автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих машин

На правах рукописи

ОРЛОВ Борис Намсынович

Прогнозирование долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих машин

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедрах «Механизация сельскохозяйственного производства, эксплуатации и ремонта машин» Калмыцкого государственного университета и «Технология металлов и ремонта машин» ФГОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ЕВГРАФОВ Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

МАММАЕВ Загиди Маммаевич

доктор технических наук, профессор ПУЧИН Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор ЗАХАРЧЕНКО Анатолий Николаевич

Ведущая организация - ФГОУ ВПО Волгоградская государственная

сельскохозяйственная академия.

Защита состоится «_6_» апреля 2004 года в 15 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова 19, ФГОУ ВПО МГУП, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГУП.

Автореферат разослан «_У_» марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Сурикова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последний десятилетия появились новые технологии обработки почв (безотвальная, минимальная, безгербецидная и др.). Однако отвальная вспашка по-прежнему остается одной из важных технологических операций земледелия, так как обеспечивает качественную подготовку почвы под посев с.-х. культур и при мелиорации земель на самых разнообразных фонах и типах почв.

В стране сложилась сложная ситуация по обеспечению мелиоративных и сельскохозяйственных машин важнейшими запасными частями: корпусами плугов, полевыми досками, отвалами, лемехами и многими другими деталями. В настоящее время оснащенность хозяйств основными видами сельскохозяйственной и мелиоративной техники составляет 40...70%, сохраняется тенденция старения МТП, возрастает срок эксплуатации машин. Сельхозпроизводители получают некачественные детали, затраты на замену которых при вспашке каждых 100 га составляют2500...3000 руб.

Эксплуатация плугов с такими рабочими органами приводит к таким негативным явлениям, как потери энергии от увеличения тягового сопротивления, снижению заглубления, ухудшению крошения почвы и других агротехнических показателей, а в конечном итоге - снижению урожайности.

На сегодняшний день на долю России приходится около 100 млн. га пахотных земель. Потребность в рабочих органах составляет: в лемехах — 7 млн. шт. в год, в полевых досках - 3 млн. шт. в год, в отвалах - 2,4 млн. шт. в год, а на них производство ежегодно затрачивается около 714 млн. руб., 210 млн. руб. и 1008 млн. руб. соответственно.

Поэтому актуальной является решение научной проблемы технологических основ прогнозирования долговечности рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин при эксплуатации и ремонте.

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с Координационным планом НИР Госагропрома Калмыцкой АССР 1987... 1990 г.г.

Тематика исследований по указанной проблеме осуществлялась в соответствии с комплексно-целевыми программами и темами научно-исследовательской работы КГУ и ФГОУ ВПО МГУП.

Цель работы.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих машин.

Задачи исследований:

изучить статистические и вероятностные закономерности появления отказов однотипных деталей рабочих органов мелиоративных и почвообрабатывающих машин;

определить показатели надежности

1НЧНХ №МК){фЯДСЭТ8ХЯ<] БИБЛИОТЕКА СПстсрб

09 300'

физическими характеристиками рабочих органов и с воздействующими на них факторами;

изучить физические закономерности изменения свойств и параметров рабочих органов, в зависимости от материала детали, конструктивных особенностей, условий эксплуатации, упрочнения и т.д.;

разработать и математически описать задачи прогнозирования долговечности рабочих органов с использованием силовых, энергетических и деформационных критериев вязкого, квазихрупкого и хрупкого разрушений;

реализовать результаты исследований в производстве и оценить их экономическую эффективность.

Объект исследования:

детали рабочих органов плугов эксплуатируемых в различных почвенных условиях.

Научная новизна:

теоретически обоснована и разработана математическая модель, связывающая линейную интегральную интенсивность изнашивания материалов с параметрами, характеризующими вязкость разрушения;

обоснованы и применены теоретические положения линейной механики разрушения при развитии трещин из зон концентрации напряжений;

доказаны физические основы влияния перегрузок на скорость роста усталостных трещин и установлены значения коэффициентов интенсивности напряжений;

разработана гипотеза прогнозирования долговечности рабочих органов, где показатели надежности не связаны непосредственно с физическими характеристиками;

установлена сущность проблемы прогнозирования долговечности рабочих органов при заданных условиях эксплуатации, с учетом закономерности процесса кинетики старения;

разработаны научные и технологические основы теории усталости и теории трещин, при прогнозировании долговечности.

Практическая ценность работы.

Разработанные на основе кинетики разрушения принципиально новые методики прогнозирования долговечности рабочих органов, значительно повышают точность расчетов количественной оценки эксплуатационных показателей деталей.

Применена гипотеза термофлуктуационной природы механики разрушения твердых тел для разработки методов торможения трещин.

Предложены, на основании теоретических и экспериментальных исследований, новые технологические процессы восстановления и упрочнения деталей и узлов почвообрабатывающих машин.

Реализация результатов исследования.

Результаты исследования реализованы в изданных практических рекомендациях и методических указаниях. Предложенные технологические процессы

восстановления и упрочнения деталей внедрены в ряде ремонтных предприятий и ОПХ агропромышленного комплекса Юга России.

Результаты исследований применены в учебном процессе ВУЗов при разработке спецкурсов: «Правила и нормы эксплуатации мелиоративных и строительных машин», «Развитие науки о машинах и технических устройств», «Физические основы надежности сельскохозяйственных и мелиоративных машин» и «Современные методы расчетов на прочность деталей сельскохозяйственных машин».

Апробация работы:

результаты проведенных исследований опубликованы за последние 15 лет в 50 научных трудах.

Материалы исследования по теме диссертаций докладывались: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГУП, ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина

Калмыцского государственного университета и Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии;

на научно-практических конференциях, семинарах и совещаниях ученых и специалистов Юга России в ЮЖНИИгипрозем и КГУ г. Элиста РК, ГСХА г. Волгоград, ГАУ г. Ставрополь и НГУ ВИИТиН г. Тамбов;

Международных научно-практических конференциях «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке», 2001 - 2003 г.г. М.;

на ежегодных семинарах главных специалистов и ученых Министерства сельского хозяйства и социального развития села РК.

Достоверность результатов исследований обусловлена: использованием апробированных методов математического моделирования и численных методов теорий упругости;

привлечением результатов натурных исследований и полнотой экспериментальных исследований;

применением стандартных испытаний и измерительных приборов, аппарата математической статистики;

хорошей согласуемостью результатов полученных экспериментальных исследований и теоретических расчетов. Публикации.

Результаты исследования опубликованы в двух монографиях, научно-популярной книге, в двух учебных пособиях, учебном практикуме, методических разработках, рекомендациях, брошюрах, научных статьях и работах. Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 326 страницах машинописного текста, включающая 105 рисунка, 33 таблицы, библиографии из 293 наименований в т.ч. 28 на иностранном языке, приложений в 2 частях.

На защиту выносятся:

результаты теоретического обоснования и анализ механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение отказов рабочих органов почвообрабатывающих машин при абразивном изнашивании;

результаты экспериментальных исследований по прогнозированию долговечности рабочих органов плуга в зависимости от износостойкости материалов и свойств абразивной массы;

результаты теоретических исследований физических основ количественной оценки интегральной интенсивности изнашивания деталей машин с учетом вязкости разрушения;

методики экспериментально-теоретических исследований прогнозирования долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин при эксплуатации и ремонте;

научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов, как результат теоретического обоснования основ теории усталости и теории трещин;

результаты: производственно-эксплуатационных исследований; внедрения рекомендаций по применению предлагаемых разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Содержит общую характеристику работы, обоснование актуальности темы и основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1.СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основная цель механической обработки почвы - создание наиболее благоприятных условий для роста и развития культурных растений и повышение ее плодородия. В любом технологическом процессе механической обработки, как указывал В.П. Горячкин, необходимо участие трех элементов: энергии, рабочего органа и объекта обработки - материала. В процессе механической обработки почвы рабочий орган машины или орудия (корпус плуга, диск, зуб бороны, лапы культиватора и т.п.), получая энергию от трактора или другого источника, воздействует на почву, в результате чего изменяет его свойства и состояние.

Надежность современных рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин во многом определяется их безотказной работой. Основная часть отказов происходит в результате различных видов изнашивания. Это объясняется особыми условиями эксплуатации деталей мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин.

Поэтому прогнозирование долговечности деталей мелиоративных и %сель-скохозяйственных машин является одной из актуальных проблем технического прогресса. Вопросы прогнозирования долговечности неразрывно связаны с изу-

чением закономерностей изнашивания рабочих органов при эксплуатации мелиоративных и сельскохозяйственных машин.

Процесс износа рабочих органов почвообрабатывающих машин протекает при непрерывном взаимодействии материала с почвой. Интенсивность и характер износа материала зависит от природы и свойств почвы, а также от условий взаимодействия с нею рабочих органов.

Исследования показали, что в качестве основных факторов, определяющих износ рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин, выделяются: механический состав почв, влажность, плотность и однородность почвы, скорость движения и форма рабочих органов, а также свойства материалов, из которых они изготовлены. Факторы, относящиеся к свойствам почвы, является переменными. В различных почвенно-климатических условиях влияние указанных факторов может существенно различаться и соответственно износостойкость одних и тех же материалов, а следовательно и долговечность, на различных почвах при прочих равных условиях будет не одинаковой.

На интенсивность абразивного изнашивания оказывает влияние скорость перемещения рабочей поверхности детали по отношению к положению и перемещению частиц абразива. При наличии высоких скоростей продолжительность контакта снижается и выделяющая при этом теплота в следствии пластического деформирования, не успевает распространиться в глубь детали. В случае повышения температуры на микроповерхности детали (местный нагрев) возможно изменение механических свойств металла в результате структурных превращений, что оказывает влияние на интенсивность изнашивания. Удары абразивных частиц о микронеровности поверхности расшатывают их связи с материалом основы, что способствует разрушению самого материала детали.

Для прогнозирования долговечности деталей рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин, в зависимости от их назначения целесообразно применять вполне определенные критерии, называемые выбраковочными дефектами.

