автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Термоупрочнение поверхности плужных лемехов методом шаговой наплавки с применением электродов для сварки углеродистых сталей

На правах рукописи

Капошко Дмитрий Александрович

-г

Термоупрочнение поверхности плужных лемехов методом шаговой наплавки с применением электродов для сварки углеродистых сталей

Специальность 05 20 03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1

Санкт - Петербург - Пушкин 2007

003070511

Работа выполнена в ФГОУ зяйственная академия"

Научный руководитель

ВПО "Брянская государственная сельскохо-

доктор технических наук, профессор Михальченков Александр Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ожегов Николай Михайлович

кандидат технических наук, доцент Ермаков Сергей Александрович

Ведущая организация ГНУ «Северо-западный научно-

исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (СЗНИИМЭСХ)

Защита состоится 29 мая 2007г в П. часов на заседании диссертационного совета Д 220 060 06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу 196601, Санкт - Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д 2, СПбГАУ, ауд 2 719

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт - Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат размещен на сайте http //www spbgau sob ru/disser/news shtml

«26» апреля 2007г

Автореферат разослан «26» апреля 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

Сковородин В Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Плужный лемех является одной из наиболее ответственных и быстроизнашиваемых деталей, который должен обеспечивать при вспашке минимальное тяговое сопротивление, обладать достаточным ресурсом и соответствовать необходимым агротехническим требованиям

В результате ускоренного абразивного изнашивания поверхности, опережающего изнашивания и деформации носовой части лемеха и затупления режущей кромки увеличивается тяговое сопротивление пахотного агрегата, возрастает расход топлива, снижается равномерность вспашки по глубине, влияющая на урожайность сельскохозяйственных культур

Недостаточный ресурс лемеха увеличивает расход этих деталей в качестве запасных частей и затраты на техническое обслуживание пахотных агрегатов

Диссертация выполнена в соответствии с комплексной целевой программой по проблеме "Разработка ресурсо — и энергосберегающих технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции, технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники" в ФГОУ ВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия"

Цель исследования. Повышение эффективности упрочнения плужных лемехов методом дуговой наплавки поверхности с применением электродов для сварки углеродистых сталей Объект исследования:

- технология термоупрочнения плужных лемехов методом шаговой наплавки поверхности одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей и моделированием процесса в диалоговом режиме,

- показатели твердости рабочей поверхности лемехов и остаточных напряжений по результатам упрочнения и изнашивания

Научная новизна:

- предложенный способ термоупрочнения плужных лемехов шаговой наплавкой поверхности барьерными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей,

- технологические критерии формирования закалочных структур в зоне термического влияния основного металла и наплавленного валика,

- рациональные параметры упрочнения поверхности лемехов путем моделирования условий закалки углеродистой стали в околошовной зоне термического влияния,

- обоснование особенностей взаимодействия наплавленной поверхности лемеха в области контактирования почвенного пласта на основе снижения связности почвы в контактном слое поверхности лемеха,

- данные по определению износов поверхности лемехов по результатам эксплуатации и полевых испытаний с учетом показателей твердости поверхности и уровня остаточных напряжений

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по технологии термоупрочнения плужных лемехов формированием геометрических и прочностных характеристик поверхности трения методом шаговой наплавки одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей, что, примерно в 2 раза повышает наработку на лемех

Реализация результатов исследований. Полевые испытания упрочненных лемехов проводились в СПК "Красный Рог" Почепского района Брянской области

Апробация. Результаты исследований ежегодно докладывались на научных конференциях кафедры "Технологии материалов, надежности, ремонта машин и оборудования" ФГОУ ВПО "Брянской государственной сельскохозяйственной академии" в 2003-2006 годах, а также Белгородской ГСХА в 2005 году

Основные положения выносимые на защиту:

- увеличению наработки лемехов из среднеуглеродистой стали способствует снижение связности почвы в контактном слое почвенного пласта на основе формирования барьерной поверхности трения методом шаговой на-

плавки, термоупрочнения основного металла околошовной зоны и наплавленного валика путем самоохлаждения,

- формирование наплавленных валиков в качестве барьеров на пути трения создает эффект частичного крошения и разрушения контактной поверхности почвенного пласта в активном слое почвенной массы, что способствует снижению закрепленности абразива в зоне контакта с рабочей поверхностью лемеха,

- формирование наплавленных валиков в качестве барьеров на пути трения создает условия для снижения скорости перемещения частиц почвенной массы в некоторой области подошвы лемеха вплоть до нулевого уровня, что приводит к эффекту застоя почвенной массы в отдельных участках поверхности, снижению прямого воздействия движущихся абразивных частиц на основной металл в том числе за счет образования промежуточного демпфирующего слоя

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, получено 2 патента РФ на изобретения

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, основных выводов, списка литературы и приложений Приведенный список литературы включает 63 наименования Работа изложена на 118 страницах, содержит 49 рисунков, 28 таблиц, 13 страниц приложений СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и изложены цель, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту

