Повышение работоспособности и долговечности культиваторных лап прерывистой износостойкой наплавкой

Введение. В соответствии с Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента РФ от 21.01.2020 № 20, разработка и реализация программ технической и технологической модернизации, в том числе внедрение новой техники и технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, энергоэффективность, ресурсосбережение и снижение потерь в сельском хозяйстве, является основным направлением государственной политики в сфере обеспечения продовольственной безопасности в области производства сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия.

Основной задачей сельскохозяйственного производства является получение стабильных и высоких урожаев возделываемых культур. Достигается это внедрением новых, прогрессивных технологий обработки почвы с использованием современной техники, рабочие органы которой способны обеспечивать заданное качество выполняемого технологического процесса при достаточно не высокой его энергоемкости.

Почвообрабатывающие рабочие органы эксплуатируются в почвенной абразивной среде. Вследствие изнашивания они изменяют свои форму и размеры, что отрицательно влияет на агротехнические и энергетические показатели обработки почвы [1, 2]. Это, соответственно, негативно влияет на надежность почвообрабатывающих машин и орудий. Кроме того, многие серийные рабочие органы имеют повышенные удельные нагрузочные показатели (осо- бенно в изношенном состоянии), что приводит к увеличенному расходу топлива двигателями тракторов при обработке почвы. Это негативно сказывается и на экологии, поскольку обработка почвы плугами и культиваторами с затупленными лезвиями разрушает её структурные агрегаты, а при сжигании каждого литра дизельного топлива сгорает до 15 литров воздуха и атмосфера загрязняется продуктами сгорания. Решение проблемы повышения долговечности и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин осуществляется путём поиска более износостойких материалов для изготовления почворежущих деталей [3, 4, 5], применения технологий нанесения на рабочие поверхности износостойких покрытий плазменным напылением [6, 7], вибродуговой наплавкой [8, 9], индукционной наплавкой [10], электроду-говой наплавкой [11]. Проводятся исследования по восстановлению изношенных деталей почвообрабатывающих рабочих органов электро-шлаковой наплавкой [12].

Проблема повышения работоспособности и долговечности почвообрабатывающих рабочих органов включает в себя две составляющие. С одной стороны, необходимо обеспечить достаточный ресурс рабочих органов, чтобы они могли эксплуатироваться весь период проведения соответствующих полевых работ без частых ремонтов и замен, так как это позволит исключить непроизводительные простои почвообрабатывающих агрегатов и уложиться в оптимальные агрономические сроки. С другой стороны, для экономии топлива и обеспечения требуемых качественных показателей обработки почвы почворежущие кромки лезвий должны оставаться постоянно острыми.

В то же время в природе проблема обеспечения длительной работоспособности режущих элементов в различных условиях их функционирования получила достаточно эффективные решения за время продолжительного эволюционного развития живых организмов. Зубы и когти животных оптимально приспособлены к выполнению функций резания, копания, измельчения различных твёрдых и абразивных материалов, сохраняя свою функциональность на протяжении всей жизни животного. При этом они обладают как достаточной износостойкостью, так и способностью к самозаострению, а также могут самовосстанавливаться при изнашивании. Эти их особенности вызывают интерес с точки зрения перспективности применения в сельскохозяйственной технике, в частности, для решения проблемы повышения работоспособности и долговечности почвообрабатывающих рабочих органов [13].

Почвенно-климатические особенности Крыма и специфика возделываемых сельскохозяйственных растений, как полевых культур, так и многолетних насаждений, вызывают необходимость широкого использования при обработке почвы культиваторов с лаповыми рабочими органами. Быстрый износ культиваторных лап обусловлен интенсивным их использованием при многократных культивациях почв с пониженной влажностью, в которых абразивные частицы зафиксированы в плотной и твёрдой массе суглинистой или глинистой почвы, а также наличием значительного количества каменистых включений, оказывающих многократное ударное воздействие на рабочие поверхности лап. Использование в таких условиях культиваторных лап, лезвия которых наплавлены серийно применяемым твердым сплавом «сормайт», оказывается неэффективным, поскольку на почвах Крыма не проявляется эффект самозатачивания лезвий, а слой хрупкого «сормайта» откалывается под действием ударов камней.

Материалы и методы исследования. Для повышения долговечности почворежущих деталей в условиях почв Крыма предложены способы их упрочнения износостойкими материалами по бионически обоснованным параметрам [14], техническая новизна которых под- тверждена патентами на изобретение [15, 16]. Наиболее простой технологией их осуществле- ния является прерывистая электродуговая полуавтоматическая наплавка порошковой проволокой в среде углекислого газа, для которой используется простое малогабаритное оборудование. Её можно осуществлять как на маши- ностроительных заводах, так и в условиях ремонтных мастерских сельскохозяйственных предприятий.

