация рабочих органов почвообрабатывающих машин осуществляется в условиях постоянного абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Поэтому 70-80 % неисправностей приходится на износ рабочего органа, а остальные 20-30 % - на их деформацию. Ежегодная потребность в рабочих органах в Российской Федерации составляет: в лемехах - 7 млн шт., в полевых досках - 3 млн шт., в отвалах - 2,4 млн шт.

Плужный лемех является одной из наиболее ответственных и быстро изнашиваемых деталей плуга, средняя наработка на отказ которого, в зависимости от видов почв, колеблется от 2 до 20 га. Анализ работ показал, что среди всех способов упрочнения наиболее широкое распространение получила наплавка износостойкими твердыми сплавами. Практически при всех применяемых способах для получения упрочненных покрытий используются износостойкие сплавы или их композиции, имеющие достаточно высокую стоимость. Среди современных способов разработки новых порошковых материалов и износостойких покрытий наиболее перспективным является применение композиций на основе чугуна или отходов этого материала, которые в достаточном количестве образуются после механической обработки отливок деталей. Поэтому создание новых порошков на основе чугуна, с помощью которых сплав упрочняется в зависимости от изнашивающей способности почвы, перспективно и способствует повышению износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин.

В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение ресурса плужных лемехов формированием износостойкого покрытия на основе чугуна, представляет практический интерес, а исследования этих вопросов являются актуальными.

Работа выполнялась в рамках реализации государственного контракта с министерством сельского хозяйства Ставропольского края № 23 ог 29.08.2006 и № 186 от 07.12.2007 (совместно с Полоцким государственным университетом HAH Республики Беларусь).

Исследование выполнено в соответствии с планами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015 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 материалом».

Цель исследования - повышение ресурса плужных лемехов наплавкой износостойким порошком на основе чугуна.

Объект исследования - процесс изнашивания плужного лемеха, имеющий износостойкое покрытие на основе чугуна.

Предмет исследования - закономерности протекания процесса изнашивания плужного лемеха, влияющие на его ресурс.

Методы исследования предусматривают использование теории вероятности и надежности, методов математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования почвообрабатывающей техники при выполнении технологических процессов; применение стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента и математической статистики для обработки полученных результатов.

Научная новизна. Подход к рассмотрению плуга как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности лемеха, позволил определить целевое назначение рабочих поверхностей с точки зрения надежности реализации процесса вспашки. Разработана методика оценки эффективности применения различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов. Предложен наплавочный порошок на основе чугуна для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Практическая значимость работы. Полученный износостойкий наплавочный порошок на основе чугуна может быть использован для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также для упрочнения других деталей. Предложенные технические решения обеспечивают увеличение ресурса трапецеидального лемеха в 2,5-3 раза по сравнению с серийным.

Реализация результатов исследования. Разработанный наплавочный порошок на основе чугуна принят к использованию в технологическом процессе производства лемехов на предприятии ОАО «Светлоградагромаш» Ставропольского края. Плужные лемеха, наплавленные порошком на основе чугуна и изготовленные серийно, прошли сравнительные испытания в КФХ «Алибеков М. М.» Ставропольского края. Лабораторная установка для испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин была внедрена в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации сельского хозяйства при проведении лабораторно-практических занятий.

На защиту выносятся следующие положения: новый подход к рассмотрению плуга как сложной системы, низшими элементами которой являются свойства рабочих поверхностей плужного лемеха, оказывающие влияние на его ресурс; методика оценки эффективности использования различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов; результаты исследования структуры и твердости наплавленных слоев из чугуна с различным содержанием легирующих элементов и относительной износостойкости плужных лемехов, изготовленных серийно и упрочненных разными способами; эксплуатационные исследования ресурса лемехов и влияние их износа на надежность процесса вспашки.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международных специализированных агропромышленных выставках «Агроуниверсал», г. Ставрополь, 2008-2012 гг.; выставках-конкурсах «Инновации года», г. Ставрополь, 2009-2012 гг.; всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», г. Владикавказ, 2010 г.; VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК», 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 Северо-Кавказского федерального округа, г. Нальчик, 2012 г.

Результаты исследований оценены на всероссийских конкурсах и грантах дипломом победителя программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», г. Ставрополь, 2012 г.

Публикации. По результатам исследований было опубликовано 11 печатных работ, в их числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 140 страницах машинописного текста, в том числе 72 рисунка и 7 таблиц. Список используемой ли-

тературы включает 102 наименования, в том числе 3 - на иностранных языках. Имеются 13 приложений на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель работы, объект исследования, предмет исследования, методика исследований, научная новизна, практическая значимость, реализация результатов, положения, выносимые на защиту, апробация работы и краткая характеристика работы.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» представлен анализ видов обработки почвы и основные агротехнические требования к ним, рассмотрены конструкции плужных лемехов и способы повышения их ресурса, применяемые материалы и требования к ним, выполнен анализ основных способов и средств для испытания плужных лемехов на абразивную износостойкость.

