UDK 631.311 Почвообрабатывающие машины и орудия общего назначения
The functioning of agricultural machinery and equipment is an integral factor in ensuring the sustainability of production. Wear of the working units of tillage mechanisms is associated with a gradual change in their geometric and physical-mechanical characteristics, which in turn reduces the efficiency of tillage. One of the methods for solving this problem is to apply a protective layer of material that has increased wear resistance. Selective laser sintering (SLS) and plasma powder cladding are technologies for applying protective layers to the surface of agricultural machinery parts. A comparative analysis of these methods will allow us to assess their effectiveness and applicability in agricultural conditions. The results of comparing these methods will allow you to choose the optimal solution depending on the specific requirements and operating conditions of agricultural equipment. Calculation of the choice of design and material parameters shows that when using selective laser sintering as a method of strengthening the working units of soil-cultivating machines, the savings in hard alloy will be 35%. It has been established that due to the formation of a homogeneous, thin, wear-resistant, strengthening layer on the working unit, the effective shaping of its blade part occurs, which ensures the established plowing depth without violating the agrotechnical parameters of the soil cultivation process. When testing for reliability, it was determined that the wear rate of the experimental bits was significantly lower than the serial ones. The average wear rate for 8 bits is: experimental samples - 0.458 mm/ha, serial samples - 0.559 mm/ha. The effectiveness of using new materials and the method (SLS) for strengthening soil-cutting working units in comparison with hardening by the plasma method under operating conditions will ensure an increase in the service life of experimental parts by 18%.
working units, tillage machines, economic efficiency of use, plasma-powder surfacing, 3D printing, selective laser sintering method
Введение. Эффективность функционирования сельскохозяйственных машин и оборудования является неотъемлемым фактором в обеспечении устойчивости производства. Изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих механизмов, таких как плуги, бороны, культиваторы, связано с постепенным изменением их геометрических и физико-механических характеристик, что в свою очередь снижает эффективность обработки почвы [1, 2, 3]. Повышенный износ элементов сельскохозяйственных агрегатов приводит к значительным временным простоям в процессе восстановления, что подчеркивает актуальность проблемы обеспечения надежности техники [4, 5].
Один из методов решения данной задачи является нанесение защитного слоя материала, обладающего повышенной стойкостью к изнашиванию. Этот подход существенно способствует увеличению срока службы рабочих органов и повышению эффективности использования производственных ресурсов [6].
Метод селективного лазерного спекания (SLS) и плазменно-порошковой наплавки представляют собой технологии для нанесения защитных слоев на поверхность деталей сельскохозяйственных машин. Сравнительный анализ этих методов позволяет оценить их эффективность и применимость в условиях сельского хозяйства.
Метод SLS основан на использовании лазерного излучения для точечного нагрева поверхности, на которой происходит спекание порошкового материала.
Метод селективного лазерного спекания в отличии от традиционно использующихся методов (плавления) позволяет формировать (выращивать, добавлять) слои любой конфигурации с равномерным распределением твердых частиц металлопорошка, что в свою очередь определяет равномерный износ рабочего органа и эффективное формообразование его лезвийной части это увеличивает качество агротехнических параметров проводимой операции и снижает нагрузку на агрегат.
Также за счет возможности использования более твердых порошков при спекании повышается ресурс и снижается толщина наносимого слоя что в свою очередь снижает риск возникновения широкой затылочной фаски, которая так же влияет на энергетические показатели и качество обработки почвы.
Плазменно-порошковая наплавка включает в себя использование плазмы для плавления порошкового материала, который затем наносится на поверхность детали [7, 8].
Основным недостатком плазменных методов упрочнения является неравномерное распределение микротвёрдости в обрабатываемом слое [9]. Эта проблема связана с тем, что частицы карбида вольфрама, из-за их ограниченной способности растворяться в ванне жидкого металла, образуют конгломераты, которые не успевают полностью раствориться. Кроме того, для достижения расплавления вольфрама и, следовательно, его равномерного распределения в слое, поскольку нерасплавленные частицы вольфрама концентрируются на дне ванны расплава. Для решения вышеперечисленных проблем требуется увеличить тепловой вклад. Однако это может вызвать перегрев сплава.
В тоже время технология селективного лазерного спекания не нуждается в полном расплавлении частиц. Деталь после нанесения защитного слоя не требует термической обработки, поэтому можно упрочнять готовые рабочие органы под определенные почвенные условия поскольку из-за малого тепло вложения материал основы не теряет своих свойств.
