Причины выхода из строя и условия работы рабочих органов почвообрабатывающих машин

Рабочими органами почвообрабатывающих машин являются: лемех, отвал и полевая доска, лапы культиватора, диски борон, лущильников и сеялок, зубья фрез и т.д. Для изготовления этих деталей используют следующие материалы: сталь Л50, сталь Л53, сталь 60, сталь 65Г. Рабочие органы почвообрабатывающих машин эксплуатируются в условиях постоянного и интенсивного абразивного и ударноабразивного изнашивания нефиксированной абразивной массой–почвой. Скорость движения достигает 4 м/с, а давление на поверхность детали со стороны почвенной массы составляет 0,1…4 МПа. Процесс изнашивания почвообрабатывающих деталей типичен и подчиняется определенной закономерности. Следовательно, его можно исследовать на примере какой-либо одной детали[1].

Изнашиваемые в абразивной среде, детали машин, быстро меняют свои размеры и форму. Скорость разрушения рабочих органов определяется условиями работы.

Почву необходимо как твердое тело с подвижным активным слоем и весьма шероховатой. Это объясняется тем, что не каждое зерно на поверхности трения способно вступать в контакт с металлом, а скорость относительного перемещения частиц почвы значительно меньше поступательной скорости рабочего органа почвообрабатывающей машины. При этом, большая часть частиц имеет округлую форму и в процессе движения по поверхности рабочего органа занимает более устойчивое положение по отношению друг к другу и к изнашиваемой поверхности [1].

Изнашивание - процесс постепенного разрушения материала детали или другого элемента машины, происходящий при трении или других видах контакта элемента с внешней средой и сопровождающийся изменением его свойств (твердости, пластичности структуры, химического состава и т.д.). А износ есть результат изнашивания, проявляющийся в виде изменения размеров и других параметров детали или другого элемента машины [2]. Микрометрическими измерениями установлено, что износ лап культиваторов типа КППШ имеет большую величину и характерные особенности, которые обусловлены условиями работы детали (рисунок 1) [3].

От физико-механических свойств почвы зависит характер и интенсивность изнашивания. Существует множество разновидностей почв, различающихся механическим составом, а значит и изнашивающим воздействием на рассматриваемую в работе деталь. Наиболее распространенным минералом в составе почвы является кварц (HV 10,5…12,5 ГПа), составляющий 75…85% почвы. Далее по степени распространения идут полевые шпаты, слюды, рудные минералы и т.д. (HV 6,5…7,2 ГПа) [1].

По абразивному воздействию на деталь почвы подразделяются на три категории, в зависимости от коэффициента изнашивающей способности. Он характеризует отношение интенсивности износа детали данной почвой к интенсивности износа той же детали эталонной абразивной средой при одних и тех же условиях. К первой категории относятся почвы с коэффициентом изнашивающей способности 1,3…3. С увеличением содержания глинистых частиц коэффициент изнашивающей способности такой почвы резко уменьшается. При работе в данной почве детали почвообрабатывающих машин изнашиваются в основном по толщине [1].

Рисунок 1 – Изношенные лапы культиваторов марки КППШ

Почвы с коэффициентом изнашивающей способности 0,5…1,3 относятся ко второй категории. Увеличение содержания глинистых частиц незначительно сказывается на коэффициенте. Почвообрабатывающие детали изнашиваются в основном по ширине, а при наличии крупных фракций, также по толщине [1].

Третья категория включает почвы с коэффициентом изнашивающей способности 0,37…0,65. С увеличением глинистых частиц он также изменяется незначительно. Износ деталей происходит, как правило, по ширине [1].

Проведенными ранее исследованиями было установлено, что наиболее интенсивно почвообрабатывающие детали изнашиваются на песчаных почвах [1]. Причем с увеличением числа каменистых включений интенсивность изнашивания возрастает. Далее, в порядке убывания идут супесчаные, суглинистые, глинистые и тяжелоглинистые почвы. Износ рабочего органа на песчаной почве, засоренной камнями может быть в семь и более раз выше, чем на глинистой, при прочих равных условиях.

Важное влияние на интенсивность изнашивания деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин оказывает влажность. С изменением влажности интенсивность изнашивания для различных почв изменяется в широком диапазоне. Если влага в почве отсутствует полностью, то почвенные частицы непосредственно соприкасаются как с изнашиваемой поверхностью, так и между собой. Взаимосвязь между частицами незначительна и скорость их относительного скольжения невелика. Присутствие влаги в почве существенно изменяет характер взаимодействия абразивных частиц и изнашиваемой поверхности вследствие адсорбции частицами молекул воды. Давление адсорбционных слоев способствует развитию микрощелей, которые неизбежно возникают при деформации твердого тела. Молекулы воды, проникшие в микрощель, расширяют ее и не дают сомкнуться, даже при отсутствии внешних сил, значительно ускоряя процесс разрушения детали. Однако присутствие влаги понижает прочность частиц абразива и их режущие свойства. Поэтому понижение абразивной способности частиц почвы и ускорение разрушения поверхности детали происходят одновременно. Результирующая этих воздействий зависит от количества и качества адсорбционной среды [1]. Так же зависит от фактической площади контакта абразивной массы с поверхностью рабочего органа. Так исследованиями установлено, что при увеличении нагрузки растет общее число пятен контакта и их размер. Однако только 8…10% песчинок, находящихся в контакте, изнашивают металл при своем перемещении. Значительная часть частиц выходит из контакта в начальный момент движения и наносит царапины только на очень коротком отрезке. Глубина отдельных царапин не постоянна, так как в процессе движения деформируемый металл заполняет микровпадины, которые имеют на поверхности песчаные частицы. Кроме того, острые кромки и выступы абразивных частиц подвергаются излому и крошению, в результате чего поверхность становится более гладкой, увеличивается сопротивление движению внедрившейся частицы, что приводит к ее выглублению или повороту [1].