Большой вклад в изучение вопросов изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин и разработки мер по повышению их ресурса внесли такие ученые, как В. П. Горячкин, А. Н. Зеленин, П. Н. Львов, М. М. Хрущев, Д. Б. Берн-штейн, Е. В. Рыморов, О. И. Рылов, А. Н. Розенбаум, А. Ш. Рабинович, И. Ш. Бели-нигер, И. В. Крагельский, Б. И. Костецкий, В. Н. Ткачев, С. А. Сидоров, А. Н. Бати-щев, М. Н. Ерохин, М. М. Тененбаум, И. Г. Голубев, В. Н. Винокуров, А. Д. Далин, В. А. Лаврухин, И. М. Панов, Г. Н. Синеоков, В. А. Богомягких и др.

Непосредственно вопросам разработки способов повышения ресурса лемехов и созданию новых наплавочных материалов посвящены работы В. С. Новикова, Ф. И. Пантелеенко, А. М. Константинова, М. Ю. Петрова, С. И. Будко, А. Н. Шитова, А. И. Сидорова, А. М. Михальченко и др.

Анализ видов обработки почвы показал, что вспашка является наиболее дорогой и тяжелой. На ее выполнение расходуется до 40 % энергетических и 25 % трудовых затрат. Снижение этих затрат зависит от параметров и состояния рабочих органов почвообрабатывающих машин.

В результате анализа конструкций лемехов установлено, что требованиям по простоте конструкции и эксплуатационной экономичности наиболее полно отвечают трапецеидальные лемеха. Недостатком этих лемехов является небольшой ресурс по сравнению с остальными.

Наиболее широкое распространение среди способов повышения ресурса получила наплавка твердыми сплавами такими способами, как плазменная, индукционная, газопламенная и электродуговая. Практически при всех применяемых способах наплавки для получения покрытия используются износостойкие сплавы или их композиции, имеющие высокую стоимость, использование которых приводит к увеличению стоимости лемехов в 2-5 раз.

Поэтому создание новых износостойких материалов на основе недорогих компонентов для упрочнения рабочих поверхностей лемехов является одним из перспективных направлений.

Рабочая гипотеза — ресурс плужных лемехов возможно повысить путем наплавки на его рабочие поверхности износостойкого покрытия из порошка на основе чугуна, легированного в определенных соотношениях бором и марганцем.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать способ повышения ресурса плужных лемехов за счет создания требуемых свойств его рабочих поверхностей, контактирующих с почвой;

— установить взаимосвязь между ресурсом плужных лемехов и затратами на выполнение процесса вспашки, обеспечивающими надежную и эффективную работу плуга;

- исследовать влияние концентрации легирующих элементов на свойства наносимых покрытий на основе чугуна;

- провести сравнительные испытания экспериментальных плужных лемехов и определить технико-экономическую эффективность предлагаемых решений.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения ресурса плужных лемехов» изложены основные результаты теоретического исследования влияния параметров и условий работы рабочих поверхностей плужного лемеха на надежность выполнения процесса вспашки.

Согласно методике повышения эффективности технологических процессов, которую предложил профессор А. Т. Лебедев, плуг можно представить в виде сложной технической системы (рис. 1), состоящей из соединений и деталей, которые в свою очередь состоят из рабочих поверхностей.

Низшими элементами иерархической системы плуга являются рабочие поверхности лезвия, носовой части и пятки. Эти рабочие поверхности для обеспечения стабильности и надежности реализации процесса вспашки должны сохранять свои геометрические параметры в заданных пределах. Это и есть целевое назначение рабочих поверхностей лемеха.

Исследования показали, что основными параметрами, влияющими на скорость изнашивания, являются: свойства материала, из которого изготовлен плужный лемех (Т); скорость и давление на рабочую поверхность лезвия (и и Р); свойства почвы (Са) и другие факторы, которые можно учесть коэффициентом к/г. Тогда в общем виде скорость изнашивания рабочей поверхности можно представить зависимостью

у =Я.кг, Р, и, Т, Са). (1)

В ходе взаимодействия плужного лемеха с почвой происходит износ режущей кромки. Исходное состояние лезвия лемеха характеризуется точкой О (рис. 2). Во время работы происходит износ режущей кромки с интенсивностью у, который приводит к изменению формы лемеха по линиям А В, Л\В\...АпВ„ и появлению затылочной фаски. При наличии затылочной фаски на лезвии профессор Г. Н. Синеоков считает, что на величину силы Язх, стремящейся вытолкнуть клин из почвы (рис. 2), наибольшее влияние оказывает высота затылочной фаски По нашему мнению, наибольшее влияние оказывает не высота /гмт, а ширина затылочной фаски азэт.

По данным А. Н. Зеленина и С. А. Сидорова, перед лемехом образуется уплотненное ядро, которое движется перед лезвием. Вначале диаметр уплотненного ядра близок к ширине лезвия (рис. 3), затем оно увеличивается. В процессе движения лемеха уплотненное ядро сходит с кромки и перемещается вниз или вверх относительно режущей

Техническая система

ПЛУГ

Подсистема

І

Раз» с механизмом навески

~"7

Корпус

Олортог колесо с .чг«хгн"измом заглуопентгя

Деталь

Пояеыя даси Стойка корпуса Леыех Отвал

Рабочая поверхность

Носовая часть

Рисунок 1 — Иерархическая схема плуга

кромки лезвия или разрушается под действием сил трения и нормального давления.