На начальном этапе эксплуатации культиваторной лапы при её движении в направлении V эпюра давления р1 почвы на лезвие 1 лапы имеет вид, показанный на рисунке 1 а. В соответствии с теорией абразивного изнашивании [10], скорости износа лезвия в зонах наплавки и между ними выражаются, соответственно, зависимостями (1) и (2):

^л G

— = ki Piv, л t л G ,

—— = k 2 P i ^V , л t

где G1, G2 - величины износа лезвия, соответ- ственно, в зонах наплавки и между ними, г;

t – продолжительность взаимодействия лезвие лапы с почвой, с;

k 1 , k 2 - коэффициенты, зависящие от износостойкости материала лезвия, соответственно, в зонах наплавки и между ними;

р 1 - давление почвы на лезвие лапы на начальном этапе её эксплуатации, Па;

v - скорость перемещения абразивных частиц почвы по лезвию, м/с.

Схема лезвия культиваторной лапы с прерывистой износостойкой наплавкой показана на рисунке 1 ( а ). Соотношения между диаметром d , шагом s и расстоянием b между зонами прерывистой наплавки установлены в результате бионических исследований [17].

Поскольку износостойкость прерывистой наплавки значительно выше износостойкости основного материала лезвия культиваторной лапы, то G 2 >  G 1 , в процессе эксплуатации лезвие приобретает волнистую форму 2 с выступами и впадинами, показанную на рисунке 1 б . При дальнейшей эксплуатации лап давление р 2 почвы на лезвие 2 концентрируется на выступах с наплавкой, поэтому скорости износа лезвия в зонах наплавки и между ними выравниваются, и сохраняется волнистая форма лезвия 3.

а а                                                  б b

Рисунок 1 - Схемы прерывистой износостойкой наплавки ( а ) и образования волнистой формы лезвия ( б ) культиваторной лапы

Figure 1 – Schemes of discreet wear-resistant coating ( a ) and the formation of a wavy shape of the blade ( b ) of the cultivation sweep

Пилообразная эпюра давления р 2 способствует интенсивному крошению почвы лезвиями культиваторной лапы, устранению «ядер уплотнения» почвы с абразивными частицами, вследствие чего интенсивность изнашивания рабочих поверхностей культиваторной лапы снижается, а её долговечность увеличивается.

За счёт разницы в распределении давлений почвы на выступах и впадинах волнистого лезвия происходит увеличение скорости перемещения абразивных частиц почвы по наплавленным участкам и самозаострение лезвия.

Для проверки теоретических положений проводились сравнительные производственные испытания культиваторных лап с износостойкой наплавкой по бионически обоснованным параметрам и серийной заводской наплавкой в ООО «Качинский+» (город Севастополь). Объектами испытаний служили лапы культиваторов КПЭ-3,8 (на упругих стойках) и КВН-3 (на жёстких стойках) шириной захвата 410 мм, которые в базовом варианте имеют заводскую наплавку твёрдым сплавом «сормайт» лезвий с верхней стороны и носка с нижней стороны, а в экспериментальном варианте - прерывистую износостойкую наплавку порошковой проволокой ПП-ЗСМ-022/1-Т(Н)-С-2,0 лезвий с верхней стороны и носовой части с нижней стороны.

Цель испытаний - определение работоспособности и износостойкости культиваторных лап с износостойкой наплавкой по бионически обоснованным параметрам в сравнении с серийными культиваторными лапами.

Условия проведения испытаний: почвы коричневые слабо- и среднеэродированные слабогалечниковые тяжелосуглинистые среднекаменистые на суглинисто-галечниковых отложениях с глубины 60–80 см; мощность гумусового горизонта составляет 30–40 см; влагопро-ницаемость почв повышенная, влагоёмкость низкая; степень каменистости почв средняя; твердость почвы в обрабатываемом слое 250– 280 Н/см2, её влажность от 16% до 20%.

Состав машинно-тракторных агрегатов:

– трактор МТЗ 2023 + культиватор КПЭ-3,8. Культиваторные лапы с прерывистой износостойкой наплавкой устанавливались на упругих стойках одновременно с серийными лапами на первом, втором и третьем рядах культиватора;

– трактор МТЗ 921 + культиватор КВН-3. Культиваторные лапы с прерывистой износостойкой наплавкой устанавливались на жёстких стойках одновременно с серийными лапами по следам колёс трактора в междурядьях виноградника.

