автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Совершенствование лап тяжелых культиваторов с использованием низкоуглеродистых не легированных сталей

РГБ ПД " 5 СЕЛ Ш.

На правах рукописи

РОМАНОВ Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАП ТЯЖЕЛЫХ КУЛЬТИВАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НЕ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальности: 05,20.04 - сельскохозяйственные и ме-^ лиорагивные машины,"

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2000

Работа выполнена в Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова на кафедре "Технология металлов и материаловедение" и в отраслевой научно-исследовательской лаборатории специальных чугунов НПЦ:

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, с.н.с.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.Г. РЫБАЛКО

кандидат технических наук В.В. САЯЛИН

.Ведущее предйриятие: НИИСХ Юго-Востока, г. Саратов.

Защита диссертации состоится " / " ило//^ 2000 г. в " 12. " часов на заседании диссертационного совета К-120.72.05 Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова по адресу 410600, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

A.А. АНИКИН

B.М. БОЙКОВ

'Ученый секретарь диссертационного совета

д. т.н., профессор Н.П.ВОЛОСЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время вследствие высоких цен на ГСМ и ограниченных их поставок сельхозпроизводителям все большее внимание уделяется мелкой основной обработке почвы, которая проводится, как правило, с применением тяжелых культиваторов типа КПЭ - 3,8 или их рабочих органов.

Главным элементом рабочего органа культиватора, лимитирующим его работоспособность, являются лапы, которые изготавливаются,в основному высокоуглеродистых легированных марок сталей 65Г, 55Л и др.

При работе тяжелых культиваторов, производящих основную обработку почвы, лапы имеют недостаточную прочность, а не наплавленные сормайтом лезвия лап быстро становятся тупыми в результате их интенсивного износа. Все это приводит к увеличению расхода топлива, снижению производительности и качества обработки почвы пахотным агрегатом.

Высокие цены на дефицитные высококачественные легированные стали, а также ряд конструктивных недостатков известных лап способствует тому, что необходимо производить поиск новой конструкции лапы культиватора, выполняемой из сталей более низкого качества. Но при этом новые лапы не должны снижать работоспособность и качественные показатели выполняемых работ в сравнении с уже известными лапами.

Поэтому становится актуальным вопрос разработки конструкции лапы тяжелых культиваторов, изготавливаемых из низкоуглеродистых не дефицитных и не дорогих сталей.

Цель работы: Разработка новой конструкции лап тяжелых культиваторов типа КПЭ - 3,8 с использованием в качестве материала низкоуглеродистых не легированных сталей, обеспчивающих устойчивое выполнение технологического процесса культивации в соответствии с агротехническими требованиями, с целью повышения технологических возможностей их изготовления при снижении себестоимости.

Объ«ст исследования: Процесс взаимодействия лап рабочего органа культиватора с почвой и конструкция лап культиватора.

Научная новизна: Получено аналитическое выражение, описывающее прочность лапы, в которую входят физико-механические параметры материала, из которого она изготовлена, и геометрические параметры лапы. Обоснована форма и основные параметры новых лап тяжелого культиватора. Экспериментально установлены показатели тягового сопротивления, износа и эксплуатационно-технологических данных новых лап в зависимости от основных их параметров.

Практическая ценность: Предложенные аналитические выражения позволяют провести оценку прочности лапы культиватора, обосновать их конструкцию и провести энергетическую оценку лап. На основе результатов исследований разработаны и изготовлены два типа новых лап рабочих органов тяжелых культиваторов типа КПЭ - 3,8.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались в 1996 - 2000 г. г. на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников СГАУ, на научно-практической конференции "Развитие адаптивных почвозащитных систем земледелия в Поволжье" (г. Саратов, НИИСХ Юго-Востока, 1998 г.).

Внедрение. Результаты исследований, начиная с 1998 г., использованы ОАО "Саратовский' крановый завод" для изготовления новых лап тяжелых культиваторов. За период с 1998 по 1999 г. на этом предприятии было изготовлено и реализовано 2140 шт. новых лап в хозяйства Саратовской и Самарской областей. Так, к примеру, в 1999 г. в ОАО "Хорошенькое" Красноярского района Самарской области было обработано 950 га пашни, а в СХА "Алексеевская" Базарно-Карабудакского района Саратовской области - 674 га.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в четырех печатных работах, в том числе в брошюре объемом 2 п.л.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Список использованной литературы содержит 71 наименование. Общий объем -105 страниц, в том числе - 26 иллюстраций, 16 таблиц, 8 приложений.

На защиту выносятся следующие положения: оценка прочности лапы тяжелого культиватора, обоснование формы, основных параметров и износостойкости новых лап тяжелых культиваторов, результаты экспериментальных исследований и испытаний новых лап и их эксплуатационно-технологическая и технико-экономическая оценка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены основные научные и практические результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе: "Состояние вопроса. Цель и задачи исследований" приведены результаты исследований культиваторов, рассмотрены конструкции лап и их эксплуатационно-технологические показатели работы. Проведен анализ материалов и технологий изготовления лап культиваторов.

Анализ рассмотренных результатов исследований показал, что есть возможности создания новых лап тяжелых культиваторов из более дешевых материалов, которые по своим эксплуатационно-технологическим показателям не уступают известным лапам.

На основании обзора и анализа литературных источников и в соответствии с целью работы были определены следующие задачи:

1. Провести анализ прочности известных лап тяжелых культиваторов и дать теоретическое обоснование прочностных свойств новых лап.