Параметры уплотненного ядра зависят от состояния лезвия и величины затылочной фаски. ширина которой оказывает влияние не только на составляющие общего сопротивления лемеха, но и на качество обработки. По нашему мнению, существует критическое значение затылочной фаски акр, при достижении которого дальнейшая эксплуатация приводит к увеличению тягового сопротивления, расхода топлива и снижению качества вспашки (рис. 4). Тогда условно работу лемеха можно разделить на два этапа. На первом этапе, когда азж < Якр, работа характеризуется нормальным показателем надежности процесса вспашки Нд, усредненным показателем тягового сопротивления Лср, средним расходом топлива Сср для данного типа почв и состава агрегата. Показатель надежности Нд по соотношению фактической глубины обработки /гф к заданной И3 определяется выражением

К

к

(2)

Эксплуатация лемехов после достижения критического состояния, когда азэт>акр, характеризуется повышением тягового сопротивления АЯ, связанного с увеличением ширины затылочной фаски, дополнительным расходом топлива, связанным с увеличением неравномерности хода лемеха по глубине. Работа лемехов на втором этапе приводит к снижению надежности процесса вспашки, которое определяется выражением:

Рисунок 2 — Схема сил, действующих на двугранный клин (по Г. Н. Синеокову)

Рисунок 3 — Схема воздействия лезвия лемеха на почву: а - острое лезвие; б - затупленное с затылочной фаской

Рисунок 4 — Схема работы лемеха

//д=1 -ДЛ), (3)

где Р(И) - интегральная функция распределения глубины вспашки.

Определение величины затылочной фаски и ее влияния на остальные составляющие тягового сопротивления имеет сложный характер, и его трудно описать теоретически, поэтому необходимо определить его с помощью экспериментов. Тогда ресурс лемеха до достижения предельного состояния по величине затылочной фаски можно определить по выражению

а— а..

(4)

Увеличение ресурса можно добиться за счет снижения скорости изнашивания и при сохранении параметров рабочих поверхностей лемехов в допустимых пределах (первый этап работы лемеха). В этом случае провести оценку эффективности лемеха можно с помощью общих затрат на выполнение заданного объема работ (И'), которые представлены суммой затрат на оплату труда (Зот), израсходованные топливо-смазочные материал 1,1 (Зт), на приобретение и замену лемехов (Зл):

Зобщ = Зот + Зт + Зд. (5)

Определив составляющие этих затрат, получим общие затраты 30г„ц для выполнения заданного объема работ:

_1_ч

5общ "

IV

Си/ Оп' Ст С п

(6)

где С (г - средняя тарифная ставка квалифицированного механизатора за вспашку, руб/га; И'- заданный объем работ; га; Ср - расход топлива выбранного агрегата при вспашке 1 га, кг/га; Ст -стоимость топлива, руб/кг; Сл - средняя отпускная цена лемеха с учетом их доставки, руб; -средние значения ресурса лемеха, га.

Как отмечалось выше, ресурс лемехов определяется скоростью изнашивания его рабочих поверхностей. При этом более износостойкие лемеха, как правило, имеют и большую стоимость из-за применения дорогостоящих материалов и износостойких покрытий. Поэтому представляет интерес использование чугуна или чугунной стружки в качестве материала для формирования износостойкого покрытия.

Сравнительную оценку плужных лемехов, имеющих разный ресурс из-за разной интенсивности изнашивания (кривая 1 и 2) (рис. 5) и стоимость, можно провести с помощью модели (б), которая показывает разность общих затрат в рассматриваемых вариантах:

АЗ = Ж-

где ^ = Сл2''Сл 1 — индекс стоимости; Зь

Дим

ь>

(7)

До

Ъг!Ъ\ — индекс ресурса.

IV

Ы,га

X' г

Ьп Ьч Ьп I ь.

Ьп Ьп Ьпк

Рисунок 5 - Модель выполнения заданного объема вспашки сравниваемых плужных лемехов

&?=&*& б

I А6 ! I

---—--¿г^-р-р —— —

Для эффективного использования лемеха необходимо, чтобы разность общих затрат была больше или равна 0. На практике этого можно добиться, если кратность увеличения стоимости пропорциональна увеличению ресурса сравниваемых вариантов лемехов. Одним из способов снижения индекса стоимости лемехов является нанесение износостойких покрытий на основе чугуна.

Из-за высокой стоимости лемехов в процессе вспашки большинство предприятий не производят своевременную замену, а эксплуатируют их после достижения предельного состояния, что соответствует кривой 2 (рис. 6). В результате этого происходит экономия лемехов, но появляются дополнительные затраты, связанные с увеличением сопротивления лезвия лемеха из-за достижения критического значения затылочной фаски, которое приводит не только к увеличению расхода топлива, но и к появлению дополнительного объема работ из-за снижения качества вспашки.

