123642 (Підвищення довговічності лап культиваторів композиційними покриттями перемінного складу)

КІРОВОГрадський Національний технічний університет

Саінсус олександр Дмитрович

УДК 621.793.8

Підвищення довговічності лап культиваторів композиційними покриттями перемінного складу

Спеціальність 05.05.11- Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кировоград-2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі експлуатації та ремонту машин Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, член – кореспондент УААН, Черновол Михайло Іванович, Кіровоградський національний технічний університет, ректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Козаченко Олексій Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідувач кафедри технічної експлуатації машин та устаткування;

кандидат технічних наук, доцент Новицький Андрій Валентинович, Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, м. Київ, доцент кафедри стандартизації і ремонту машин

Захист відбудеться 20 червня 2008 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, проспект Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, проспект Університетський, 8.

Автореферат розісланий 16 травня 2008 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лапи культиваторів є однією з найбільш масових деталей робочих органів сільськогосподарських машин. У процесі взаємодії з ґрунтом їх ріжучі кромки підлягають інтенсивному абразивному зношуванню. Внаслідок малих термінів служби витрачається велика кількість лап у вигляді запасних частин, виробництво яких потребує значної кількості якісного металу. Відповідно до технічних вимог гарантійне напрацювання стрільчастих лап культиватора повинно бути не меншим 25 га. Разом з тим, як показує практика експлуатації таких лап, їх напрацювання на відмову на різних ґрунтах не перевищує 14-19 га.

На сьогодні не існує універсальних рекомендацій щодо підвищення довговічності лап культиваторів. Їх наробіток залежить від конкретних умов експлуатації, оброблюваного ґрунту, матеріалів основи та зміцнюючого покриття, співвідношення між їх товщинами, кутів заточування тощо.

У результаті ряду фундаментальних досліджень розроблена та широко використовується в сільськогосподарському машинобудуванні технологія індукційного наплавлення лез лап культиваторів, яка забезпечує певне підвищення зносостійкості та досягнення явища самозаточування. У той же час проблема підвищення довговічності культиваторних лап залишається актуальною – їх зносостійкість не відповідає вимогам, а вартість наплавлювальних матеріалів суттєво високою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державної цільової програми № 062 «Програма виробництва технологічних комплексів, машин та обладнання для агропромислового комплексу» на 1998-2005 рр. (Постанова Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. за №403), з планом науково-дослідних робіт Кіровоградського національного технічного університету, у тому числі держбюджетної теми «Підвищення зносостійкості деталей і спряжень сільськогосподарської техніки композиційними покриттями і матеріалами», держреєстрація №104U000633.

Мета роботи. Підвищення ресурсу стрільчастих культиваторних лап шляхом матеріалозберігаючого зміцнення – диференційованим індукцій-ним наплавленням кераміко – металевих покрить.

Задачі дослідження:

1. Провести аналіз причин втрати працездатності та особливостей зношування стрільчастих лап культиваторів і виявити можливі шляхи підвищення їх довговічності.

2. Розробити заходи підвищення зносостійкості культиваторних лап при нанесенні зміцнювальних композиційних покрить перемінного складу.

3. Визначити склад суміші і схему нанесення зносостійкого покриття для забезпечення збереження початкової форми леза при рівномірному його зношуванні уздовж ріжучої кромки.

4. Встановити закономірності зміни концентрації зносостійких наповнювачів в матеріалі наплавки для забезпечення рівномірного зносу лап.

5. Вивчити характер втрати геометричної форми зміцнених культиваторних лап, визначити їх працездатність і довговічність в умовах рядової експлуатації.

Об’єкт дослідження – процес підвищення довговічності стрільчастих лап культиваторів шляхом формування кераміко - металевих покрить.

Предмет дослідження – закономірності управління зносостійкістю лез лап культиваторів композиційними покриттями перемінного складу.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження виконувалися на основі положень землеробської механіки і матеріалознавства з використанням методик вимірювання абразивної зносостійкості, металографії, електронної мікроскопії, математичного моделювання з використанням ПЕОМ та вимірювальної техніки.