Для деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин основными критериями определяющих износ являются:

технологические критерии, по которым выявляются предельные величины износа, определяются по предельным отклонениям от установленного качества выполняемой работы;

экономические критерии, основаны на отыскании минимума эксплуатационных затрат в зависимости от наработки детали в часах или гектарах обработанной почвы.

У термически обработанных и легированных сталей износостойкость с увеличением твердости также возрастает, но менее интенсивно. Можно выделить при абразивном изнашивании три вероятных режима, которые определяются условиями изнашивания в зависимости от соотношения твердости абразива На и материала Нм (рис.1).

Рис. 1. Зависимость режима изнашивания от твердости

детали рабочего органа: в области I - когда Нм > На - абразивного изнашивания

практически нет; в области II - переходная зона.

Износ изменяется от 0 в точке Нм, до конечной величины в точке кНм , где к = 0,7... 1,1; области III - износ постоянен и На > Нм, а отношение На/Нм=1,3...1,7.

В исследованиях приводятся достаточно четкие зависимости износостойкости материалов от их твердости, особенно в условиях изнашивания с преимущественно прямым разрушением поверхностного слоя под действием твердых и остроугольных абразивных частиц. Вместе с тем, результаты исследований и накопленный в сельхозмашиностроении опыт утверждают в том, что твердость не может однозначно характеризовать износостойкость материалов.

Для долговечности рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин необходимо развивать:

методы получения первичных структур со свойствами, обеспечивающими возможность оптимальной перестройки и дополнительного упрочения в условиях эксплуатации (механический и фазовый наклеп). В этом случае при трении происходит образование вторичных защитных структур, способствующих расширению диапазона нормальных процессов и снижению интенсивности трения и изнашивания;

методы создания первичных структур с максимально возможной стабильностью по отношению к механическим и химическим воздействиям.

Оценка физических свойств почвы

Свойства почвы, являющейся 3-х фазной дисперсной средой, делят на две категории: физические и механические. Первые характеризуют состав и структуру почвы, а вторые - ее поведение при создании напряженного состояния. В земледельческой механике и смежных областях науки (почво - и грунтоведение, физика почв и т.п.) для описания физических свойств и родст-

венных ей сред (грунт, сплошные среды) используют довольно обширный перечень показателей.

Изнашивающая способность почвы

При вспашке на рабочие органы плуга оказывают воздействие абразивные частицы, содержащиеся в почве. Количество этих частиц зависит от механического состава почвы. Именно механический состав определяет абразивные свойства почв и удельное сопротивление при пахоте.

Механические элементы разных почв отличаются не только по размерам, процентному содержанию, но и по минералогическому составу, что определяет их различие по разнообразным свойствам.

Основными агентами износа рабочих органов плуга являются твердые (НУ 7... 11 ГПа) минеральные частицы кварца, составляющие примерно 70...85% почвы. Затем по степени распространения идут полевой шпат, гранит, слюда и другие минералы (НУ 6...7,2 ГПа). Большая часть частиц имеет округлую форму, но также присутствуют и частицы, имеющие острые грани и выступы, способные деформировать контактные поверхности деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Методы восстановления и упрочнения рабочих органов

Повышение износостойкости рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин - одна из наиболее актуальных проблем сельского хозяйства и сельскохозяйственного машиностроения. Актуальность проблемы определяется не только важностью сокращения расхода материала на их производство и ремонт, но и требованиями их эксплуатации.

Большой вклад в развитие технологии восстановления и повышения долговечности деталей внесли: Авдеев М.В., Аскинази Б.М., Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бугаев В.Н., Бурумкулов Ф.Х., Власов П.А., Воловик Е.Л., Ерохин М.Н., Каракозов Э.С., Косов В.П., Кряжков В.М., Молодык Н.В., Некрасов С.С., Петров Г.К., Потапов Г.К., Поляченко А.В., Пучин Е.А., Рудик В.Я., Северный А.Э., Тельнов Н.Ф., Цыпцын В.И., Ульман И.Е., Черепанов С.С., Черноиванов В.И., Челпан Л.К., Чижикова Т.В. и другие ученые.

Основными направлениями повышения долговечности рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин являются:

применение износостойких материалов;

применение биметаллических материалов, полученных наплавкой;

применение двухслойного проката;

применение твердых сплавов;

изменение формы деталей при ее конструировании.

Поэтому, на основании вышеизложенного была поставлена цель и сформулированы основные задачи исследований изложенные в общей характеристике работы.

И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБЫТЫВАЮЩИХ

МАШИН

Анализ взаимодействия абразивных частиц с поверхностью

Разнообразия форм, размеров, механических свойств абразивных частиц и прилагаемых нагрузок, установлено, что поверхностном слое изнашивающегося материала возникает широкий спектр контактных напряжений. Величина напряжений зависит от радиуса контактной поверхности абразивной частицы, ее механических свойств (прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.), нагрузки, приходящейся на данную частицу, силы сцепления частиц между собой (определяющей степень «закрепленности» абразивных зерен) и механических свойств материала, на который эта частица действует.

Для оценки формы твердых частиц примерно одной фракции с учетом радиусов контактных поверхностей был предложен критерий, названный коэффициентом формы:

= М (и,) • М (D , - d,) f М (R,)

где: математическое ожидание соответственно для

числа вершин, их радиусов и разностей диаметров окружностей, описанной вокруг контура и вписанной в KOHIY? зерна (рис. 2Х

Кф

О)

Рис. 2. Схема абразивной частицы

Переход от пластического деформирования к прямому разрушению осуществляется при увеличении значений Кф, т.е. когда достаточно велика вероятность контакта частицы по выступу с малым радиусом кривизны. Значения Кф колеблются от 11 для окатанных частиц до 100 для остроугольных частиц.

Кроме этого, для осуществления прямого разрушения при царапающем действии абразивной частицы необходимо, чтобы эта частица обладала большей прочностью, чем изнашивающийся материал. Способность абразивных частиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении приближенно оценивают по соотношению значений микротвердости испытуемого материала Нм и абразива На,

Установлено, что критическое значение коэффициента

Кт =0.5 ... 0,7. Прямое разрушение (т.е. микрорезание) поверхностного слоя материала под действием абразивных частиц возможно при Ат < 0,5 (при соответствующей форме частиц и достаточной нагрузке Р). При таких условиях абразивная частица обладает достаточной прочностью, чтобы довести материал до разрушения, сохранив свою целостность.

Исследование влияния действующих давлений на износостойкость материалов

Условия эксплуатационных исследований рабочих органов совпадали с условиями, которые были смоделированы на приборе ИМ-01. Установлено, что материалы имеют различную износостойкость при изменении действующих давлений. Результаты исследований приведены на рис. 3. мин/см3

Рис. 3. Зависимость износостойкости материалов от давления

На рис. 4 представлены результаты исследований зависимости коэффициента относительной износостойкости Б от давления р. Ё

0,1 5 0,25 0,35 0,45 0,55

Р, М Па

Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной износостойкости

материала ТК-Г от давленияр (эталон материала несущего слоя-лемешная Сталь Л53, ИЯС 35)

Из графика рис.3 видно, что с ростом давления от 0.16 до 0,33 МПа разница в износостойкости сталей снижается, а из графика рис. 4 видно, что с ростом давления наблюдается нелинейное изменение коэффициента относительной износостойкости е.

Исследования коэффициента трения материала о почву

Исследования коэффициента трения материала о почву проводили в диапазоне влажностей почвы от 15 до 35 %. В качестве объектов исследования были выбраны среднесуглинистая дерново-подзолистая почва, ТК - Г и лемешная Сталь Л53. Выбор почвы объясняется тем, что большинство проводимых полевых исследований проводилось именно на этом типе почв. Исследуемый диапазон влажностей почвы ограничивается агротехническими требованиями к качеству пахоты. Результаты исследований представлены на рис. 5.

15 20 25 ЗО 35 V*,

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения Стали Л53 (I) и ТК - Г (2) от изменения влажности почвы.

Коэффициент трения ТК - Г в суглинистой почве, как видно из графиков, выше, чем у лемешной Стали Л53. При низкой влажности почвы (№= 15 %) коэффициент трения для Стали Л53 составляет 0,35, а для ТК - Г - 0,37, что на 5,7 % выше.

Эксплуатационные исследования материалов рабочих органов плута

По результатам исследований лемехов на дерново-подзолистой среднесуг-линистой почве, влажностью 14... 17% и твердостью 2,4 МПа были получены следующие данные.

Наработка за весь период исследований на серийные лемехи составила от 7 до 9 га. Износ лемехов составил: по массе 0,41...0,86 кг; по линейным размерам: от носка лемеха до центра первого крепежного отверстия - 34 - 66 мм, по ширине - 6... 17 мм. Износ по толщине составил 1... 1,5 мм.

Данные исследования по износостойкости представлены в табл. 1 и рис. 6 и 7.

Как отмечалось ранее, ресурс лемеха определяется, в основном, его износостойкостью по ширине и износостойкостью носка.

Таблица 1

Исследование износостойкости лемехов (дерново-подзолистая сред-

несуглинистая почва, влажность 14-17 %, твердость 2,4 МПа)

Лемеха Наработка за период исследований, га Средняя износостойкость

носка лемеха (В), га/мм По ширине (С), га /мм по толщине, га/мм по массе, га /кг

Лемех серийный (без упрочнения), (Сталь 45) 7,5-9.0 0.18 0.81 7.14 143

Лемех с точечной наплавкой порошковой проволокой ПП-Нп-80Х20 РЗТ-Н-С-3,2 (Сталь 45) 10.0 0.37 132 143 303

В> 60

О 2 4 6 8 10

\У,га

Лемех серийный —Д—Лемех с наплавкой порошковой проволокой

Рис. 6. Зависимость износа лемехов (по длине носка) от наработки среднесуглинистая почва, влажностью- от 14... 17% и твердостью 2,4 МПа).

Рис. 7. Зависимость износа лемехов (по ширине) от наработки (среднесуглинистая почва, влажность - 14... 17% и твердостью 2,4 МПа).