Дополнительные затраты в этом случае определяются выражением:

Рисунок 6 - Модель сравнительной оценки плужных лемехов

ДЗд =

'Р!

■ж-с

Л--М . Л -м П /„ ) + ъл Л К )

+ дс • IV ■ с

Т1

+

0БЩ1

Ф„„ '

(8)

где АО - дополнительный расход топлива, кг/га; ДЬ - дополнительная наработка лемеха, га; Фрв = Нд/(1 - Нд) - показатель фактической результативности.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» разработана программа исследований, даны общая и частная методики исследований, описано оборудование и условия проведения эксперимента.

В соответствии с задачами и для достижения поставленных целей была принята следующая программа исследований: исследования структуры и твердости образцов; проведение стендовых и эксплуатационных испытаний экспериментальных лемехов и изготовленных серийно; исследования влияния геометрических параметров лемехов на глубину вспашки почвы.

Для проведения металлографических исследований использовался уникальный комплекс вспомогательного оборудования пробоподготовки (рис. 7), лаборатории учебного научно-производственного центра «Восстановление и упрочнение деталей машин» (УНПЦ «ВУДМ») кафедры технического сервиса, стандартизации и метрологии СтГАУ. Данное оборудование позволяет сократить время на изготовление шлифов (рис. 8) до 3...3,5 часа. Исследования структуры проводили при помощи металлографического микроскопа АхюуеП 40 МАТ (рис. 9). Измерение твердости производилось по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) на приборе НВРУ-187,5 (рис. 96).

Рисунок 7 - Общий вид комплекса оборудования пробоподготовки: а — отрезная машина Brillant 201; б - металлографический пресс METAPRESS-M; в - шлифовально-полировальный станок FORC1MAT 1М

Для экспериментальных исследований в лаборатории кафедры «Технический сервис, стандартизация и метрология» СтГАУ была разработана лабораторная установка, которая моделирует разнообразные варианты взаимодействия металла с абразивной средой, характерные для условий реальной эксплуатации (рис. 10). На данную установку получен патент на изобретение № 2408865.

С целью определения скорости изнашивания рабочих поверхностей лемехов экспериментальных и изготовленных серийно в зависимости от скорости относительного перемещения V, давления на образец Рс и концентрации абразива Са на разработанной лабораторной установке был проведен многофакторный эксперимент по трехуровневому плану Бокса-Бенкина2-го порядка (табл.) для следующих видов лемехов: серийные трапецеидальные лемеха (№ 1); ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг» (№ 2), П-702 производства «Светлоградагромаш» (№ 3), наплавленный порошком на

Рисунок 8 — Общий вид шлифов

основе чугунной стружки (№ 4), упрочненный ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт» (№ 5) и лемех фирменный «УСЮЕЬ&ТчЮОТ» (№ 6).

Скорость изнашивания контролировали весовым методом с помощью прецизионных электронных весов «АЬС-1100с12» с точностью до 0,0001 г.

Рисунок 9 - Общий вид: а - металлографический микроскоп; б-твердомер НЕЖУ-187,5

Таблица — Уровни варьирования факторов

Кодированное обозначение Фактор

Уровень Скорость относительного перемещения, м/с Давление на образец, МПа Наличие абразива, %

Верхний + 1 3 0,2 20

Основной 0 2 0,125 10

Нижний -1 1 0,05 0

Интервал - 1 0,075 10

1 - возвратно-поступательный механизм; 2 - ременная передача; 3 - электродвигатель; 4 - регулятор напряжения; 5 - ЭВМ; 6 - усилитель АЦП; 7 - грузы; 8 - узел нагружения; 9 - испытуемый образец; 10-абразивный материал; ¡1 - держатель: 12 - тензометриче-ский датчик; 13 - крепление; 14 - каретка горизонтального перемещения; 15 - емкость Рисунок 10- Схема лабораторной установки

Для оценки влияния геометрических параметров режущих органов на глубину обработки пахотного агрегата были проведены опыты на черноземных почвах учебно-опытного хозяйства Ставропольского государственного аграрного университета пахотным агрегатом, в составе которого трактор New Holland Т8040 и оборотный плуг Kuhn Challenger-T-8. Расход топлива, место расположения и обороты двигателя регистрировали с использованием спутниковой системы навигации «АвтоСкан».

Для оценки эксплуатационных свойств экспериментальных лемехов и изготовленных серийно были проведены их полевые испытания в хозяйствах восточной зоны Ставропольского края.

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

Исследования, связанные с определением количества легирующих элементов в наплавочном порошке, были проведены совместно с Полоцким государственным университетом. При этом установлено, что оптимальное содержание легирующих элементов в зависимости от химического состава чугунной стружки составляет 2...4 % бора и 1 ..3 % марганца.

Исследованиями микроструктуры (рис. 11), твердости основного и наплавленного материала установлено, что наибольшей твердостью основного материала обладают лемеха фирмы «VOGEL&NOOT», среднее значение которых составило 50 HRC, а наименьшей твердостью основного материала обладают серийные трапецеидальные лемеха производства «Светлоградагромаш», среднее значение которых составило 29,7 HRC. Наибольшей твердостью наплавленного материала обладают лемеха производства «Светлоградагромаш» (образец № 3), среднее значение которых составило 55,6 HRC (рис. 12), а наименьшей твердостью наплавленного материала - лемеха ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг», среднее значение которых составило 49,1 HRC.

