Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструкции лап, назначение, качественный анализ дефектов. Методы их предупреждения и устранения. (состояния вопроса) 11
1.1 Общие сведения о культивации 11
1.2 Орудия для проведения культивации. Рабочие органы культиваторов и особенности их эксплуатации 12
1.3 Дефекты стрельчатых культиваторных лап, причины их появления, качественный анализ. Критерии предельного состояния 20
1.4 Методы повышения долговечности культиваторных лап 22
1.4.1 Методы предупреждения образования износов культиваторных лап и торможение их развития (повышение долговечности при изготовлении) 24
1.4.2 Методы устранения приобретенных дефектов в период эксплуатации лап 29
Глава 2 Теоретические исследования процесса изнашивания культиваторной лапы при ее перемещении в массе незакрепленных абразивных частиц 35
2.1 Предпосылки к обоснованию теоретических изысканий и постановка задачи 35
2.1.1 Общие вопросы взаимодействия абразивных частиц с поверхностью трения 35
2.1.2 Исследование формы абразивных частиц 39
2.2 Теоретические исследования абразивного износа тел произвольной формы при их движении по жесткой поверхности 42
2.2.1 Условия и допущения при решении задачи о поступательном движении частицы по поверхности трения 42
2.2.2 Решение задачи 43
2.3.Теоретико-аналитическое рассмотрение задачи о влиянии формы абразивной частицы на глубину ее проникновения в контактирующую поверхность. (Применительно к рабочей области культиваторной лапы) 48
Глава 3. Методика исследований, материалы, приборы и оборудование 59
3.1 Общие вопросы методологии 59
3.2 Методика определения износов культиваторных лап 60
3.2.1 Компьютерные технологии при определении износов деталей 60
3.2.2 Методика изучения износов крыльев лап для высева семян по подготовленной почве 62
3.2.3 Применение метода лунок для определения износов стойки лапы 65
3.3 Материалы и оборудование для изготовления опытных образцов и реализации технологического процесса 67
3.3.1 Материалы для изготовления ремонтных вставок 67
3.3.2 Выбор электродных материалов для сварки и наплавки 71
3.3.3 Полимерный дисперсно-упрочненный материал для восстановления и обеспечения износостойкости крепежа лап 72
3.3.4 Оборудование, приспособления и инструмент 73
3.4 Восстановленные и упрочненные лапы для полевых испытаний (технологические варианты) 76
3.5 Особенности полевых испытаний лап культиваторов и методика определения динамики их износов 79
3.6 Методика определения равномерности износа лап в зависимости от их расположения на раме культиватора 81
3.7 Методика определения механических свойств металла культиваторных лап, вставок и сварного соединения 83
3.8 Микроструктурный анализ 85
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение 88
4.1 Статистический анализ износов стрельчатых лап культиваторов для высева семян 88
4.2 Определение количества пригодных для восстановления лап и геометрических параметров ремонтных вставок 91
4.3 Оценка механических свойств материала: лап культиваторов, ремонтных вставок и сварного соединения «материал детали – материал вставки» 94
4.3.1 Микротвердость материала лап культиватора 94
4.3.2 Оценка механических свойств материала ремонтной вставки 95
4.3.3 Оценка механических свойств материала сварного соединения 95
4.3.4 Микроструктура металла лапы, металла компенсирующего элемента и сварного соединения 101
4.4 Результаты полевых испытаний и критерии отказности культиваторных лап 104
4.4.1 Влияние специфики дефектов, приобретенных восстановленными лапами в процессе эксплуатации, на выбор способа их устранения 105
4.4.1.1 Анализ дефектов лап в состоянии поставки восстановленных без дополнительных упрочняющих воздействий 105
4.4.2 Результаты полевых испытаний лап, восстановленных и упрочненных по различным технологическим приемам 110
4.4.3 Результаты исследования износов восстановленных культиваторных лап без применения дополнительного упрочнения 112
4.4.4 Динамика и интенсивность изнашивания крыльев восстановленных и фирменных лап. Наработка до предельного состояния 116
4.4.5 Характер изнашивания эпоксидно-гравийного покрытия поверхности стойки 120
Глава 5. Реализация результатов исследований и оценка их экономической эффективности 125
5.1 Особенности технологии восстановления и упрочнения стрельчатых лап культиваторов, предназначенных для высева семян по подготовленной почве 126
5.2 Влияние расположения лап на раме изнашивание 132
5.3 Экономическая эффективность 136
Заключение 145
Список литературы 147
Приложения 162
- Методы предупреждения образования износов культиваторных лап и торможение их развития (повышение долговечности при изготовлении)
- Материалы для изготовления ремонтных вставок