Для оценки изменяющейся в процессе эксплуатации формы лемеха используем коэффициент формы лемеха в плане:

Кф =/х cos а/ах (3)

где: 1Х и ах - текущие значения длины носка и ширины лемеха, мм; - угол между нормалью к лезвию и линией полевого отреза. Усредненные значения Кф, полученные при вспашке суглинистых почв представлены в табл. 2.

Таблица 2

Тип лемеха Кф нового лемеха Кф изношенного лемеха Средняя наработка за период исследований, га Ж* 1/га

Лемех трапециевидный (неупрочненный) из Стали 45 1,01 0,85 7,3 0,022

Исследование износостойкости груди отвала плуга По результатам исследований на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, влажностью 17.2 % и твердостью 1,1 МПа были получены данные.

Наработка серийных грудей отвала плуга составила всего 1,9 га, а упрочненных по 28 га.

Наработка серийных грудей отвала плуга на дерново-подзолистой супесчаной почве, влажностью 10,5... 15 % и твердостью 0,8... 1,2 МПа составила по 18 га. Износ по массе серийной груди отвала составил 370 г, по толщине - 2...5 мм, по полевому обрезу - 4.. .9 мм.

Характер изнашивания серийной груди отвала плуга представлен на рис. 8.

Рис. 8. Характер изнашивания серийной груди отвала плуга

Средние показатели износа груди отвала плуга приведены в табл. 3.

Таблица 3

Грудь отвала Наработка за период исследований, га Тип почвы Средняя износостойкость

по массе, га/г по толщине, га/мм по полевому обрезу, га /мм

"рудь отвала се-эийная (Сталь 60) 1,9 Среднесуг-линистая 0.09 9,1 6.25

Грудь отвала се-э и й пая ("Сталь 60) 18 супесчаная 0,04 5,26 2,77

Исследование полевой доски плуга на износостойкость

Исследование полевой доски на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, влажностью 17,2 % и твердостью 1,1 МПа.

Наработка серийных полевых досок за период исследований составила по 9 га. Износ по высоте практически отсутствует. Износ по массе серийных полевых досок в среднем составляет 250 г, по толщине - от 0,7 до 4,4 мм.

Следует отметить, что при достижении наработки 8.9 га у полевой доски наблюдается заострение нижней кромки (рис.9).

после испытаний до испытаний

Рис. 9. Характер изнашивания серийной полевой доски плуга В табл. 4 показана износостойкость полевой доски.

Таблица 4

Исследование износостойкости полевой доски

Полевая доска Наработка за период исследований, га> Средняя износостойкость

по массе, га/г по толщине, га/мм

Полевая доска серийная, (Сталь 45) 8,9 0,038 3,57

Определим долговечность лемеха тракторного плуга при вспашке почвы.

Т =

kv h0 • (п + !)• Я

(4)

к • Е • т ' Р -уп

где: ку - величина, обратная коэффициенту перехода от поступательной скорости к относительной скорости перемещения абразивной среды по ее рабочей поверхности. Для трехгранных клиньев:

1

KV =

COS

}

у cos 2 (е • ц/ )•

tg 2 У

COS

у

(тЫ

Для двугранных клиньев,

KV =

COS

¥

cos. (а + у/ ) где: а - угол наклона рабочей поверхности детали к горизонту;

у/ - угол отклонения абсолютной траектории перемещения частиц почвы от нормали к рабочей поверхности клина.

/

у/ = arctg

ctg а

(5)

/ + /,

где: /- коэффициент трения почвенных частиц по изнашиваемой поверхности детали;

/1 - коэффициент трения почвенных частиц между собой; к - коэффициент пропорциональности (для лемеха = 0,02,

для отвала = 0,01... 0,012, для культиватора = 0,02) Е- относительный износ материала; т— коэффициент изнашивающей способности. й0 - предельно допустимый износ до ремонта;

п - количество ремонтных воздействий за полный срок службы детали до

выработки; Н - твердость металла;

Уп - поступательная скорость движения детали; Р - удельное давление абразива.

Р = С-а.

С - коэффициент, учитывающий плотность грунта и углы установки

рабочих органов; а - глубина обработки почвы; п - показатель степени.

Долговечность, выраженная в гектарах обработанной площади на один рабочий орган будет равна:

КУ Л о (п + 1 )• Н ■ В

где:

F° ~ k • Е -т

В - ширина захвата рабочего органа.

(6)

Для лемеха при В = 0.35 м

Fo =

236 -0.35 - б 10

= 49 га

Определим долговечность отвала для тех же условий, как и при расчетах долговечности лемеха.

Т = 1.5/ = 222 ч , Fp = 222 -6-0.35 /10 = 46.5га.

Исследования показали, что интенсивность износа рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин настолько велика, что в отдельных случаях необходимость в ремонте возникает через 2...3 часа работы. При обработке твердых почв с каменистыми включениями наблюдается значительная деформация режущей кромки, усталостные выщербины.

На рис. 10 представлена картина изменения коэффициента интенсивности изнашивания и фрикционного состава почв в зависимости от ее категорий.

Рис. 10. Классификация почв по их изнашивающей способности

III. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МЕЛИОРАТИВНЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Количественная оценка интегральной интенсивности изнашивания деталей машин с учетом вязкости разрушения

Программа исследований предусматривала и учитывала влияние не только твердости и нагрузки на износостойкость материала; Исследования показывают, что не менее важную роль на изнашивание материала оказывают упругие свойства материала, режим работы деталей (нагрузка, скорость, температура), внешние условия (смазка, окружающая среда) конструкционные особенности рабочих органов и способы восстановления и повышения долговечности при потере работоспособности.

Взаимодействие трущихся тел и рабочей среды локализуется в тонком поверхностном слое, характеризующимся особым структурнофазовым состоянием и образованием вторичных структур. Этот слой, в определенных условиях, защищает основной материал деталей машин и механизмов от разрушения. Однако внешние механические воздействия неизбежно разрушают слой вторичных структур, что, в значительной мере, связано с образованием и распространением трещин в этих структурах, вязкостью разрушения. Это обстоятельство интенсифицирует нарушение динамического равновесия процессов разрушения и образования вторичных структур, что приводит к существенному уменьшению износостойкости трущихся поверхностей.

Таким образом, нарушаются условия для существования явления структурной приспособляемости, нашедшего объяснение в рамках структурно - энергетической теории трения и износа, разработанной на основе термодинамики необратимых процессов.

В этих условиях вопрос об образовании и распространении трещин в поверхностных слоях материалов деталей машин и механизмов при трении приобретает самостоятельное значение. Особую актуальность при этом имеет получение количественных моделей, связывающих линейную интегральную интенсивность изнашивания материалов с параметрами, характеризующими вязкость разрушения в виде:

кс,к^с,Ак - параметры, характеризующие вязкость разрушения материала.

Результаты проведенных дальнейших теоретических и экспериментальных исследований показывают, что в первом приближении для количественной

оценки зависимости «Д от параметров, характеризующих вязкость разрушения

(7)

линейная интегральная интенсивность изнашивания;

железоуглеродистых сплавов, может быть использована следующая, полученная количественная модель:

(8)

г д

Ь - линейная интегральная интенсивность изнашивания материала;

- максимальное в цикле значение коэффициента интенсивности напряжений в момент окончательного разрушения образца трещиной в процессе усталостных испытаний, МПа-м1/2;

к)с -- критическое значение коэффициента интенсивности напряжений при нормальном отрыве, МПа-м,/2;

О — начальный энергетический барьер, близкий к величине энергии распада межатомных связей в твердых телах - к энергии сублимации, Дж/моль;

Шф— параметр кривой фрикционной усталости; в условиях упругого контакта Шф = 10... 15; для большинства материалов т.ф = 1,3... 12;

*

V — структурно - чувствительный коэффициент при изнашивании, ДжДмоль МПа);

кту - поправочный коэффициент, определяемый по номограмме, как,

кту = /{У>тпф),

где:

V -

параметр степенной аппроксимации кривои опорной поверхности;

(9)

где С^редел прочности материала, МПа;

- коэффициент, определяемый геометрической конфигурацией и расположением по высоте микронеровностей на поверхности материала; обычно кх =0,2;

СС -коэффициент перекрытия, зависящий от конфигурации неровностей и вида контакта; для сферической модели неровностей СС =0,5 при упругом контакте СС = 1 при пластическом контакте;

Г — приведенный радиус микронеровностей мм.;

%1 1 Я 10-... 10 :

Рн - номинальное давление, МПа; Рф - фактическое давление, МПа.

В расчетах можно, в первом приближении, принимать Рн/Рф =10-1...10-3ъРн/НВ, где НВ — твердость по Бринелю. В настоящее время расчеты деталей машин на изнашивание производятся без учета вязкости разрушения.

IV. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

Обоснование оценки прочности и долговечности деталей

В рамках настоящей работы проводился значительный объем экспериментальных исследований моделей и фрагментов деталей рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин.

Исследования экспериментальных моделей и фрагментов деталей проводились с целью научного обоснования конструкции и расчетной оценки прочности и долговечности самих деталей мелиоративных и сельскохозяйственных машин при эксплуатации и ремонте, разработки новых методов расчета и совершенствование норм показателя надежности при конструировании, изготовлении и эксплуатации. Обоснование мероприятий по усилению конструкций сельскохозяйственных машин и оборудования с минимальными капитальными затратами.

Для анализа полученных экспериментальных данных широко применялись методы теории вероятностей и математической статистики.

При подготовке к проведению экспериментальных исследований применялись методы теории планирования эксперимента. В ряде случаев в качестве выходной функции применялись непосредственно исследуемые физические величины: образование «паутины» трещин, ширина их раскрытия в рабочем органе, напряжение, перемещение и как результат разрушения самих деталей.

В качестве входных независимых переменных факторов, в рамках выполненных экспериментальных исследований, применялись геометрические размеры рабочих органов почвообрабатывающих машин (длина, ширина, высота, рабочие углы и др.), физико-механические свойства почвы, эксплуатационные свойства почвообрабатывающих машин характеризующих эксплуатационную, технологическую и технико-экономическую сторону, а также удобства обслуживания, ремонтопригодность и т.д.