Ш1ШШ11 ршрш

¡ISlllillll I < т

а б в

Рисунок 11 - Микроструктура лемеха производства «Светлоградагромаш», наплавленного порошком на основе чугуна: а - основной материал (увеличение х500); б - переход (увеличение хЮО); в - наплавленный слой (увеличение хЮОО)

После обработки экспериментальных данных многофакторного эксперимента были получены функции отклика параметра оптимизации (скорость изнашивания у), уравнения регрессии которых в раскодированном виде имеют вид:

у, = 0.02173 + 0,001 ЗРС + 0,00022Са - 0,0011 у + 0.0028ЛА + 0,024Рсу, (9)

у2 = 0,0077 + 0,008/>с + 0,0001 Са - 0,0003V + 0,0012 РсСЛ + 0.0106 Рсу, (10)

уз = 0,0028 + 0,0066РС + 0,0001 Са - 0,0001 у + 0,0005Р,Са + 0.004/\;у. (11)

у4= 0,0030 + 0.0093РС + 0,00008Са — 0,00006у + 0,0006Р,Са + 0.0053/5су, (12)

Скорость относительного персмещешй v, м/с

Скорость относительного n:-fKM<-'!UC if:i.4 v, м'с

■ Р-0.<й0МГИ, C=D4 —±— Р —•— P-£i,0MJvna. С-20%

—M • P»G,200M(t3,[>04 —» -Р-0,г>ХЛЧТг,С-1а*.—♦ -Р-О.ЗООМПг.С'г-Ж

-•О- Р-ОД25МЛ., t-Oi, "А. '--O liv/T-,f-I'/S-'O- Р-Р.:25МЛгг I-?** —и -p=o,2owr.i,c-ci —* . ¡J —p -р=о.2темпл,с-20Л

■С* —Р-0,05СЛТ>г, C-lWs—

Рисунок 14 - Зависимость относительной износостойкости kJ4 и к15 от скорости относительного перемещения и, давления Рс и концентрации абразива Са

Опыты по оценке влияния геометрических параметров лемехов на качество вспашки пахотным агрегатом New Holland Т8040, который агрегатировался с оборотным плугом Kuhn ChalIenger-T-8, были проведены на одном и том же поле учебно-опытного хозяйства Ставропольского государственного аграрного универ-

та лемехов, достигших предельного износа, приводит к нарушению агротребова-ний по заданной глубине обработки и увеличению расхода топлива на 11 %. Тот объем работы, который был выполнен с нарушением агротребований по глубине вспашки, следу ет считать дополнительным объемом работы, приводящим к дополнительным общим затратам на заработную плату, топливо-смазочные материалы, покупку и замену лемехов (рис. 17). Поэтому практический интерес представляет величина предельного значения затылочной фаски акр, которую можно контролировать как с помощью шаблона, так и косвенно, путем дополнительного расхода топлива, используя системы навигации «АвтоСкан», или датчиков мгновенного расхода топлива.

Эксплуатационные испытания проходили на песчаной почве влажностью 10-15 % и твердостью 0,8-1,2 МПав восточной зоне Ставропольского края.

Рисунок 15 - Зависимость относительной износостойкости к]6 от скорости относительного перемещения и, давления Рс и концентрации абразива Са

—P»0.0SCMfle.C=0% —*— Р»0.050МПв.С»10* —P*O,3S0WI»,Ci20«

Старость относительного перемешппиг-.

ситета. При этом фиксировалось точное время работы изношенными и новыми лемехами для последующего контроля расхода топлива в диспетчерском центре. С вероятностью 0,95 установлено, что среднее значение глубины обработки изношенными лемехами составило 18,5 см, среднеквадра-тическое отклонение а = 2,2 см (рис. 16) при расходе топлива 30,5 кг/га. При работе с новыми лемехами среднее значение глубины составило 21,1 см, сред-неквадрагическое отклонение (т = 0,65 см при расходе топлива 27,2 кг/га. Таким образом, рабо-

Рисунок 16 - Схема экспериментального распределения глубины вспашки: а - изношенных лемехов; б - новых лемехов

Перед полевыми испытаниями плужные лемеха были подготовлены в соответствии с техническими требованиями по ОСТ 10.2.1-97. Испытания проводились до достижения каждым лемехом предельного состояния затылочной фаски. Расчетное значение ресурса лемехов устанавливалось тогда, когда ширина затылочной фаски у всех наблюдаемых образцов становилась больше 6 мм. Испытания показали следующие результаты наработки: серийный трапецеидальные лемех - 7,4 га; лемех 1ШЖ-31702 «Рубцовск плуг» - 10,2 га; лемех П-702 производства «Светлоградагромаш» -22 0 га; лемех, наплавленный порошком на основе чугуна - 24,7 га; лемех упрочненный ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт» - 25,3 га; лемех фирменным «УООЕЬ&1ЧООТ» - 52,1 га.