- Оценка механических свойств материала сварного соединения
- Экономическая эффективность
Введение к работе
Актуальность работы. Распространение интенсивных технологий
возделывания сельскохозяйственных культур в РФ обусловило
использование посевных агрегатов, способных выполнять широкий комплекс полевых работ за один проход. При этом ряд комплексов оснащается высевающими аппаратами не традиционной конструкции, у которых функцию исполнительного элемента выполняют культиваторные лапы. Среди них наибольшее применение нашли стрельчатые лапы для высева семян по подготовленной почве. Опыт эксплуатации этих деталей на почвах нечерноземья России показал, что их ресурс сравнительно не велик и составляет не более 30 га, средняя же рыночная цена достигает до 1400 рублей. Относительно не высокая наработка до отказа и значительная цена лап остро ставит вопрос о необходимости их восстановления. Однако специфичность конструкции, предполагающая наличие семяпровода и выражающаяся в том, что крепежный элемент (стойка) выполнена полой, а также отсутствие ярко выраженных крыльев, накладывает ряд особенностей на разработку технологии восстановления. Другим фактором, оказывающим влияние на создание технологии возобновления ресурса лапы, служит то, что она производится за рубежом, и поэтому информация о дефектах, материале, методах изготовления и термообработки отсутствует и это вызывает необходимость в проведении соответствующих исследований. Исходя из изложенного, следует, что исследования, посвящённые разработке технологии восстановления таких деталей, актуальны и направлены на развитие импортозамещения в технической области сельскохозяйственного производства РФ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре технического сервиса
ФГОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет».
Исследования проводились в рамках «Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы» и направления научно-исследовательских и опытно конструкторских работ «Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции, технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники» ФГБОУ ВО Брянский ГАУ.
Степень разработанности. Разработке технологических процессов обеспечения долговечности стрельчатых лап культиваторов, а также способов повышения их стойкости к абразивному изнашиванию посвящены исследования: В.В. Булычева, М.Н. Ерохина, А.В. Коломейченко, В.П. Лялякина, А.Т. Лебедева, А.М. Михальченкова, М.Н. Фархшатова, Н.В. Титова. Теоретические аспекты взаимодействия почвенной среды с рабочими поверхностями исполнительных органов почвообрабатывающих орудий отражены в работах: В.Н. Виноградова, И.В. Крагельского, М.М. Хрущева, М.М. Тененбаума. Между тем, в исследованиях выше поименованных ученых не достаточно полно отражены вопросы восстановления деталей,
заключающегося в устранении износов различной геометрической и пространственной формации, образованных при неодинаковом влиянии абразивной массы (почвы) на отдельных участках изделия. Кроме того, известная информация в теоретических изысканиях о влиянии частиц различной формы на глубину их проникновения как критерия износостойкости неполна и в ряде случаев противоречива.
Цель исследования. Разработка технологии восстановления
стрельчатых лап культиваторов для высева семян зерновых культур по подготовленной почве.
Объекты исследования:
- технология восстановления стрельчатых культиваторных лап для
высева семян зерновых культур по подготовленной почве применением
термоупрочненных ремонтных вставок и эпоксидно-гравийного
абразивостойкого композита;
- процесс изнашивания восстановленных и упрочненных наплавочным
армированием рабочей поверхности крыльев лап и крепежных стоек с
нанесенным эпоксидно-гравийным композитом.
Предмет исследования. Оптимизация по абразивной износостойкости и ресурсу параметров технологии восстановления крыльев и крепежных стоек стрельчатых культиваторных лап.
Задачи исследования:
-
Теоретически исследовать характер абразивного изнашивания тел произвольной формы при их движении по жесткой поверхности и влияние формы абразивной частицы на глубину ее проникновения в контактирующую поверхность.
-
Разработать методику измерения износов крыльев культиваторных лап, основанную на компьютерных технологиях.
-
Провести статистический анализ дефектов лап, выявить критерии предельного состояния и определить степень пригодности к восстановлению.
-
Оценить механические свойства металлических материалов культиваторных лап и ремонтных вставок, а также их сварного соединения.
-
Провести полевые испытания восстановленных и упрочненных по различным технологическим схемам деталей и определить стойкость к абразивному изнашиванию материала ремонтных вставок и эпоксидно-гравийного покрытия.