В первом разделе "Состояние вопроса и задачи исследования" на основе материала литературных источников и результатов исследований ведущих ученых и организаций рассмотрены особенности изнашивания рабочих поверхностей плужных лемехов, дан анализ их конструктивно-технологических характеристик, приведены критерии функционального при-

менения, рассмотрены технологические методы повышения прочности и износостойкости лемехов при их изготовлении и ремонте

Исследованию вопросов, связанных с повышением долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин посвящены работы В П Горяч-кина, М М Хрущева, М М Севернева, Г П Каплун, Б Н Орлова, Г Н Сине-окова, Д Б Бернштейна, Е П Огрызкова, Г И Лежнева, И М Панова, Ж Е Токушева, А Ш Рабиновича, В Н Ткачева, С П Васильева, Л С Ермолова, А Ф Пронина, Г И Ларина, В Ф Быкова и многих других

Большой вклад в развитие сварочно-наплавочных технологий восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники внесен в работах В А Деева, В М Кряжкова, А И Сидорова, А В Поляченко, Е Л Воловика и других

На основании обзора литературных источников и проведенного анализа сформулированы следующие основные задачи исследований

1 Усовершенствовать технологию упрочнения плужных лемехов путем применения метода дуговой наплавки поверхности, обеспечивающего снижение технологических затрат на специальные материалы

2 Разработать критерии повышения износостойкости плужных лемехов на основе формирования геометрических и прочностных характеристик поверхности трения с использованием электродов для сварки углеродистых сталей методом дуговой наплавки и термоупрочнения

3 Обосновать модель теплового процесса формирования закалочных структур в зоне термического влияния наплавленного валика

4 Определить рациональные параметры упрочнения поверхности лемехов шаговой наплавкой одиночными валиками на основе моделирования условий закалки углеродистой стали в околошовной зоне термического влияния

5 Дать сравнительную оценку износов поверхности упрочненных лемехов по результатам эксплуатации и полевых испытаний с учетом показателей твердости поверхности и остаточных напряжений

Во втором разделе "Теоретическое обоснование технологии термоупрочнения плужных лемехов формированием геометрических и прочностных характеристик поверхности трения методом шаговой наплавки одиночными валиками" рассмотрены технологические факторы и критерии формирования закалочных структур в зоне термического влияния наплавленного валика, изменяющие процесс взаимодействия абразивных частиц в контактном слое

С использованием аналитических зависимостей теории распространения теплоты, установленных в работах Н Н Рыкалина, М X Шоршорова, А Е Вайнермана, Г Л Петрова, и других, выявлены основные технологические факторы изменения мгновенной скорости охлаждения металла для условий наплавки валика на листовой материал (рисунок 1)

Скорость наплавки

Мощность дуги

Охлаждающая среда

Толщина листового материала

Рисунок 1 - Основные технологические факторы управления скоростью охлаждения наплавляемого металла

Предложенный способ шаговой наплавки рабочей поверхности лемехов малоуглеродистым электродным материалом отдельными валиками (рисунок 2), увеличивает твердость металла валика и зоны термического влияния основного металла,

Рисунок 2 - Схема наплавки плужного лемеха (Патент РФ № 2274526)

1 - наплавленный валик, 2- крепежные отверстия, I - шаг наплавки

Процесс контактирования трущихся поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой в основополагающих трудах М.М. Севернева, Г.П. Каплун и других рассматривается как абразивное изнашивание нефиксированной абразивной массой. В зонах контакта в процессе перемещения частиц возникают силы трения, которые зависят от давления массы и состояния поверхности контакта, динамики воздействия частиц на металл в области активного слоя, формы и размеров поверхности контакта.

Величину абразивного изнашивания материала в почвенной массе под воздействием нормального и сдвигающего усилия, выражают функцией следующих переменных:

(1)

где р - давление почвы. Па;

Ь - путь трения, м;

5 - плошадь трения, м2;

т - показатель изнашивающей способности почвы;

Н - твердость материала, (НУ)

Показатель изнашивающей способности почвы определяется, типом почв, их фракционным составом, зависит от влажности, удельного давления и скорости относительного перемещения абразивных частиц.

На процесс взаимодействия абразивных частиц в активном (контактном) слое почвенного пласта влияют силы фиксации к о нтактируемых абразивных частиц, определяющие степень закрепленности абразивных частиц и механические свойства материала, на который эта частица действует.

