Assessment of Durability and Service Life of Two-Layer Hardened Earth Cutters in Various Soil Conditions

Texto integral

Введение

Лезвийные рабочие органы (лемеха, долота, лапы, ножи, диски, фрезы и др.) во многом обеспечивают эффективность почвообрабатывающих операций.

Известно, что создание двухслойных, как правило, упрочненных наплавочными твердосплавными покрытиями лезвийных режущих рабочих органов почвообрабатывающих машин является одним из наиболее эффективных способов повышения их износостойкости и общего ресурса [1–4].

Оценка эффективности использования в эксплуатационных условиях двухслойных и, в целом, упрочненных изделий является важным фактором, часто определяющим экономическую целесообразность применения тех или иных упрочняющих технологий и материалов.

Многолетние наблюдения за результатами испытаний двухслойных почворежущих рабочих органов показали, что при изменении почвенных условий относительная износостойкость (в том числе для монометаллического неупрочненного аналога) одних и тех же деталей может существенно изменяться [5–7]. Это, соответственно, влияет на характеристики эффективности использования новых упрочненных изделий.

Целью исследования является изучение влияния почвенных условий на значения коэффициентов относительной износостойкости различных материалов двухслойных лезвийных почворежущих деталей, сравнительная оценка их ресурса и эффективности применения.

Обзор литературы

Вопросами оценки износостойкости и ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин занимался ряд отечественных ученых, таких как М. Н. Тененбаум, А. Н. Розенбаум, Д. Б. Бернштейн, В. Н. Ткачев, А. Ш. Рабинович, М. Н. Ерохин, В. Н. Винокуров, В. С. Новиков и японские специалисты А. Хосуи, О. Морегаги.

В работах Д. Б. Берштейна, С. А. Сидорова, Д. А. Миронова, В. Н. Ткачева, А. Ш. Рабиновича и др. показаны преимущества использования двухслойных наплавленных почворежущих рабочих органов сельскохозяйственных машин [1; 2; 4; 6].

Труд А. Ш. Рабиновича посвящен общей теории формирования почворежущего лезвия [6].

В трудах М. М. Тененбаума, А. Н. Розенбаума, С. А. Сидорова, Я. П. Лобачевского с соавторами, Д. Б. Берштейна, японских ученых и др. отмечалось явление непостоянства относительной износостойкости материалов [8–11].

Последние исследования были уточнены и развиты авторами как с теоретической, так и с практической стороны [12–16]. Даны ссылки на практические рекомендации с учетом работ В. Н. Винокурова, связанных с анализом изнашивающей способности почв и разработок М. Н. Ерохина, В. С. Новикова [17–20].

Материалы и методы

Известно, что величина износа определяется по следующей зависимости:

U = C · P · τ,                  (1)

где U – износ в направлении действия удельного давления, мм; Р – удельное давление, Мпа; С – переходной коэффициент, зависящий от характеристик используемых материалов, свойств почвы, эксплуатационных условий и др.; τ – наработка на рабочий орган [7–10].

В приведенной зависимости удельное давление Р пропорционально величине твердости почвы, скорости обработки, значениям угла резания и изменяется достаточно прогнозируемо. Величина наработки и соответствующие ей значения износов изменяются линейно.

При оценке изнашивания почворежущих рабочих органов необходимо определить коэффициент C и, соответственно, факторы, влияющие на его изменение. Именно этот коэффициент при изменении почвенных и отчасти эксплуатационных условий подвергается наиболее значимым изменениям.

С физической точки зрения коэффициент C характеризует изнашивающую способность материалов граней (при двухслойном лезвии материалов основы и упрочняющего режущего слоя соответственно) рабочих органов почвообрабатывающих машин в определенных почвенных условиях.

Основным фактором, значительно влияющим на показатель коэффициента С, необходимо принять изнашивающую способность почвы λ, имеющую определение:

λ – износ по толщине элементарной площадки, вырезанной из лезвийной части рабочего органа, изготовленного из отечественной стали 45 или ее аналога с твердостью HRC 40, эксплуатирующегося при эталонном давлении Р_э = 0,1 МПа и пути трения 25 000 м (что примерно соответствует наработке в 1 га для лемеха плуга), мм/га» [9; 10].

Величина λ определяется по следующей эмпирической формуле [9; 10]:

λ= (Х² + 0,08 · У + 1,5 · Z) ·T^1/4, мм/га, (2)

где Х, У, Z – процентное содержание в почве (по массе) соответственно песка, глины и мелких каменистых включений (гравия, гальки и пр.) в долях от единицы, то есть Х + У + Z = 1; Т – твердость почвы на глубине обработки, МПа¹.