2. Обосновать геометрическую форму и определить основные параметры новой лапы тяжелого культиватора типа КПЭ - 3,8.

3. Экспериментально проверить и сравнить энергетические и качественные показатели новой и серийно выпускаемой лап тяжелых культиваторов.

4. Провести испытания новых лап культиваторов в условиях эксплуатации и дать экономическую оценку их использования.

Во втором разделе: "Теоретические основы разработки новых лап тяжелых культиваторов" дан анализ прочности серийной лапы, рассмотрены основы создания новых лап тяжелых культиваторов из низкоуглеродистых сталей марок 20; 30 и способы их повышения износостойкости.

\

Используя схему (рис. 1), было получено выражение для определения прочности лапы, которое имеет следующий вид:

[ст) = (b'PsinjBl ctgy)/(2rSkw), (!)

где [а ] - предельные напряжения, возникающие в опасном сечении лапы, Па; Ь' - ширина лапы в опасном сечении, м; Р = Р ■ - результирующая сила сопротивления перемещению лапы рабочего органа, приложенная к носку лапы и изменяющая направление действия в вертикальной продольной плоскости вследствие случайного изменения физико-механических свойств почвы или при встрече с инородными препятствиями, Н; р j - угол меаду направлением действия силы Р и продольной силы Q, град; у - половина угла раствора лапы, град;

г - радиус кривизны рабочей поверхности лапы в вертикальном сечении, м; 5 - толщина материала лапы в опасном сечении, м;

kw = {xa /180 + sin а - 8 s¡n2((a/2)(180/n:a))l(2 - 4(а12)(1801т)) - коэффициент кривизны лапы; где а - центральный угол, град;

Очевидно, что лапа будет сохранять прочность, если выполняется условие:

М < <Тпр (2)

где апр - предельные напряжения разрушения материала лапы.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что прочность лапы, кроме материала, также зависит от ее формы, т.е. от геометрических параметров. Следовательно, за счет увеличения ширины и толщины лапы в опасном сечении и уменьшения радиуса кривизны рабочей поверхности можно получить требуемую прочность лапы, при этом для изготовления лапы можно применить материал с более низкими физико-механическими свойствами.

На основании проведенных теоретических исследований и используя полученные результаты анализа прочности лапы, было установлено, что

коническая форма деформатора, который взаимодействует с почвой в горизонтальном направлении, способствует снижению усилий, необходимых на его перемещение в почве за счет создания напряжений растяжений стг в почве в поперечном направлении движения рабочего органа (рис. 2).

Рис. 2. Схема взаимодействия конического деформатора с пахотным слоем: 1 - пахотный слой; 2 - деформатор.

Это положение было принято за основу для обоснования, разработки формы и конструкции новой лапы рабочего органа тяжелого культиватора в двух вариантах, первый из которых имеет следующий вид (рис. 3):

Рис. 3. Схема новой лапы тяжелого культиватора: 1 - хвостовик; 2 - лапа; 3 - лезвие

Новая лапа (см. рис. 3) состоит из двух частей: хвостовика и лапы, сваренных между собой. На лапе профрезерованы лезвия.

На основании проведенных теоретических исследований были получены следующие оптимальные параметры новой лапы культиватора: угол раствора лапы 2 у = 80°, угол постановки хвостовика е = 53°, угол крошения а = 15°, ширина захвата лапы 420 мм. Высота подъема почвенного пласта для обеспечения качественного крошения, как показали исследования, должна составлять 40...80 мм по оси симметрии лапы, при этом с уменьшением высоты подъема почвенного пласта тяговое сопротивление лапы будет снижаться.

Используя принятые параметры и выражения (1), расчет прочности лапы показал, что для надежной работы лапы толщина материала лапы должна составлять 8... 10 мм, при этом лапу и хвостовик можно изготавливать из сталей марки 20 или 30.

Для анализа тягового сопротивления серийной и новой лапы, на основании рациональной формулы академика В.П. Горячкина, для тягового сопротивления плуга были получены следующие выражения.

Тяговое сопротивление серийной лапы:

= Gf + a^Jbh-,/sin у + (ст,, ас / 2 у)х х [cos if/siny + tg<psin((p±ß) х (cos2у + сем ß sin2 у)]x (3) x[21 -ac (ctg \f/¡/sin y) - ctg у/ ctg у] +- é ab V2 , где G- сила тяжести лапы, Н;

/с- коэффициент трения материала лапы по почве; су см - предельное напряжение смятия почвы, Па; b - ширина захвата лапы, м; hji- толщина лезвия лапы, м;

ор - предельное напряжение разрушения почвы, Па; Vi .угол сдвига почвы в поперечно-вертикальной плоскости, град; ас - глубина обработки почвы, м;

vj . угол сдвига почвы в продольно-вертикальной плоскости, град; Ф - угол трения материала лапы по почве, град; ß - угол постанова крыла лапы к дну борозды, град; £с - коэффициент, учитывающий сопротивление, возникающее при

подъеме и отбрасывании разрушенного пласта почвы, Н е2 / м4; V - скорость движения лапы, м/с. Тяговое сопротивление новой лапы:

PH = GfH + oJ>h], /smy + alb^b2 + l6kl2/3/4siny + s"acbV2, (4) где/1 - коэффициент трения материала по почве;

cTt - напряжения разрушения почвы, возникающие при взаимодействии

конической поверхности новой лапы с почвой, Па; hi - высота подъема почвенного пласта по оси симметрии лапы, м: £н - коэффициент, учитывающий сопротивление, возникающее при подъеме и отбрасывании разрушенного пласта почвы, Не2 / м4.