Экспериментально-теоретические зависимости устанавливались путем регрессивного анализа распределения полученных опытах данных с применением метода наименьших квадратов. В целях проверки надежности, достоверности,

адекватности и достаточной степени обеспеченности полученных результатов выполняется проверка на основе методики применения статистических критериев для проверки и гипотез и отыскания доверительных границ.

Для трех факторной задачи теоретическое уравнение регрессии имело вид:

В координатах Z уравнение принимало вид:

м {у}= £ >

¡- 4

Изложенные выше теоретические исследования показали:

Предлагаемая методика математического моделирования позволяет определить искомые показатели работы рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин в заданных условиях на стадии эксплуатации и ремонта, которые на прямую влияют на их долговечность. Необходимо отметить, что физико-механические свойства почвы эффективно влияют на износ рабочих органов, а потеря их долговечности позволяет оценить состояние почвы.

Особенностью разработанного вероятностного математического метода прогнозирования долговечности заключается в том, что определяемые показатели надежности не связываются непосредственно с физическими характеристиками деталей и с воздействующими на них факторами, а характеризуют суммарное их влияние (режимов работы, особенности конструкции, изнашивания, внешних воздействий и т.п.) на состояние рабочего органа.

Существо проблемы прогнозирования долговечности рабочих органов при заданных условиях эксплуатации и ремонта, необходимо сводить к анализу количественной оценки исследования закономерности процессов кинетики старения (износа, усталости, коррозии, трещинообразования и т.п.) во времени, т.е. к анализу накопленных остаточных изменений, происходящих в деталях рабочих органов почвообрабатывающих машин.

V. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

1. Основы теории усталости Основные механические характеристики металлов и сплавов в исходном и деформированном состояниях в зависимости от степени деформации . Основными параметрами кривых усталости (выносливости) являются (рис.11):

- предел выносливости (усталости)

- угол наклона кривой усталости а (параметр К = tga) или

/7 (параметр т = ctgfi);

- база испытаний NE (максимальное число циклов нагружения,

принимаемое при проведении испытаний);

- число циклов NG, соответствующее точке перелома кривой усталости. Уравнение кпивой усталости имеет вил:

G" N, = a *XN G = const , или т lg сг . + lg N t = const , (10)

Построение кривых усталости по гипотезе энергетического подобия усталостного разрушения Параметр К = tgа характеризует интенсивность изменения долговечности при переходе от одного уровня напряжений к другому и определяет угол наклона кривых усталости в полулогарифмических координатах (рис.11 б).

Рис. 11. Кривые усталости (выносливости):

а) в координатах сг—

б) в полулогарифмических координатах сг—

в) в логарифмических координатах /£<х— точки со стрелками, соответствуют неразрушающимся образцам

Он измеряется в тех же единицах, что и напряжение и численно равен (§а. <7 , - <Т .

К =

-г

= tg а

(И)

lg n2 - lg tf,

где: Oii, cr.2 и ./V/, N¡ - напряжения и соответствующие им числа циклов для двух точек на кривой усталости в полулогарифмических координатах;

К = tga - угловой коэффициент для наклонной ветви кривой усталости в координатах

Используя эти зависимости и фактическое значение cr.¡ и Од, можно определить конкретное значение для данной стали и построить кривую усталости (рис. 12) и зависимость (рис. 13).

\ Я /¿Ч^

Рис. 12. Построение кривой усталости по гипотезе энергетического подобия усталостного разрушения металлов

Рис. 13. Зависимость между допустимым уровнем напряжений (сг) и длины трещины (!)

Полная кривая усталостной прочности и диаграмма циклического разрушения металлов

На ход (параметры) кривых усталости может оказывать большое число факторов: размер и форма образцов или деталей, концентраторы напряжений, качество механической обработки, упрочняющая обработка, жидкие и другие среды, температуры и другие факторы.

На рис. 14 представлена полная кривая усталости в диапазоне нагрузок от предела прочности (ст д) до предела усталосГиИсследования позволяют выделить на этой кривой ряд характерных участков и перегибов. Это позволяет трактовать, что кривая усталости не всегда может быть представлена в виде одной прямойлинии.

Рис.14. Схематическое изображение полной кривой усталостной прочности

Прогнозирование усталостной долговечности деталей с учетом механики разрушений

Исследования показали, что наиболее простыми методами прогнозирования усталостной долговечности деталей машин являются методы, основанные на гипотезах суммирования усталостных повреждений. При этом наиболее часто используется метод, основанный на гипотезе линейного суммирования усталостных повреждений (ГЛСП):

У 1 (12)

где: - число циклов повторения амплитуды за срок службы детали;

- число циклов по кривой усталости, соответствующее амплитуде

Расчеты, основанные на ГЛСП, не всегда находят экспериментальное подтверждение. В связи с этим получила распространение корректировка ГЛСП:

П

= а

(13)

ых К,

где: ар - корректированное значение накопленных повреждений, описываемых эмпирической зависимостью:

где:

&тах и - максимальная и 1 - а я амплитуды блока нагружения; - предел выносливости детали.

где:

-нижняя граница амплитуд напряжений, оказывающих повреждаю-

щее действие, при наличии в спектре амплитуд напряжений, превышающих предел выносливости; и - относительная повторяемость ь той амплитуды в блоке нагружения.

Одним из критериев склонности металла к хрупкому разрушению является величина К¡с. Для циклического образца при испытаниях на усталость при изгибе с вращением:

К ,с =

бр

л/*7

/

(И)

где: а6ртах - действующее максимальное брутто-напряжение цикла; //■ - критическая длина (глубина) усталостной трещины;

К]с - предельное значение коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины, приводящая ее к катастрофическому росту.

Анализ закономерностей объясняют, что использование приведенного метода расчета с необходимыми уточнениями (в зависимости от решаемой задачи) позволяет прогнозировать долговечность рабочих органов почвообрабатывающих машин при эксплуатации и ремонте.

2. Основы теории трещин

Кроме представления о существовании некоторого критического, порогового значения прочности, после достижения которого наступает мгновенное разрушение материала (теория трещин), существует другой подход к трактовке явления прочности, который исходит из того, что разрушение представляется процессом, неравновесным и в большинстве случаев нестационарным, это - кинетический подход.

Анализ температурно-временной зависимости прочности как кинетического процесса позволил сформулировать целый ряд новых критериев и теорий прочности.

Кинетическая теория прочности, рассматривает разрушение как процесс постепенного накопления нарушений сплошности (повреждаемости), решающую роль в котором играют тепловые флуктации. Этот процесс начинается с момента приложения к телу нагрузки и идет практически при любом уровне нагружения. Понятие предела прочности, при таком подходе теряет свой физический смысл. Фундаментальной величиной, характеризующей интегральную скорость разрушения при данной нагрузке и температуре, становится долговечность - время от момента приложения нагрузки до разрушения деталей.

Основы оценки долговечности деталей с учетом трещин

В деталях мелиоративных и сельскохозяйственных машин в процессе изготовления и эксплуатации появляются дефекты. При наличии резкой концентрации напряжений и дефектов могут возникнуть усталостные трещины на ранних стадиях эксплуатации. Поэтому большое значение имеет проблема оценки долговечности (живучести) детали в условиях эксплуатации на стадии развития трещины, т.е. от момента появления первой микроскопической трещины длиной 0,2...0,5мм до окончательного разрушения. Проблема оценки долговечности очень важна, т.к. именно она определяет в основном ресурс деталей с трещинами.

Усилие, необходимое для того, чтобы продвинуть трещину на 1 мм и обозначаемое через О по смыслу и размерности аналогично распространению трещины.

Расчет приводят по следующему соотношению:

(15)

Величина достигает критического значения О, при произведении 1 • О 2.

Таким образом, критерий О связывает воедино приложенное напряжение и длину дефекта /, от которых зависит работоспособность материала, его сопротивление разрушению. Математической интерпретацией критерия О является параметр К, называемый коэффициентом интенсивности напряжений (КИН), более удобный, чем О, для экспериментального определения и использования в расчетах на прочность:

Начавшийся лавинный процесс разрушения будет протекать до тех пор, пока трещина не разрушит деталь, т.к. по мере роста длины трещины для разрушения требуется все меньшее и меньшее напряжение.

Следовательно, разрушение происходит путем образования трещины и роста её до критической величины. Критическая трещина характеризуется при этом, что в её устье напряжение достигает значения теоретической прочности.

Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трещиной критического размера. Затем происходит хрупкое бездислокационное разрушение.

На рис.15 показано изменение энергии при росте трещины. При увеличении размеров трещины до 1% трещина растет за счет запаса упругой энергии без дополнительного увеличения напряжений. Такое нестабильное развитие трещины характерно для хрупкого разрушения.

Рис. 15. Изменение энергии (£) при росте длины трещины (/):

1- работа образования новой поверхности;

2 - освобождающая энергия;

3 — изменение энергии

Если трещина будет раскрываться и радиус в её вершине увеличиваться, то есть не только /, но и г будет расти, то для её движения будет требоваться всё большее напряжение (если отношение //г будет уменьшаться). В этом случае трещина так и не достигнет критического размера, хотя может распространиться на всё сечение. Такое разрушение считают вязким.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований рассмотрено четыре периода усталостного разрушения:

- зарождение повреждения;

- развитие повреждения в трещину;

- рост трещины до критических размеров;

- долом.

На практике, в основном, приходится иметь дело не с четырьмя периодами усталостного разрушения, а с двумя:

первый этап включает в себя первый, второй и начальный участок третьего периода и определяется минимальной величиной, обнаруживаемой трещины.

второй этап включает в себя часть третьего периода с момента обнаружения трещины в процессе её развития до допустимой величины.

Аналитическое описание диаграммы усталостного разрушения

В результате исследования применения механики разрушения для анализа-процесса усталости на стадии распространения макротрещины явилось весьма

эффективным методом количественного описания и обобщения экспериментально наблюдаемых закономерностей. Суть такого подхода заключается в том, что приложенная нагрузка, геометрия тела и размеры трещины, при определении скорости роста трещины, характеризуется одним параметром - коэффициентом интенсивности напряжений, который при известных ограничениях описывает поле напряжений и деформаций у вершины трещины.