В соответствии с классификацией почв по механическому составу Н. А. Качинского², усредненные расчетные значения изнашивающей способности различных видов почв (глинистых, суглинистых, супесчаных, песчаных и др.) могут колебаться в широких пределах – от 0,12 до 0,85 мм/га [9; 10].

Коэффициент C, как отмечалось выше, имеет ту же физическую природу, что и показатель «изнашивающая способность почвы», только с учетом износостойкости конкретного материала и величины реального удельного давления:

$C=\frac{\lambda }{P_{Э}{К}_{И}{К}_{\tau }{К}_{Р}},\frac{мм}{МПа\cdot Га}$ ,        (3)

где Р_э = 0,1 – эталонное удельное давление, Мпа; К_и – коэффициент относительной износостойкости материала при удельном давлении 0,10–0,12, МПа (К_и = 0,9–1,8 для конструкционных и высокопрочных сталей; К_и = 3,4 для твердого сплава ПГ-С1 «сормайт» [2; 9]; К_и = 3,9 для твердого сплава ФБХ-6-2; К_и = 4,8–6,2 для твердых сплавов с добавками карбида вольфрама); К_τ – коэффициент приведения, соответствующий наработке 1 га [10; 16; 17].

К_τ =$\frac{d\pm m}{\mathrm{0,4}}$ ,                   (4)

где 0,4 – примерная ширина захвата лемешного корпуса, м; d – ширина захвата исследуемого рабочего органа, м; m – величина перекрытия (–) или растояния (+) между рядом идущими рабочими органами, м; К_P – коэффициент, учитывающий изменение коэффициента относительной износостойкости при изменении величины удельного давления [9; 10].

В данном случае именно этот коэффициент корректирует изменения приведенного выше коэффициента относительной износостойкости К_и конкретного материала в зависимости от величины удельного давления [9; 10].

Значение корректирующего коэффициента К_P отражает влияние плотности (твердости) почвы и некоторых других факторов на относительную износостойкость материалов рабочих органов, воздействующих на почвенный слой.

Следует отметить, что явление коррекции параметров износостойкости материалов при изменении значений прилагаемых износных нагрузок (удельных давлений) было известно и ранее. В частности, японскими и российскими учеными было установлено, что в эксплуатационных условиях жесткого абразивного воздействия коэффициенты относительной износостойкости К_и различных разнородных материалов при росте удельных износоабразивных нагрузок сближаются³ [2; 9; 10; 11]. Данный факт можно объяснить особенностью воздействия абразивных частиц при реализации физических процессов микрорезания и усталостного выкрашивания⁴ [8]. При приложении больших нагрузок более износостойкий материал, в сравнении с менее износостойкими, имеет лучшие характеристики относительно аналога, но уже не столь высокие различия, как при воздействии существенно меньших нагрузок.

При увеличении прилагаемых нагрузок на идентичные абразивные частицы агрессивность воздействия (характеризующая величины износов) последних на разнородные по противоизносным свойствам материалы отличается не так сильно, как при относительно меньшем удельном нагружении.

Очевидно, что при росте действующих нагрузок величины микрообъемов, отделяемых за цикл изнашивания абразивными частицами различных материалов изделия, изменяются не прямо пропорционально абразивным свойствам, характерным для них при воздействии относительно меньших нагрузок.

На данном физическом явлении – изменении уровня сопротивления абразивному изнашиванию материалов в зависимости от значений прилагаемых абразивных нагрузок – и основывается объяснение имеющихся важных различий в относительных сравнительных (именно сравниваемых между собой) показателях изменения (повышения) ресурса по износостойкости почворежущих деталей, изготовленных и упрочненных по различным вариантам, при изменении почвенных условий.

Результаты исследования

Многолетние результаты ресурсных испытаний и исследований почворежущих рабочих органов как монометаллических (однослойных), так и биметаллических (двухслойных, наплавленных), проведенных при различных почвенных условиях на полигоне ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», подтверждают верность приведенных выше зависимостей и научных обоснований. Обобщенные данные о сравнительном ресурсе по критерию предельного износа наиболее распространенных лезвийных почворежущих рабочих органов в различных почвенных условиях приведены в таблице.