-
Разработать и апробировать технологический процесс восстановления и определить степень его экономической эффективности.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- получено математическое выражение, устанавливающее
логарифмическую зависимость между изменением формы абразивной
частицы при ее взаимодействии с поверхностью трения, действующей
внешней силой и величиной пройденного пути;
- показано, что глубина проникновения абразива носит
экспоненциальный характер не зависимо от схем контактирования, а ее
величина может находиться в диапазоне от сотен до тысячных долей микрометров для различных геометрических форм индентора;
- выявлен характер изнашивания восстановленных и упрочненных
крыльев лап применением ремонтных вставок и стоек с нанесенными
эпоксидно-гравийными покрытиями.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные
математические выражения при проведении теоретических исследований
позволяют определить степень изнашивания рабочих поверхностей
почвообрабатывающих орудий в зависимости от формы абразивной частицы
и внешней нагрузки, а также установить длину пути, когда частица не
оказывает заметного влияния на процесс изнашивания вследствие ее форма-
изменения. Разработан технологический процесс восстановления
стрельчатых культиваторных лап для высева семян по подготовленной почве,
состоящий в устранении износов крыльев привариванием внахлест
ремонтных термоупрочненных на твердость 45-48 HRC вставок и сквозных
протираний крепежных стоек путем нанесения покрытия из
абразивостойкого эпоксидно-гравийного композита.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования
опирались на классические воззрения о природе абразивного изнашивания и
механизме контактирования частиц различной формы с рабочей
поверхностью детали почвообрабатывающей машины. В основу
математических выкладок были положены элементы теории упругости и
пластичности. Некоторые изыскания проводились с учетом теории твердого
тела. При определении износов разработана собственная методика,
основанная на компьютерных технологиях и обладающая существенными
преимуществами перед известными. Контроль сложнопрофильных
поверхностей с нанесенным эпоксидно-гравийным покрытием
осуществлялся методом лунок. Механические свойства материалов
оценивались по твердости, микротвердости и путем микроанализа.
Разработана конструкция кондуктора для приваривания ремонтных вставок к
рабочей поверхности изношенной культиваторной лапы. Полевые испытания
проводились на супесчаных почвах в период весенних полевых работ и
учитывали весь комплекс факторов, характеризующих процесс культивации;
испытывались лапы, восстановленные и упрочненные по семи
технологическим вариантам. В качестве ремонтных материалов
использовались: рессорно-пружинная сталь твердостью 45-48 HRC; эпоксидно-гравийный композит, в котором содержится не менее 50 мас.ч. эпоксидной компоненты; электроды с малоуглеродистым стержнем (для сварки); электроды с карбидными составляющими в структуре (для упрочнения).
На защиту выносится:
- теоретические исследования изнашивания рабочей поверхности
культиваторной лапы при ее перемещении в незакрепленном абразиве с
изменяемыми формами частиц;
- методика измерения износов культиваторных стрельчатых лап с
использованием компьютерных технологий;
- процесс износа восстановленных методом ремонтных вставок
поверхностей трения лап термоупрочненной на твердость 45-48 HRC
рессорно-пружинной сталью и композиционным материалом на основе
эпоксидной смолы и гравийной крошки;
- технологический процесс восстановления стрельчатых
культиваторных лап для высева семян по подготовленной почве,
заключающийся в устранении износов крыльев привариванием внахлест
ремонтных термоупрочненных на твердость 45-48 HRC вставок и сквозных
протираний стоек путем нанесения покрытия из абразивостойкого
эпоксидно-гравийного композита с содержанием наполнителя в количестве
50 мас.ч. и размером частиц 2,0-2,5 мм.
Личный вклад автора: принято участие в решении теоретических вопросов; разработана методика определения износов стрельчатых культиваторных лап для высева семян по подготовленной почве с использованием компьютерных технологий; проведены экспериментальные и полевые испытания в полном объеме; осуществлена математическая обработка полученных данных с их анализом.
Степень достоверности подтверждается использованием известных,
отработанных методик механических и полевых испытаний, а также
собственной методики определения износов; достаточно большим
количеством экспериментальных деталей; применением математико-
статистических методов оценки результатов с использованием
компьютерных технологий; проведением полевых испытаний в течение
длительного времени.
Реализация результатов исследований. Технологический процесс восстановления и упрочнения стрельчатых культиваторных лап посевного комплекса «Моррис» внедрен в СПК «Красный Рог» Почепского района Брянской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и
одобрены на: VII международной научно-практической конференции
«Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин»
(ФГБНУ ГОСНИТИ, г. Москва, 2012 г.); Всероссийском конкурсе на лучшую
научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых
Минсельхоза России (ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ, г. Саратов, 2013 г.);
межвузовских и региональных научно технических конференциях:
«Инновационные направления развития АПК и повышение
конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов – вклад
молодых ученых» (Ярославская ГСХА, г. Ярославль, 2015г.); «VI
Всероссийской научно-практической конференции в рамках Х
промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, станки
и инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика» (Башкирский ГАУ, г. Уфа,
2015г.); научно-практической конференции «Конструирование,
использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» (ФГБОУ ВО Брянский ГАУ, г. Брянск, 2014, 2015 гг.); семинаре «Вопросы транспорта» (Брянский филиал МИИТ, г. Брянск, 2014 г.); расширенном заседании кафедры технического сервиса ФГОУ ВО Брянский ГАУ.