Полная диаграмма усталостного разрушения в логарифмических координатах представляет собой 5-образную кривую, протяженность которой вдоль оси абсцисс ограничена двумя вертикальными асимптотами к = К, слева и к-Кс справа (рис.16).

ь И

-1 V и г К ? Кс т

^ Л/пйг

Рис. 16. Диаграмма усталостного разрушения

Таким образом, аналитическое описание диаграммы усталостного разрушения должно учитывать следующие её основные особенности:

1) скорость трещины равна нулю, если к равно или меньше порогового значения К,',

2) она практически неограниченно возрастает, когда к приближается к практическому значению

3) при средних значениях /£& изменение V выражается степенной функцией от к.

3. Торможения трещин в деталях машин

Многие элементы рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин допускают наличие или возникновение в них усталостных трещин, с которыми они могут продолжать нормально функционировать. Обеспечение требуемой в таких случаях трещиностойкости дета-

лей машин при переменных внешних воздействиях достигается тремя способами:

1. Подбором соответствующих материалов;

2. Специальными конструкторскими решениями;

3. Технологическими мероприятиями при изготовлении, эксплуатации и

ремонте деталей.

Выбор материалов

Использование при изготовлении и ремонте деталей машин высокопрочных материалов часто не приводит к ожидаемому повышению их долговечности. Такие материалы имеют низкую трещиностойкость, а появившиеся в них трещины быстро приводят к их полному разрушению. Пластичные материалы с относительно высокими прочностными характеристиками часто бывают более трещиностойкими; появившиеся в них трещины развиваются медленно.

Конструкционное торможение трещин

Для остановки появившихся трещин на практике применяют метод засвер-ливания их концов и создания тем самым остановочных отверстий (рис. 17).

■ ииииж

тттттттш

а)

Рис. 17. Пластина с засверленной по концам трещиной (а);

изменение коэффициента концентрации К? напряжений (б)

Эффективность этого метода оценивается коэффициентом концентрации напряжений, который зависит от отношения радиуса Я отверстия к длине / трещины. Эффективным средством повышения трещиностойкости может стать применение ребер жесткости, которое основано на следующем принципе их работы в нагружаемой конструкции деталей. Эти ребра устанавливаются на пути распространения трещины и закрепляются на основной конструкции с помощью болтов или сварки. На рис. 18 показана схема использования в качестве ребер жесткости пластин. При постановки пластин эти смещения ограничиваются. В результате в основной конструкции появляются сжимающие силы, пропорциональные жесткости установленных пластин.

Рис. 18. Схема установки

стопорных пластин

Технологические мероприятия

Повышение трещиностойкости металлов достигается технологическими мероприятиями, направленными на уменьшения размера кристаллических зерен путем изменения содержания примесей, которые являются центрами кристаллизации, а также путем регулирования температуры остывания. На рис. 19 схематично показана зависимость вязкости разрушения от размера зерен.

Рис. 19. Зависимость вязкости разрушения от размера зерна

Хрупкое разрушение конструкций деталей машин

Хрупкие разрушения элементов конструкций машин типа автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и мелиоративных машин менее впечатляюще, но экономический ущерб от таких разрушений во много раз превышает потери от разрушения единичных крупных сооружений. На рис. 20 и 21 приведены картины роста трещин в конструкциях тракторов, и некоторые наблюдаемые в эксперименте закономерности развития этих трещин со временем. На рис.20 схематически показаны тележка трактора Т-4 и места наиболее частого возникновения в ней трещин. На рис. 21 представлена наиболее типичная трещина - закономерность роста этой трещины по мере увеличения числа циклов нагружения при различных уровнях воздействий.

Рис. 20. Трещины в раме Рис. 21. Трещина в типичном

тележки трактора " Узле Ра м ы

Анализ способов ремонта рам

Исследования показывают, что все повреждения рамных конструкций мелиоративных и сельскохозяйственных машин можно разделить на два вида:

-усталостные разрушения;

- искажение формы элементов (остаточная пластическая деформация)

Усталостное разрушение и трещины составляют основную массу эксплуатационных повреждений рам.

Сварные рамы почвообрабатывающих машин с эксплуатационными повреждениями разделяют в процессе дефектации на три группы:

1. Нарушение геометрии.

2. Трещины в лонжеронах, поперечинах и в узлах их соединений.

3. Износ посадочных мест, отверстий, сопрягаемых поверхностей.

Нарушение геометрической формы, как элементов, так и всей рамы связано

с неправильной эксплуатацией или с недостаточной прочностью рамы. А дефекты третьей группы не могут быть причиной наступлений предельного состояния рамы.

При нормальной эксплуатации характерны несквозные усталостные трещины, так как не допускается полное нарушение несущих элементов, и ремонт производится своевременно.

По ремонту рамных конструкций мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин, выделяются следующие способы восстановления трещин:

а) Обычная заварка трещины.

б) Заварка трещин с постановкой накладок.

в) Замена поврежденного участка в зоне трещины.

г) Восстановление трещин с использованием прорезных соединений.

Схемы различных вариантов торможения трещин представлены на рис. 22.

По результатам исследований доказано:

При прогнозировании долговечности деталей машин фундаментальное значение имеет основной вывод исследований по изучение термофлуктуацион-ной природы механического разрушения твердых тел: главным действующим фактором разрушения является не внешняя сила, а тепловое движение атомов, порождающее энергетические флуктуации.

I Г I

< I

ш

1

1 Сборной

Г / ша

......."И

ЧЦ/папЮ

■мм К/

1

е | * |

| |

П

-г

• „ I

- I

Вщеспн

Рис. 22. Схема различных вариантов торможения трещин: а- торможение путем принудительного ветвления, вызванного боковым взрывом (В.М.Финкель); б- стабилизация трещин (Бэбоу Раслер), в-стабилизация трещины с выходом ее концов на направление напряжения сжатия (Брейс, Бом-болакис); г-торможеиие на вязком линейном включении (Коттрелл); д~ торможение на сварном шве; е~е\Ч - схема торможения при вскрытии плоскости спайности, нормальной трещине в анизотропном материале (Кук Гордон); ою- метод температурного градиента (Робертсон); з-метод переменной вязкости (Формби); метод сжимающих напряжений, созданных сварными швами

(Рольф, Холл и Ньюмарк)

Этот вывод коренным образом меняет, казавшиеся очевидным, представления о роли и значении факторов, влияющих на развитие разрушения, и позволяет осуществить единый подход к его качественному и количественному описанию при различных видах утраты деталями машин работоспособности.

Значительные резервы управления прогнозирования при долговечности деталей заключены в возможности модифицирования их поверхностных слоев с целью поверхностного упрочнения, т.к. разрушение большинства деталей почвообрабатывающих машин начинается с их поверхности.

Анализ структуры и свойств упрочненных поверхностных слоев материалов деталей машин способствует интенсивному внедрению в конструкторско-технологическую практику наиболее прогрессивных методов упрочнения, обеспечивающих повышенные износостойкость, коррозионную стойкость и необходимый запас трещиностойкости основного металла. Особое значение при этом имеет разработка количественных моделей, связывающих долговечность деталей с параметрами упрочнения, физико-механическими свойствами материала упрочняемой детали и режимами ее эксплуатации.

VI. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

Технологические процессы переданы в Управление механизации Департамента Политики по сельскому хозяйству и продовольствия при Администрации Волгоградской области и отдел механизации и технической политики Министерства сельского хозяйства и социального развития села Республики Калмыкия.

Результаты исследований приняты к внедрению на специализированных ремонтных предприятиях и ОПХ АПК Волгоградской области и Республики Калмыкия.

Общий сравнительный экономический эффект от выпуска упрочненными материалами рабочих органов плуга при программе: лемехов-8000 шт., отвалов - 2500 шт., грудей отвалов - 2500 шт., полевых досок - 4000 шт. составит 3361632 руб.

ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что долговечность рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин обусловлена многими конструкционными, технологическими и в особенности эксплуатационными факторами.

библиотека «

СПетербург |

О» 300 *«т

2. Впервые получена количественная модель

для железоуглеродистых сплавов, которая учитывает вязкость разрушения материалов деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин при изнашивании. Использование полученной модели в инженерных расчетах открывает принцидиально новые возможности для повышения точности расчетов на изнашивание и количественной оценки долговечности рабочих органов.

3. Теоретически обоснована и предложена методика математического моделирования, позволяющая определять показатели работы рабочих органов почвообрабатывающих машин в заданных условиях на стадии эксплуатации и ремонта, которые на прямую влияют на их долговечность.

4. Экспериментально доказано, что физико-механические свойства почвы (влажность, твердость, состав и т.д.) эффективно влияют на износ рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин и служат дополнительным подтверждением потери их долговечности при эксплуатации.

5. Теоретически доказано, что особенность разработанного вероятностного математического метода прогнозирования долговечности заключается в том, что определяемые показатели надежности не связываются непосредственно с физическими характеристиками деталей и с воздействующими на них факторами, а характеризуют суммарное их влияние (режимов работы, особенности конструкции, изнашивания, внешних воздействий и т.п.) на состояние рабочего органа.

6. Доказано, какие бы механизмы изнашивания, коррозии или усталостного разрушения не реализовались в процессе эксплуатации деталей, во всех случаях разрушение материала детали сопровождается возникновением «слабых» зон локализованных напряжений, где протекает кинетический термоактивационный процесс.

7. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов, где фундаментальное значение имеют исследования термо-флуктуационной природы механического разрушения твердых тел. Впервые доказано, что главным действующим фактором разрушения является не внешняя сила, а тепловое движение атомов, порождающее энергетические флуктуации. Этот вывод коренным образом меняет, казавшиеся очевидным, представления о роли и значении факторов, влияющих на развитие разрушения, и позволяет осуществить единый подход к его качественному и количественному описанию при различных видах утраты рабочими органами машин работоспособности.

