Аннотация и ключевые слова
Аннотация:
Повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции базируется на высоком техническом уровне машин, что обусловлено применением инновационных технологий в сельскохозяйственном машиностроении. В этой связи необходимо обеспечить работоспособность основных рабочих органов посевных машин при возделывании зерновых культур, в частности, для зерновых сеялок – работоспособность двухдисковых сошников. Цель исследований – сравнительная оценка триботехнических свойств серийных и опытных дисков на основе лабораторных испытаний образцов. При проведении исследований составлена программа и разработана методика испытаний в два этапа: на первом – проводили испытания на изнашивание с оценкой по массовому износу с целью сопоставления износостойкости образцов дисков на шлифовально-полировальной машине в комплекте LaboPol-30 и LaboForce-100; на втором – проводили испытания на трение с оценкой по коэффициенту трения скольжения рабочих поверхностей на универсальной машине трения УМТ-200. Результаты испытаний показали, что отношение интенсивности изнашивания серийных и опытных образцов равно 1,3…1,9, а отношение коэффициента трения серийных и опытных образцов – 1,22…2,11. Данные результаты имеют высокую сходимость с результатами сравнительных ускоренных стендовых испытаний серийных и опытных дисков на изнашивание.

Ключевые слова:
работоспособность, посевные машины, ресурс, диски сошников, триботехнические свойства, изнашивание, коэффициент трения
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Введение. В Стратегии развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 7 июля 2017 г. № 1455-р, одной из основных задач является разработка конкурентоспособных отечественных сельскохозяйственных машин и технологий обеспечения их работоспособности. В Стратегии заложено наращивание инновационного потенциала сельскохозяйственного машиностроения за счет активной поддержки проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и выполнения программ технического перевооружения предприятий сельскохозяйственного машиностроения.

С целью реализации и развития передового сельского хозяйства в России и получения стабильного высокого урожая зерновых культур следует повышать работоспособность сельскохозяйственных машин на основе увеличения долговечности и безотказности рабочих органов, непосредственно взаимодействующих с почвой. К таковым относятся рабочие органы почвообрабатывающих, посевных и уборочных машин [1].
С точки зрения закладки урожая, посев является наиболее точной и сложной операцией, в этой связи к двухдисковым сошникам предъявляются высокие требования по работоспособности. Ресурс дисков сошников и работоспособность сеялок во многом зависят от технического состояния дисков сошников [2]. При уменьшении внешнего диаметра дисков сошников по причине абразивного изнашивания глубина заделки семян также снижается, что сказывается на полевой всхожести семян и урожайности культуры. Таким образом, требуется обеспечение работоспособности дисков сошников по износостойкости, что характеризуется изменением триботехнических свойств рабочих поверхностей дисков.