Предварительно взвешивали лапы на весах DigyDS-788 и замеряли твердость их поверхности с помощью универсального твердомера NOVOTEST T. После нанесения методом наплавки на рабочие поверхности культиваторных лап износостойкого материала их повторно взвешивали и замеряли твёрдость основного и наплавленного материалов в зонах наплавки. Также при помощи штангенциркуля определяли размерные характеристики лап в соответствии с рисунком 1 а: расстояние L от переднего крепёжного отверстия до крайней передней точки носка лапы, ширину В крыльев лапы и толщину кромки лезвий. Испытываемые лапы нумеровали и обводили их контуры на плотной бумаге. После проведения испытаний повторяли операции взвешивания, определения размерных характеристик и обведения контуров культиваторных лап. На основании результатов измерений определяли показатели весового и линейного износа лап.

Результаты исследования и их обсуждение. Данные по твердости материалов культиваторных лап приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные по твердости материалов культиваторных лап Table 1 – Data on the hardness of cultivation sweep materials

Материал    Material	Твердость, НВ, HRC   Hardness, НВ, HRC
Основной материал лап  Main sweep material	112–137 НВ
Слой «сормайта» серийных лап "Sormite" layer of serial sweeps	55,6-57,8 HRC
Элементы прерывистой износостойкой наплавки Elements of discreet wear-resistant coating	56,9-58,7 HRC

Наработка культиватора КПЭ-3,8 составила 50,4 га, что в расчёте на одну лапу составляет 4,58 га, наработка культиватора КВН-3 составила 33,1 га (4,73 га на одну лапу).

После испытаний слой заводского «сор-майта» на серийных лапах культиватора КПЭ-3,8 отсутствовал. На лапах с прерывистой износостойкой наплавкой элементы наплавленного материала полностью сохранились. Носовая часть серийных лап, установленных в пер- вом ряду культиватора, закруглилась, в то время как все лапы с прерывистой износостойкой наплавкой сохранили стреловидную форму. При этом лезвия культиваторных лап с экспериментальной наплавкой, установленных в первом ряду культиватора, приобрели волнистую форму с выступами в зонах прерывистой наплавки износостойкого материала и впадинами между ними (рисунок 2), которая соответствует теоретическим положениям.

Рисунок 2 - Культиваторная лапа с прерывистой износостойкой наплавкой после испытаний

Figure 2 – Cultivation sweep with discreet wear-resistant coating after testing

На лапах второго и третьего ряда граница износа лезвий дошла до наплавленных элементов. Результаты определения значений весово- го и линейного износа испытанных лап на упругих стойках культиватора КПЭ-3,8 представлены на диаграммах (рисунок 3).

Ряд лап культиватора Row of cultivation sweeps

Row of cultivation sweeps

Row of cultivation sweeps

в с

– серийные лапы со сплошной наплавкой «сормайтом»; Ий; – лапы с прерывистой износостойкой наплавкой; а - по массе; б - по длине; в - по ширине крыльев

Рисунок 3 - Значения весового и линейного износа лап на упругих стойках культиватора КПЭ-3,8

– serial sweeps with continuous coating "sormite»; bit – sweeps with discreet wear-resistant coating;

а – by weight; б – by length; c – by the width of the wings

Figure 3 - Values of weight and linear wear of sweeps on elastic tines of cultivator KPE-3,8

Результаты определения значений весового и линейного износа испытанных лап на

жёстких стойках культиватора КВН-3 показаны в таблице 2.

Таблица 2 - Значения весового и линейного износа лап на жёстких стойках культиватора КВН-3 Table 2 – Values of weight and linear wear of sweeps on rigid tines of the KVN-3 cultivator

Показатель Indicator	Испытанные лапы Tested sweeps		Разница в процентах Difference in the percentage
	серийная с наплавкой сплавом «сормайт» serial sweep with coating with alloy "sormite"	с прерывистой износостойкой наплавкой with discreet wear-resistant coating
Износ по массе, г Wear by weight, g	1220	980	– 19,67
Износ по длине, мм Wear by length, mm	29	16	– 44,83
Износ по ширине крыльев, мм Wear by the width of the wings, mm	41	20	– 51,22

