Введение
Важнейшим направлением совершенствования технического уровня почвообрабатывающих машин является повышение ресурса их рабочих органов. В результате интенсивного абразивного изнашивания изменяются геометрия режущей части и общие размеры рабочих органов, что является причиной нарушения агротехнических требований, снижения качества обработки почвы, повышения энергетических затрат [3]. Вынужденная частая замена деталей рабочих органов снижает производительность труда и повышает затраты на обработку [6]. Например, как показывают расчёты, исходя из существующих ресурсов и цен деталей рабочих органов плуга, на каждые 100 га вспашки требуется денежных затрат только на их замену не менее 5 тыс. руб. и не менее 4 чел.-ч. трудозатрат. В масштабах страны эти цифры достигают примерно 6 млрд. руб. и дополнительную потребность около 3 тыс. механизаторов. Использование импортной техники повышает материальные затраты на замену рабочих органов не менее чем в 2 раза по сравнению с отечественными рабочими органами.
Материалы и методы
В связи с этим достаточно остро стоит вопрос о разработке и выпуске в стране высококачественных и высокоресурсных почворежущих рабочих органов, обеспечивающих соблюдение агротехнических требований при обработке, обладающих ресурсом не ниже лучших зарубежных образцов и конкурентоспособных с точки зрения их стоимости. В общем случае ресурс рабочих органов является функцией следующих основных изменяющихся параметров: где Т – ресурс, ч., га; И – износостойкость материала рабочего органа, ч/г, ч/мм; т – изнашивающая способность почвы, г/ч, мм/ч; р – давление почвы на рабочую поверхность рабочего органа, МПа; ν – скорость перемещения рабочего органа относительно почвы, км/ч; η1…ηn – коэффициенты, характеризующие изменение основных параметров в зависимости от состояния почвы, состава материала рабочих органов и режимов его термообработки, конструктивных параметров рабочих органов и др. Управлять ресурсом рабочих органов будет возможно, если будут установлены общие закономерности обеспечения работоспособности и характера изнашивания их в почве. Относительная износостойкость материалов и изнашивающая способность абразива (почвы) не есть величины постоянные. Они изменяются в зависимости от давления абразива на рабочий орган.
Результаты
Отсутствие достаточно простой методики определения интенсивности изнашивания и ресурса рабочих органов сдерживает разработку и обоснование применения новых материалов и технологий при упрочнении рабочих органов с целью повышения их ресурса. Именно эти обстоятельства привели к тому, что в настоящее время, в частности, на отечественных плугах используются лемеха, конструкционные и материаловедческие параметры которых были разработаны более 40 лет назад, хотя режимы их использования в значительной мере изменились. Возросли скорости обработки, увеличилась масса машин, а, следовательно, и уплотняемость почв в период обработки, особенно при уборке урожая. Все это увеличивает нагрузки на рабочие органы, повышение давления при работе и, соответственно, повышение скорости изнашивания. Характерной особенностью почворежущих рабочих органов является то обстоятельство, что они имеют сравнительно большую площадь контакта с обрабатываемой почвой, при этом нагрузки на отдельные участки рабочей поверхности в значительной мере отличаются одна от другой. У лемеха плуга, например, наибольшее давление на носке. На лезвии оно значительно меньше. В связи с этим и интенсивность изнашивания различных участков не одинакова. Следствием этого является выбраковка рабочих органов по износу одного, сравнительно не большого участка, в то время как остальные участки обладают большим остаточным ресурсом. Именно на примере лемеха рассмотрим методику прогнозирования ресурса в зависимости от видов почв, на которых он используется, материалов, из которых он изготавливается и которые используются для его упрочнения, а также изменения некоторых конструкционных параметров.