Результаты работы экспонировались на 16-ой Российской
агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, ВДНХ, 8-11 октября,
2014 г.), награждены бронзовой медалью «За разработку и внедрение в
производство инновационной импортозамещающей технологии
восстановления рабочих органов почвообрабатывающих машин»; 19-ой
Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, ВДНХ,
4-7 октября, 2017 г.), награждены бронзовой медалью «За производство
высокоэффективной сельскохозяйственной техники и внедрение
прогрессивных ресурсосберегающих технологий».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в их числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 публикации, входящие в МБД, 3 статьи в материалах научных конференций, 6 статей в других изданиях и 1 патент.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы из 134 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 172 страницах, из них 161 стр. основная часть, содержащая 62 иллюстраций, 15 таблиц.
Методы предупреждения образования износов культиваторных лап и торможение их развития (повышение долговечности при изготовлении)
Предупреждение образования износов культиваторных лап и торможение их развития согласно принятой классификации можно свести к комбинированным методам, сочетающим применение материалов со специальными свойствами, упрочняющими воздействиями на поверхность контактирования с абразивной средой и конструкторскими мероприятиями.
Увеличение абразивной стойкости стрельчатых лап культиваторов, а следовательно, и их ресурса, относится к актуальной задаче инженерной службы сельскохозяйственного машиностроения и подразделений аграрного производства [36, 37].
Известные методы, направленные на торможение износов лап сводятся к упрочнению различными технологическими способами областей детали, вступающих в контактировании с почвенной средой. Прежде всего, это следует отнести к термическому упрочнению, предполагающему применение для изготовления данных деталей среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей [38].
Другим способом, нашедшим относительно широкое распространение в ремонтном производстве, считается формирование различного рода покрытий высокой твердости на наиболее нагруженных участках, прежде всего на лезвийной области [39].
Не исключается применение и конструкторских методов, но они, как правило, способствуют повышению прочностных показателей детали не улучшая при этом триботехнических свойства [40].
Некоторые практики и исследователи считают целесообразным использовать способы, сочетающие в себе как упрочняющие воздействия, так и конструкторские усовершенствования [40].
Таким образом, методы улучшения триботехнических показателей культиваторных лап на стадии их изготовления можно разделить на: термоупрочение; нанесение покрытий из гомогенных материалов с пониженной интенсивностью изнашивания и использованием абразивных материалов различной природы; совершенствование конструкции; комбинированные.
Заводская «классическая» технология изготовления стрельчатых лап заключается в их штамповке из рессорно-пружинных сталей с режущей лезвийной кромкой, подвергнутой упрочнению термообработкой токами высокой частоты [38] на твердость около 40 HRC и глубине закаленного слоя примерно 1-2 мм.
В настоящее время лапы, поступающие на рынок деталей сельскохозяйственных орудий российского производства, не отвечают техническим условиям, установленным нормативной документацией на их изготовление. Например, по данным [40], твердость деталей Грязевского культиваторного завода не достигает и 15HRC, то есть имеет место грубое нарушение технологической дисциплины. Между тем, твердость аналогичных деталей зарубежных компаний достигает до 40 HRC. При этом термообработка проводится не на всю глубину, а термообрабатываются только поверхностные слои [40](изделия компании «Джон Дир»).
Другим методом, поверхностного локального упрочнения, получившим определенное распространение, является электромеханическая обработка (ЭМО) лап с тыльной стороны [41]. Одновременное воздействие токов большой силы и пластического деформирования обеспечивает получение структуры слоя с наличием «белой полоски» высокой твердости (более 60 HRC), что снижает темп изнашивания. Невысокая глубина термоупрочненного слоя (менее 1,2 мм) снижает эффективность метода при воздействии на деталь абразива, из-за быстрого истирания поверхностей контактирования. Использование термообработки оправдано с технологической точки зрения при изготовлении лап, однако, как показывает практика, метод требует дальнейших исследований в аспекте оптимизации параметров режима, глубины обработки, подбора составов сталей и конструкторских решений по созданию устройств, реализующих технологии термоупрочнения.
К следующим, по степени разработанности, относят методы, связанные с нанесением покрытий высокой абразивной стойкости.
Среди них выделяется наплавка абразивостойкого слоя на лезвийную часть [42, 43], которая предполагает использование нескольких технологических подходов. Отличия между ними заключаются: 1 - в использовании различных методов наплавки; 2 - специфичных электродных материалов; 3 – неодинаковых пространственного расположения формируемого слоя и степени упрочняющего воздействия на ту или иную часть изделия. В качестве примеров могут служить технологические приемы, подтвержденные в патентах [43, 44, 45, 46].