затраты при выполнении заданного объема работ на 58 %, при повышении его стоимости в 1,46 раза по сравнению с серийным образцом при сроке окупаемости 0,73 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ процесса вспашки с позиции рассмотрения плуга как сложной системы, низшим элементом которой в его иерархической схеме являются рабочие поверхности плужного лемеха, как наиболее изнашивающейся детали, позволил определить целевое назначение поверхностей плужного лемеха с точки зрения надежности реализации технологического процесса вспашки. Уточнена математическая модель общего сопротивления лемеха при затупленном лезвии и установлены основные факторы, влияющие на его ресурс.

2. Предложена методика оценки эффективности использования различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемеха, зависящих от способа увеличения износостойкости лезвия, а также дополнительные затраты, связанные с увеличением расхода топлива и снижением надежности процесса вспашки из-за работы затупленными рабочими органами, значения которых превысили критериальный показатель.

3. Результаты проведенных исследований наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов позволили определить, что оптимальное содержание бора и марганца составляет 2...4 % и 1...3 % соответственно в зависимости от химического состава чугунной стружки. Обработка результатов многофакторного эксперимента показала, что относительная износостойкость у образцов № 3, 4 и 5 в 4...6 раз выше, у образца № 6 в среднем в 14 раз выше по сравнению с серийным лемехом (образец № 1), а у лемеха ПЛЖ-31702 (образец № 2) в 2 раза выше, чем у образца 1. Результаты исследования влияния износа лемехов на глубину обработки пахотного агрегата показали, что использование лемехов, достигших предельного значения затылочной фаски, приводит к нарушению агротребований и увеличению расхода топлива на 11 %.

4. Сравнительная оценка показала, что, несмотря на высокий ресурс лемехов фирмы « УООЕЬ&МООТ». который составил 52,1 га, наиболее предпочтительными являются лемеха, наплавленные порошком на основе чугуна, легированного бором и марганцем в оптимальном соотношении, средний ресурс которых 24,7 га, но технико-экономический показатель на их эксплуатацию составил 276 руб/га, что на 25 % ниже показателя лемеха фирмы «УООЕЬ&МОО'Г».

5. Результаты технико-экономических расчетов показали, что использование плужных лемехов, наплавленных порошком на основе чугуна, при повышении его стоимости в 1,46 раза за счет дополнительных затрат на упрочнение в размере 147,22 руб/шт позволяет снизить удельные затраты на выполнение заданного объема работ на 58 % при сроке окупаемости 0,73 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Магомедов, Р. А. Результаты эксплуатационных испытаний лемехов [Текст] / А. Т. Лебедев, Р. А. Магомедов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 1. - С. 31-32.

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

На правах рукописи

МАГОМЕДОВ РАБАЗАН АЛИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПЛУЖНЫХ ЛЕМЕХОВ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

НА ОСНОВЕ ЧУГУНА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

СО 8

СО

О °

СМ £2 тГ ^

О Научный руководитель-

доктор технических наук доцент А.Т. ЛЕБЕДЕВ

Зерноград - 2013

1ИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

аботки почвы и основные агротехнические требования к ним

энструктивных особенностей плужных лемехов...............1:

повышения износостойкости плужных лемехов...............Ъ

гмые наплавочные материалы....................................2

способов и средств для испытания плужных лемехов е

;остойкость............................................................3

горетических исследований направленных на расчет сил

очвообрабатывающих орудий и их рабочих органов.......3'

1ЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРС^ МЕХОВ...............................................................4:

3.5.2 Методика проведения многофакторного эксперимента

2

.76 .77

3.6 Методика исследования влияния износа лемехов на глубину вспашки почвы........................................................................................80

3.7 Методика эксплуатационых испытаний...................................82

3.8 Методика обработки экспериментальных данных......................84

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.................90

4.1 Результаты исследования наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов................................................90

4.1.1 Результаты исследования микроструктуры наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов.................................90

4.1.2 Результаты исследования твердости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов.................................92

4.1.3 Результаты исследования износостойкости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов..................................94

4.2 Результаты исследования плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами...............................................96

4.2.1 Результаты исследования микроструктуры плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами...............96

4.2.2 Результаты исследования твердости плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами.............100

4.3 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания плужных лемехов........................105

4.4 Результаты исследования влияния износа лемехов на глубину вспашки почвы...........................................................................114

4.5 Результаты эксплуатационых испытаний...............................119

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................................124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................128

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................142

Введение

Операции, связанные с обработкой почвы, являются важными и наиболее трудоемкими при производстве сельскохозяйственной продукции. Качество выполнения этих операций зависит от параметров и состояния рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования. Эксплуатация рабочих органов почвообрабатывающих машин осуществляется в условиях постоянного абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Поэтому, 70-80% неисправностей приходится на износ рабочего органа, а остальные 20-30% приходятся на их деформацию [80]. Ежегодная потребность в рабочих органах в Российской Федерации составляет: в лемехах - 7 млн. шт., в полевых досках -3 млн. шт., в отвалах - 2,4 млн. шт. [97].