Анализ выражений (3) и (4) показывает, что эти выражения отличаются только третьим членом, который определяет усилие, необходимое на

крошение почвы. Как показали теоретические исследования, величина этих членов будет незначительной, а основное сопротивление оказывает лезвие лапы (второй член формулы).

Расчеты тягового сопротивления новой и серийной лап, если допустить, что/с=/" и ес = ен, показали, что тяговое сопротивление лап ориентировочно будет иметь одинаковую величину. Очевидно, что точные результаты по качеству крошения почвы новой лапой в зависимости от высоты подъема почвенного пласта или радиуса кривизны рабочей поверхности лапы, а также сравнительные оценки тягового сопротивления новой и серийной лапы можно получить только при их экспериментальном исследовании.

Теоретическими исследованиями было установлено, что износ лапы в общем виде:

И =/(Ь; 5; Т; р; О), (5)

где Ь, §, / - геометрические размеры лапы: ширина захвата лапы, толщина материала лапы, длина лапы, м; Т - твердость материала лапы, НВ; р - удельное давление, действующее на лапу, Па; Б - размер абразивных частиц почвы, м;

или

Ил = V, рм п / Бк (6)

где Ул - объем материала лапы, на который она уменьшается в процессе износа, м3;

Рм - плотность материала лапы, кг/м3; п - число лап культиватора;

Бк - пройденный путь культиватора, м.

при этом, как было установлено, наибольшему износу лап будут подвержены лезвия лапы, а максимальный износ лапы наблюдается в носовой ее части вследствие наибольших давлений, возникающих при взаимодействии лап с почвой.

На основании выражения (5) можно заключить, что для повышения износостойкости лапы необходимо повысить твердость материала лапы по лезвию, а особенно носовой части лапы (2 вариант, см. рис. 3).

Также теоретическими исследованиями было установлено, что наиболее эффективным способом упрочнения лезвия лапы является наплавка лезвия лапы твердосплавным материалом типа "сормайт", толщина слоя которого составляет 0,2...0,5 мм, при этом будет реализовываться эффект самозатачивания лезвий лапы. Для повышения износостойкости носовой части деформатора целесообразно и экономически выгодно выполнять ее съемной, в виде долота (рис. 4), имеющего двухстороннюю заточку, которое изготавливается из материала высокой твердости, в частности из термически обработанной стали 65Г.

2 3

Рис. 4. Схема новой лапы с долотом тяжелого культиватора: I - хвостовик, 2 - лезвие лапы, 3 - долото

Очевидно, что за счет применения двухстороннего сменного долота можно значительно повысить ресурс новой лапы и обеспечить значительную экономию дефицитной и дорогой высокоуглеродистой легированной стали.

В третьем разделе: "Программа и методика проведения экспериментальных исследований и испытаний лап тяжелых культиваторов" содержится программа экспериментальных исследований и по разработанным частным методикам в лабораторных условиях (в почвенном канале) изучалось взаимодействие новой и известной лап с почвой.

Лабораторно-полевые исследования новых и серийных лап проведены согласно программам и методам испытаний, изложенных в Р.Д. 10.22-89 "Машины и орудия для глубокой обработки почвы" на Поволжской МИС (п. Усть-Кинельский, Кинельский район Самарской обл.). Исследования проводились на почвах различного физико-механического состава, которые имели различную влажность и твердость.

Сравнительные хозяйственные испытания пахотных агрегатов, укомплектованными новыми и серийными лапами проводились в соответствии с ГОСТ 24055-88, ГОСТ 24059-88 "Техника сельскохозяйственная", "Методика эксплуатационно-технологической оценки" в хозяйствах Саратовской и Самарской областей.

Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методом вариационной статистики с использование методик, изложенных в ОСТ 10.2.2-86 "Испытания с/х техники. Методы энергетической оценки", ГОСТ 2.044-88 "Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения".

Сравнительная экономическая оценка применения почвообрабатывающих агрегатов проводилась согласно требованиям ГОСТ 23728-88, ГОСТ 23729-88 "Основные положения и показатели экономической оценки", "Методы экономической оценки специализированных машин".

В четвертом разделе: "Результаты и анализ лабораторных и лабора-торно-полевых исследований лап тяжелых культиваторов" приведены полученные экспериментальные результаты и проведен их анализ.

В лабораторных условиях исследовали характер взаимодействия новых и известной лап с легкой супесчаной почвой различной влажности и твердости, а также определялось динамометрированием тяговое сопроти-

вление новых и серийных лап.

По первому варианту (см. рис. 3) для исследований использовались новые лапы, радиус кривизны которых составлял R) = 0,85 м, Ri = 0,49 м, R-з = 0,36 миЯ, = 0,29 м.

По второму варианту (рис. 4) лапы имели тот же радиус кривизны, но были снабжены долотами. Долото имело следующие размеры: длина - 150 мм, ширина - 60 мм, толщина - 8 мм, вылет долота - 45 мм, угол крошения - 30°.

Для сравнения использовалась серийная лапа типа С - 3, выполненная по ГОСТ 1343-82. Глубина установки лап в почвенном канале составляла 12 см. Перед каждым проходом почва уплотнялась катком до требуемой твердости.