Применение сложных технологий, дорогостоящих наплавочных материалов не редко не приводит к существенному повышению ресурса. Значительные термические воздействия и возникающие на структурном уровне напряжения не будут способствовать достижению высокой стойкости к абразивному изнашиванию из-за трещинообразования покрытий. Большая толщина наплавленного слоя создает условия, способствующие нарушению агротехники. И последнее – это безвозвратные потери дорогостоящих легирующих элементов. Исходя из работы [47], наплавка поверхности абразивостойким сплавом с проплавлением металла детали по линиям армирования обеспечит прирост износостойкости поверхности вследствие создания сжимающих напряжений при применении материала большей плотности, чем основной металл изделия. Износостойкость в этом случае будет определяться абразивостойкостью наплавленного слоя, а не уровнем сжимающих напряжений. В свою очередь, осуществление армирования по глубине сопряжено с определенными технологическими трудностями.
Во второй половине XX века в качестве упрочняющего метода пытались использовать цементацию и цианирование, однако они не нашли применения ввиду сложности, низкой экологичности, высокой цены упрочненной детали и незначительной эксплуатационной эффективности.
По мнению [45] создание на каждом крыле лапы пилообразного лезвия и формирование выступов и впадин на тыльной стороне, где расположен упрочняющий слой металла, повышает стойкость к абразивному изнашиванию. Однако необходимость, получения сложнопрофильной поверхности и, как следствие, усложнение процесса изготовления не дают оснований для рекомендации таких лап к широкому внедрению.
Покрытия из смеси порошков, сформированные газопламенным напылением, в соответствии с исследованиями [45], позволяют получить 4-х-кратную износостойкость в сравнении с изделиями заводского производства. Столь высокой значение износостойкости вряд ли достижимо при использовании порошковых материалов, используемых авторами.
В известной литературе [46] рассматривается культиваторная лапа, режущие элементы, которой снабжены закрепленными на ее поверхности керамическими накладками. Технологические трудности крепления керамических пластин, и низкая сопротивляемость ударным нагрузкам данного материала ограничивают ее использование. Недостаточность сведений о триботехнических параметрах и ударной вязкости керамических материалов также не позволяет рекомендовать подобную конструкцию к широкому производственному внедрению.
Ряд предприятий применяет штампосварные конструкции стрельчатых лап, которые состоят из державки и двух крыльев с лезвием. Державка сварена с пластинами, а пластины между собой [47,48]. Лапа подвергается термоупрочняющей обработке, а лезвийная часть электроискровому легированию сплавами типа ВК. Недостаток контракции заключается в том, что приваривание крыльев к державке, которая уступает им в размерах и массе, создает условия для снижения прочности конструкции. Кроме того, электроискровое легирование (даже с применением твердых сплавов) не обеспечит значительный рост ресурса изделия из-за небольшой толщины упрочненного слоя.
Указанных недостатков лишен метод изготовления и восстановления стрельчатых лап культиваторов, разработанный сотрудниками ГОСНИТИ и Брянского ГАУ [49]. Режущая область в виде конусной пластины изготавливается как отдельный элемент из стали рессорно-пружинного класса, термоупрочняется на твердость 40-45 HRC по всей глубине и объему с последующим креплением к рабочей поверхности остова привариванием.
Материалы для изготовления ремонтных вставок
В соответствии с разработанными рядом ВУЗов и НИИ технологиями восстановления некоторых деталей сельскохозяйственной техники, основанными на применении способа ремонтных вставок, рекомендуется использовать специальный прокат [101].
Наряду с этим в качестве материала ремонтных вставок следует использовать рессорно-пружинную сталь после проведения соответствующего термического упрочнения. Такие работы были проведены сотрудниками ФГБОУ ВО Брянского ГАУ, где показана высокая эффективность термоупрочненных рессорно-пружинных сталей и установлено, что повышение твердости не всегда целесообразно в плане обеспечения высокой абразивной износостойкости.
Подобные эксперименты были проведены и при выполнении данной работы, результаты которые сведены в таблицу 3.2.
Данные таблицы 3.2 показывают, что увеличение твердости выше 49 HRC является нецелесообразным, так как прирост износостойкости не значителен. Поэтому термоупрочнение, заключающиеся в нагреве, выдержке и охлаждении в воде заготовок, следует проводить с температуры 760-7800 C.
Исходя из экономической и технологической эффективности, такой подход не всегда может быть применим для восстановления стрельчатых культиваторных лап в условиях ремонтных предприятий по ряду причин. К ним относятся: необходимость проведения термоупрочняющей обработки; наличие дополнительного оборудования на прокатном производстве для получения соответствующего профиля; сложность внедрения процесса восстановления ввиду широкого типоразмера лап и разности в их износах; достаточно высокая себестоимость восстановления.