Анализ полученных результатов показывает, что износ серийных культиваторных лап со сплошной наплавкой лезвий твёрдым сплавом «сормайт» превышает величину износа культиваторных лап с прерывистой износостойкой наплавкой как по массе, так и по размерным параметрам. Различие по весовому износу между серийными лапами и лапами с прерывистой износостойкой наплавкой составляет в первом, втором и третьем ряду культиватора КПЭ-3,8 соответственно 125 г, 25 г, и 10 г. Наибольшая разница по величине линейного износа наблюдается у культиваторных лап, работающих в первом ряду культиватора - лапы с прерывистой износостойкой наплавкой износились меньше, чем серийные лапы: по длине на 34 мм, по ширине крыльев на 10 мм. Это объясняется тем, что лапы первого ряда культиватора работают в наиболее твёрдой и плотной почве. Износ лап на втором и третьем рядах куль- тиватора значительно меньший, чем лап первого ряда: с прерывистой износостойкой наплавкой в 2–3 раза, а серийных в 2,7–3,7 раза. Аналогичный эффект получен и для лап культиватора КВН-3: здесь прерывистая износостойкая наплавка наиболее значительно (на 51,22%) снизила величину износа культиваторных лап по ширине крыльев. При наработке 4,73 га значительное уменьшение ширины крыльев лап с наплавкой лезвий твёрдым сплавом «сормайт» привело к потере их работоспособности в результате изгиба крыльев лап из-за снижения их жёсткости. В то же время лапы с прерывистой износостойкой наплавкой сохранили свою работоспособность.

Обобщающие результаты расчётов интенсивности изнашивания испытанных культиваторных лап с учётом их наработки приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Интенсивность изнашивания культиваторных лап Table 3 – Wear rate of cultivator sweeps

Показатель Indicator	Лапы культиватора КПЭ-3,8 (на упругих стойках) Cultivation sweeps of the KPE-3,8 (on elastic tines)		Лапы культиватора КВН-3 (на жёстких стойках) Sweeps of the KVN-3 cultivator (on rigid tines)
	серийная с наплавкой сплавом «сормайт» serial sweep with coating with alloy "sormite"	с прерывистой износостойкой наплавкой with discreet wear-resistant coating	серийная с наплавкой сплавом «сормайт» serial sweep with coating with alloy "sormite"	с прерывистой износостойкой наплавкой with discreet wear-resistant coating
Средняя интенсивность весового изнашивания, г/га Average weight wear rate, g/ha	151	123	258	207
Средняя интенсивность линейного изнашивания, мм/га Average linear wear rate, mm/hа	3,5	1,3	8,7	4,2

Анализ данных таблицы 3 показывает, что интенсивность весового изнашивания культиваторных лап с прерывистой износостойкой наплавкой меньше в 1,2 раза, а линейного изнашивания – в 2 раза по сравнению с интенсивностью изнашивания лап с наплавкой сплавом «сормайт» при прочих равных условиях. Использование для установки лап упругих стоек снижает интенсивность их весового изнашивания в 1,7 раза, а интенсивность линейного изнашивания лап с наплавкой сплавом «сормайт» и лап с прерывистой износостойкой наплавкой – в 2,5 раза и 3,2 раза соответственно. Таким образом, прерывистая износостойкая наплавка культиваторных лап наиболее эффективно повышает их долговечность при эксплуатации в комплекте с упругими стойками.

Отмечено также, что в процессе эксплуатации лезвия серийных культиваторных лап со сплошной наплавкой лезвий твёрдым сплавом «сормайт» затупились из-за отсутствия эффекта «самозатачивания». Толщина режущих кромок лезвий культиваторных лап с прерывистой износостойкой наплавкой не превышает 1,8 мм.

Выводы. Стрельчатые лапы с наплавкой твёрдым сплавом «сормайт», применяемые на широко используемых в Крыму культиваторах для обработки почвы, быстро изнашиваются на твёрдых почвах со значительным количеством каменистых включений, при этом на суглинистых и глинистых почвах отсутствует эффект «самозатачивания» их лезвий. Для решения этой проблемы предлагается наплавлять культиваторные лапы порошковой проволокой ПП-ЗСМ-022/1-Т(Н)-С-2,0 прерывистым способом по бионически обоснованным параметрам: лезвия с верхней стороны и носовую часть с нижней стороны.

Проведенные производственные испытания показали, что культиваторные лапы с упрочнением прерывистой износостойкой наплавкой порошковой проволокой имеют большую долговечность по сравнению с лапами, наплавленными сплошным слоем серийно применяемого сплава «сормайт». Повышение долговечности культиваторных лап обусловлено снижением интенсивности изнашивания их лезвий в среднем в 2,7 раза при их эксплуатации на упругих стойках и в 2,1 раза – на жёстких стойках.

Прерывистая износостойкая наплавка культиваторных лап наиболее эффективно по- вышает их долговечность (в 2,5–3,2 раза) при эксплуатации в комплекте с упругими стойками.

Работоспособность культиваторных лап с прерывистой износостойкой наплавкой сохраняется в процессе их эксплуатации за счёт постоянной остроты режущих кромок их лезвий и более медленного, по сравнению с серийными лапами, уменьшения ширины их крыльев при изнашивании.