Плужный лемех является одной из наиболее ответственных и быстро изнашиваемых деталей плуга, средняя наработка на отказ которого, в зависимости от видов почв, колеблется от 2 до 20 га. Анализ работ [10, 12, 45, 47, 50, 68, 80, 97] показал, что среди всех способов упрочнения наиболее широкое распространение получила наплавка износостойкими твердыми сплавами. Практически при всех применяемых способах для получения упрочненных покрытий используются износостойкие сплавы или их композиции, имеющие достаточно высокую стоимость. Среди современных способов разработки новых порошковых материалов и износостойких покрытий, перспективным является применение композиций на основе чугуна, или отходов этого материала, которые в достаточном количестве образуются после механической обработки отливок деталей. Поэтому создание новых порошков на основе чугуна, с помощью которых сплав упрочняется в зависимости от изнашивающей способности почвы, перспективно и способствует повышению износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин.

В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение ресурса плужных лемехов формированием износостойкого покрытия на

основе чугуна, представляет практический интерес, а исследования этих вопросов являются актуальными.

Работа выполнялась в рамках реализации государственного контракта с Министерством сельского хозяйства Ставропольского края № 23 от 29.08.2006 г. и № 186 от 07.12.2007 г. (совместно с Полоцким государственным университетом НАН республики Беларусь)

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015г.г. №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 материалом».

Цель исследования - повышение ресурса плужных лемехов наплавкой износостойким порошком на основе чугуна.

Объект исследования - процесс изнашивания плужного лемеха, имеющий износостойкое покрытие на основе чугуна.

Предмет исследования - закономерности протекания процесса изнашивания плужного лемеха, влияющие на его ресурс.

Методы исследования предусматривают использование теории вероятности и надежности, методов математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования почвообрабатывающей техники при выполнении технологических процессов, применение стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента и математической статистики для обработки полученных результатов.

Диссертация состоит из пяти глав и посвящена повышению ресурса плужных лемехов формированием износостойкого покрытия на основе чугуна.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования»

проведены обзор существующих конструкций плужных лемехов и выявлены наиболее эффективные из них, проанализированы способы восстановления и упрочнения плужных лемехов, рассмотрены основные материалы, применяемые для упрочнения плужных лемехов. Проведен анализ способов и средств для испытания плужных лемехов на абразивную износостойкость. Выполнен анализ теоретических исследований, направленных на повышение ресурса плужных лемехов почвообрабатывающих машин, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения ресурса плужных лемехов» применен новый подход рассмотрения плуга как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности лемеха, на основании теоретических и экспериментальных исследований определены основные факторы, влияющие на его ресурс. Теоретически обосновано тяговое сопротивление, связанное с характером изменения взаимодействия рабочего органа с почвой в процессе эксплуатации почвообрабатывающих машин. Разработана теоретическая модель эффективности работы лемеха, учитывающая средний ресурс и общие затраты на выполнение процесса вспашки.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлена общая программа исследований, описан комплекс оборудования металлографического исследования и исследования структуры, описана экспериментальная установка и приведены частные методики исследования работоспособности плужных лемехов.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты исследования структуры и твердости наплавленных слоев из чугуна с различным содержанием легирующих элементов, многофакторный эксперимент определения скорости изнашивания плужных лемехов, результаты исследования влияния износа лемехов на глубину вспашки почвы по данным системы навигации и результаты эксплуатационых испытаний.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов исследования» представлен расчет технико-экономической эффективности плужных лемехов.

В конце диссертации сделаны общие выводы.

Научная новизна. Подход рассмотрения плуга как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности лемеха, позволил определить целевое назначение рабочих поверхностей с точки зрения надежности реализации процесса вспашки. Разработана методика оценки эффективности применения различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов. Предложен наплавочный порошок на основе чугуна для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на: международных специализированных агропромышленных выставках «Агроуниверсал», г. Ставрополь, 2008-2012 гг.; выставках - конкурсах «Инновации года», г. Ставрополь, 2009-2012 гг.; всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», г. Владикавказ, 2010 г.; У1-ой Российской научно-практической конференции: «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК», 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 Северо-Кавказкого федерального округа, г. Нальчик, 2012.

Результаты исследований оценены на Всероссийских конкурсах и грантах дипломом победителя программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно -инновационного конкурса», г. Ставрополь, 2012 г..

Реализация результатов исследования. Разработанный наплавочный порошок на основе чугуна принят к использованию в технологическом

процессе производства лемехов на предприятии ОАО «Светлоградагромаш» Ставропольского края. Плужные лемеха, наплавленные порошком на основе чугуна и изготовленные серийно, прошли сравнительные испытания в КФХ «Алибеков М.М.» Ставропольского края. Лабораторная установка для испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин была внедрена в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации с.х. при проведении лабораторно-практических занятий.

На защиту выносятся следующие положения:

новый подход к рассмотрению плуга как сложной системы, низшими элементами которой являются свойства рабочих поверхностей плужного лемеха, оказывающие влияние на его ресурс;

методика оценки эффективности использования различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов;

результаты исследования структуры и твердости наплавленных слоев из чугуна с различным содержанием легирующих элементов и относительной износостойкости плужных лемехов, изготовленных серийно и упрочненных разными способами;

эксплуатационные исследования ресурса лемехов и влияние их износа на надежность процесса вспашки.