Во избежание отмеченных недостатков, в проводимых исследованиях материалом для компенсирующих элементов служили листы рессор, утратившие нормированную жесткость, но сохранившие остаточную твердость (H), которая может обеспечивать повышенную абразивную стойкость. Нужно заметить, что применение выбракованных листов рессор не вызывает никаких затруднений с точки зрения их наличия в хозяйствах и, более того, процесс восстановления упрощается в связи с отсутствием необходимости в профильном прокате [102].
Кроме этого, приваривание термоупрочненных ремонтных вставок к изношенному остову детали приводит к росту остаточных напряжений в сварном соединении, и они тем выше, чем выше твердость стали [103] после ее термообработки. Соответственно вероятность разрушения по шву будет учитывать фактор упрочнения изношенной детали, что также отрицательно скажется на склонности к трещинообразованию. Из исследований [104] и собственных работ [105] следует, что повышение твердости термоупрочненной стали более 45 HRC приводит к резкому росту склонности к трещинообразованию, особенно у средне- и высокоуглеродистых сталей. Сталь для рессор автомобилей и тракторных прицепов поставляется в виде специальных рессорных профилей (ГОСТ 7419 -55). Наиболее распространенные материалы рессор – стали 60С2, 50ХГА, 60СА, 65Г [102]. Наличие в них достаточно большого количества углерода, марганца и кремния способствует образованию трооститно-бейнитной структуры при проведении термоупрочнения, обеспечивающей высокую твердость [106].
В процессе эксплуатации рессорный лист находится под постоянным воздействием знакопеременных нагрузок, влияние которых может отрицательно сказываться на значении твердости. Нельзя исключать и наличие релаксации, также способствующей снижению данного параметра. Поэтому проводился контроль H на листах рессор, изготовленных из сталей 65Г и 50ХГА. Отпечатки наносились равномерно по всей длине листа. Твердость измерялась методом Роквелла по шкале HRC в соответствии с ГОСТ 22975-78.
Результаты показали следующее (таблица 3.3): твердость выбракованных листов снижается примерно на 10 HRC; остаточная твердость находится в пределах 45-48 HRC, что можно считать приемлемым с точки зрения обеспечения нужной стойкости к абразивному изнашиванию (HRC лапы находится на уровне 50-51 единицы). Положительным фактором в обеспечении износостойкости детали в целом является термоупрочнение по всей глубине.
Таким образом по критерию твердости выбракованные листы рессор могут быть применимы в качестве компенсирующих элементов при восстановлении культиваторных лап.
Для реализации экспериментов технологии необходимо определить геометрические параметры привариваемых элементов, вырезанных из рессорных пластин с учетом износов культиваторных лап.
В соответствии с статистическим анализом износов лап (проведенным в главе 4) можно рекомендовать следующие размеры вставок: ширина 56 мм, высота 110 (рисунок 3.5).
Проведенный анализ размеров рессорных листов показал, что по ширине приемлемы листы автомобилей серии УАЗ (таблица 3.4). При этом их твердость находится в диапазоне значений 43-45HRC. Предпочтительнее использовать рессоры, имеющие трапециевидный профиль, так как наличие данного профиля позволит избежать заточки при реализации технологического процесса восстановления деталей.
Ремонтные вставки представляют собой параллелограмм с углом .
Толщина рекомендуемых рессорных листов совпадает с толщиной крыла лапы. Исходя из проведенного анализа материалов, следует отметить следующее: наиболее приемлемой для вставок является сталь, термоупрочненная на твердость 40-47HRC; наиболее пригодными по геометрическим параметрам и твердости для изготовления вставок являются листы рессор автомобилей серии УАЗ; предпочтительны листы рессор имеющие трапециевидную форму.
Оценка механических свойств материала сварного соединения
Вероятностно-статистическая обработка позволила установить, что среднее значение микротвердости составляет 450 Hv и соответствует твердости 44-45HRC. Такие значения Hv и HRC можно считать достаточным для использования листов рессор, снятых с эксплуатации в качестве абразиво - стойкой части подрезающего элемента культиваторной лапы (таблица 4.3).
Необходимо указать, что листы рессор, из которых изготовлены ремонтные вставки, а это сталь 65Г или сталь 60С2, в состоянии поставки имеют твердость до 50HRC. Снижение твердости до 45HRC связано с релаксацией остаточных напряжений в процессе эксплуатации, приводящей к некоторым структурным изменениям [122].
Разность в минимальных и максимальных значениях микротвердости не превышает 83 единицы, тогда как у материала лапы такой показатель достигает значения более 200 Hv. Это указывает на более стабильные механические свойства материала ремонтной вставки в сравнении со сталью, из которой изготавливается лапа, а подтверждением сказанному служит весьма низкий коэффициент вариации, равный 0,06.
