Повышение износостойкости рабочих органов культиваторов на предприятиях АПК легированием поверхностного слоя режущей части

Существуют разнообразные виды рабочих органов почвообрабатывающей техники. Каждый вид рабочего органа сельскохозяйственной машины предназначен для определенной с.-х. операции. Заводы-изготовители выполняют задачу по обеспечению выполнения агротехнических требований и высокого качества обработки почвы посредством оптимизации геометрических параметров рабочих органов. Однако наработка рабочих органов, при которой происходит сохранение их геометрических параметров, остается ниже заявленной. Изнашивание режущей части рабочих органов ведет к ухудшению качества обработки почвы и повышению тягового сопротивления агрегата, что влияет на расход топлива и экономическую составляющую предприятий АПК [1–3].

Цель исследования

Для обеспечения продолжительной наработки рабочих органов с.-х. машин, при которой будут выполняться необходимые агротехнические требования, важно теоретически обосновать взаимодействие рабочего органа с частицей почвы. Это позволит на предприятии АПК выполнить подбор технологического процесса повышения износостойкости рабочей части деталей посредством упрочнения поверхностного слоя рабочего органа.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Материалы и методы исследования

Существуют различные трибомеханические характеристики материалов деталей рабочих узлов сельскохозяйственных машин. Их физические и прочностные свойства задаются технологическим процессом при изготовлении [4–6]. В материале деталей в процессе изготовления рабочих элементов сельскохозяйственной машины образуются различного рода дефекты кристаллической решетки. В процессе эксплуатации рабочих органов эти дефекты стремительно развиваются, что приводит к высокому изнашиванию деталей. Плотность сдвига молекул в кристаллической решетке рабочих органов рыхлителей и культиваторов зависит от воздействия на нее сил F и коэффициента трения f и находится зависимостью (1)–(2):

Ғ = 6,28(1 - v)N— I— sina,(1)

Чр

/ = 6,28(1 - v)N— J—sina,(2)

G p'

где N – нормальная нагрузка;

о т - критическая текучесть материала;

p 1 - плотность дислокаций при трении;

р – исходная плотность дислокаций;

v - коэффициент Пуассона;

G – модуль сдвига;

sina - фактор, учитывающий направление плоскости скольжения, согласно которой происходит движение.

Пластическая деформация поверхностного слоя материала характеризуется отношением p 1 /p и учитывает плотности сдвига: исходную и конечную. При взаимодействии поверхности рабочего органа с почвой в местах контактирования пластическая деформация увеличивается с увеличением коэффициента трения f . Воздействие силы F , увеличение трения f и возрастание величины упругопластической p 1 /p прямопропорциональны [9–10].

Имеющиеся практические результаты при решении совместимости пар трения и подбора материалов позволяют снизить изнашивание деталей трения посредством оптимизации кристаллической решеткой поверхностных слоев взаимодействующих деталей, что позволит обеспечить оптимальное тяговое сопротивление рабочих органов при длительной наработке [11–12].

Величина деформации кристаллической решетки при контакте материала рабочего органа с почвой сопровождается трением металла о частицу почвы и изменением его формы вследствие пластической деформации [13–15]:

I = f(A,E,F),                               (3)

где I – интенсивность изнашивания;

А – работа, затрачиваемая на износ;

Е – модуль упругости материала;

F p - величина микронапряжений.

Представленную зависимость необходимо упростить для выполнения расчетов, так как при определении плотности сдвига материала требуется установление ряда факторов. Поэтому представленные отношения позволяют поверхностно описать характер взаимодействия пар трения и изнашивание поверхностных слоев деталей.

Исходя из зависимости изнашивания при различных видах контакта, описанной И.В. Крагельским и теорией В.П. Горячкина, определим зависимость упругопластиче-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS ской деформации поверхностного слоя материала при взаимодействии частиц почвы с учетом шероховатости металла [16–17]:

I = k1 aA^AAh/R^-1                          (4)

где k ₁ = 0,195 - коэффициент влияния от высоты микронеровностей;

a = A a /А т - коэффициент перекрытия;

Р а - номинальное давление на площади A a ;

Р т - фактическое давление на площади А т ;

h – глубина микронеровности локального участка, мм;

R – радиус микронеровности локального участка, мм;

h/R - относительная глубина единичной неровности локального участка;

n – количество циклов нагружения материала до деформации.

Представленная зависимость позволяет учесть шероховатость поверхностей трения деталей, которая определяется кривой опорной поверхности упругодеформируемо-го тела.