8. В результате исследований проанализированы и доказаны, что в процессе эксплуатации и ремонта деталей рабочих органов, решая задачу прогнозирования долговечности, необходимо использовать силовые, энергетические и деформационные критерии вязкого, квазихрупкого разрушения с учетом темпера-

турно-временной зависимости прочности твердых тел. Основой расчетов, при этом, для небольших уровней предельных номинальных напряжений, составляющих (0,3...0,5) а, должна являться линейная механика разрушения, в которой используется коэффициенты интенсивности напряжений и их критические значения.

9. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность расчёта прогнозирования долговечности рабочих органов, где необходимо учитывать кинетику напряженно - деформированного состояния материала по числу циклов нагружения с использованием обобщенных диаграмм циклического деформирования.

10. Разработаны, экспериментально подтверждены и рекомендованы ремонтному производству, для повышения долговечности и обеспечения требуемой трещиностойкости деталей мелиоративных и сельскохозяйственных машин, методы по торможению трещин, увеличивающие ресурс в 1,5... 2 раза.

11. Разработаны и практически реализованы, в технологической практике эксплуатации и ремонта мелиоративных и сельскохозяйственных машин, прогрессивные методы поверхностного упрочнения поверхностных слоев рабочих органов, увеличивающие ресурс на ЗО...5О%.

12. Результаты исследований приняты к внедрению на специализированных ремонтных предприятиях и ОПХ АПК Волгоградской области и Республики Калмыкия. Общий сравнительный экономический эффект от выпуска упрочненными материалами рабочих органов плуга при программе: лемехов - 8000 шт., отвалов - 2500 шт., грудей отвалов - 2500 шт., полевых досок - 4000 шт. составит 3361632 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Статьи и материалы докладов конференций, симпозиумов и семинаров.

1. Орлов Б.Н. Основы классификации почв Юга России по их изнашивающей способности. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. Научно-теоретический журнал. Вып. 6. М., 2002г., 28...29 с.

2 Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Прогнозирование усталостной долговечности деталей почвообрабатывающих машин с учетом механики разрушений. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. Научно-теоретический журнал. Вып. 4. М,2003 г., 62...63 с.

3 Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Влияние твердости поверхностного слоя на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин. "Ремонт, восстановление, модернизация". Производственный научно-технический и учебно-методический журнал. №3. М., 2004 г., 21...22 с.

4. Орлов Б.Н. Особенности работоспособности деталей машин. "Ремонт, восстановление, модернизация". Производственный научно-технический и учебно-методический журнал. №4. М, 2004 г., 0,3 п.л.

5. Орлов Б.Н., Евграфов В.А. Оценка интенсивности изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих машин. «Механизация и электрификация сельского хозяйства». Теоретический и научно-практический журнал. № 2. М, 2004 г., 21...22 с.

6. Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Прогнозирование долговечности рабочих органов при эксплуатации почвообрабатывающих машин. Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина «Технический сервис в агропромышленном комплексе». Научный журнал. Вып.1. М., 2003г., 36...39 с.

7. Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Экономическое обоснование выбора технологического процесса поверхностного упрочнения деталей почвообрабатывающих машин. Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина «Экономика и организация производства в агропромышленном комплексе». Научный журнал. Вып.5.М.,2003г.,64...69с.

8. Орлов Б.Н. Физика объемного и поверхностного разрушения деталей сельскохозяйственных машин. Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина «Технический сервис в агропромышленном комплексе». Научный журнал. Вып.1. М, 2003г., 98... 101с.

9. Орлов Б.Н. Повышение эффективности деятельности ремонтных производств. Труды VI Республиканской научно-практической конференции, Элиста, 1990г. 0,2 п.л.

10. Дмитрюк Г.Н., Орлов Б.Н., Манджиева Т.В. Некоторые рекомендации по использованию характеристик рассеивания отказов при оценке ресурса деталей машин. Межвузовский сборник научных трудов КГУ, Элиста, 1996г., 0,4 п.л.

11. Орлов Б.Н. Экологические проблемы развития сельского хозяйства Республики Калмыкия. Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке». Вып.2. М., Норма, 2001г., 41...42 с.

12. Орлов Б.Н. Способы сохранения работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин. Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке». Вып.2. М., Норма, 2001г., 95...96 с.

13. Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Разрушение деталей почвообрабатывающих машин - процесс возникновения и развития зон локализованных разрушающих напряжений. Сборник научных трудов МГАУ, М., 2002г., 50...52 с.

14. Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Оценка предельных износов рабочих органов почвообрабатывающих машин, эксплуатируемых на почвах Юга России. Материалы Международной научно-практической конференции «Пробле-

мы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке». Вып.З. М, Норма, 2002г., 136... 138 с.

15. Евграфов В.А., Орлов Б.Н. Мероприятия по поддержанию в работоспособном состоянии рабочих органов почвообрабатывающих машин. Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении», МГУП, М., 2003г., 0,2 п.л.

16. Орлов Б.Н. Кинетика объемного разрушения деталей почвообрабатывающих машин. Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизни деятельности» Вып.4. М.", Норма, 2003г., 157... 158 с.

2. Книги, монографии, пособия, практикумы и методические разработки.

17. Орлов Б.Н. Влияние физического состояния восстановленного и упрочненного поверхностного слоя деталей машин на усталость и долговечность (монография). М.: Агроконсалт, 2002 г., 124 с.

18. Орлов Б.Н. Прогнозирование долговечности рабочих органов мелиоратив-

ных почвообрабатывающих машин, (монография) МГУП, М., 2003г., 198 с.

19. Орлов Б.Н. Развитие науки о машинах и технических устройств (научно-популярная книга). М.: Агроконсалт, 2002 г., 72 с.

20. Орлов Б.Н. Внедрение наиболее прогрессивных методов восстановления работоспособности деталей машин сельскохозяйственного производства (учебное пособие). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 2000г., 64 с.

21. Орлов Б.Н., Пюрбеева Л.Л. Методические указания по курсовому проектированию специальности 31.11 «Механизация мелиоративных работ» с применением ЭВМ (методическая разработка). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1992г., 2,2 п.л.

22. Орлов Б.Н., Очир-Горяев В.П., Каминов СБ., Горяева Л.Х. Методические указания к деловой игре «Правила и нормы эксплуатации мелиоративных и строительных машин» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1989г., 1,0 п.л.

23. Орлов Б.Н. Методические указания для экономического обоснования к курсовому и дипломному проектированию «Эксплуатация и ремонт мелиоративных и строительных машин» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1989г., 1,0 п.л.

24. Орлов Б.Н. Эксплуатация и ремонт мелиоративных и строительных машин. Методические указания по курсовому проектированию по специальности 31.13 «Механизация мелиоративных работ (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1990г., 1,5 п.л.

25. Орлов Б.Н. Методические указания к курсовому проектипрованию по дисциплине «Надежность и ремонт машин» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1993г., 2,3 п.л.

26. Орлов Б.Н., Пюрбеева Л.Х. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Эксплуатация машинно-тракторного парка» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1993г., 1,8 п.л.

27 Дмитрюк Г.Н., Орлов Б.Н., Уланкинова Г.Ю.. Методические указания к изучению спецкурса «Развитие науки о машинах» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1996г., 5,0 п.л.

28. Дмитрюк Г.Н., Орлов Б.Н., Уланкинова Г.Ю., Горяева Л.Х. Физические основы надежности сельскохозяйственной техники. Методические указания к изучению спецкурса «Современные методы расчетов на прочность деталей сельскохозяйственной техники». Дисциплина «Надежность и ремонт машин» (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1996г., 6,0 п.л.

29. Орлов Б.Н., Дмитрюк Г.Н. Надежность и ремонт машин. Эксплуатация машинно-тракторного парка. Приложение к методическим указаниям к курсовым и дипломным проектам (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 1998г., 3,0 п.л.

30. Орлов Б.Н. Технология ремонта машин (методические указания). Калмыцкий гос. университет, Элиста, 2000г., 1,5 п.л.

Оригинал - маркет подписан к печати Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.

Объем 2,0 усл. п.л. Заказ № Тираж 100 экз.

Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии

ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства (МГУП). Адрес университета: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19.

р - f. г* Г)

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение отказов рабочих органов почвообрабатывающих машин.

1.1.1. Отказ и виды изнашивания рабочих органов при эксплуатации.

1.1.2. Анализ дефектов возникающих при абразивном изнашивании рабочих органов.

1.2. Обоснование показателей оценки физико-механических свойств почвы.

1.2.1. Оценка физических свойств почвы.

1.2.2. Обоснование показателей оценки механических свойств почвы.

1.3. Анализ вопросов прогнозирования долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин и выбор подхода к их решению.

1.3.1. Характеристика рабочих органов плуга.

1.3.2. Изнашивающая способность почвы.

1.3.3. Характер изнашивания рабочих органов плуга.

1.3.4. Анализ существующих методов повышения износостойкости рабочих органов плуга.

1.3.5. Методы восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА II ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН.

2.1. Анализ взаимодействия абразивных частиц с поверхностью деталей рабочих органов.

2.2. Исследования износостойкости материалов от свойств абразивной массы.

2.3. Исследования абразивной износостойкости материалов в полевых условиях.

2.3.1. Эксплуатационные исследования материалов рабочих органов плуга.

2.4. Теоретические исследования долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин.

2.5. Исследование количественной оценки долговечности деталей рабочих органов.

2.5.1. Расчет параметров и долговечности упрочненных рабочих органов.

ГЛАВА III ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

МЕЛИОРАТИВНЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

МАШИН.

3.1. Количественная оценка интегральной интенсивности изнашивания деталей машин с учетом вязкости разрушения.

3.2. Основные положения линейной механики разрушений.

3.3. Развитие трещин из зон концентрации напряжений.

3.4. Эффект запаздывания раскрытия трещин.

3.5. Развитие трещин в условиях коррозии.

3.6. Уточнение зависимости для скорости роста трещин.

3.7. Влияние перегрузок на скорость роста усталостных трещин.

3.8. Простейшие случаи расчета коэффициентов интенсивности напряжений.

3.9. Учет порогового значения коэффициентов интенсивности напряжений.

ГЛАВА IV МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН.