Таким образом установлено, что среднее значение твердости материала ремонтной вставки составляет 44-45HRC, соответствующее термоупрочнению путем закалки и среднего отпуска сталей рессорно пружинного класса. Наличие такой твердости позволяет использовать листы рессор, утративших нормированную жесткость, в качестве абразивно стойкого материала при восстановлении стрельчатых лап культиваторов.
Механические свойства применяемой стали отличаются высокой стабильностью показателей и подчиняются нормальному закону распределения.
Характеристика механических свойств сварного соединения проводилась по распределению микротвердости в сварном соединении в соответствии с принятой методикой (рисунок 3.17).
Для наглядности при проведении анализа предложена эпюра Hv - (L) со сглаживанием рассеяний микротвердости и указанием наиболее характерных Hv и HRC участков и точек (рисунок 4.9).
Распределение Hv (эпюра Hv - L) является классическим для подобного рода сварных соединений [123]. В этом случае его можно рассматривать как наплавку, проведенную относительно мягким материалом на твердую основу.
Эпюра Hv - L имеет следующие участки. Первый - основной металл -сталь 65Г после термоупрочнения и многократных знакопеременных нагружений в упругой области (ОМ). Второй - зона термического влияния (ЗТВ). Третий - металл шва (МШ) (рисунок 4.9).
Отличительными признаками для участка основного металла (ОМ) является наличие двух областей (рисунок 4.10): область сравнительно не высокой твердости (ОСТ) и область стабильных значений Hv (БО). Так, твердость у торца образца минимальна (550 Hv или 51 HRC), тогда как ее максимальное значение составляет около 770 Hv (59 HRC) Такой характер эпюры Hv (HRC) - L обусловлен неравномерностью термических полей по мере удаления от ядра сварки. Снижение твердости (зона ОСТ рисунок 4.9) связана с минимализацией влияния температур на фазовые превращения в основном металле. Между тем температура все же оказывает определенное воздействие на структурные изменения в рассматриваемой области, выражающиеся в увеличении твердости основного металла (привариваемой вставки) с 43 HRC до 51 HRC.
Как уже отмечалось, области основного металла имеет зону, где твердость примерно постоянна, что указывает на сравнительно одинаковые свойства структурных составляющих. Однако стабильность твердости в данном случае объясняется незначительным уровнем пластической деформации данной зоны, связанной с относительно невысоким градиентом температур на этом участке сварного соединения.
Весьма сложную конфигурацию распределение Hv имеет в зоне термического влияния (рисунок 4.9), во многом определяемую разнообразием структурных составляющих, которое связано со спецификой фазовых превращений характерных для сварных процессов. Нужно отметить, что такая сложность диктуется еще и наличием закалочных структур в свариваемых образцах. Следует полагать, что на столь сложное распределение микротвердости (твердости) существенное влияние оказывают и деформационные процессы, имеющие место при кристаллизации и затвердевании сварного шва.
Исходя из классических представлений, зона термического влияния в свою очередь имеет 2 области – переходную зону (ПЗ) и зону сплавления (ЗС).
В переходной зоне максимальное значение микротвердости составляет 820 Hv или 61 HRC. При этом исходя из формы кривой распределения Hv и разбега между максимальными и минимальными значениями твердости следует, что изменения Hv не значительны.
Форма эпюры Hv в ЗТВ имеет участок, где падение микротвердости сопровождается последующим ростом, расположенным в зоне сплавления. Наличие области падения Hv ряд исследователей [124] объясняет деформационными процессами. Т.е. зона сплавления является граничным участком между закристаллизовавшимся металлом шва и основным металлом, что приводит к образованию растягивающихся напряжений и, как следствие, разрушению на структурном уровне.
Последующий резкий рост микротвердости с 720 Hv (56 HRC) до 850 Hv (63 HRC) связано с образованием и преобладанием мартенситных составляющих структуры.
Металл шва, как следует из эпюры распределения микротвердости, разнороден, что подтверждается «провалом» эпюры – область деформированного металла (ОД) и последующим ростом Hv со стабилизацией ее значений. Наличие провала объясняется теми же факторами, что и падение микротвердости в зоне сплавления. С другой стороны, следствием снижения Hv (HRC) могут являться фазовые превращения, которые на этом участке определяются меньшей скоростью кристаллизации по сравнению с участком, расположенным ближе к торцу образца.
Наряду с микротвердостью и твердостью типичных областей сварного соединения, косвенно характеризующих его напряженное состояние, другим параметром является ширина этих областей. Отмечается, что влияние температур от сварки сказывается практически на всей ширине образца основного металла и составляет около 1230 мкм. Такая ширина не будет способствовать образованию значительных остаточных напряжений. Достаточно большая величина ЗТВ (755 мкм) и незначительный переход Hv, составляющий не более 5 HRC, также позволяют утверждать о сравнительно невысоких напряжениях. Все это указывает на низкую вероятность разрушения реального сварного соединения в условиях эксплуатации. Многолетние испытания восстановленных лап в полевых условиях подтвердили выше высказанные соображения, т.к. вероятность разрушения оказалась чрезвычайно низкой и составила 0,05%.