Исследованиями было установлено, что с уменьшением радиуса кривизны рабочей поверхности новой лапы в почве увеличивалось количество трещин, т.е. качество крошения возрастало. Было установлено, что новые лапы с г = 0,49...0,85 м обеспечивали такое же качество крошения, как и у серийной лапы.

Результаты динамометрирования с использоваием новых лап, выполненных по I варианту и серийной лапы представлены на рис. 5, а новых, выполненных по 2 варианту и серийной лапы - на рис. 6.

Анализ результатов динамометрирования (см. рис. 5) показывает, что с уменьшением радиуса кривизны тяговое сопротивление новой лапы возрастает, при этом с ростом твердости песка тяговое сопротивление также увеличивается.

Это объясняется тем, что с уменьшением радиуса кривизны рабочей поверхности лапы при ее постоянной ширине захвата угол подъема почвы возрастает. Вследствие этого увеличивается сила трения почвы по материалу лапы. Так же с ростом твердости почвы сила сцепления между частицами песка начинает увеличиваться, вследствие этого начинает возрастать сила сопротивления перемещению лезвий лапы. Из графика (см. рис. 5) видно, что минимальное тяговое сопротивление имеет новая лапа, у которой радиус кривизны рабочей поверхности R = 0,49...0,85 м, что подтверждает

Р, КН

0,6

0,5-

0,4

0,3

0,2

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Н, МПа

Рис. 5. Зависимость тягового сопротивления (Р7) лап культиватора от твердости почвы (Н): 1 - серийной лапы; 2 - лапы переходной конструкции; 3, 4, 5, 6 - экспериментальных лап (1 вариант) при радиусе кривизны рабочей поверхности лапы (г) соответственно: 3 - 0,85 м; 4 - 0,49 м; 5 - 0,36 м; 6 - 0,29 м.

проведенные теоретические исследования. Анализ зависимостей (см. рис. 6) показывает, что новая лапа с долотом (2 вариант) при Я = 0,49...0,85 м по своим энергетическим показателям равноценна известной лапе.

Сравнительные лабораторно-полевые исследования известных и новых лап проводились в 1998 г. на Поволжской МИС. Лапы с радиусом кривизны рабочей поверхности Я = 0,8 м устанавливались на комбинированный агрегат АКНП - 4,0, у которого были сняты выравнивающие приспособления. АКНП - 4,0 агрегатировался с тензотрактором Т-150К.

Результаты агроэнергооценки лап, выполненных по первому и второму варианту, представлены в табл. 1 и в табл. 2.

Анализ табл. I и 2 показывает, что по своим агротехническим и энергетическим показателям лапы, выполненные по первому и второму вариантам, равноценны, или очень близки к серийным. Экспериментальными

Р, кН

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Н, МПа

Рис: 6. Зависимость тягового сопротивлений (I7) лап культиватора от твердости почвы (Н): 1 - серийной лапы; 2 - лапы переходной конструкции; 3, 4, 5, 6 - экспериментальных лап (2 вариант) при радиусе кривизны рабочей поверхности лапы (г) соответственно: 3 - 0,85 м; 4 - 0,49 м; 5 - 0,36 м; 6 - 0,29 м.

Таблица 1

Сравнительные результаты агроэнергооценки лап (1 вариант)

ПОКАЗАТЕЛЬ ЗНАЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ

новая лапа серийная лапа

Состав агрегата . Т-150К + АКНП - 4,0

Ширина захвата, м 4,0

Скорость движения, кмУч 6,9 7,7 7,1 7,0

Глубина обработки, см 11,9 12,0 13,0 12,0

Крошение почвы, %, размеры фракций до 50 мм 86,2 91,7 81,8 91,5

Удельные энергозатраты, кВт ч/га 35,9 38,7 34,6 36,3

Удельное тяговое сопротивление, Н/см2 8,0 8,6 7,0 8,1

< Таблица 2

Сравнительные результаты агроэнергооценки лап (2 вариант)

ПОКАЗАТЕЛЬ ЗНАЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ

новая лапа серийная лапа

Состав агрегата Т-150К +АКНП -4,0

Ширина захвата, м 4,0

Скорость движения, км/ч 9,0 10,5 9,2 10,6

Глубина обработки, см 13,7 13,8 13,9 13,0

Крошение почвы, %, размеры фракций до 50 мм 80,7 78,5 87,6 84,2

Удельные энергозатраты, кВт ч/га 26.2 26,1 23,7 25,1

Удельное тяговое сопротивление, Н/см2 5.2 5,6 4,6 5,2

исследованиями также было установлено, что прочность новых лап выше серийно выпускаемых вследствие значительного увеличения ширины опасного сечения лапы, а верхняя наплавка лезвий "сормайтом" более эффективна, чем нижняя.

В петом разделе: "Результаты эксплуатационно-технологических испытаний новых лап тяжелых культиваторов и их внедрение" представлены результаты эксплуатационно-технологических испытаний (табл. 3).

Анализ таблицы 3 показывает, что обработка почвы новыми лапами удовлетворяет агротехническим требованиям, предъявляемым к основной мелкой обработке почвы.

Ресурсные испытания новых лап показали удовлетворительную их надежность по отношению к требуемой надежности агрегата АКПН - 4.0 и по гарантийной наработке на лапу. Средняя наработка на новую лапу при промежуточном контроле составила 28 га. По серийной лапе получено значение несколько выше - 31 га. Однако более низкая цена новой лапы позволила при ее применении получить годовой экономический эффект в размере 12 600 руб. на 1 ООО реализованных лап.