Имеющиеся неровности поверхностей пар трения способствуют развитию микротрещин, что снижает прочность материала и приводит к деформации и полной деструкции кристаллической решетки.

С целью снижения величины трения материала рабочего органа с частицей почвы и обеспечения свойств износостойкости металла при технологическом процессе изготовления деталей обязательным условием является упрочнение поверхностного слоя рабочего органа. Таким образом, вследствие сдвига прочностных свойств контактируе-мой части с почвой сдвиг поверхностного слоя материала деталей значительно ниже. Указанный способ возможно осуществить при следующих технологических операциях:

– легирование поверхностного слоя рабочего органа;

– изменение геометрических характеристик с целью оптимальной обтекаемости и равномерного воздействия действующих сил частиц почвы;

– наплавка метала на режущую часть рабочего органа;

Результат критического изнашивания стрельчатых лап культиватора при взаимодействии с частицами почвы показан на рис. 1.

Рис. 1. Вид стрельчатой лапы при абразивном износе (на примере АО «Анитим»)

При этом наработка и ресурс рабочего органа зависят от следующих показателей: – интенсивность изнашивания / наработка;

– физико-механический состав и структура почвы (абразивность);

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)                    PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

– материал рабочих органов.

Процесс износа режущей части рабочего органа вследствие взаимодействия с почвой происходит при механическом разрушения кристаллической решетки детали и упругопластической деформации металла с накоплением внутренней энергии. Таким образом, величина износа детали рабочего органа при контакте с частицами почвы и их абразивном взаимодействии определяется выражением [15–16; 18]:

AG = f(P, L, S, m, H),                               (5)

где Р – давление, оказываемое почвой на рабочую часть, Па;

L – путь трения, м;

S – площадь трения, м²;

• m – коэффициент абразивного изнашивания почвой;

H – твердость материала, ( Нμ ).

При взаимодействии металла с почвой разрушение материала детали зависит от силы зацепления абразивными частицами. Так происходит процесс изменения структуры поверхностного слоя материала детали.

Величина зацепления частицы почвы определяется исходя из разности сил внутреннего трения частиц почвы и величины трения о поверхностный слой материала рабочего органа [16; 18]:

AF = z • p • /1 (7 - t ),                              (6)

где z – коэффициент взаимодействия частиц с поверхностью рабочим органом;

• f 1 – коэффициент трения частиц почвы;

• f – коэффициент трения частиц при удельном давлении (кгс/см²).

Таким образом, сила зацепления увеличивается с увеличением разницы суммарных действующих сил в почве.

Процесс износа поверхности рабочего органа сельскохозяйственной машины оказывает влияние на агротехнические требования, предъявляемые к обработке почвы. Изменение геометрических характеристик материала деталей способствует увеличению тягового сопротивления сельскохозяйственной машины и, как следствие, увеличению расхода топлива.

С целью снижения интенсивности изнашивания рабочих органов культиваторов, интенсивности тягового сопротивления агрегата и, как следствие, повышения расхода топлива при выполнении сельскохозяйственной операции необходимо применение технологии упрочнения режущей части рабочих органов. Для этого необходимо подобрать технологическую операцию упрочнения рабочих органов и повышения износостойкости элемента режущей части.

Наработка стрельчатой лапы культиватора зависит от интенсивности изнашивания и находится соотношением:

• V = ΔI / Δt ,                                      (7)

где V – интенсивность износа;

• Δ I – величина износа;

Δ t – наработка.

Обеспечение требуемой износостойкости и повышение наработки стрельчатых лап возможно достигнуть упрочнением режущей части различными методами. Для упрочнения рабочих поверхностей в основном применяется сормайт, чугун высоколегированный, что сказывается на экономической составляющей предприятий АПК. По данным [15–16], высокая интенсивность изнашивания серийных стрельчатых лап приходится на носовую часть конструкции (в 2–3 раза превышающая изнашивание крыльев лап).

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

В представленном материале показаны результаты сравнительных испытаний рабочих органов стрельчатых лап фирмы «АО Анитим», четыре из которых – серийного образца и четыре этих же типов рабочих органов с технологией упрочнения электроискровым методом. Указанные типы стрельчатых лап эксплуатируются культиваторами типа Степняк-7.4М, выпускаемых изготовителем ФГУП «Омский экспериментальный завод».

Для повышения износостойкости рабочей части стрельчатой лапы применяли технологию упрочнения электроискровым методом. Материалом для упрочнения был тип стали Р5М6 (быстрорежущая), вид электрода типа T-610МД, применяемый при наплавке металлов, стойких к абразивному изнашиванию.