Результаты сравнения этих методов позволяют выбирать оптимальное решение в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации сельскохозяйственного оборудования, способствуя повышению устойчивости производства и обеспечивая более эффективное использование ресурсов в сельском хозяйстве.
Цель исследования. Оценка относительной износостойкости материалов почворежущих деталей упрочненных двумя методами и сравнительная оценка ресурса и эффективности применения.
Условия, материалы и методы
Проведен расчет выбора конструктивно-материаловедческих параметров по разработанной С. А. Сидоровым [10] упрощенной методике двух видов упрочняющих материалов Р6М5 и ФБХ-6-2. Алгоритм основан на учете выраженной зависимости максимальной линейной и конструкционной износостойкости для оценки относительного линейного износа двухслойного почворежущего лезвия:
(1)
где Uлин1 и Uлин. двухсл – линейные износы однородного и двухслойного почворежущих лезвий; KU2 – коэффициент относительной износостойкости материала основы двухслойной детали (стали) повышенной (или пониженной), по отношению к сравниваемому (KU1) материалу, износостойкости; KUтв.спл. - коэффициент относительной износостойкости материала упрочняющего твёрдосплавного слоя (относительно стали 30ХГСА); hтв.спл. – толщина слоя твёрдого сплава двухслойного лезвия, мм; bосн - толщина материала основы двухслойного лезвия, мм.
По итоговым преобразованиям формула для расчёта толщины слоя твердого сплава принимает вид:
(2)
При использовании плазменно-порошковой наплавки твердый сплав ФБХ-6-2с добавлением WC имеет усредненное значение 
равное 4,05 и толщину основы 
.
При использовании технологий селективного лазерного спекания твердый сплав Р6М5 имеет усредненное значение равное 6,5и толщину основы .
Количество износа двухслойного лезвия долота с исследуемыми материалами, учитывая изменение удельных нагрузок в результате внедрения новых конструктивно-материаловедческих решений, может быть приблизительно (с точностью 12-15%) определено по следующей зависимости:
(3)
где λ- математическое описание изнашивающей способности почв (определяется по методике Сидорова С. А. [9] и с табличных значений), Т – твердость почвы на глубине обработки, МПа, τ – наработка на долото, га.
Для упрощения расчётов была взята средняя наработка в 50 га и твёрдость почвы в 1 МПа.
Величину износа двухслойного лезвия долота, наплавленного твердым сплавом ПР-ФБХ-6-2 и Р6М5 рассчитываем по формуле 3:
=6,5 мм
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Расчетные значения толщин твердосплавных покрытий и линейных износов лезвий долот
|
Материал |
Толщина твердосплавного упрочняющего слоя, мм. |
Линейный износ двуслойного лезвия мм. |
|
Долото (толщина 12 мм) упрочняющий слой ПР-ФБХ-6-2 (68%) +WC (30%) +Al (2%) |
4,0 |
8,6 |
|
Долото (толщина 12 мм) упрочняющий слой Р6М5 |
2,6 |
6,5 |
|
|
Экономия твердого сплава 35% |
Повышение износостойкости 23% |
При использовании селективного лазерного спекания как метода упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин экономия твердого сплава составляет 35% таблица 1.
Для проведения исследований в полевых условиях было изготовлено два варианта долот (рис.2,4):
- Опытные образцы из стали 30ХГСА с упрочняющим слоем Р6М5 нанесенным селективным лазерным спеканием.
- Образцы рабочих органов, мелкосерийно выпускаемые из стали 30ХГСА с упрочняющим слоем ПР-ФБХ-6-2 +WC +Al нанесённым плазменно-порошковой наплавкой в среде сжатого воздуха.
Упрочнение экспериментальных образцов проводили методом селективного лазерного спекания (рис.1) по соответствующим режимам.
Рис. 1 – Процесс нанесения упрочняющего материала на экспериментальный образец долота
Рис.2 – Образец долота, упрочненный методом селективного лазерного спекания
Второй вариант упрочнения долот проводился на установке плазменно-порошковой наплавки в среде сжатого воздуха рис.3.
Рис.3 – Установка плазменно-порошковой наплавки в среде сжатого воздуха
Рис.4 – Образец долота, упрочненный плазменно-порошковой наплавкой в среде сжатого воздуха
Была проведена технологическая операция термообработки (закалка с последующим отпуском) по необходимым параметрам и режимам для данных материалов и на определенном этапе изготовления. Учитывая тот факт, что закалку долота, на которое будет нанесен упрочняющий материал методом селективного лазерного спекания, по предварительным исследованиям нужно проводить перед нанесением материала, а плазменно-порошковое упрочнение проводится до термообработки.