Таблица 3

Результаты эксплуатационно-технологических испытаний агрегата Т-150К + АКНП - 4,0

Показатель Значение

показателя

Скорость движения, км/ч 6...8

Ширина захвата, м 3,9

Глубина обработки, см 13,7

Производительность за 1 ч, га 2,7

Удельный расход топлива за время сменной работы, кг/га 9,9

Коэффициент надежности технологического процесса 1,0

Коэффициент использования эксплуатационного времени 0,79

Крошение почвы, %, размер фракции до 50 мм 80,7

Подрезание растительных остатков, % полное

Новые лапы внедрены в хозяйствах Саратовской и Самарской областей. За период с 1998 по 1999 г. ОАО "Саратовский крановый завод" было изготовлено и реализовано 2140 новых лап сельхозтоваропроизводителям.

В 2000 г. ОАО "Саратовский крановый завод" планирует изготовить и реализовать 3000 новых лап.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применение в настоящее время высокоуглеродистых легированных сталей марок 65Г и 55Л, которые имеют высокую стоимость, для тяжелых культиваторов приводит к значительному увеличению их себестоимости.

2. Использование низкоуглеродистых дешевых сталей и новых конструкторских решений открывает возможности для создания новых лап, которые по своим энергетическим и качественным показателям не уступают известным лапам тяжелых культиваторов.

3. Анализ работы и прочности известных лап показал возможность создания новой лапы тяжелого культиватора из низкоуглеродистых сталей

марок 20 и 30, которые по прочности и выполнению технологического процесса не уступают известным лапам за счет изготовления лапы в виде части конической поверхности, соединенной с хвостовиком.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями были определены основные параметры новой лапы тяжелого культиватора, которые обеспечивают качественные и энергетические показатели не уступающие показателям известных лап:

- угол раствора лапы 2 у = 80°;

- радиус кривизны конической поверхности у основания R = 0,5. ..0,8 м;

- ширина захвата лап b = 420 мм;

- толищна листового материала, из которого изготавливается лапа, S = 8... 10 мм.

5. Для обеспечения высокой износостойкости и самозатачивания новая лапа должна иметь верхнюю заточку лезвия с углом = 15. ..20°, наплавленную сормайтом, а снизу должна быть предусмотрена возможность крепления сменного закаленного долота с двухсторонней заточкой, изготовленного из стали 65Г или стали 55Л.

6. Результаты испытаний на Поволжской МИС и широкие хозяйственные испытания новых лап показали, что эти лапы по износостойкости, качественным и энергетическим показателям не уступают серийным лапам. Новые лапы более технологичны в изготовлении и из-за низкой стоимости и высокой надежности пользуются высоким потребительским спросом у сельхозтоваропроизводителей. Годовой экономический эффект от внедрения новой лапы вместо известной составляет на 1 000 шт. 12 600 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Романов A.C. Лапа культиватора // Информлисток №7-95, Саратовский ЦНТИ. Саратов, 1999.

2. В.А. Карягин, A.B. Карягин, A.C. Романов и др. Материал для изготовления рабочего органа культиватора II Информлисток № 8 - 99, Саратовский ЦНТИ. Саратов, 1999.

3. A.B. Карягин, A.B. Павлов, A.C. Романов, B.M. Бойков. Способ упрочнения чугунных культиваторных лапок // Информлисток № 12 - 99. Саратовский ЦНТИ. Саратов, 1999.

4. В.М. Бойков, A.C. Романов, A.A. Аникин. Новая конструкция лапы тяжелого культиватора КПЭ - 3,8. - Саратов: И ад-в о Сарат. ун-та. -2000. 29 с.

Введение

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований

1.1. Конструкция стрельчатых лап культиваторов

1.2. Анализ износа и прочности лап культиваторов.

1.3. Материалы, применяемые для изготовления лап рабочих органов культиваторов

1.4. Цель и задачи исследования.:.

2. Теоретические основы разработки новых лап тяжелых культиваторов

2.1. Анализ прочности серийной лапы тяжелого культиватора.

2.2. Принципиальная схема новой лапы рабочего органа тяжелого культиватора

2.3. Основные параметры новой лапы рабочего органа тяжелого культиватора

2.4. Тяговое сопротивление рабочего органа тяжелого культиватора

2.4.1. Усилия, возникающие при перемещении лапы в почве.

2.4.2. Усилия, возникающие при разрушении почвы рабочей поверхностью лапы.

2.5. Повышение износостойкости новой лапы рабочего органа тяжелого культиватора.

3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований и испытаний лап тяжелых культиваторов

3.1. Объект исследований

3.2. Экспериментальные лапы.

3.3. Методика проведения лабораторных исследований

3.3.1. Описание комплекса грунтового канала.

3.3.2. Методика обработки результатов

3.4. Методика проведения лабораторно-полевых исследований.

3.4.1. Проведение сравнительньж исследований и испытаний лап культиваторов

3.4.2. Ресурсные исследования и испытания лап

3.4.3. Агротехническая оценка работы лап.

3.4.4. Энергетическая оценка работы лап

3.5. Методика проведения эксплуатационно-технологических исследований и испытаний лап тяжелых культиваторов

3.6. Методика экономической оценки эффективности применения новых лап тяжелых культиваторов.

3.7. Методика обработки статистических результатов исследований и испытаний лап тяжелых культиваторов.