Силу фиксации контактируем ой частицы по М М Северневу определяют как разность суммарной силы трения контактируемых частиц в почвенной массе между другими частицами и силы трения их о металлическую поверхность

др = * (2)

где г - количество частиц, взаимодействующих с контактируемой поверхностью,

^ - коэффициент трения между частицами, ^ - коэффициент трения частиц о металлическую поверхность, т - постоянная величина, зависящая от числа контактов, р - удельное давление (кгс/см2)

На основе формирования барьеров (рисунок 2) на пути трения абразивных частиц, возникает неоднородность удельного давления почвенной массы в контактном слое, обуславливая циклическое формирование знакопеременных сжимающих и растягивающих напряжений (рисунок 3), способствующих рыхлению и разрушению контактной поверхности тонкого слоя почвенного пласта, что снижает степень закрепленности абразива в зоне контакта рабочей поверхности лемеха

Почвенный пласт Контактный слой высотой

ного валика

Рисунок 3 - Схема действия сжимающих и растягивающих сил трения в переходных зонах барьерных валиков

Таким образом можно полагать, что работа трения по уменьшению связности почвы на основе воздействия барьеров на пути трения и формирование напряжений сжатия на поверхности наплавленного лемеха будет меньше, чем работа трения гладкой поверхности лемеха в состоянии исходной повышенной связности контактного слоя почвы.

В целом это направлено на снижение интенсивности абразивного изнашивания упрочненных лемехов без увеличения тягового сопротивления корпуса плуга

Третий раздел "Методика экспериментальных исследований, применяемое оборудование и приборы" посвящен описанию общей методики и структуры исследований по следующим вопросам

1 Оценка технического состояния выбракованных после эксплуатации лемехов

2 Изучение твердости, микротвердости и остаточных напряжений новых и выбракованных в результате эксплуатации лемехов

3 Изучение микротвердости наплавленного валика, зоны закалки и микротвердости основного металла по результатам наплавки поверхности лемеха электродами для сварки углеродистых сталей в условиях регулирования сварочного тока

4 Проведение полевых испытаний с оценкой износа по массе и наработке упрочненных лемехов по различным вариантам геометрии шаговой наплавки поверхности одиночными валиками

5 Исследование поверхности лемехов по результатам полевых испытаний

6 Оценка расхода топлива при полевых испытаниях термоупрочнен-ных лемехов, наплавленных по схеме формирования барьерных валиков

Экспериментальные исследования проводились на натурных деталях одной партии

Твердость поверхности измеряли по методу Роквелла на приборе ТК -2 в соответствии с требованиями (ГОСТ 9013-59) и методу Бринелля

и

(ГОСТ 9012-59) Микротвердость образцов микрошлифов, вырезанных из различных зон лемеха измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76) при нагрузке на индентор 1 Н Эксперимент по определению остаточных напряжений проводился в лабораторных условиях с использованием прибора ИДЦ — 1 методом физического разделения

Полевые испытания проведены с использованием тракторов МТЗ-82 и Т-150К, агрегатируемых плугами ПЛН-3-35 и ПЛН-5-35 на одном поле Общее количество испытанных лемехов - 250 штук, из них по каждому варианту не менее 25 деталей Тип почвы - супесь

В разделе 4 "Определение рациональных параметров упрочнения поверхности лемехов на основе моделирования закалки углеродистой стали в околошовной зоне термического влияния" приведены основные положения использования компьютерной программы расчета параметров сварочных процессов "РЬАЯМЕТ", позволяющей увеличить на несколько порядков скорость вычисления и точность результатов при работе в диалоговом режиме

Учитывая, что при наплавке источник теплоты, как правило, является поверхностным для аналитических расчетов принято следующее уравнение

где Qэ — эффективная мощность источника теплоты, Вт, Я — теплопроводность металла изделия, Вт/(м К), 5 - толщина плоского слоя (изделия), м, I,) = Яч2/4а, а - температуропроводность, м2/с, - эффективный радиус пятна нагрева, м, V— скорость наплавки (скорость движения по оси х), м/с, (т — время действия источника теплоты, с

При расчете режимов наплавки в качестве расчетной зоны, ограниченной координатами температуры плавления основного металла Тпп.„, принята зеркально отраженная относительно наплавляемой поверхности зона на-

Т(х,у,г,1т) =

(3)

плавки (рисунок 4) при равенстве теплосодержания единичного объема наплавляемого и основного металла: рАНн - рАИ0,

Зона наплавки

Зона отпуска

а)

V >.....\

г т/гжа •

Расчетная зона термического влияния

Рисунок 4 - Поперечное сечение зоны наплавки при рАН„ = рДЯ0

Для дуговой наплавки покрытым электродом по Петрову Г.Л. в расчетах приняты: г;э= 2Д/д И,?) ~ 0,8; К^Щ 8... 10 мм, с учетом теплофизических характеристик (таблица 1).

Таблица 1 - Теплофизические характеристики стали, используемые при расчетах

Материал т 1 П1> "с Дж/(мм3) ¡¡Р Дж/(мм"') с, Дж/(кг-К) а, мм% Я, Нт/(мм-К) р, 10 6 ю/(мм"!)

Углеродистая у. низколегированная зталь 1500 2,1 9,5 649 8,0 0,040 1,1

' - рАН - полное теплосодержание единичного объема металла, в котором учитывается теплота фазовых превращений, включая теплоту плавления рДЯ1Ш;

с, а - среднее значение удельной теплоемкости и температуропроводности без учета теплоты плавления.