Наукова новизна отриманих результатів:

- удосконалена модель зносу стрільчастих лап культиваторів;

- уперше встановлена можливість підвищення рівномірності зносу по довжині ріжучого леза і, відповідно, довговічності стрільчастих лап культиваторів при індукційному наплавленні кераміко-металевого покриття змінного складу і властивостей;

- на рівні новизни отримано математичні залежності, які описують особливості зношування ріжучої кромки лапи культиватора та впливу на них складових композиційних покрить;

- розвинено закономірності формування зміцнюючих кераміко-металевих покрить, які утворюються у процесі індукційного наплавлення культиваторних лап;

- визначено закономірності зміни у процесі експлуатації тягового опору стрільчастих лап культиваторів з кераміко-металевими покриттями перемінного складу.

Практичне значення результатів досліджень:

- запропоновано нову методику оцінки інтенсивності абразивного зношування ріжучої кромки по довжині культиваторної лапи;

- розроблено конструкції зміцнених лап культиваторів з раціональним поєднанням керамічних і металевих складових у зміцнюючих покриттях лез лап;

- розроблено матеріалозберігаючий спосіб зміцнення культиваторних лап кераміко-металевими покриттями дискретно - перемінного складу, з підвищеною рівномірністю зносу по довжині ріжучої кромки культиваторної лапи (Патент України на винахід № 50620. Бюл. №10, 2002 р.);

- запропоновано дозуючий пристрій, який дозволяє наносити наплавлювальну шихту перемінного складу по довжині ріжучої кромки леза культиваторної лапи;

- розроблений технологічний процес підвищення довговічності культиваторних лап прийнято до впровадження на ВАТ «Червона зірка» (м. Кіровоград). Очікуваний економічний ефект від впровадження розробленої технології складає близько 3 грн. на одну лапу.

Особистий внесок здобувача. Результати проведених досліджень отримані автором самостійно. Постановку проблеми і задач досліджень виконано спільно з науковим керівником. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість використання для підвищення довговічності стрільчастих лап культиваторів кераміко-металевих покрить змінного складу, які формуються індукційним наплавленням. Проведено стендові та експлуатаційні випробування експериментальних культиваторних лап, здійснено техніко-економічну оцінку запропонованого методу.

У наукових працях, виконаних у співавторстві, авторові належить таке: аналіз існуючих способів підвищення довговічності лап культиваторів [1, 4]; спосіб зміцнення робочих органів сільськогосподарських машин шляхом зміни концентрації зміцнюючого наповнювача в покритті залежно від ступеню зносу поверхні [3]; результати лабораторних [6, 10], стендових [8], експлуатаційних [7] досліджень зносостійкості зміцнювальних покрить та експериментальних лап культиваторів; теоретичні дослідження впливу концентрації наповнювача на знос покриття [11]; принципи проектування лапи культиватора з рівномірним зносом леза по довжині [12].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на міжнародній конференції з механізації і електрифікації сільського господарства (Кишинів, 19-20 жовтня 2000 р.); міжнародній конференції «Високі технології в машинобудуванні» (Харків, 2002 р.), 5-й міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (Кіровоград, 2-4 листопада 2005 р.); 4-й міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки» (Харків, 16-17 листопада 2006 р.); 7-й міжнародній науковій конференції «Сучасні проблеми землеробської механіки» (Мелітополь, 17-18 жовтня 2006 р.), 7-й міжнародній науково-практичній конференції «Інженерія поверхні і реновація виробів» ( Ялта, 29-31 травня 2007 р.), науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського національного технічного університету (2000-2007 рр.),

Публікація результатів досліджень. За результатами досліджень опубліковано 12 статей, із них 10 у фахових виданнях, затверджених ВАК України, отримано 1 патент України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 136 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації становить 155 сторінок, включаючи 54 рисунки, 12 таблиць та 2 додатки.

Основний зміст роботи

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми, зв’язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичну значущість одержаних результатів і їх апробацію.