Исследования проводили в АО Агрофирма «Суздальские зори» (Владимирская область, Суздальский р-н, с. Павловское). При проведении испытаний плуг ПЛН-8-35 агрегатировался с трактором К-744. Почвы представляли собой средний и тяжелый суглинок, твердость в период испытаний составляла на глубине 18-22 см 2,2…3,0 МПа, установочная глубина обработки – 20 см, скоростные режимы работы устанавливались в пределах от 8 до 10 км/ч [11, 12, 13].
Долота упрочнённые материалами ФБХ-6-2 (рис. 4) и Р6М5 (рис.2) были установлены на корпуса отвальных плугов с шириной 35 см, в количестве 16 штук, по 8 на каждый плуг каждого вида упрочняющего материала и технологии упрочнения. Эти плуги предназначены для эффективной обработки почв различной твердости, не превышающей 4 МПа, с абсолютной влажностью до 30%. Они также приспособлены к нагрузкам с почвенным удельным сопротивлением до 1,4 кг/см² и высотой растительных и пожнивных остатков до 25 см (в соответствии с требованиями СТО АИСТ 4.6-2010).
Результаты и обсуждение. Результаты сравнительных исследований по критерию износостойкости опытных и серийно выпускаемых долот плуга ПЛН 8-35 приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты сравнительных ресурсных исследований рабочих органов по критерию износостойкости почвообрабатывающих машин, изготовленных с использованием различных материалов и упрочняющих технологий.
|
Марка материала долота
|
Марка материала наплавленного слоя
|
Номер корпуса плуга от навески трактора |
Наработка, га |
Длина долота (макс), b, мм |
Относительный износ по длине, мм/га |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
опытные долота |
|||||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
1 |
0 |
170 |
- |
|
40,6 |
148,81 |
0,521 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
2 |
0 |
170,4 |
- |
|
40,6 |
150,9 |
0,480 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
3 |
0 |
170,6 |
- |
|
40,6 |
151,95 |
0,459 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
4 |
0 |
170 |
- |
|
40,6 |
151,78 |
0,448 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
5 |
0 |
170 |
- |
|
40,6 |
152 |
0,443 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
6 |
0 |
169,3 |
- |
|
40,6 |
151,1 |
0,448 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
7 |
0 |
168,6 |
- |
|
40,6 |
151,24 |
0,427 |
|||
|
30ХГСА
|
Р6М5
|
8 |
0 |
169,6 |
- |
|
40,6 |
151,81 |
0,438 |
|||
|
серийные долота |
|||||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al |
1 |
0 |
169,8 |
- |
|
40,6 |
140,64 |
0,718 |
|||
|
30ХГСА |
ФБХ-6-2+WC+Al |
2 |
0 |
169,3 |
- |
|
40,6 |
144,9 |
0,6 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
3 |
0 |
170,4 |
- |
|
40,6 |
147,51 |
0,563 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
4 |
0 |
169,4 |
- |
|
40,6 |
147,16 |
0,547 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
5 |
0 |
171 |
- |
|
40,6 |
149,19 |
0,537 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
6 |
0 |
169,8 |
- |
|
40,6 |
148,42 |
0,526 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
7 |
0 |
170,6 |
- |
|
40,6 |
150,3 |
0,5 |
|||
|
30ХГСА
|
ФБХ-6-2+WC+Al
|
8 |
0 |
170,2 |
- |
|
40,6 |
150,55 |
0,483 |
|||
Линейный износ рабочих органов, представленный в таблице 2 был получен при наработке опытных и серийных долот 325 га на плуг, состоящий из 8 корпусов или 40 га на рабочий орган. Следует отметить, что при указанной наработке опытными долотами изготовленных из стали 30ХГСА с нанесенном слоем материала Р6М5 методом селективного лазерного спекания не достигнуто предельного износа (рис. 5), а у серийных долот изготовленных из стали 30ХГСА с нанесенном слоем материала ФБХ 6-2 +WC +Al методом плазменно-порошковой наплавки эта наработка явилась предельной (рис. 6).
Рис. 5 – Новое и изношенное №1 опытное долото
Рис. 6 – Новое и изношенное №1 серийное выпускаемое долото
Эксплуатационные показатели и качество выполнения технологического процесса на вспашке среднесуглинистой почвы плугом ПЛН 8-35с опытными и серийными долотами близки по значению и находятся в пределах требований [14, 15, 16] СТО АИСТ 4.6-2010. Стоит отметить, что экспериментальные долота имеют улучшенную заглубляющую способность и эффективное формообразование, так как лезвие рабочего органа в процессе работы сохранило свою остроту с минимальной выраженной затылочной фаской, за счет этого при росте скорости обработки сохраняется равномерность хода агрегата по глубине в отличии от плуга оснащенным серийными рабочими органами. По проведенным исследованиям определения качества работы на двух скоростных режимах 8 и 10 км/ч агрегатами оснащенными опытными и серийными рабочими органами получили что, при установочной глубине обработки 20 см фактически получена у плуга с опытными рабочими органами 20,5 и 21, 2 см у плуга с серийными 20 и 19,6 см.