 

Таблица Результаты сравнительных ресурсных износных испытаний рабочих органов почвообрабатывающих машин, изготовленных с использованием различных материалов и упрочняющих технологий

Table The results of comparative resource wear tests of the working bodies of tillage machines, made using various materials and hardening technologies

 

№	Вид рабочего органа, материал, упрочняющая технология /Type of working body, material, hardening technology	Ресурс по износостойкости, га /Wear resistance resource, ha		Усредненный коэффициент повышения ресурса относительно базового (серийного) варианта / Average coefficient of resource increase relative to the basic (serial) version		Усредненное значение приведенного коэффициента относительной износостойкости (Ки × КP) покрытия /Average value of the relative wear resistance reduced coefficient (Ки × КP) of the coating
		На легких (0,7–2,0 МПа) почвах, га /On light (0.7–2.0 MPa) soils, ha	На тяжелых (2,3–4,5 МПа) почвах, га /On heavy (2.3–4.5 MPa) soils, ha	На легких (0,7–2,0 МПа) почвах, га /On light (0.7–2.0 MPa) soils, ha	На тяжелых (2,3–4,5 МПа) почвах, га /On heavy (2.3–4.5 MPa) soils, ha	На легких (0,7–2,0 МПа) почвах, га /On light (0.7–2.0 MPa) soils, ha	На тяжелых (2,3–4,5 МПа) почвах, га /On heavy (2.3-4.5 MPa) soils, ha
1	Лемех плуга долотообразный, серийный, ненаплавленный, из сталей Л53, 65Г / The chisel-shaped serial not welded, plow share from L53, 65G steels	4,00–10,50	17,00–21,00	1,00	1,00	–	–
2	Лемех плуга долотообразный, серийный, наплавленный сплавом ПГ-ФБХ-6-2, из сталей Л53, 65Г / The chisel-shaped, serial welded alloy PG-FBH-6-2, plow share from L53, 65G steel	11,00–27,00	32,00–40,00	2,60–2,80	1,70–1,90	3,70–4,00	2,20–2,40
3	Накладное долото трапециевидного лемеха плуга монометаллическое, из сталей 65Г, 30ХГСА / Mono-metal overhead chisel of trapezoidal plow share from 65G, 30HGSA steel	3,00–6,00	9,50–13,50	1,00	1,00	–	–
4	Накладное долото трапециевидного лемеха плуга, наплавленное сплавом ПГ-ФБХ-6-2, из стали 30ХГСА / Overhead chisel of a trapezoidal plow share fused with PG-FBH-6-2 alloy, made of 30HGSA steel	7,50–14,00	15,00–22,50	2,30–2,50	1,50–1,65	3,50–3,80	2,00–2,20
5	Лапа культиватора КПС-4 шириной 330 мм монометаллическая, серийная, из стали 65Г / KPS-4 cultivator paw 330 mm wide monometallic serial made of 65G steel	11,50–15,00	24,00–26,00	1,00	1,00	–	–
6	Лапа культиватора КПС-4 шириной 330 мм, наплавленная сплавом ПГ-ФБХ-6-2, из стали 65Г / KPS-4 cultivator paw 330 mm wide surfaced with PG-FBH-6-2 alloy made of 65G steel	33,00–39,50	41,00–49,00	2,70–2,90	1,70–2,00	3,80–4,00	2,30–2,60

 

Следует отметить, что легкие почвы (песчаные, супесчаные, легкий суглинок), как правило, имеют более высокую изнашивающую способность вследствие наличия в своем механическом составе большого количества агрессивных кварцевых частичек физического песка [12; 15]. Исключения из этой ситуации могут  проявляться в условиях тяжелых сухих суглинков или черноземов.

На рисунке приведен вид наложенных друг на друга изношенных монометаллических и двухслойных наплавленных накладных долот лемехов  плугов, эксплуатирующихся в различных почвенных условиях.

 

 

 

 

Рис. Изношенные монометаллические (1) и наплавленные двухслойные (2) идентичные
накладные долота плугов после наработки 5–6 га в условиях эксплуатации на следующих типах
почв: a) на легких песчаных, Т = 0,8–1,8 МПа; b) на среднесуглинистых, Т = 2,1–2,9 МПа;
c) на тяжелых суглинистых, Т = 3,3–4,8 МПа

Fig. Comparative types of worn-out monometallic (1) and deposited two-layer (2) identical overhead
plows’ bits after processing 5–6 ha in operating conditions on the following soil types:
a) on light sand, T = 0.8–1.8 MPa; b) on medium loamy soil, T = 2.1–2.9 MPa;
c) on heavy loamy soil, heavy clay soil, T = 3.3–4.8 MPa

 

 

Как видно из рисунка и анализа таблицы, при росте действующих удельных нагрузок, пропорциональных твердости почвы, коэффициенты относительной износостойкости материалов основы и упрочняющего слоя рабочих органов существенно изменяются в сторону сближения. При этом очевидно, что максимальное повышение ресурса наплавленных упрочненных изделий имеет место в условиях эксплуатации на легких песчаных, супесчаных, легкосуглинистых почвах. Экспериментально установлено, что отличие коэффициентов относительной износостойкости сравниваемых материалов в различных почвенных условиях в пределе может достигать величины 1,80–1,85.