'Расчеты с использованием программы "РЬАЗМЕТ" выполнены при участии профессора кафедры "Сварка и лазерные технологии" Санкт-Петербургского государственного технического университета, д.т.н. Соспина Н,Л.

Реализованная в программе Р1азше1 методика расчета максимальной глубины и ширины зоны закалки (рисунок 5), позволяет прогнозировать параметры зоны поверхностной закалки и может быть использована при решении поставленной задачи выбора режима дуговой наплавки для получения требуемой глубины и ширины зоны закалки Средняя погрешность расчетного определения размеров зоны закалки не превышает 9%

1500°С

и ширины зоны закалки

Данные расчетов начального диалога были направлены на определение области функционирования режимов закалки лемешной стали при наплавке отдельными валиками Фактическая скорость охлаждения при закалке должна быть не менее критической

Максимальные координаты зоны оплавления и зоны закалки по глубине и ширине с учетом применения дополнительного подстуживания поверхности лемеха по данным заключительного диалога приведены на рисунке 6

Рисунок 6 — Максимальные координаты зоны оплавления и зоны закалки по глубине и ширине для толщины 10 мм с дополнительным подсгуживанием

В пятом разделе "Экспериментальное обоснование технологии термоупрочнения поверхности лемеха методом шаговой наплавки с применением электродов для сварки углеродистых сталей" приведены результаты исследований по оценке технологических возможностей управления твердостью упрочняемой поверхности, данные полевых испытаний упрочненных лемехов с учетом уровня остаточных напряжений

На основе замера износов выбракованных после эксплуатации лемехов определены статистические параметры и построены гистограммы распределения износов носка лемеха и лезвия

Данные микротвердости упрочненной поверхности новых лемехов приведены в таблице 2

Таблица 2 - Данные микротвердости при наплавке валика электродом марки Э50А- У ОНИ - 13/55 - УО - А 4 =4 мм

Схема измерений Сила тока 1,А Микротвердость, Нр

Наплавленного валика Зоны закалки Основного металла

наплавленный валик 80 366-373 746-754 230-246

100 375-384 675-683 270-278

г4п 120 443-449 763-774 306-309

\ зона 140 493-497 731-738 281-287

\ основной металл 160 432-439 873-882 260-269

180 449-453 609-612 247-253

Во всех испытуемых лемехах зафиксирован незначительный уровень остаточных напряжений (таблица 3)

Таблица 3 - Остаточные напряжения, МПа, новых и выбракованных лемехов

Показания а 10"1, МПа

Датчики Новые без Новые термо- Выбрако- Выбракованные

наплавки упрочненные ванные термоупрочненные

1 80 0 0 -34

3 -8 -20 0 -20

5 70 -56 -12 14

2 16 32 20 -64

4 72 32 4 -10

6 144 38 46 -6

11 32 12 4 -26

9 10 2 -40 -14

7 4 -38 -20 -4

12 -12 -6 -8 -22

10 -2 10 -4 -4

8 20 30 -5 -8

Данные полевых испытаний лемехов (таблица 4) соответствуют вариантам упрочнения поверхности по схемам наплавки валиков приведенным на рисунке 7, где вариант упрочнения поверхности наплавкой барьерными валиками по углом 50° к режущей кромке лемеха показал наибольшую наработку

Ьг у

Рисунок 7 - Схема упрочнения поверхности лемеха путем наплавки одиночными валиками

Таблица 4 - Данные износов лемехов по результатам полевых испытаний

Варианты испытуемых лемехов Износ по выбраковке

Износ по массе, г По изменению размеров Наработка, га

Носовой части, мм Ширины, мм

1. Ь Ь

а 1301 50,5 9,75 10,3 12,08 19

б 991 50,8 6,3 6,3 5,5 13

в 769 36,8 3,75 3,25 3,7 9

г 824 32,0 3,1 2,5 3,0 7

д 1050 45,3 5,5 4,5 5,0 13,4

е 978 45,5 3,25 5,5 5,5 9

Ожидаемая экономия от применения разработанной технологии термоупрочнения составляет 161 руб на 20га пахоты

Основные выводы и результаты

1 На основе проведенных исследований разработана эффективная технология термоупрочнения поверхности плужных лемехов методом шаговой наплавки одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей

2 Установлены закономерности изменения глубины и ширины закаленной зоны термического влияния основного металла в зависимости от тепловых параметров дуги и режимов наплавки одиночных валиков покрытыми электродами

3 Основными критериями формирования закалочной структуры в околошовной зоне термического влияния является поддержание критической скорости охлаждения основного металла посредством технологических режимов наплавки и дополнительного подстуживания

4 Полученные изотермы расчета максимальной ширины (9,4 мм) и глубины закалки (3,3 мм) основного металла путем моделирования условий закалки углеродистой стали основаны на определении рациональных технологических режимов наплавки упрочняемой поверхности