Публикации результатов исследований.

По результатам исследований было опубликовано 11 печатных работ, в их числе 3 публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Виды обработки почвы и основные агротехнические требования к ним

Обработка почвы - важнейший элемент системы агротехнических мероприятий для возделывания сельскохозяйственных растений. Механическое воздействие рабочими органами машин и орудий на почву формирует в ней условия, наиболее благоприятные для произрастания сельскохозяйственных культур [19].

Важнейшими общими вопросами механической обработки почвы являются также ее способы (с оборачиванием - отвальная, без оборачивания обрабатываемого слоя - безотвальная) и глубина обработки (поверхностная, мелкая, основная, глубокая), углубление и окультуривание пахотного слоя, разноглубинная обработка почвы в севооборотах, сроки, техника, скорости движения почвообрабатывающих агрегатов и качество обработки почвы.

Обработка характеризуется разнообразием и универсальностью воздействия не только на почву, но и на растение, создавая однородный по плодородию пахотный слой, что способствует быстрому формированию развитой корневой системы с первых фаз роста. В процессе механической обработки любой части пахотного слоя в почве формируется оптимальное строение. Это обеспечивает мощное развитие и рост всходов культурных растений и предопределяет хорошее состояние стеблестоя посевов.

Система обработки почвы представляет собой совокупность научно обоснованных приемов обработки почвы под культуры в севообороте.

Существуют следующие виды обработки почвы: поверхностная, мелкая, основная, глубокая (рис. 1.1).

Виды обработки почвы

Поверхностная на глубину до 8 см

Культивация

Зяблевая

Нулевая

Окучивание

Минимальная

Прикатывание

Противоэрозионная

Шлейфование

Боронование

Грядкование

Бороздование

Мелкая на глубину от 8 до 16 см

Дискование

Мульчирующая

Лущение

Основная на глубину от 16 до 24 см

Вспашка

Оборот пласта

Плантажная

Контурная

Безотвальная

Скоростная

Пар

Двух- и трехъярусная

Гладкая

Гребнистая

Культурная

Ромбическая

Чистый

Полупар

Фрезерование

Безотвальная

Плоскорезная

Ранний

Черный

Занятый

Глубокая на глубину 24 см и более

Вспашка

Культурная с почвоуглублением

Мелиоративная

Снегозадержание

Чизелевание

Взмет пласта

Щелевание

Лункование

Кротование

Рисунок 1.1- Виды обработки почвы ш

Система основной обработки почвы традиционно состоит из отвальной вспашки, чизелевания, дискования, боронования и лущения.

Основные агротехнические требования, предъявляемые к основным видам обработки почвы, представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Виды обработки почвы и основные агротехнические требования

1 Вспашка Глубина вспашки 22-40 см. Отклонение среднеарифметического значения фактической глубины вспашки от заданной не должно превышать +1-5% . Отклонение ширины захвата плуга +/-10 %. При вспашке необходимо, чтобы ширина и толщина пластов были одинаковыми, растительные отстатки и удобрения полностью заделаны, а гребни пластов имели высоту не более 4 см

2 Культивация Глубина 5-7 см; поверхность поля должна быть ровная; высота гребней и глубина борозд - не более 4 см; количество комков не превышать 10 шт/м2, размер не более 5 см; колеса агрегата должны проходить от рядка растений на растоянии не менее 10 см

3 Боронование Боронование проводится поперек пахоты. Каждый проход должен перекрывать предыдущий на 10-15 см, огрехи не должны превышать 10 м /га. Величина комков после боронования не должна превышать 3 см, количество таких комков не должно быть более 10 шт/м . Бороны должны равномерно рыхлить почву на глубину 5-8 см

4 Чизельная обработка Обработка на глубину 28-30 см для выравнивания поверхности поля, разуплотнения пахотного и подпахотного слоев и увеличения его мощности

5 Лущение Глубина обработки 6-14 см в зависимости от почвы. Отклонение +1-2 см; высота гребней не более 4-5 см; число неподрезанных сорняков до 80 %; огрехи не более 10 м2/га.

6 Дискование Скорость движения 7-12 км/ч. Глубина обработки 6-12 см. Крошение почвы составило не менее 80 %. Подрезание сорных растений и растительных остатков 100 %

Агротехнические требования (АТТ), предъявляемые к обработке почвы характеризуют состояние пахотного слоя, при котором возможно выполнение технологического процесса обработки почвы, и определяют необходимые величины качественных показателей этой обработки [62].

По мнению основоположника земледельческой механики академика В. П. Горячкина, вспашка как наиболее распространенный прием основной

обработки почвы является самой важной, самой продолжительной, самой дорогой и самой тяжелой работой. На ее выполнение расходуется до 40 % энергетических и 25 % трудовых затрат [19].

Эффективность выполнения технологического процесса вспашки и затрат ресурсов будут определяться конкретным почвообрабатывающим орудием, т. е. в каком объеме качество работ, вып