Анализ работ в области оценки свойств рабочих поверхностей после упрочнения и восстановления рабочих органов сельскохозяйственных машин показал, что триботехнические испытания на изнашивание и по коэффициенту трения применяются широко. Так, например, Нотов Р.А. и Лебедев А.Т. проводят исследование триботехнических свойств дисков сошников на образцах из стали 65Г о жестко закрепленный абразивный материал при сухом трении, используя шлифовально-полировальный станок FORCIPOL 1V, с целью количественной оценки изнашивания образцов по массе на минимальных режимах нагружения, приближенных к эксплуатации (частота вращения образцов – 120 мин-1, сила давления на образец – 5Н) [3]. Литвинов Т.А. и другие проводят исследования на образцах размером 4×5×10 мм о жестко закрепленный абразив, используя абразивную шкурку 6-Н 14А ГОСТ 13344-79 и универсальную установку МИ-1М, при постоянной нагрузке P=400 г, с последующей оценкой износа проводят по потере массы [4]. Тюрин А.Г. и другие проводят испытания на образцах диаметром 2 мм и высотой 10 мм, о жестко закрепленный абразив ГОСТ 17367-71, используя шкурку с абразивными частицами от 60 до 80 мкм, при частоте вращения 60 об/мин, удельном давлении на образец 1 МПа, пути трения 30 м, радиальном перемещении образца 1,4 мм/об, с последующей оценкой износа по потере массы [5]. Кроха В.А. проводит испытание на образцах диаметром 2 мм и длиной 20 мм на машине трения Х-4 Б по ГОСТ 17367-71 с оценкой износа по потере массы [6]. Лаптева В.Г., Куксенова Л.И. и другие проводят испытания пар трения между образцами размером 25×80×5 мм и контробразцами с меньшей поверхностью трения 4×25 мм, при средней скорости относительного скольжения образцов 0,19 м/c, максимальной нагрузке на образцы 1250 Н и времени испытаний 3,5 ч, с оценкой износа по потере массы [7]. Тарасов В.В. и другие проводят испытания на образцах диаметром 5 мм в контакте с шкуркой шлифовальной тканевой водостойкой KK19XW различной зернистости на машине трения Х-4 Б при нагрузке 3…12 Н, частоте вращения 750 мин-1, подаче 250 мм/мин с оценкой линейного
износа [8].

Цель работы – определение сравнительной износостойкости образцов серийных и опытных дисков.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

  • провести испытания на изнашивание и на трение;
  • дать сравнительную оценку износостойкости образцов по износу и коэффициенту трения.

Материалы и методы. Объект исследования – серийные (СД) и опытные диски сошников сеялки СЗТ-3,6А (внешний диаметр 350 мм), из которых вырезались лабораторные образцы [9]. Опытные диски подвергались различным ремонтным воздействиям: 1) для серийных дисков диаметром 350 мм проводили электромеханическое упрочнение лезвия дисков (СУД); 2) при износе дисков по диаметру от 350 мм до 340 мм проводили заточку и электромеханическое упрочнение лезвия дисков (ЭУД); 3) при износе дисков по диаметру от 326 мм и менее проводили приварку ремонтной детали (полуколец), заточку и электромеханическое упрочнение лезвия (ВУД) [10]. Программа испытаний включала испытания на сухое трение образцов из серийного и опытных дисков в трехкратной повторности. Образцы вырезаны из дисков в виде: 1) для испытания на изнашивание – прямоугольник шириной 8 мм и длиной 18 мм; 2) для испытаний на трение – квадрат со стороной 12 мм. Для оценки износа по массе использовали весы ВЛТ-510П с точностью 0,01 г. Исследование включает триботехнические испытания в два этапа на шлифовально-полировальной машине в комплекте LaboPol-30 и LaboForce-100 и на универсальной машине трения УМТ-200.

При испытании на шлифовально-полировальной машине методика испытаний включала приработку и основные испытания образцов. Исходя из возможностей шлифовально-полировальной машины для создания одинаковых условий испытаний, испытываем сразу четыре образца из серийного и опытных дисков, при этом для фиксации образцов приклеиваем их в специальные термопластические оправки, выполненные с центральной канавкой, и устанавливаем их в головной части LaboForce-100 (рис. 1, а). Приработку осуществляем при следующих условиях и режимах: 1) шлифовальная шкурка – Sic Foil #220; 2) нагрузка – максимальная единичная 20 Н; 3) частота вращения диска головной части – 150 мин-1, частота вращения диска основной части – 50 мин-1; 4) направление вращения диска головки и диска основания – одинаковое;
5) время цикла испытаний составляет 5 мин. Значения режимов испытаний показаны на панели управления головной части машины
LaboForce-100 (рис. 1, б).

При проведении основных испытаний назначаем следующие условия и режимы:
1) шлифовальная шкурка –
Sic Foil #120;
2) нагрузка максимальная единичная – 50 Н;
3) частота вращения диска головной части –
150
мин-1, частоту вращения диска основной части – 500 мин-1; 4) направление вращения диска головки и диска основания – встречное;
5) время одного цикла испытаний – 15 мин, число циклов - 4, общее время испытаний – 60 мин. Значения режимов испытаний показаны на панели управления головной части машины

LaboForce-100 (рисунок 1, в).