В начале исследования механизм абразивного изнашивания сводился к простому царапанью металла частицами абразива, которые осуществляют микрорезание поверхности. Такой точки зрения придерживались в своих работах В.Д. Кузнецов, А.К. Зайцев, В.Н. Кащеев, В.М. Глазков. Они представляли процесс изнашивания как сумму большого числа элементарных процессов царапания и резания с образованием мельчайшей или витой стружки в зависимости от типа материала [2].

И.В. Крагельский считал, что при условии внедрения абразивной частицы на достаточную глубину может наблюдаться микрорезание материала. Однако в реальных условиях это явление происходит редко, так как почва состоит в основном из скругленных частиц. Он различал три основных вида изнашивания: при упругом контакте, при пластическом оттеснении и при микрорезании. Интенсивность изнашивания связана с фактической и номинальной площадями выступа частицы, контактирующего с поверхностью материала. При определенном соотношении этих величин происходит переход от пластического оттеснения к скалыванию металла [4].

По мнению П.Н. Львова наряду с вышеуказанными процессами происходит еще и выламывание хрупких карбидных элементов структуры по мере изнашивания более мягкого материала матрицы. Таким образом износостойкость металла определяется твердостью зерен карбидов, прочностью сцепления пластической основы с карбидами и ее износостойкостью [5].

Учеными установлено, что наряду с царапаньем поверхности абразивом наблюдается изнашивание при пластическом деформировании частицами, имеющими скругленные выступы и грани, а также перекатывающимися без скольжения. При этом частицы разделяются на две группы.

Частицы, которые в процессе взаимодействия с поверхностью детали преодолевают силы сцепления материала и непосредственно производят изнашивание, относятся к первой группе. Абразивные частицы могут производить микрорезание поверхности, если сила контактных связей частиц между собой превышает силы внутреннего сцепления изнашиваемой детали, а нагрузка на них обеспечивает проникновение вглубь материала.

Частицы, давление которых на площадь контакта доводит до предела текучести изнашиваемый материал, относятся ко второй группе. Они ускоряют процесс разрушения многократным деформированием одного и того же участка поверхности (полидеформационное разрушение). Эти частицы оставляют след, образованный вытеснением металла в отвалы, в виде риски. Вытеснение металла – первый этап разрушения. При движении соседних абразивных частиц вблизи ранее образованных отвалов происходит вторичное передеформирование, переориентация металла отвалов в сторону риски или его окончательное отделение от поверхности изнашивания путем одновременного развития различных деформаций. Данный процесс сопровождается окислением поверхностных объемов и последующим механическим разрушением образующихся пленок [6].

Благодаря поведенным исследованиям авторов было установлено, что абразивное изнашивание происходит, если твердость абразива (На) превышает твердость материала (Нм), из которого изготовлена изнашиваемая поверхность. Существует зависимость между износостойкостью материала Пот и соотношением твердостей (На/Нм). При этом существует три характерные области, различающиеся характером связи между этими параметрами.

В первой области, где действует условие На/Нм<0,7 абразивное изнашивание не происходит. В этой области осуществляется усталостное изнашивание, которое имеет невысокую интенсивность. Вторая область характеризуется соотношением 0,7<На/Нм<1,1 и в ней происходит абразивное изнашивание, зависящее от соотношения твердостей абразива и материала. В третьей области твердость абразива значительно превосходит твердость изнашиваемого материала. В этой области износ будет большим и стабильным, и не будет зависеть от соотношения На/Нм. Эта зависимость справедлива только для структурно однородных материалов.

При восстановлении изношенных деталей нужно учитывать данные условия возобновления исправного состояния и ресурса этих деталей путем возвращения им утраченной части материала из-за изнашивания и (или) доведения до нормативных значений уровня свойств, изменившихся за время длительной эксплуатации машин [7…36].

Вывод: рабочие органы почвообрабатывающих машин выходят из строя вследствие абразивного изнашивания, интенсивность которого зависит от механического состава почвы, влажности, соотношения твердости абразива и материала изнашиваемой детали, структуры материала рабочей поверхности детали.