4. Результаты и анализ лабораторных и лабораторно-полевых испытаний лап тяжелых культиваторов

4.1. Результаты динамометрирования лап

4.2. Результаты крошения почвы лапами тяжелых культиваторов.

4.3. Энергетические показатели агрегата АКНП - 4,0 с новыми лапами (1 вариант) и серийными лапами

4.4. Результаты агрономической оценки работы агрегата АКНП - 4,0 с новыми лапами (1 вариант) и серийными лапами

4.5. Энергетические показатели агрегата АКНП - 4,0 с новыми лапами (2 вариант) и серийными лапами

4.6. Результат агрономической оценки работы агрегата АКНП- 4,0 с новыми лапами (2 вариант) и серийными лапами

5. Результаты эксплуатационно-технологических испытаний новых лап тяжелых культиваторов и их внедрения

5.1. Результаты эксплуатационно-технологических испытаний новых лап.

5.1.1. Анализ результатов эксплуатационно-технологических испытаний новых лап (2 вариант).

5.2. Оценка надежности и износостойкости лап.

5.3. Экономическая оценка лап

5.4. Анализ результатов испытаний лап-на надежность, износостойкость их экономическая оценка.

5.5. Результаты внедрения новых лап тяжелых культиваторов

Академик В.П. Горячкин отмечает: ". Вопрос о наиболее экономичном производстве сельскохозяйственных работ возбуждает особые надежды и расчеты на удешевление в первую очередь самой важной, самой дорогой и самой тяжелой работы - пахоты" [1].

Согласно его трудам, практически все виды рабочих органов почвообрабатывающих орудий сводятся к двух- или трехгранному клину. При взаимодействии клина с почвой происходит уплотнение, скалывание, перемещение сколотых комков по клину. Выполнение технологического процесса обработки почвы известными рабочими органами происходит преимущественно за счет одностороннего сжатия почвы. Как показывает анализ [2], способы обработки почвы, основанные на принципе одноосного сжатия почвы, являются низкоэффективными, т.е. необходимы принципиально новые физико-механические решения обработки почвы.

В настоящее время из-за высоких цен на ГСМ и ограниченности их поставок сельхозтоваропроизводителям все большее внимание уделяется мелкой обработке почвы (глубина обработки - 14.16 см), которая основана на применении тяжелых культиваторов типа КПЭ - 3,8 или их рабочих органов.

Главным элементом рабочего органа культиватора, лимитирующего его работоспособность, является стрельчатая лапа [3]. От срока службы лап зависят показатели надежности и долговечности культиватора, а так же эксплуатационные и технологические показатели - производительность, расход топлива, скорость движения и качество выполнения технологического процесса.

В серийном производстве в настоящее время находятся стрельчатые лапы, которые изготавливаются из сталей марки 55Л или 65Г. Высокие цены на листовую легированную высокоуглеродистую сталь способствуют тому, что необходимо производить поиск новых конструкций лап культиваторов, выполненных из сталей более низкого качества, но при этом лапы должны обеспечивать более высокую или одинаковую работоспособность и качественные показатели выполнения работы в сравнении с известными, выпускаемыми промышленностью, лапами.

В этой связи целью настоящей работы является: разработка новой конструкции лап тяжелых культиваторов типа КПЭ - 3.8, с использованием в качестве материала для их изготовления низкоуглеродистых, не легированных сталей, обеспечивающих устойчивое выполнение технологического процесса культивации в соответствии с агротехническими требованиями и снижение себестоимости их изготовления.

Изложенный в диссертации материал - итог работы автора с 1995 года по настоящее время как соискателя кафедры "Технология металлов и материаловедение" Саратовского государственного агроинженерного университета Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова, выполненной на технической базе отраслевой лаборатории специальных сплавов УНПЦ университета, ООО НПФ "ББ", Поволжской МИС, предприятий и хозяйств Саратовской и Самарской областей.

Исследования выполнялись в соответствии с комплексной региональной программой № 640005200 "Научно-технический прогресс в АПК Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года" и комплексным планом развития НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Оценка прочности известных лап тяжелых культиваторов.

2. Обоснование формы, основных параметров и износостойкости новых лап тяжелых культиваторов.

3. Результаты экспериментальных исследований и испытаний новых лап и их эксплуатационно-технологическая и технико-экономическая оценка.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применение в настоящее время высокоуглеродистых легированных сталей марок 65Г, 55Л6 которые имеют высокую стоимость, для тяжелых культиваторов приводит к значительному увеличению их себестоимости.

2. Использование низкоуглеродистых дешевых сталей и новых конструктивных решений открывает возможности для создания новых лап, которые по своим энергетическим и качественным показателям не будут уступать известным лапам тяжелых культиваторов.

3. Анализ работы и прочности известных лап показал возможность создания новой лапы тяжелого культиватора из низкоуглеродистых сталей марок 20 и 30, которые по прочности и выполнению технологических операций не уступают известным лапам за счет изготовления лап в виде части конической поверхности соединенной с хвостовиком.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями были определены основные параметры новой лапы тяжелого культиватора, которые обеспечивают качественные и энергетические показатели не уступающие показателям известных лап.

- угол раствора лапы 2 у = 80°;

- радиус кривизны конической поверхности у основания II = 0,5. .0,8 м;

- ширина захвата лап В = 410 мм;

- толщина листового материала, из которого изготавливается лапа, 8 = 8. 10 мм.