У першому розділі «Умови роботи лап культиваторів, їх пошкодження і методи підвищення довговічності» розглянуті конструкції лап культиваторів, умови їх роботи, зносостійкість лез та методи її підвищення.

Процесам взаємодії робочих органів з грунтом при його обробці присвячена велика кількість досліджень. Серед них можна виділити роботи Бабицького Л.Ф., Василенка П.М., Гукова Я.С., Дубровіна В.О., Ковбаси В.П., Кушнарьова А.С., Погорілого Л.В., Синєокова Г.М., Шевченка І.А. та багатьох інших вчених. Однак, розглядаючи раціональні підходи до обробітку грунту, в роботах недостатньо уваги приділялось зміні геометричної форми робочих органів в результаті зношування і втрати знаряддями працездатності. Суттєвий вклад в рішення цієї проблеми внесли Бойко А.І., Козаченко О.В., Петров М.Ю., Рабінович А.Ш., Севернєв М.М., Ткачев В.Н., Черновол М.І., та інші.

Усі напрямки підвищення довговічності лап культиваторів, які використовуються як при їх виготовленні, так і при відновленні, можна розділити на чотири групи: вишукання нових матеріалів для виготовлення лап; використання різних методів термічної і хіміко-термічної обробки; використання зміцнюючих покрить; визначення оптимальної геометрії ріжучих кромок лез лап для забезпечення їх міцності і самозаточування.

Особливу проблему представляє нерівномірність розподілення зносу лап і втрати їх початкової геометрії. Вирівнювання інтенсивностей зношування по окремим ділянкам робочих поверхонь лап може бути досягнуто відповідним розподілом зносостійкого матеріалу, який наноситься на лезо з урахуванням його фізико-механічних властивостей.

В останній час розроблена досить широка номенклатура прогресивних композиційних матеріалів, які дозволяють суттєво підвищити зносостійкість деталей в умовах абразивного зношування. Найбільший інтерес викликають композиційні матеріали системи «метал-кераміка», які, з точки зору сучасних положень теорії тертя і зношування, є найбільш прийнятними для підвищення довговічності знарядь в умовах абразивного зношування.

Однак питання проектування конструкції стрільчастої культиваторної лапи з композиційним кераміко – металевим покриттям, вибір його складу, особливості нанесення залежно від зносу леза практично не досліджені. Виходячи з проведеного аналізу та поставленої мети в роботі сформовані задачі дослідження.

У другому розділі «Теоретичне обґрунтування підвищення довговічності лап культиваторів нанесенням композиційних покрить перемінного складу» розглянуто динаміку зносу стрільчастої лапи культиватора, проведено аналіз зносу лап, які наплавлені композиційними покриттями системи «метал-кераміка» з нерівномірним розподілом зміцнюючого наповнювача по довжині леза лапи; обґрунтовано вибір технологічних параметрів індукційного наплавлення композиційних покрить; проведена оцінка зміни тягового опору зміцненої лапи культиватора.

Аналіз процесу взаємодії лапи культиватора з ґрунтом проведено на моделі клину. На основі розгляду силового впливу ґрунту на робочий орган отримано вираз загальної сили нормального тиску ґрунту на клин, а також сили тертя під час руху клину в ґрунті. Показано, що у процесі взаємодії лапи з ґрунтом змінюється профіль її різальної кромки, який набуває в перерізі форму параболи та змінюється зусилля, що діє на робочий орган.

В результаті проведеного дослідження встановлені закономірності розподілу лінійного зношування уздовж ріжучої кромки леза лапи культиватора, яке описується експоненціальним законом:

, (1)

де – величина зносу носка лапи при = 0; – твердість матеріалу лапи; – твердість абразиву; – модуль пружності матеріалу лапи; – питоме навантаження ґрунту на лапу; –ширина захвату лапи; – швидкість руху; – час обробки; – емпірична стала, що враховує конст-руктивні та експлуатаційні характеристики; – площа робочої поверхні лапи; – відстань від носка лапи вздовж її різальної кромки.