Испытаниями на надежность установлено, что интенсивность износа опытных долот значительно ниже серийных. Усредненная на 8 долот скорость износа получена: опытных – 0,458 мм/га, серийных – 0,559 мм/га (таблица 2).
Установлено, что по скорости износа опытные долота плуга ПЛН 8-35значительно превосходят серийные. Износостойкость новых долот позволяет значительно увеличить ресурс плуга ПЛН 8-35при обработке почвы на 18%.
Выводы
2. Установлено, что за счет формирования однородного, тонкого, износостойкого, упрочняющего слоя на рабочем органе происходит эффективное формообразование его лезвийной части, которая обеспечивает установленную глубины пахоты, не нарушая агротехнических показателей процесса обработки почвы.
3. При испытании на надежность установили, что интенсивность износа опытных долот значительно ниже серийных. Средняя скорость износа на 8 долот составляет: опытных образцов – 0,458 мм/га, серийных образцов – 0,559 мм/га.
4. Эффективность использования новых материалов и метода (SLS) для упрочнения почворежущих рабочих органов в сравнении с долотами, упрочненных плазменным методом в эксплуатационных условиях, обеспечивает повышение ресурса (по износостойкости) опытных деталей на 18%.
1. Sidorov SA. [Agricultural machinery - high-quality materials]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2010; 2. 41 p.
2. Mironov DA, Lamm AK, Rasulov RK. [Assessing the effectiveness of soil-cultivating working units according to the criterion of wear resistance]. Vestnik Bashkirskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2023; 1 (65). 145-150 p.
3. Lobachevskiy YaP, Mironov DA, Mironova AV. [Main directions for increasing the service life of fast-wearing working parts of agricultural machines]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2023; Vol.17. 1. 41-50 p.
4. Izmaylov AYu, Lobachevskiy YaP, Sidorov SA. [New types of corrosion-resistant bimetals and technologies for their production]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2014; 4. 7-12 p.
5. Lobachevskiy YaP, Sidorov SA, Mironov DA. [New wear-resistant surfacing materials in agricultural engineering]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2014; 6. 27-31 p.
6. Sidorov SA, Mironov DA, Mironova AV. Increasing the wear resistance and other life characteristics of materials of tillage tools. Metallurgist. 2021; Vol.65. 5-6. 593-601 p.
7. Liskin IV, Mironov DA, Panov AI. Increasing the durability of ploughshares with wear resistant hardfacing. Vestnik of Federal State Educational Establishment of Higher Professional Education “Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin”. 2019; 1 (89). 39-44 p.
8. Sidorov SA, Mironov DA, Khoroshenkov VK. Surfacing methods for increasing the service life of rapidly wearing working tools of agricultural machines. Welding International. 2016; Vol.30. 10. 808-812 p.
9. Sidorov SA. [Application of nanoplasma technologies for coating and processing materials of agricultural machine parts]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2009; 2. 42-44 p.
10. Liskin IV, Lobachevskiy YaP, Mironov DA. [Results of laboratory studies of soil-cutting working parts]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2018; Vol.12. 4. 41-47 p.
11. Mironova AV. [Technological and physical-mechanical properties of turfed soils]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2022; Vol.16. 1. 63-68 p.
12. Mironova AV. [Treatment of soddy and degraded soils]. Elektrotekhnologii i elektrooborudovanie v APK. 2019; 2 (35). 57-62 p.
13. Liskin IV, Mironova AV. [Justification of an artificial soil environment for laboratory studies of wear and traction characteristics of soil-cutting working parts]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2020; Vol.14. 3. 53-58 p.
14. Sidorov SA, Lobachevskiy YaP, Mironov DA. [Influence of geometric and installation parameters of plow working units on agrotechnical and power characteristics]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2020; Vol.14. 2. 10-16 p.
15. Lobachevskiy YaP, Komogortsev VF, Starovoytov SI. [Analysis of traction resistance of elements of a cylindrical plow body]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2016; 2. 11-15 p.
16. Liskin IV, Mironov DA, Sidorov SA. [Equilibrium of the plow in the longitudinal-vertical plane]. Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2014; 6. 41-46 p.