Оценку износостойкости образцов проводим по снижению их массы с учетом продолжительности испытаний. Условия и режимы испытаний по ГОСТ 17367-71 подобраны так, чтобы нагрев материала образцов не влиял на его свойства, а минимальный абсолютный износ, подлежащий измерению, составлял 5 мг.

Абсолютный износ образцов серийных и опытных дисков вычисляем по формуле

ΔGi=Gi-GИi,                      (1)

 

 

 

 

 

а)

б)

в)

Рис. 1. Общий вид шлифовально-полировальной машины при настройке

[Источник: http://www.easymanua.ls/struers/labopol-30/manual?p=75]

а) установленные образцы; б) параметры при приработке; в) основные параметры

 

 

где Gi – масса образцов до испытаний, г; GИi – масса образцов после испытаний, г.

Для приведения результатов износа к нормативной площади определяем коэффициент корректировки ki по формуле

ki=Si/Sн,                            (2)

где Si - текущая площадь образцов, см2; Sн - нормативная площадь, см2 (Sн=1 см2).

Скорректированный абсолютный износ образцов ΔGksi, г, вычисляем по формуле

ΔGksi=ΔGiki,                       (3)

где ΔGi– абсолютный износ образцов, г; ki– корректировочный коэффициент.

Интенсивность (скорость) изнашивания образцов I(V)Gi, г/мин, вычисляем по формуле

I(V)Gi=Gksit,                    (4)

где Gksi – абсолютный износ образцов, г; t – время основных испытаний, мин (t=60 мин).

В качестве сопоставительного критерия оценки износа образцов сравниваемых дисков введем относительный износ, выраженный в долях единицы. Принимаем в качестве эталона данные по износу образца из серийного диска, тогда относительный износ i опытных дисков определяем по формуле

i=ΔGksОДiΔGksСДi,                              (5)

где GksОДi – абсолютный износ образцов опытных дисков, г; ΔGksСДi – абсолютный износ образца серийного диска, г.

Для проведения испытания на машине трения УМТ-200 изготовлена неподвижная часть, в виде оправки с канавкой, где размещается образец в форме квадрата. Для фиксации образец приклеивают к неподвижной части под шпинделем машины трения и центрируют посредством лазера. Неподвижная часть машины трения с закрепленным образцом представлена на универсальной машине трения УМТ-200 (рисунок 2). К машине трения перед испытаниями подключают ноутбук через USB кабель, закрепляют образец диска и устанавливают контробразец в виде Болт М8×60.12.9 DIN 933, при этом каждому образцу диска соответствует свой контробразец. На ноутбуке запускают программу QMLab и выполняют настройку модуля QMS 10: выводят измерительные тензометрические каналы – сила момента трения, сила прижатия образцов и температура (рис. 2).

Методика испытаний на универсальной машине трения УМТ-200 включала приработку и основные испытания. Приработку контактных поверхностей образца и контробразца выполняем при следующих режимах: усилие прижатия – 5 Н (7,82 мВ по тарировочному графику тензодатчика) и частоте вращения шпинделя с контробразцом 200 мин-1, время приработки - 1 мин. Основные испытания проводим на рабочих режимах: усилие прижатия – 42,5 Н (24,38 мВ по тарировочному графику тензодатчика) и частоте вращения шпинделя 200 мин-1, время испытаний – 5 мин. Уровень нагружения обоснован для ускорения испытания за счет ужесточения нагрузки, так как рабочая нагрузка 42,5 Н превышает силу сопротивления почвы на диск 13,25…16,33 Н примерно в 2,6…3,2 раза, с учетом площади головки контробразца [11]. С целью графической иллюстрации процесса триботехнических испытаний рабочие графики изменения силы прижатия и силы момента сопротивления в процессе испытаний приведены на рисунке 3 [12]. На графиках можно выделить три характерных стадии: первая – незначительный рост силы сопротивления, вторая – амплитудное изменение сил сопротивления и прижатия образцов, третья – стабилизация показаний тензорезисторов.