4.1. Обоснование оценки прочности и долговечности деталей.

4.2. Экспериментально-теоретические зависимости прогнозирования долговечности.

Выводы.

ГЛАВА V ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ

МАШИН.

5.1. Основы теории усталости.

5.1.1. Общие сведения о статистических и усталостных характеристиках металлов.

5.1.2. Основные опытные зависимости между статистическими и усталостными характеристиками.

5.1.3. Связь между параметрами кривых усталости К = tga и т = ctgP. Построение кривых усталости по гипотезе энергетического подобия усталостного разрушения.

5.1.4. Полная кривая усталостной прочности и диаграмма циклического разрушения металлов.

5.1.5. Прогнозирование усталостной долговечности деталей с учетом механики разрушений.

5.2. Основы теории трещин.

5.2.1. Основы кинетического подхода к теории разрушения.

5.2.2. Основы количественной оценки долговечности деталей машин с учетом трещин.

5.3. Аналитическое описание диаграммы усталостного разрушения материалов.

5.4. Торможение трещин в деталях машин.

5.4.1. Выбор материалов.

5.4.2. Конструкционное торможение трещин.

5.4.3. Технологические мероприятия.

5.4.4. Хрупкое разрушение конструкций деталей машин.

5.4.5. Торможение и остановка быстрых трещин.

5.4.6. О динамическом методе торможения трещин.

5.4.7. Торможение быстрых трещин двойниковыми прослойками.

5.4.8. Анализ способов ремонта рам.

5.5. Совместное влияние различных факторов на долговечность деталей.

5.6. Особенности объемного и поверхностного разрушения деталей.

Выводы.

ГЛАВА VI ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРОЦЕССОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН.

6.1. Экономическое обоснование выбора технологического процесса поверхностного упрочнения деталей.

6.2. Расчет экономического эффекта от внедрения технологического процесса упрочнения рабочих органов плуга.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

За последний десятилетия появились новые технологии обработки почв (безотвальная, минимальная, безгербицидная и др.). Однако отвальная вспашка по-прежнему остается одной из важных технологических операций земледелия, так как обеспечивает качественную подготовку почвы под посев с.-х. культур и при мелиорации земель на самых разнообразных фонах и типах почв [1].

О значимости и важности отвально-лемешных плугов свидетельствует тот факт, что их производством занято более 100 фирм в США, Канаде, Австралии, Западной Европе [1]. Важнейшее направление совершенствования технического уровня и качества плугов-повышение долговечности и ресурса их рабочих органов, которые в значительной степени определяет такие показатели, как наработку на отказ, тяговые характеристики пахотного агрегата, экономию трудовых и энергетических ресурсов и др. За рубежом придают огромное значение качеству изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин. Созданы специализированные производства, множество фирм, в том числе и крупных, которые занимаются выпуском только рабочих органов. В качестве примера привести фирмы La Pina (Испания), Forbes de Niawx (Франция), Land (США), Великобритания) [2]. Помимо этого, многие фирмы выпускают рабочие органы, различающиеся по стоимости и ресурсу и предназначенные для эксплуатации в разных почвенных условиях. Например, испанская фирма La Pina выпускает 5 типов лемехов [3], фирма Bellota (Испания) - 14 типов лемехов [4]. Машиностроительные фирмы Германии выпускают около 30 типов лемехов для удовлетворения спроса фермеров, эксплуатирующих плуги в различных почвенных условиях [5].

В стране сложилась сложная ситуация по обеспечению сельхозпроизводителей важнейшими запасными частями почвообрабатывающих машин: корпусами плугов, полевыми досками, отвалами, лемехами и многими другими деталями. Их конструктивные параметры были разработаны 30.40 лет назад. И в прошлые годы данные изделия, выпускавшиеся на специализированных заводах, не удовлетворяли предъявляемым требованиям по качеству и ресурсу, а сейчас их технический уровень еще более снизился. Кроме того, рабочие органы стали изготовлять предприятия, ранее никогда этим не занимавшиеся (например, оборонной промышленности, ремонтные, сервисные и кооперативные).

В результате сельхозпроизводители получают некачественные детали, которые приходится заменять по 3.7 раз в год [2]. Затраты только на замену рабочих органов при вспашке каждых 100 га составляют 2500.3000 руб.

Эксплуатация плугов с такими рабочими органами приводит к таким негативным явлениям, как потери энергии от увеличения тягового сопротивления, снижению заглубления, ухудшению крошения почвы и других агротехнических показателей, а в конечном итоге - снижению урожайности.

На сегодняшний день на долю России приходится около 100 млн. га пахотных земель. Потребность в рабочих органах составляет: в лемехах - 7 млн. шт. в год, в полевых досках - 3 млн. шт. в год, в отвалах - 2,4 млн. шт. в год, а на них производство ежегодно затрачивается около 714 млн. руб., 210 млн. руб. и 1008 млн. руб. соответственно.

В последние годы наблюдаются критические ситуации по обеспечению техникой предприятий агропромышленного комплекса. По данным ГОСНИТИ в период с 1990 по 2000 г.г. общее число тракторов снизилось с 1360 до 870 тыс. шт. при минимально допустимом уровне 1250 тыс. шт. Около 60% тракторов находятся в эксплуатации свыше 10 лет, коэффициент обновления составляет 0,7.0,8 [1]. Такая же картина складывается и в отношении зерноуборочных комбайнов, кормоуборочных машин и другой сложной сельскохозяйственной техники. Этот факт объясняется низкой платежеспособностью сельских товаропроизводителей. Практикующиеся в настоящее время поставки новой техники по лизинговому фонду пока себя не оправдали, т.к. они обеспечивают только до 2,5% новых единиц в составе машинно-тракторного парка хозяйств. В результате такого положения происходит увеличение нагрузки на технику, находящуюся в эксплуатации, что в свою очередь увеличивает затраты на ремонт, требует дополнительного количества запасных частей и расширения их номенклатуры.

Важным резервом при решении этих задач является восстановление деталей машин. По информации ВНИИТУВИДа «Ремдеталь» объемы восстановления деталей к 2005 году должны вырасти до 1055 млн. рублей. Удельный вес восстановленных деталей от поставки новых должен составлять не менее 30%, в настоящее время он не превышает 7%. Это позволит произвести экономию металла в количестве 2 млн. 125 тыс. тонн. Себестоимость восстановления не должна превышать 25.45% от стоимости новых деталей. Ресурс восстановления деталей не менее 85.95%, а для деталей, восстановленных с использованием упрочняющих технологий, составит 120. 150% [7].

Необходимо отметить, что производственная мощность специализированных ремонтных предприятий используется лишь на 10. 15% и им приходится заниматься не свойственной их профилю деятельностью: сдача помещений в аренду для складских помещений и стоянок транспорта, деревообработкой и т.д. Создавшаяся ситуация объясняется, в первую очередь, низким качеством выполняемого ремонта и его высокой стоимостью. Исправить положение дел здесь можно только за счет применения прогрессивных технологий и современных ремонтных материалов.

Большой вклад в развитие технологии восстановления и повышения долговечности деталей внесли: Авдеев М.В., Аскинази Б.М., Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бугаев В.Н., Бурумкулов Ф.Х., Власов П.А., Воловик E.JL, Ерохин М.Н., Каракозов Э.С., Косов В.П., Кряжков В.М., Молодык Н.В., Некрасов С.С., Петров Г.К., Потапов Г.К., Поляченко А.В., Пучин Е.А., Рудик В.Я., Северный А.Э., Тельнов Н.Ф., Цыпцын В.И., Ульман И.Е., Черепанов С.С., Черноиванов В.И., Челпан Л.К., Чижикова Т.В. и другие ученые.

В результате работы над литературными источниками и из опыта ремонтных предприятий видно, что в последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют повысить относительную износостойкость деталей и соединений в несколько раз.

Анализ отказов мелиоративной и сельскохозяйственной техники при испытаниях показал, что около половины их происходит по производственным причинам. Эта доля в общем количестве отказов практически сохраняется на одном уровне в течение последних 15 лет.

Поэтому одной из основных задач, стоящих перед сельскохозяйственным машиностроением, является коренное повышение технического уровня сельскохозяйственных машин до показателей, соответствующих передовым научно-техническим достижением.

Выбор материалов, определение формы и размеров деталей мелиоративных и сельскохозяйственных машин и оборудования должны основываться на знании предельных состояний и критериев прочности для заданного характера нагрузок, температур, влиянии окружающей среды и других факторов. Наибольшее значение имеет правильная оценка предельных состояний по критериям вязкого, хрупкого, малоциклового и многоциклового усталостных разрушений на стадиях образования и развития трещин.

Для элементов машин и конструкций в мелиоративной и сельскохозяйственной техники экстремальных условиях нагружения (в занах концентраций, в местах действия высоких температур и остаточных напряжений, в местах действия высоких температур и остаточных напряжений, в окрестности трещин) традиционно применяемых в инженерной практике расчеты прочности, основанные на определении номинальных и местных напряжений (методы сопротивления материалов), оказываются недостаточными и в целом ряде случаев неправомерными. Поэтому запасы прочности, долговечности в рамках проверочных расчетов необходимо устанавливать на базе деформационных критериев разрушения, т.е. по предельным нагрузкам, местным упругопластическим деформациям, коэффициентам интенсивности напряжений и деформаций по размерам дефектов типа трещин.

Актуальность проблемы.

В современном сельскохозяйственном и мелиоративном машиностроении большое значение имеют методы оценки долговечности элементов машин и конструкций, т.е. наработка на стадии развития трещины от момента ее зарождения до окончательного разрушения деталей рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин. Оценка долговечности необходима для: оптимизации выбора материала, обладающего наибольшей циклической трещиностойкостью при заданных условиях эксплуатации; оптимизации конструктивных форм и технологических процессов ремонта деталей с целью установления длительности периодов эксплуатации между осмотрами, отказами, ремонтом деталей и узлов рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с Координационным планом НИР Госагропрома Калмыцкой АССР 1987.1990 г.г.

Тематика исследований по указанной проблеме осуществлялась в соответствии с комплексно-целевыми программами и темами научно-исследовательской работы КГУ и ФГОУ ВПО МГУП.