5 В результате термоупрочнения основного металла в околошовной зоне его микротвердость повышается в 2-3 раза, а микротвердость металла наплавленного валика в 1,5-2 раза

6 Невысокий уровень остаточных сварочных напряжений металла термоупрочненных плужных лемехов обоснован особыми условиями образования зон закалки в сочетании с самоотпуском, а также незакаленными промежутками на шаг наплавки отдельными валиками

7 Критерием снижения изнашивающей способности почвы является снижение ее связности путем уменьшения степени закрепленности абразивных частиц почвенной массы в зоне контактирования металлической поверхности лемеха за счет изменения особенностей взаимодействия абразивных частиц между собой и металлической поверхностью путем формирования барьерных валиков на пути трения

8 Формирование геометрических и прочностных характеристик поверхности трения методом шаговой наплавки лемехов барьерными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей увеличивает наработку на лемех практически в 2 раза по сравнению с новыми лемехами, упрочненными по традиционной технологии

9 На основе проведенных исследований разработаны технологические рекомендации практического использования технологии применительно к упрочнению плужных лемехов путем получения более равнопрочной поверхности трения

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Михальченков А М , Комогорцев В Ф , Капошко Д А Остаточные напряжения и твердость плужных лемехов / Достижение науки и техники в АПК -№11 -2004 - с 34-35

2 Комогорцев В Ф , Михальченков А М , Капошко Д А Некоторые теоретические соображения о взаимодействии лемеха с почвой после его свароч-

ного армирования / Сборник научных работ Брянской ГСХА «Конструирование, использование и надежность машин с -х назначения» - 2004 - с 104-109

3 Михальченков А М , Киселева Л С , Капошко Д А Влияние геометрических параметров выбракованных плужных лемехов на выбор технологии их восстановления/ Сборник научных работ Брянской ГСХА «Конструирование, использование и надежность машин с -х назначения» 2004 - с 170-175

4 Михальченков А М, Капошко Д А Выбор геометрии нанесения швов армирования при упрочнении плужных лемехов / Бюллетень научных работ Белгородской государственной сельскохозяйственной академии - Выпуск 3 - Белгород - 2005 - с 80-84

5 Михальченков А М, Капошко Д А Повышение ресурса лемехов плужных корпусов сварочным армированием / Ремонт, восстановление и модернизация - №7 - 2005 - с 20-24

6 Михальченков А М , Капошко Д А, Будко С И, Пехтерев М М Повышение ресурса деталей из средне - и высокоуглеродистых сталей упрочнением их сварочным армированием / Сборник научных работ Брянской ГСХА «Конструирование, использование и надежность машин с -х назначения» 2005-с 151-156

7 Михальченков А М , Капошко Д А Остаточные напряжения в плужных лемехах до и после сварочного армирования / Ремонт, восстановление и модернизация -№10 -2006 -с 44-45

8 Патент РФ № 2274526 Кл В23 К 9/04, В23 Р 6/00 Способ упрочнения лемехов плугов из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей / Михальченков А М , Танеев Ю М , Будко С И , Капошко Д А Опубл 20 04 2006г Бюл №11

9 Патент РФ № 2270259 Кл С21 Д 1/09, С21 Д 9/18, В23 К 9/04 Способ упрочнения деталей из среднеуглеродистых и низкоуглеродистых сталей / Михальченков А М , Танеев Ю М , Лямзин А А, Будко С И, Капошко Д А Опубл 20 02 2006г Бюл №5

V

Подписано в печать 24.04,2007 Бумага офсетная Формат 60/90 1/16 Печать трафаретная 1,0 уел печ л Тираж 100 экз

_Заказ № 07/04/39_

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в НП «Институт техники и технологий» Санкт-Петербург - Пушкин, Академический пр, д 31, ауд 715

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Конструктивно - технологическая характеристика плужных лемехов, особенности изнашивания рабочих поверхностей, критерии функционального применения.

1.2 Технологические методы повышения прочности и износостойкости лемехов при их производстве и восстановлении.

Актуальность темы. Развитие современной почвообрабатывающей техники характеризуется совершенствованием эксплуатационных показателей машин путем применения новых материалов, обладающих особыми свойствами, оптимизацией режимов работы агрегатов, повышением их долговечности и производительности.

Повышению долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе анализа современных тенденций конструирования, эксплуатации, восстановления и упрочнения плужных лемехов посвящено множество исследований.

Плужный лемех является одной из наиболее ответственных и быстроизнашиваемых деталей, который должен обеспечивать при вспашке минимальное тяговое сопротивление, обладать достаточным ресурсом и соответствовать необходимым агротехническим требованиям.

В результате ускоренного абразивного изнашивания поверхности, опережающего изнашивания и деформации носовой части лемеха и затупления режущей кромки увеличивается тяговое сопротивление пахотного агрегата, возрастает расход топлива, снижается равномерность вспашки по глубине, влияющая на урожайность сельскохозяйственных культур.