Результаты
В результате исследований изнашиваемости различных материалов на установке ИМ-01 конструкции ВИСХОМа, исследований интенсивности изнашивания рабочих органов в полевых условиях, а также используя материалы исследований других авторов [1, 7], разработано математическое выражение абразивного износа рабочих органов в зависимости от ряда параметров. Величина износа в общем случае определяется по формуле: Долговечность рабочего органа можно определить по формуле: где И – износ на наиболее изнашиваемом участке рабочего органа, см; Ипр – предельный износ рабочего органа на наиболее изнашиваемом участке, см; Т – долговечность рабочего органа, ч; кэт – коэффициент пропорциональности изнашивания эталонного образца при эталонных условиях, кэт = 0,016 см/МПа км; m – относительная изнашивающая способность почвы по механическому составу при эталонном давлении абразива; η1 – коэффициент, учитывающий изменение относительной изнашивающей способности почвы в зависимости от давления; р – давление почвы (абразива) на наиболее изнашиваемом участке рабочего органа, МПа; νп – поступательная скорость движения рабочего органа, км/ч; t – время работы рабочего органа, ч; εэт – относительная износостойкость материала при эталонных условиях испытаний; η2 – коэффициент, учитывающий изменение относительной износостойкости материала в зависимости от давления; χ – отношение относительной скорости перемещения пласта почвы по поверхности рабочего органа к поступательной скорости рабочего органа. В качестве эталонного материала принята сталь 45 твердостью HRB 90 (НВ 180). За эталонные условия изнашивания приняты: давление рэт = 0,1 МПа; абразив – частицы кварца размером 0,16…0,32 мкм, относительная изнашивающая способность абразива m = 1, νп = 1 км/ч. Аналитическое выражение зависимости относительной износостойкости сталей, из которых, как правило, изготавливаются рабочие органы почвообрабатывающих машин, от их химического состава и твёрдости, представляется эмпирическим уравнением [7]: где ε – относительная износостойкость стали (эталон сталь 45 твёрдостью HRB 90, абразив – кварц 0,16…0,32 мкм, давление абразива – 0,33 МПа); Х1 – содержание углерода, %; Х2 – содержание хрома, %; Х3 – твёрдость, в единицах HRC.
Обсуждение
Постоянными легирующими элементами в сталях являются марганец и кремний, однако, положительно влияя на некоторые характеристики сталей, на их износостойкость эти элементы практически не влияют. Содержание в сталях таких элементов, как вольфрам, молибден, ванадий положительно влияют на износостойкость в случаях, когда твёрдость сталей превышает HRC 60. При меньшей твёрдости их влияние на износостойкость не велико [2, 5]. Учитывая, что нагрузка и интенсивность изнашивания носовой части лемеха в значительной мере отличается от нагрузки и интенсивности изнашивания лезвийной части, расчёт долговечности лемеха определяется по двум критериям – износу носовой части и износу лезвийной части.
Обсуждение
Допустимый износ носовой части определяется разностью первоначальной высоты носка Н и допустимой высоты Ндоп. носка. Допустимый износ лезвийной части определяется также разностью первоначальной ширины лезвийной части h и допустимой ее ширины hдоп. или допустимой толщиной лезвия «a» (рис. 1). Рисунок 1 – Выбраковочные параметры лемеха Долговечность лемеха по износу носовой части определяется по формуле [4]: где Wн – долговечность носовой части, га; А – производительность плужного корпуса, га/ч; Н-Ндоп – допустимый износ по высоте носка, см. Долговечность лемеха по износу лезвийной части определяется соответственно по формуле: где h-hдоп – допустимый износ по ширине лезвийной части, см. В большинстве случаев лемеха выбраковываются не по износу лезвийной части по ширине, а по предельной толщине лезвия. Долговечность лемеха по предельной толщине лезвия лезвийной части определяется по формуле: где а – предельная толщина лезвия лемеха для данных условий вспашки, см; в – начальная толщина лезвия нового лемеха, см; α – угол заточки лемеха. Как видно из выражений 5, 6 и 7 долговечность лемеха прямо пропорциональна относительной износостойкости материала и обратно пропорциональна изнашивающей способности почвы, давлению абразива, скорости плуга и углу заточки лезвия. Чем больше угол заточки, тем быстрее лезвие достигнет предельной толщины и будет выбраковано по причине его плохого заглубления.
Выводы
Таким образом, упрочнив носовую часть опытного лемеха, его ресурс по сравнению с серийным неизношенным лемехом может быть повышен не менее, чем в 4…5 раз. Решить вопрос повышения долговечности лемеха возможно: за счёт упрочнения носка, лезвия, или одновременного упрочнения того и другого, исходя из обеспечения равностойкости носка и лезвия.