Экономическая эффективность
Учитывая неординарный характер восстановления и упрочнения стрельчатых лап культиваторов для высева семян по подготовленной почве для расчета экономической эффективности принимается наиболее сложный, а следовательно и дорогостоящий технологический процесс восстановления. Он заключается в приваривании к остову ремонтных, термоупрочненных вставок, выполняющих функцию крыльев, и заделке сквозного протирания стойки при помощи эпоксидно-гравийного композита.
Технологический процесс состоит из следующих операций:
1. Дефектация.
2. Очистка наружной и тыльной части рабочей поверхности (крыльев), а также участка крепежной стойки со сквозным протиранием от загрязнений, образовавшихся в процессе эксплуатации.
3. Устранение износа крыльев лап.
3.1 Подготовка ремонтных термоупрочненных вставок.
3.2 Закрепление ремонтных вставок на изношенной лапе сваркой.
3.3 Контроль.
4. Устранение сквозного протирания стойки лапы.
4.1 Подготовка эпоксидно-гравийного композита.
4.2 Обезжиривание поверхности.
4.3 Укладка сетки.
4.4 Формирование противоабразивного слоя.
4.5 Отверждение материала.
4.6 Контроль.
Расчет экономической эффективности восстановления стрельчатых лап культиваторов будет проводиться по методике, изложенной в работе [103].
Основными экономическими показателями, характеризующими эффективность предлагаемого технологического процесса, будут: 1 – себестоимость восстановления (С, руб.); 2 – рыночная цена (Ц, руб.); 3 – удельные затраты на один гектар (У).
Себестоимость восстановления, в соответствии с рекомендациями [133], определяется следующим выражением:
С = СВЗ + ЗМ + СОП + СОХ , (5.2)
где СВЗ – затраты на выплату заработной платы, руб.; ЗМ – материальные затраты, руб.;
СОП – стоимость общепроизводственных расходов, руб.; СОХ – стоимость общехозяйственных расходов, руб.
Для проведения расчетов необходимо определить значение таких показателей как: время выполнения операции (чел-ч.); квалификация (разряд) исполнителя; часовая тарифная ставка (руб.), и свести их в таблицу по операционно (таблица 5.1). Время выполнения операций определялось методом хронометража. Квалификация исполнителя определяется сложностью выполнения операции и назначается соответствующей комиссией предприятия. Часовая тарифная ставка также определяется организацией исходя из финансовых возможностей, сложности работы и квалификации исполнителя. Данные по квалификации и часовой тарифной ставке по операциям принимались на основе опыта ООО «Агромашсервис» Брянской области.
Все приводимые расчеты сведены к одной детали.
В результате суммирования полученных данных заработная плата в соответствии с формулой (5.3) СВЗ = 0,93 + 2,00 + 15,89+13,22+0,71 = 32,75 руб. Материальные затраты (ЗМ) отражают стоимость приобретенных материалов, расход энергии всех видов и услуги других предприятий. В рассматриваемом случае (ЗМ) будут складываться из затрат на: остов лапы (ЗОЛ); воду (ЗВ); моечный порошок (ЗМП); отрезные диски (ЗОД); электродные материалы (ЗЭМ); металл изготовления компостирующих вставок (ЗКВ); эпоксидную смолу (ЗЭС); ацетон (ЗА); гравия (ЗГ); строительную сетку (ЗСС).
Затраты на приобретение ацетона ЗА из-за чрезмерно малой суммы из расчета исключены.
Затраты на приобретение строительной сетки ЗСС. Стоимость сетки составляет 200 руб. за рулон 10м2. Необходимая площадь сетки на одну лапу составляет 0,005м2, т.е. цена составит менее 0,01 рубля.
Производя расчет по формуле (5.7), материальные затраты на восстановление лапы
Коэффициент применим, когда геометрия восстановленного или изготовленного изделия соответствует агротехническим нормам.
Рыночная цена восстановленной лапы определялась и назначалась исходя из: цены лапы в состоянии поставки (1400 руб.), транспортных расходов покупателя, рекламной компании, покупательной способности товаропроизводителей, степени распространённости плугов отечественного производства. В результате цена была определена в размере Ц = 800 руб.
Расчеты сравнительных коэффициентов, характеризующих затраты на один гектар (удельные затраты), по формуле (5.13) показали следующее: Для лапы фирменного исполнения (УЗАВ.)
В результате проведенных расчетов и полученных данных установлено, что удельные затраты хозяйств при использовании восстановленных и упрочненных культиваторных лап снизятся более чем в 2 раза.