 

 

 

Рис. 2. Общий вид универсальной машины трения УМТ-200 [Источник: http://машинатрения.рф/mty]

1 – привод (сверлильный станок); 2 – тензодатчик силы момента трения; 3 – тензодатчик усилия прижатия;

4 – датчик температуры; 5 – аналитический модуль QMbox; 6 – шпиндель привода (сверлильного станка);

7 – ноутбук с программным обеспечением; 8 – оправка с образцом; 9 – контробразец

 

 

 

а) графики в модуле QMlab

б) графики, уточненные в Microsoft Excel

 

Рис. 3. Графическая иллюстрация процесса испытаний образца серийного диска СД 1

 

 

Оценку износостойкости проводим по коэффициенту трения fТрi, который вычисляем по формуле [13, 14]

fТрi=MТрi(Ni·Rкоi)=(Foi·Rki)(Pi·kпр·Rкоi)           (6)

где MТрi – момент трения образца, Нм; Ni – нагрузка на образец, Н, в нашем случае Ni=Pi; kпр – коэффициент прилегания контробразца к образцу диска, исходя из триботехнических испытаний принимаем 0,9 [13, 15]; Rкоi – радиус окружности зоны износа головки контробразца после испытаний, м; Foi – сила момента трения, Н; Rki – радиус окружности зоны износа образца после испытаний, м.

Основная часть. При проведении испытаний на первом этапе исследования процесса изнашивания испытаны двенадцать образцов в три серии – четыре вида образцов дисков (СД, СУД, ЭУД, ВУД) в трехкратной повторности. Результаты оценки опытных и расчетных величин по образцам дисков на основе формул (1) - (5) представлены в таблице 1.

Анализ данных таблицы 1 показывает:
1) наибольший износ по массе наблюдается у образцов СД –
GksСД=0,477 г, интенсивность изнашивания I(V)GСД=0,795×10-2 г/мин, относительный износ – iСД=1; 2) наименьший износ по массе наблюдается у опытных дисков (по возрастанию): у образцов ЭУД – GksЭУД=0,250 г, интенсивность изнашивания I(V)GЭУД=0,417×10-2 г/мин, относительный износ – iЭУД=0,52; у образцов СУД – GksСУД=0,340 г, интенсивность изнашивания I(V)GСУД=0,567×10-2 г/мин, относительный износ – iСУД=0,71; у образцов ВУД – GksВУД=0,367 г, интенсивность изнашивания I(V)GВУД=0,612×10-2 г/мин, относительный износ – iВУД=0,77.

 

Таблица 1

Результаты испытаний на изнашивание

Образцы / повторность

Наименование параметров

абсолютный износ Gi, г

площадь

коэффициент корректировки

скорректированный абсолютный износ

интенсивность
 изнашивания

относи-тельный износ

Среднее

Si, мм2

ki

Gksi, г

I(V)Gi,×10-2, г/мин

i

СД 1

0,36

135

1,35

0,486

0,810

1

СД 2

0,35

134

1,34

0,469

0,782

1

СД 3

0,36

132

1,32

0,475

0,792

1

Среднее

-

0,477

0,795

1

СУД 1

0,30

144

1,44

0,432

0,720

0,89

СУД 2

0,26

108

1,08

0,281

0,468

0,60

СУД 3

0,26

118

1,18

0,307

0,512

0,65

Среднее

-

0,340

0,567

0,71

ЭУД 1

0,21

122

1,22

0,256

0,427

0,53

ЭУД 2

0,21

121

1,21

0,254

0,423

0,54

ЭУД 3

0,19

126

1,26

0,239

0,398

0,50

Среднее

-

0,250

0,417

0,52

ВУД 1

0,31

125

1,25

0,388

0,647

0,80

ВУД 2

0,28

111

1,11

0,311

0,518

0,66

ВУД 3

0,32

126

1,26

0,403

0,672

0,85

Среднее

-

0,367

0,612

0,77

 