Для проведения сравнительной оценки износостойкости рабочих органов серийных и экспериментальных (с наплавкой металла) выполнены сельскохозяйственные операции рыхления почвы.

Оценка изнашивания стрельчатых лап культиватора Степняк-7.4М проведена посредством изменения веса каждого рабочего органа после наплавки металла и после культивации почвы. Испытания проведены на полевом стане ФГБНУ «Омский аграрный научный центр» в 2021 г.

Оценка изменения тягового сопротивления рабочих органов серийных и экспериментальных проведена в почвенном канале ФГБОУ ВО «Омский ГАУ». С целью выявления влияния изменений геометрических характеристик рабочих изношенных органов серийных и экспериментальных на сопротивление частиц почвы проведены замеры тягового сопротивления при нескольких режимах скорости.

Результаты и обсуждения

Результаты сравнительных испытаний изнашивания рабочих органов серийных и экспериментальных (с наплавкой металла электроискровым методом) представлены в таблице.

Результаты сравнительных испытаний весового износа рабочих органов культиватора

№ образца	Вес лап при наплавке			Средн. прирост, г	Вес лап после ис-пыт, г	Износ, г	Средний износ, г	Скорость изнашивания, г/га
	до уп-рочне-ния, г	после упрочнения, г	прирост, г
Серийная 1	635,4	635,4	0		628,81	6,59
Серийная 2	643,92	643,92	0		640,71	3,21
Серийная 3	646,35	646,35	0		636,66	9,69
Серийная 4	649,29	649,29	0	0	647,81	1,48	5,2425	2,74
Экс. 5	660,27	662,45	2,18		658,83	3,62
Экс. 5	646,44	648,46	2,02		647,44	1,02
Экс. 5	658,13	659,66	1,53		653,5	6,16
Экс. 5	644,72	646,5	1,78	1,8775	*	*	3,6	1,95

Оценка среднего весового износа показала, что интенсивность изнашивания экспериментальных стрельчатых лап сравнительно ниже серийных и составила 26–29%. Весовой износ серийных рабочих органов составил 5,2 г; экспериментальных – 3,6 г.

Согласно полученным данным при электроискровом упрочнении рабочих органов скорость изнашивания изменилась с 2,74 до 1,95 г/га. В ходе износных сравнительных испытаний рабочих органов наблюдались изменения геометрических параметров стрельчатых лап: изнашивание режущей кромки, что говорит об абразивном изнашивании, и увеличение ширины захвата вследствие деформации металла. Приведенные ре-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS зультаты разности потери веса металла рабочих органов свидетельствуют о разности изнашивания материала при эксплуатации в отдельных видах почвы.

По результатам оценки изменения тягового сопротивления рабочих органов серийных и экспериментальных проведены испытания в почвенном канале (рис. 2). На диаграмме представлена зависимость тягового сопротивления Р ,Н стрельчатых лап от глубины рыхления и скоростных режимов V , м/с.

Р-Н

Рис. 2. Зависимость тягового сопротивления Р ,Н серийных и экспериментальных стрельчатых лап от глубины рыхления и скоростных режимов V , м/с.

По результатам оценки тягового сопротивления стрельчатых лап при скорости обработки υ s = 3 м/с и глубине обработки 10 см было установлено увеличение:

• –    на 664 Н – серийных рабочих органов;

• –    на 561 Н – экспериментальных рабочих органов.

Интенсивность увеличения тягового сопротивления стрельчатых экспериментальных рабочих органов сравнительно ниже на 18–20%. Это свидетельствует о том, что изменение геометрических характеристик рабочих органов наименьшее у экспериментальных, которые подвержены упрочнению материала на режущей части рабочего элемента.

Выводы

Приведено теоретическое обоснование процесса изнашивания рабочих органов при рыхлении почвы. Установлено, что дефекты в кристаллической решетке способствуют увеличению интенсивности изнашивания. При этом плотность сдвига молекул в кристаллической решетке рабочих органов рыхлителей и культиваторов зависит от воздействия на нее сил F и коэффициента трения f (зависимости 1, 2).

Представлена зависимость (4) изнашивания металла при различных видах контакта с учетом шероховатости поверхности металла и упругопластических свойств.