5. Для обеспечения высокой износостойкости и самозатачивания новая лапа должна иметь верхнюю заточку лезвия с углом 15.20°, наплавленную сормайтом, а снизу должна быть предусмотрена возможность крепления сменного долота с двухсторонней заточкой, изготовленного из стали 65Г или стали 55Л.

-996. Результаты испытаний на Поволжской МИС и широкие хозяйственные испытания новых лап показали, что эти лапы по износостойкости, качественным и энергетическим показателям не уступают известным лапам. Из-за более низкой стоимости и высокой надежности пользуются высоким потребительским спросом у сельхозтоваропроизводителей. Годовой экономический эффект от внедрения новой лапы, вместо известной, составляет на 1 ООО шт. 12 600 рублей.

1. Горячкин В.П. Собрание сочинений - М,; Колос, 1968 - т.2, - 445 с.

2. Бойков В.М. Механико-технологические обоснование эффективных способов и технологических средств основной обработки почвы. // Автореф. дисс. д-ра техн. наук. Саратов, - 199,8. - 35 с.

3. Синйоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1997. - 232 с.

4. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машино-тракторных агрегатов. Л., Колос, 1978.

5. Аристов А.Н., Мулл М.Г. Результаты опытов по определению влияния неравномерности глубины вспашки на потери урожая яровой пшеницы. -Труды ЧИМЭСХ, 1972, вып. 57, с. 5 12.

6. Рекомендации по применению чизелъных орудий. / АгроНИИТЭИИТЭ. -М., 1998.-27 с.

7. Сельскохозяйственная техника: Каталог / Под ред. В.И. Черноиванова. М., 1991,-Т. 1. - 364 с.

8. Краснощеков Н. В. Машины для защиты почв от ветровой эрозии. М.: Россельхозиздат, 1977. - 224 с.

9. Протокол № 08-85-98 (4050012) приемочных испытаний лапы плоскорежущей стрельчатой с хвостовиком для культиватора КПЭ-3,8 / Поволжская МИС,Кинель, 1998, 19 с.

10. Протокол № 82-52-99 (102032) приемочных испытаний лап культиватора КПЭ-3,8 / Поволжская МПС, Кинель^ 1999, 28 с.

11. П.Веденятин Г. В., Киртбая Ю. К., Сергеев М. П. Эксплуатация машино-тракторного парка. М.: Колос, 1968,-с. 343

12. Бубнов В. 3., Кузьмин М. В. Эксплуатация машино-тракторного парка. М.: Колос, 1980, с. 65-102.

13. Имамов И. С. Механико-технологические основы теории деформации почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин // Автореф. дисс. д-ра техн. наук. М., 1992.-54 с.

14. Василенко П. М., Короткевич П. С. О влиянии формы бокового профиля режущих рабочих органов и скорости движения на их тяговое сопротивление. Тракторы и с.-х, машины. 1965, № 8, с. 25-27.

15. Ветров Ю. А., Баландинский В. JI. Машины для специальных земляных работ. Киев, Вища школа, 1980.-192 с.

16. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1976, с. 29-81.

17. Васильев С. П., Ермолаев Л. С. Об изнашивающей способности почвы. В кн.: Повышение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин. М. Машгиз, 1960, с. 130-141.

18. Винокуров В. П. Определение выбраковочных параметров режущих элементов рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Тракторы и с.-х. машины, 1976, № 10, с. 23-25.

19. Виноградов В. И. Экспериментальное определение усилия, действующего на лезвие лемеха плуга. В кн.: Повышение долговечности рабочих деталей почвообрабатывающих машин. -М.: Машгиз, с. 91-92.

20. Василенко П.М., Бабий П.Т. Культиваторы (конструкция, теория и расчет). Киев, Изд-во АН УССР. 1961. - 239 с.

21. Земледелие с почвоведением / А.М. Лыков, A.A. Короткое, Г.И. Бездырев, А.Ф. Сафонов. М.: Агропромиздат, 1990.-464 с.

22. Венченков H.A., Попов И.Е., Куценко E.H., Пиранков М.Ф. Механизация обработки почвы. М.: Колос, 1972, с. 229.

23. Винокуров В.Н. Пределы изменения тягового сопротивления плуга при износе лемехов. Тракторы и с.-х. машины. 1976, № 1с. 21-22.

24. Винокуров В.Н. Исследование влияния длины носка лемеха и угла наклона затылочной фаски лезвия на глубину пахоты и тяговое сопротивление. -Тракторы и с.-х. машины, 1973, с. 20-22.

25. Винокуров В.Н., Белян В.А., Кутепов А.И. Результаты исследований изна- 102 шивающей способности почв нечерноземной зоны. Тракторы и с.-х. машины, 1975, № 1, м. 26-28.

26. Винокуров В.Н. Влияние износа плужных лемехов на тяговое сопротивление. Тракторы и с.-х. машины, 1978, № 5, с. 18-21.

27. Летошнев М.И. Сельскохозяйственные машины. М. Л. Сельхозгиз, - 1955. - 764 с.

28. Ларин Г.И. Исследование изнашивания рабочих органов плугов на почвах лесной зоны: Автореферат дисс. к.т.н. М., 1974, с.21.

29. Пронин А.Ф., Ларин Г.И., Быков В.Ф. Износ лемехов и показатели пахоты. -Техника в сельском хозяйстве, 1977, № 4, с. 25 26.