Недостаточный ресурс лемехов увеличивает расход этих деталей в качестве запасных частей и затраты на техническое обслуживание пахотных агрегатов.

Увеличение ресурса плужных лемехов особенно актуально в условиях рыночных отношений, когда ослаблен контроль за качеством запасных частей, приобретаемых сельхозтоваропроизводителями.

Диссертационная работа выполнена по плану аспирантской подготовки на кафедре технологии материалов, надежности, ремонта машин и оборудования в ФГОУ ВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия" в 2003.2006 годах в соответствии с комплексной, целевой программой по проблеме "Разработка ресурсо - и энергосберегающих технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции, технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники".

Цель исследования. Повышение эффективности упрочнения плужных лемехов методом дуговой наплавки поверхности с применением электродов для сварки углеродистых сталей.

Объект исследования:

- технология термоупрочнения плужных лемехов методом шаговой наплавки поверхности одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей и моделированием процесса в диалоговом режиме;

- показатели твердости рабочей поверхности лемехов и остаточных напряжений по результатам упрочнения и изнашивания.

Научная новизна:

- предложенный способ термоупрочнения плужных лемехов шаговой наплавкой поверхности барьерными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей;

- технологические критерии формирования закалочных структур в зоне термического влияния основного металла и наплавленного валика;

- рациональные параметры упрочнения поверхности лемехов путем моделирования условий закалки углеродистой стали в околошовной зоне термического влияния;

- обоснование особенностей взаимодействия наплавленной поверхности лемеха в области контактирования почвенного пласта на основе снижения связности почвы в контактном слое поверхности лемеха;

- данные по определению износов поверхности лемехов по результатам эксплуатации и полевых испытаний с учетом показателей твердости поверхности и уровня остаточных напряжений.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по технологии термоупрочнения плужных лемехов формированием геометрических и прочностных характеристик поверхности трения методом шаговой наплавки одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей, что, примерно в 2 раза повышает наработку на лемех.

Реализация результатов исследований. Полевые испытания упрочненных лемехов проводились в СПК "Красный Рог" Почепского района Брянской области. Акт о проведении полевых испытаний приведен в приложении.

Апробация. Результаты исследований ежегодно докладывались на научных конференциях кафедры "Технологии материалов, надежности, ремонта машин и оборудования" Брянской государственной сельскохозяйственной академии в 2003-2006 годах, а также Белгородской ГСХА в 2005 году.

Основные положения выносимые на защиту:

- увеличению наработки лемехов из среднеуглеродистой стали способствует снижение связности почвы в контактном слое почвенного пласта на основе формирования барьерной поверхности трения методом шаговой наплавки, термоупрочнения основного металла околошовной зоны и наплавленного валика путем самоохлаждения;

- формирование наплавленных валиков в качестве барьеров на пути трения создает эффект частичного крошения и разрушения контактной поверхности почвенного пласта в активном слое почвенной массы, что способствует снижению закрепленности абразива в зоне контакта с рабочей поверхностью лемеха;

- формирование наплавленных валиков в качестве барьеров на пути трения создает условия для снижения скорости перемещения частиц почвенной массы в некоторой области подошвы лемеха вплоть до нулевого уровня, что приводит к эффекту застоя почвенной массы в отдельных участках поверхности, снижению прямого воздействия движущихся абразивных частиц на основной металл в том числе за счет образования промежуточного демпфирующего слоя.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, получено 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, основных выводов, списка литературы и приложений. Приведенный список литературы включает наименования. Работа изложена на 118 страницах, содержит 49 рисунков, 28 таблиц, 13 страниц приложений.

Основные выводы и результаты

1. На основе проведенных исследований разработана высокоэффективная технология термоупрочнения поверхности плужных лемехов методом шаговой наплавки одиночными валиками с применением электродов для сварки углеродистых сталей.

2. Установлены закономерности изменения глубины и ширины закаленной зоны термического влияния основного металла в зависимости от тепловых параметров дуги и режимов наплавки одиночных валиков покрытыми электродами.

3. Основными критериями формирования закалочной структуры в околошовной зоне термического влияния является поддержание критической скорости охлаждения основного металла посредством технологических режимов наплавки и дополнительного подстуживания.

4. Полученные изотермы расчета максимальной ширины (9,4 мм) и глубины закалки (3,3 мм) основного металла путем моделирования условий закалки углеродистой стали основаны на определении рациональных технологических режимов наплавки упрочняемой поверхности.

5. В результате термоупрочнения основного металла в околошовной зоне его микротвердость повышается в 2-3 раза, а микротвердость металла наплавленного валика увеличивается в 1,5-2 раза.

6. Невысокий уровень остаточных сварочных напряжений металла термоупрочненных плужных лемехов обосновывается особыми условиями образования зон закалки в сочетании с самоотпуском, а также незакаленными промежутками, соответствующими шаговой наплавке отдельными валиками.