Исходя из результатов экспериментальных данных для коэффициента К_P в выражении (3), можно предположить следующую эмпирическую зависимость:

$K_p=\mathrm{1,15}-\mathrm{1,3}P+\mathrm{0,7}{P}^2$ .         (5)

Соответственно, максимальные величины удельных давлений Р, действующие на верхнюю и нижнюю (Р₁ и Р₂) грани почворежущего лезвия, определяются по зависимостям [4]:

P₁ = (0,025 ‒ 0,045) × (1 + 0,01ε₀) × (1 + 0,1v) × (0,8 + T), МПа,     (6)

P₂ = (0,05 ‒ 0,07) × (1 + 0,01ε₀) × (1 + 0,1v) × (1,3 + T^1,5), МПа, (7)

где Т – твердость почвы, МПа; ε₀ – угол установки рабочего органа, град; v – скорость обработки почвы, м/с; значения Р могут находиться в пределах Р Î [0, 07–0, 95], Мпа.

Представленные объективные закономерности следует учитывать при расчете экономической эффективности использования и целесообразности применения новых разрабатываемых почворежущих рабочих органов. Как известно, экономическая эффективность использования новых изделий пропорциональна соотношению цена/ресурс [14; 15]. В частности, в отдельных случаях желательно для разработки и изготовления новых упрочненных рабочих органов почвообрабатывающих машин, особенно эксплуатирующихся на тяжелых почвах, использовать более износостойкие высокопрочные стали [18–20], а в железоуглеродистые наплавочные сплавы добавлять литой карбид вольфрама [17‒20].

Обсуждение и заключение

Коэффициенты относительной износостойкости материалов (сталей, упрочняющих твердых сплавов) почворежущих рабочих органов не являются постоянными величинами, а меняются при вариации действующих поверхностных удельных давлений, пропорциональных и зависящих в основном от твердости обрабатываемой почвы.

Установлено, что в реальных почвенных условиях коэффициенты относительной износостойкости упрочняющих твердосплавных материалов и материалов основы (стали) при повышении твердости обрабатываемой почвы и соответствующих удельных давлений сближаются. Различие в коэффициентах относительной износостойкости сравниваемых материалов почвообрабатывающих рабочих органов может доходить до 1,80–1,85 раза.

Соответственно, при эксплуатации в тяжелых почвенных условиях (Т >  2,5–3,0 МПа) эффективность применения упрочняющих технологий, в частности наплавочных, несколько снижается. Этот факт должен учитываться при подборе материалов основы и упрочняющего «режущего» слоя двухслойных биметаллических почворежущих деталей.

 

 

¹           Сидоров С. А. Повышение долговечности и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, применяемых в сельском и лесном хозяйствах: дис. … д-ра техн. наук. М., 2007. 441 с.

²           Качинский Н. А. Физика почв. М.: Высшая школа, 1969. 358 с.

³           Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с японского В. Н. Попова. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.; Тененбаум М. Н. О непостоянстве относительной износостойкости // Повышение износостойкости и долговечности режущих элементов сельскохозяйственных машин. М.: ВИСХОМ, 1971. С. 57–63.

⁴           Рабинович И. П., Тененбаум М. М., Торнер Р. В. Исследование материалов деталей сельхозмашин. М.: ВИСХОМ, 1969. 205 с.

 

Sobre autores

Sergey Sidorov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vestnikC_mrsu@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-7638-2020
Researcher ID: AAN-6236-2020

Head of the Laboratory of the Elementary Base of Tillage Machines, D.Sc. (Engineering)

Rússia, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Denis Mironov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Autor responsável pela correspondência
Email: mironov-denis87@mail.ru
ORCID ID: 0000-0001-9380-2026

Senior Researcher of the Laboratory of the Elementary Base of Tillage Machines, Cand.Sc. (Engineering)

Rússia, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Yuliya Tsench

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vimasp@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-3214-4725
Researcher ID: H-5855-2018

Deputy Director for Education and Editorial and Publishing Activities, Cand.Sc. (Pedagogy)

Rússia, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Anastasiya Mironova

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: timchenko-anastasia93@mail.ru
ORCID ID: 0000-0003-1390-1812

Researcher of the Laboratory of the Elementary Base of Tillage Machines

Rússia, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Bibliografia

Arquivos suplementares