Для снижения величины трения материала с частицами почвы и повышения износостойкости стрельчатой лапы необходимо упрочнение рабочей части детали электроискровым методом с наплавкой стали типа Р5М6 (быстрорежущая) электродом типа T-610МД.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)                    PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Получены результаты снижения среднего весового износа экспериментальных стрельчатых лап в сравнении с серийными на 26–29%. Весовой износ при этом серийных рабочих органов составил 5,2 г; экспериментальных – 3,6 г.

Достигнуто снижение интенсивности увеличения тягового сопротивления стрельчатых экспериментальных рабочих органов на 18–20%.

• 1.    Союнов А.С. и др. Изыскание современных факторов, влияющих на эффективность работы машинно-тракторных агрегатов // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2021. № 4(44). С. 232–240.

• 2.    Керученко Л.С., Даманский Р.В. Влияние добавок рапсового масла на противоизносные свойства дизельного топлива // Инновационные технологии в АПК как фактор развития науки в современных условиях : сборник Всероссийской (национальной) научно-практической конференции, Омск, 29 ноября 2019 года. Омск : Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, 2019. С. 145–149.

• 3.    Shuliko N.N. et al. Influence of long-term intensive use of irrigated meadow-chernozem soil on the biological activity and productivity of the arable layer. Scientific Reports. 2022;12(1):14672.

• 4.    Demchuk E.V., Golovanov D.A., Yankovs-kij K.A. On the issues of improving the technology of sowing grain crops. Traktory i selʼxozmashiny. 2016;(6):45-48. (In Russ).

• 5.    Канделя М.В., Канделя Н.М., Земляк В.Л., Бумбар И.В. Пути совершенствования технологии уборки зерновых культур и сои // Дальневосточный аграрный вестник. 2019. № 2(50). С. 98–109.

• 6.    Мяло В.В., Демчук Е.В., Союнов А.С., Голованов Д.А. Совершенствование орудий для влагосберегающей обработки почвы // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 1. С. 52–54.

• 7.    Керученко Л.С., Гурин Т.Ю., Даманский Р.В. Изменение зазора в запорном сопряжении распылителя форсунки двигателя // Сельский механизатор. 2017. № 11. С. 36–37.

• 8.    Korn G.A. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review. New York : General Publishing Company, 2000. С. 1151.

• 9.    Soyunov A.S., Prokopov S.P., Zaripova N.A., Golovin Yu.A., Abdylmanova R.K. Investigation of Moving Flat Hexagonal Disk Attachment. IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng. 582. 2019; 012037.

• 10.    Soyunov A.S., Demchuk E.V., Myalo V.V., Sabiev U.K., Kuzmin D.E. Disk shredder workflow. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Zernograd, Rostov Region, August 27–28, 2020. Zernograd, Rostov Region. 2021;012048.

• 11.    Демчук Е.В. Исследование тягового сопротивления комбинированного сошника для раз-

  • 1.    Soyunov A.S. et al. Research of modern factors influencing the efficiency of machine-tractor units. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo uni-versiteta = Vestnik of Omsk SAU . 2021;(4(44)):232-240. (In Russ).

  • 2.    Keruchenko L.S., Damanskij R.V. Influence of rapeseed oil additives on the antiwear properties of diesel fuel. Innovacionnye texnologii v APK, kak fak-tor razvitiya nauki v sovremennyx usloviyax : sbornik Vserossijskoj (nacional`noj) nauchno-prakticheskoj konferencii, Omsk, 29 noyabrya 2019 goda. Omsk: “Omskij gosudarstvennyj agrarny`j universitet imeni P.A. Stolypinaˮ = Omsk: FSBEI HE “Omsk SAUˮ. 2019; S.145-149. (In Russ).

  • 3.    Shuliko N.N. et al. Influence of long-term intensive use of irrigated meadow-chernozem soil on the biological activity and productivity of the arable layer. Scientific Reports. 2022;12(1):14672.

  • 4.    Demchuk E.V., Golovanov D.A., Yankovsky K.A. On the issues of improving the technology of sowing grain crops. Traktory i selʼhozmashiny = Tractors and agricultural machines . 2016;(6):45-48.

  • 5.    Kandelya M.V., Kandelya N.M., Zem-lyak V.L., Bumbar I.V. Ways to improve the technology of harvesting grain crops and soybeans. Dalnevos-tochnyj agrarnyj vestnik = Far eastern agrarian herald . 2019;(2(50)):98-109.

  • 6.    Myalo V.V. et al. Improvement of implements for moisture-saving tillage . Dostizheniya nauki i texniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC . 2015;29(1):52-54. EDN TMZFVH. (In Russ).