7. Критерием снижения изнашивающей способности почвы является снижение ее связности путем уменьшения степени закрепленности абразивных частиц почвенной массы в зоне контактирования металлической поверхности лемеха за счет изменения особенностей трения и взаимодействия абразивных частиц между собой и металлической поверхностью по средством формирования барьеров на пути трения шаговой наплавки.

8. Формирование геометрических и прочностных характеристик поверхности трения методом шаговой наплавки барьерными валиками и созданием напряжений сжатия путем закалки основного металла увеличивает наработку на лемех практически в 2 раза по сравнению с новыми лемехами, упрочненными по традиционной технологии.

9. На основе проведенных исследований разработаны технологические рекомендации практического использования технологии применительно к упрочнению плужных лемехов путем получения более равнопрочной поверхности трения.

1. Повышение долговечности рабочих деталей почвообрабатывающих машин / Под ред. М.М. Хрущева М.: Машгиз. 1960. 199 с.

2. Синеоков Г.Н. Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. - 37 с.

3. Бернштейн Д.Б., Лискин И.В. Лемехи плугов. Анализ конструкций, условий изнашивания и применяемых материалов. Обзор, информ. М.: ЦНИИ-ТЭИ тракторсельхозмаш, 1992. (серия 2 сельскохозяйственные машины и орудия. Вып. 3) — 35 с.

4. Бернштейн Д.Б. Повышение срока службы лемехов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1998. - №7 - с. 30-33.

5. Огрызков Е.П., Лежнев Г.И. Методика исследования работоспособности лемехов. / Научные труды Омского сельскохозяйственного института // Вопросы механизации сельскохозяйственного производства / Т. 110 Омск. 1973. -с. 21-44.

6. Сидоров С.А. Методика расчета на износостойкость моно и биметаллических почворежущих рабочих органов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2003. - №12 - с. 35 - 39.

7. Токушев Ж.Е. Разработка двухслойных самозатачивающихся рабочих органов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. - №11 - с. 17-18.

8. Васильев С.П., Ермолов Л.С. Об изнашивающей способности почв // Повышение долговечности рабочих деталей почвообрабатывающих машин. -М.:- 1960.-с. 130-141.

9. Бернштейн Д.Б., Кисетова Н.И., Сорокина Е.М., Шеко И.Б. Макрогеометрия и изнашивающая способность почвенных абразивных частиц // Трение и износ. 1992. - Т. 13 - №2. - с. 333 - 339.

10. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин.-М.: 1971.

11. Агеев JI.E. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов машинно-тракторных агрегатов. -JI.: Колос. 1978.

12. ГОСТ 66 80 Плуги общего назначения и лущильники лемешные тракторные. -М: Издательство стандартов. 1980.

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

14. Петров Г.Л., Тумаров А.С. Теория сварочных процессов (с основами физической химии). М.: Высшая школа. - 1977. - 392 с.

15. Деев В.А. Оптимизация технологии восстановления дуговой наплавкой стальных валов промышленной и сельскохозяйственной техники / Автореф. дис. доктора техн. наук. Киев.: 1983 - 30 с.

16. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). М.: Машиностроение. - 1979. - 254 с.

17. Хренов К.К. Сварка, резка, пайка металлов. М.: Машиностроение. -1970.-408 с.

18. Кряжков В.М. Надежность и качество сельскохозяйственной техники. М.: В.О "Агропромиздат". - 1989. - 336 с.

19. Какуевицкий В.А. Восстановление деталей автомобилей на специализированных предприятиях. М.: Транспорт. - 1988. - 148 с.

20. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение. - 1987. - 190 с.

21. Вайнерман А.Е., Шоршоров М.Х., Веселков В.Д., Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. Л.: Машиностроение. - 1969. - 191 с.

22. Сварка в машиностроении. Справочник Т.1. / Под ред. Н.А. Ольшанского. М.: Машиностроение. 1978. - 501 с.

23. Износ деталей сельскохозяйственных машин. Под ред. М.М. Северне-ва.-М.: Колос. 1972. - 288с.

24. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука.1970.

25. Бернштейн Д.Б., Лискин И.В., Лемехи плугов. Анализ конструкций, условий изнашивания и применяемых материалов: Обзор, информ. М.: ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш. - 1992. (Сер.2 Сельскохозяйственные машины и орудия. Вып. 3).

26. Патент РФ № 2127501, Кл. 6 А 001 В 15/04 Плужный лемех / Бойков

27. B.М., Беднов А.Н., Старцев С.В., Глинских А.Е., Самойлов А.А., Харитонов1. C.Д./ Опубл. 20.03.99.

28. Зацаринин А.А. Повышение ресурса трапецеидальных лемехов плугов общего назначения / Автореф. дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук -Саратов. -2006.

29. Патент РФ № 2035849 Кл. 6А 01 В 15/04. Плужный лемех / Аникин А.С., Слюсарепко В.В., Мананникова Т.В. / опубл. 27.05.95.