Объект исследования:

-детали рабочих органов плугов эксплуатируемых в различных почвенных условиях.

Научная новизна:

-теоретически обоснована и разработана математическая модель, связывающая линейную интегральную интенсивность изнашивания материалов с параметрами, характеризующими вязкость разрушения;

-обоснованы и применены теоретические положения линейной механики разрушения при развитии трещин из зон концентрации напряжений;

-доказаны физические основы влияния перегрузок на скорость роста усталостных трещин и установлены значения коэффициентов интенсивности напряжений;

-разработана гипотеза прогнозирования долговечности рабочих органов, где показатели надежности не связаны непосредственно с физическими характеристиками;

-установлена сущность проблемы прогнозирования долговечности рабочих органов при заданных условиях эксплуатации с учетом закономерности процесса кинетики старения;

-разработаны научные и технологические основы теории усталости и теории трещин при прогнозировании долговечности.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

-использованием апробированных методов математического моделирования и численных методов теорий упругости;

-привлечением результатов натурных исследований и полнотой экспериментальных исследований;

-применением стандартных испытаний и измерительных приборов, аппарата математической статистики;

-хорошей согласуемостью результатов полученных экспериментальных исследований и теоретических расчетов.

Апробация работы:

-результаты проведенных исследований опубликованы за последние 15 лет в 50 научных трудах.

Материалы исследования по теме диссертаций докладывались:

-на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГУП, ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, Калмыцского государственного университета и Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии;

-на научно-практических конференциях, семинарах и совещаниях ученых и специалистов Юга России в ЮЖНИИгипрозем и КГУ г. Элиста РК, ГСХА г. Волгоград, ГАУ г. Ставрополь и НГУ ВИИТиН г. Тамбов;

-Международных научно-практических конференциях «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке», 2001 - 2003 г.г. М.;

-на ежегодных семинарах главных специалистов и ученых Министерства сельского хозяйства и социального развития села РК.

Цель работы.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих машин.

Задачи исследований:

1. изучить статистические и вероятностные закономерности появления отказов однотипных деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин;

2. определить показатели надежности не связанные непосредственно с физическими характеристиками рабочих органов и с воздействующими на них факторами;

3. изучить физические закономерности изменения свойств и параметров рабочих органов в зависимости от материала детали, конструктивных особенностей, условий эксплуатации, упрочнения и т.д.;

4. разработать и математически описать задачи прогнозирования долговечности рабочих органов с использованием силовых, энергетических и деформационных критериев вязкого, квазихрупкого и хрупкого разрушений;

5. реализовать результаты исследований в производстве и оценить их экономическую эффективность.

Практическая ценность работы.

Разработаны на основе кинетики разрушения принципиально новые методики прогнозирования долговечности рабочих органов, которые значительно повышают точность расчетов количественной оценки эксплутационных показателей деталей.

Применена гипотеза термофлуктуационной природы механики разрушения твердых тел для разработки методов торможения трещин.

Предложены, на основании теоретических и экспериментальных исследований, новые технологические процессы восстановления и упрочнения деталей и узлов почвообрабатывающих машин покрытиями с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Реализация результатов исследования.

Результаты исследований реализованы в изданных практических рекомендациях и методических указаниях. Предложенные технологические процессы восстановления и упрочнения деталей внедрены в ряде ремонтных предприятий агропромышленного комплекса Юга России.

Результаты исследований применены в учебном процессе ВУЗов при разработке спецкурсов: «Правила и нормы эксплуатации мелиоративных и строительных машин», «Развитие науки о машинах и технических устройств», «Физические основы надежности сельскохозяйственных и мелиоративных машин» и «Современные методы расчетов на прочность деталей сельскохозяйственных машин».

Результаты исследования отражены в двух монографиях, научно-популярной книге, двух учебных пособиях, учебном практикуме, методических разработках, рекомендациях, брошюрах, научных статьях и работах.

На защиту выносятся:

- результаты теоретического обоснования и анализ механических и физико-химических процессов, определяющих возникновение отказов рабочих органов почвообрабатывающих машин при абразивном изнашивании;

- результаты экспериментальных исследований по прогнозированию долговечности рабочих органов плуга в зависимости от износостойкости материалов и свойств абразивной массы;

- результаты теоретических исследований физических основ количественной оценки интегральной интенсивности изнашивания деталей машин с учетом вязкости разрушения;

- методики экспериментально-теоретических исследований прогнозирования долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин при эксплуатации и ремонте;

- научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов, как результат теоретического обоснования основ теории усталости и теории трещин;

- результаты: производственно-эксплуатационных исследований; внедрение рекомендаций по применению предлагаемых разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что долговечность рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин обусловлена многими конструкционными, технологическими и в особенности эксплуатационными факторами. железоуглеродистых сплавов, которая учитывает вязкость разрушения материалов деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин при изнашивании. Использование полученной модели в инженерных расчетах открывает принципиально новые возможности для повышения точности расчетов на изнашивание и количественной оценки долговечности рабочих органов.

3. Теоретически обоснована и предложена методика математического моделирования, позволяющая определять показатели работы рабочих органов почвообрабатывающих машин в заданных условиях на стадии эксплуатации и ремонта, которые на прямую влияют на их долговечность.

4. Экспериментально доказано, что физико-механические свойства почвы (влажность, твердость, состав и т.д.) эффективно влияют на износ рабочих органов мелиоративных и сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин и служат дополнительным подтверждением потери их долговечности при эксплуатации.

5. Теоретически доказано, что особенность разработанного вероятностного математического метода прогнозирования долговечности заключается в том, что определяемые показатели надежности не связываются непосредственно с физическими характеристиками деталей и с воздействующими на них факторами, а характеризуют суммарное их влияние

2. Впервые получена количественная модель режимов работы, особенности конструкции, изнашивания, внешних воздействий и т.п.) на состояние рабочего органа.

6. Доказано, какие бы механизмы изнашивания, коррозии или усталостного разрушения не реализовались в процессе эксплуатации деталей, во всех случаях разрушение материала детали сопровождается возникновением «слабых» зон локализованных напряжений, где протекает кинетический термоактивационный процесс.

7. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные и технологические основы прогнозирования долговечности рабочих органов, где фундаментальное значение имеют исследования термофлуктуационной природы механического разрушения твердых тел. Впервые доказано, что главным действующим фактором разрушения является не внешняя сила, а тепловое движение атомов, порождающее энергетические флуктуации. Этот вывод коренным образом меняет, казавшиеся очевидным, представления о роли и значении факторов, влияющих на развитие разрушения, и позволяет осуществить единый подход к его качественному и количественному описанию при различных видах утраты рабочими органами машин работоспособности.

8. В результате исследований проанализированы и доказаны, что в процессе эксплуатации и ремонта деталей рабочих органов, решая задачу прогнозирования долговечности, необходимо использовать силовые, энергетические и деформационные критерии вязкого, квазихрупкого разрушения с учетом температурно-временной зависимости прочности твердых тел. Основой расчетов, при этом, для небольших уровней предельных номинальных напряжений, составляющих (0,3.0,5) сгу» должна являться линейная механика разрушения, в которой используется коэффициенты интенсивности напряжений и их критические значения.

9. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность расчёта прогнозирования долговечности рабочих органов, где необходимо учитывать кинетику напряженно - деформированного состояния материала по числу циклов нагружения с использованием обобщенных диаграмм циклического деформирования.

10. Разработаны, экспериментально подтверждены и рекомендованы ремонтному производству, для повышения долговечности и обеспечения требуемой трещиностойкости деталей мелиоративных и сельскохозяйственных машин, методы по торможению трещин, увеличивающие ресурс в 1,5.2 раза.

11. Разработаны и практически реализованы, в технологической практике эксплуатации и ремонта мелиоративных и сельскохозяйственных машин прогрессивные методы поверхностного упрочнения поверхностных слоев рабочих органов, увеличивающие ресурс на 30.50%.

12. Результаты исследований приняты к внедрению на специализированных ремонтных предприятиях и ОПХ АПК Волгоградской области и Республики Калмыкия. Общий сравнительный экономический эффект от выпуска упрочненными материалами рабочих органов плуга при программе: лемехов - 8000 шт., отвалов - 2500 шт., грудей отвалов - 2500 шт., полевых досок - 4000 шт. составит 3361632 руб.

327

1. Панов И.М., Черепахин А.Н. Технический уровень почвообрабатывающих машин // Тракторы и сельскохозяйственные машины - 2000 - №8 - с. 6-8.

2. Сидоров С.А. Технический уровень и ресурс рабочих органов сельхозмашин // Тракторы и сельскохозяйственные машины — 1998 — 33 с 29.

3. Каталог фирмы «La Pina» 1990.

4. Каталог фирмы «Bellota» 1990.

5. Бернштейн Д.Б., Лискин И.В. Лемехи плугов. Анализ конструкций, условие изнашивание и применяемых материалов: // Сельскохозяйственные машины и орудия. Серия 2. Вып. 3 1992. с 35.

6. Северный А.Э. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2000, № 2, с. 2-3.

7. Лялякин В.П. Тезис докладов Международной конференции « Инженерно-техническое обеспечение АПК и МТС в условиях реформирования», г. Орел: 2000. с.137-142.

8. Старосельский А.А., Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей машин. -М.: Машиностроение, 1967.- 396с.

9. Крагельский И.А. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968, 480с.

10. Манасевич А.Д. Физические основы напряженного состояния и прочности металлов. М.: Машгиз, 1962.- 137с.

11. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойство железоуглеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1982.- 230с.

12. Сарак В.И. Водородная хрупкость и структурное состояние стали. -Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, №5, с. 11-17.

13. Долговечность трущихся деталей машин. /Под. Ред. Гаркунова. М.: Машиностроение, 1987.-304с.

14. Лазарев Г.Е. Износостойкость материалов при трении в коррозионно-активных средах. Химическое и нефтехимическое машиностроение, 1974, №7, с 37-39.

15. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг коррозия. Л.: Машиностроение, 1976,- 271с.16.