30. Кардашевский C.B., Погорелый Л.В., Фудиман Т.М., Лобко П.Н., Брей В.В. Испытания сельскохозяйственной техники. М.: Машиностроение, 1979. с. 288.

31. Иофинов С.А., Лышко Т.П. Эксплуатация машино-тракторного парка. М.: Колос, 1984. с. 340.

32. Огрызков Е.П., Лежнев Г.Н. Характер, физическая сущность и механизм износа лезвий лемехов. Труды Омского СХИ. Омск.: 1973. Т. 114, с. 74 -76.

33. Князев A.A., Баев Н.К. Исследование влияния неравномерности глубины пахоты на урожайность зерновых культур в условиях Среднего Поволжья. -Труды Челябинского института механизации и электрификации с.-х. Челябинск, ЧИМЭСХ. 1972. вып. 57. с. 13 - 18.

34. Полканов И.П., Гаранин Г.В. Качество механизированных работ в сельском хозяйстве. Ульяновский СХИ. Ульяновск. 1982. с. 318.

35. Кацыгин В.В. Некоторые вопросы теории обработки почвы на повышенных скоростях. Механизация и электрификация соц. с / х., 1961, № 1, с. 9 - 13.

36. Иофинов С.А. Эксплуатация машино-тракторного парка. М.: Колос, 1974. с. 473.

37. Иофинов С.А., Агеев JI.E. Основы технической эксплуатация машино-тракторного парка. М.: Колос, 1972. с. 130.

38. Саакян В.К. Контроль качества механизированных работ в полеводстве. -М.: Колос, 1973. с. 271.

39. Панов И.М. Теория пахотных орудий В.П. Горячкина и современные проблемы механизации обработки почвы. Механизация и электрификация соц. с/х., 1968, № 1,с. 20.23.

40. Желиговский В.А. Элементы теории почвообрабатывающих машин и механической технологии с.-х. материалов. Тбилиси, 1960. с. 147.

41. Кукша Г.М. Испытания сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1964. с. 284.

42. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. JT.: Колос, 1970. с. 376.

43. Кацыгин В.В. О закономерности сопротивления почв сжатию. Механизация и электрификация соц. с / х., 1962, № 4, с. 28.31.

44. Коганов А.Б. Вопросы технологии основных механизированных процессов полеводства Юго-Востока. Труды Саратовского института механизации с.-х. Саратов, 1960, вып. 21. с. 116.123.

45. Корушкин E.H. Зависимость износа лемехов от состава почв, в кн.: Повышение долговечности рабочих деталей почвообрабатывающих машин. М. Машгиз, 1960, с. 116 - 123.

46. Сахаров И.В., Деграф Г.А., Ержанов А.Е. и др. Основы технологии скоростной обработки почвы. Алма-Ата.: Кайнар, 1969, с. 341.

47. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. М. Машиностроение, 1965, с. 311.

48. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М. Высшая школа, 1974, с. 49 - 63.

49. Карягин В.А. Применение высокопрочного чугуна для изготовления лемехов плугов общего назначения. Дисс. к.т.н; СГАУ, Саратов, 1995, 151 с.

50. Севернев М.М. Износ деталей сельскохозяйственных машин. Л.: Колос, 1982, с. 288.

51. Лурье А.Б., Громбчевский A.A. Расчет и конструирование сельскохозяйственных машин. Л. Машиностроение, 1977, 528 с.

52. Синеоков Г.Н. Рабочие органы культиваторов. М: "Сельхозмашина", 1935, № 9, с. 3 - 12.

53. Гурченко П.Н. Механико-технологическое обоснование параметров почвообрабатывающих машин нового поколения для работы в оптимальном диапазоне скоростей. // Автореф. дисс. д-ра техн. наук. М., - 1987. - 45 с.

54. Кострицын А.К. О сопротивлении почвы рабочим органам почвообрабатывающих орудий. / Тр. ВИМ. М, 1964. - Т. 35. - 254 с.

55. Попов И.М. Перспективы развития конструкций почвообрабатываю-щих машин и орудий // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1987.-№3,-с. 13-16.

56. Рахштадт А.Г. Справочник металлиста. М. Машиностроение, 1976, - 717 с.

57. Федосьев А.Г. Сопротивление материалов. М: Наука, 1970, 544 с.

58. Иванов Н.И. Сопротивление материалов. М: Гостехиздат, 1942, 646 с.

59. Н.С. Ачеркян. Справочник металлиста. Т. 1. М. Машиностроение, 1965, -1007 с.

60. Бойков В.М. Новые способы и технические средства основной обработки почвы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - 56 с.

61. Кулек А., Кунерс X. Современная земледельческая механика. / Пер. с англ. А.Э:Габриэляна. М: Агропромиздат, 1986.- 349 с.

62. Зеленин А.Н. Физические основы теории резания грунтов. М: Машиностроение, 1950. - 354 с.

63. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М: Машиностроение, 1989,- 368 с.

64. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М: Машиностроение, 1968. - 375 с.- 10565. Механизация защиты почв от водной эрозии в Нечерноземной полосе / Под ред. А.Т. Вагина. Л., Колос. 1977. - 272 с.

65. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: 1965. -608 с.

66. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. - 367 с.

67. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970. -252 с.

68. Панкин A.B. Обработка металлов резанием. М.: Машгиз, 1961. - 394 с.

69. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979. - 416 с.

70. Веденятин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработка опытных данных. М.: Колос, 1965. - 135 с.-106