30. Патент РФ №2184639, Кл. В23 К 9/04 Способ наплавки износостойких покрытий / Стребков С.В., Булавин С.А., Макаренко А.Н., Горбатов С.А. / опубл. 10.07.2002.

31. Патент РФ № 2274526 Кл. В 23 К 9/04; В 23 Р 6/00 Способ упрочнения лемехов плугов из среднеуглеродистных и высокоуглеродистых сталей / Михальченков A.M., Танеев Ю.М., Будко С.И., Капошко Д.А. / опубл. 20.04.2006. Бюл №11.

32. Орлов Б.Н. Прогнозирование долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих машин / Автореф. дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. наук.- М.-2004.

33. Шитов А.Н. Повышение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин с применением импульсного электроконтактного нагрева / Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук М.: - 2005.

34. Патент РФ №2270259 Кл. С 21 Д 1/09; С 21 Д 9/1.8; В 23 К 9/04 Способ упрочнения деталей из среднеуглеродистых и низкоуглеродистых сталей / Михальченков A.M., Танеев Ю.М., Лямзин А.А., Будко С.И., Капошко Д.А. Опубл 20.02.2006. Бюл. №5.

35. Карягин В.А. Применение высокопрочного чугуна для изготовления лемехов плугов общего назначения / Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук Саратов, - 1995г.

36. Ларин Г.И. Исследование изнашивания рабочих органов плугов на почвах лесной зоны / Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук -М.: 1973.

37. Патент РФ №2131651 Кл. 6 А 01 В 15/02, В 21Н 7/06, В 21 К 19/02 Лемех почворежущего инструмента и способ его изготовления / Бойков В.М., Беднов А.Н., Старцев С.В., Павлов А.В. Опубл. 20.06.99.

38. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. Р.А. Макарова М.: Машиностроение. - 1975. - 288 с.

39. Михальченков A.M., Комогорцев В.Ф., Капошко Д.А. Остаточные напряжения и твердость плужных лемехов / Достижения науки и техники в АПК. -№11.-2004.

40. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник / М.Л. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. М.: Машиностроение. - 1989. - 240 с.

41. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. М.: Машиностроение. - 1983. - 248 с.

42. Клокова Н.П. Современное состояние и перспективы разработки тензорезисторов // Измерительная техника. 1984. - № 7 - с. 39-42.

43. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. -М.: Машиностроение. 1989. - 640с.

44. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос. - 1973. - 324с.

45. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. - 1976 - 246с.

46. Зайдель А.Н. Экспериментальные оценки ошибок измерений. Л.: Наука. - 1976. - 364 с.

47. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/ Под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахшмадта. М.: Машиностроение. - 1980. - 783 с.

48. Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки / Учебное пособие. СПб.: Политехника. - 2003. -344 с.

49. Закс И.А. Электроды для сварки сталей и никелевых сплавов: Справочное пособие. СПб: "WELKOME" 1996. - 384 с.

50. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке.: Машгиз.1951.

51. Кархин В.А. Тепловые основы сварки. Учебное пособие / ЛГТУ. Л.:1990.

52. Христофис Б.О. Создание алгоритмического сопровождения технологии поверхностной закалки углеродистых сталей для гибких модулей плазменной обработки / Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. СПб -2003.-16 с.

53. Буденко С.Ф. Упрочнение восстанавливаемых деталей сельскохозяйственной техники локальным нагревом плазменной дугой / Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Ленинград - Пушкин. - 1987. - 16 с.

54. Зуев А.А. Технология машиностроения 2-е изд., СПб.: "Лань". 2003. -496 с.

55. Соснин Н.А., Ермаков С.А. Механизация и автоматизация технологических процессов сварочного производства. Выбор и расчет оптимальных режимов / Учебн. пособие. СПб.: Из-во Политехнического университета. -2003. 84 с.

56. Михальченков A.M., Капошко Д.А. Выбор геометрии нанесения швов армирования при упрочнении плужных лемехов // Бюллетень научных работ Белгородской государственной сельскохозяйственной академии Выпуск 3. -Белгород - 2005. - с. 80-84.

57. Михальченков A.M., Капошко Д.А. Повышение ресурса лемехов плужных корпусов сварочным армированием // Ремонт, восстановление и модернизация. №7. - 2005 - с.20-24.

58. Михальченков A.M., Капошко Д.А. Остаточные напряжения в плужных лемехах до и после сварочного армирования // Ремонт, восстановление и модернизация. №10. - 2006. - с. 44-45.

59. Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. - Кн. 1. - 1982. - 528 с.

60. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е перераб. и доп. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Конструкционная прочность. М.: Машиностроение. - 368 с.

61. Барташев Л.В. Справочник конструктора и технолога по технико-экономическим расчетам. М.: Машиностроение. - 1979. - 221 с.

62. Расчеты экономической эффективности новой техники Справочник / Под ред. К.М. Великанова. Л.: Машиностроение. - 1975. - 432 с.