  • 7.    Keruchenko L.S., Gurin T.Yu., Damans-kij R.V. Changing the gap in the locking action of the engine injector atomizer. Selʼskij mexanizator = Rural machine operator . 2017;11:36-37. (In Russ).

  • 8.    Korn G.A. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review. New York : General Publishing Company. 2000; 1151.

  • 9.    Soyunov A.S. et al. Investigation of Moving Flat Hexagonal Disk Attachment. IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng. 582. 2019; 012.

  • 10.    Soyunov A.S., Demchuk E.V., Myalo V.V., Sabiev U.K., Kuzmin D.E. Disk shredder workflow. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Zernograd, Rostov Region, August 27–28, 2020. Zernograd, Rostov Region. 2021;012048.

    Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 3(51)

    
    

• 12.    Кобяков И.Д., Евченко А.В., Демчук Е.В., Союнов А.С. Машины и оборудование в растениеводстве : курс лекций. Омск, 2012. 120 с.

• 13.    Eben Е. Verfahren zur Abtrennung von Ru-benerde. Zuckerindustrie. 2000;125(1):13-17.

• 14.    Споданейко А.А., Кузьмин Д.Е., Головин А.Ю., Лощинина А.М., Чупин П.В. Особенности сельскохозяйственных орудий для ромбовидной вспашки // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2019. № 1(33). С. 155–162.

• 15.    Keruchenko L.S., Damanskiy R.V. Improvement of antiwear properties of diesel fuels by compounding with additive based on tall and linseed oil. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2019;8(5):2174-2177.

• 16.    Zaripova N.A., Soyunov A.S., Proko-pov S.P., Golovin A.Y., Abdylmanova R.K. Technology of antierosive soil surface deriving. IOP Conf. Series : Journal of Physics: Conf. Series 1059 (2018) 012012.

• 17.    Виноградов Н.Н., Захаров С.В., Мальцева Е.И., Кузьмин Д.Е. Сравнительные характеристики почвообрабатывающих машин на глубокой безотвальной обработке почвы // Научное и техническое обеспечение АПК, состояние и перспективы развития : сб. IV Междунар. науч.-практ. конф., Омск, 15 апреля 2020 года. Омск : Омский ГАУ им. П.А. Столыпина, 2020. С. 57–61.

• 18.    Юшкевич Л.В., Чибис В.В., Щитов А.Г. и др. Оптимизация полевых севооборотов и структуры использования пашни при возделывании яровой пшеницы в Омской области. Омск : ИП Мак-шеева Е.А., 2020. 43 с.

• 11.    Demchuk E.V. Research of traction resistance of the combined coulter for mid-depth fertilization and seeding. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Vestnik of Omsk SAU . 2018;2(30):104-109. (In Russ).

• 12.    Kobyakov I.D. et al. Machinery and equipment in crop production. Omsk, 2012. 120 s. (In Russ).

• 13.    Eben E. Verfahren zur Abtrennung von Ru-benerde. Zuckerindustrie. 2000;125(1):1.

• 14.    Spodanejko A.A., Kuzmin D.E., Golovin A.Yu., Loshchinina A.M., Chupin P.V. Featurtes of agricultural implements for diamond-shaped plowing. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Vestnik of Omsk SAU. 2019;1(33):155-162. (In Russ).

• 15.    Keruchenko L.S., Damanskij R.V. Improvement of antiwear properties of diesel fuels by compounding with additive based on tall and linseed oil. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2019;8(5)2174-2177.

• 16.    Zaripova N.A., Soyunov A.S., Proko-pov S.P., Golovin A.Y., Abdylmanova R.K. Technology of antierosive soil surface deriving. IOP Conf. Series : Journal of Physics: Conf. Series 1059 (2018) 012.

• 17.    Vinogradov N.N., Zakharov S.V., Maltseva E.I., Kuzmin D.E. Comparative characteristics of soil-cultivating machines for deep non-moldboard tillage. Nauchnoe i texnicheskoe obespechenie APK, sostoyanie i perspektivy razvitiya : sbornik IV Mezh-dunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Omsk, 15 aprelya 2020 goda. Omsk : Vestnik of Omsk SAU. 2020;3(43):57-61. (In Russ).

• 18.    Yushkevich L.V. et. al. Optimization of field crop rotations and the structure of arable land use in the cultivation of spring wheat in the Omsk region. Omsk : 2020; 43 р. (In Russ).

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS ноглубинного внесения удобрений и высева семян // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2018. № 2(30). С. 104–109.