 

При проведении испытаний на втором этапе исследования процесса трения испытаны двенадцать пар образцов и контробразцов по четырем видам дисков (СД, СУД, ЭУД, ВУД) в трехкратной повторности. Получены опытные данные по тензодатчику момента трения, тензодатчику усилия прижатия и температуры, обработаны в аналитическом модуле QMbox и программе QMlab в виде получения бинарных данных, последующего перевода в текстовой формат с помощью модуля QMParser и их графического представления в Microsoft Excel. Для расчета получены средние значения сил моментов трения по серийному и опытным образцам Foi, Н; средние значения сил по прижатию контробразцов к серийным и опытным образцам Pi, Н [16]. Результаты оценки опытных и расчетных величин коэффициента трения скольжения по образцам дисков на основе формулы (6) представлены в таблице 2.

 

 Таблица 2

 

Результаты испытаний на трение

Образцы / повторность

Наименование параметров

сила прижатия образцов

сила момента трения образцов

температура

радиус окружности зоны износа контробразца

радиус окружности зоны износа образца

коэффи-циент трения

Pi ,Н

Fоi, Н

Тi, °C

Rkоi, мм

Rki, мм

fТРi

СД 1

4,000

0,950

54

6,83

6,56

0,253

СД 2

4,300

0,750

58

6,88

5,73

0,161

СД 3

4,650

0,800

56

6,48

4,38

0,123

Среднее

-

56

-

0,179

СУД 1

4,600

0,315

46

6,76

3,67

0,041

СУД 2

4,200

1,130

62

6,53

4,04

0,185

СУД 3

4,100

1,300

58

6,69

4,09

0,215

Среднее

-

55

-

0,147

ЭУД 1

4,750

0,375

54

6,62

3,33

0,044

ЭУД 2

4,500

0,830

52

7,13

3,69

0,106

ЭУД 3

4,600

0,690

50

7,00

4,38

0,105

Среднее

-

52

-

0,085

ВУД 1

4,600

0,700

42

6,78

5,30

0,132

ВУД 2

4,240

0,900

54

7,03

4,40

0,148

ВУД 3

4,680

0,400

52

7,11

5,12

0,068

Среднее

-

49

-

0,116

 

Анализ данных таблицы 2 показывает:
1) наибольший коэффициент трения соответствует
образцам СД – fТрСД=0,179; 2) значения коэффициента трения для образцов опытных дисков составляют (по возрастанию): образцы ЭУД – fТрЭУД=0,085, образцы ВУД – fТрВУД=0,116, образцы СУД – fТрСУД=0,147.

Выводы.

  1. На основании обзора литературных источников и анализа нормативной-технической литературы разработана методика и подготовлены технические средства проведения лабораторных испытаний образцов серийных и опытных дисков сошников сеялки СЗТ-3,6А для триботехнической оценки на изнашивание и трение.
  2. В результате проведения испытаний на изнашивание для исследуемых образцов серийных и опытных (серийных упрочненных, снятых с эксплуатации упрочненных и восстановленных упрочненных) дисков установлено, что повышение износостойкости образцов опытных дисков по сравнению с образцами серийных дисков составило – для СУД в 1,40 раза, ЭУД в 1,91 раз, ВУД в 1,30 раза, что свидетельствует о возможном повышении ресурса в среднем на 30…91 %.
  3. По результатам испытаний на трение для исследуемых образцов серийных и опытных (серийных упрочненных, снятых с эксплуатации упрочненных и восстановленных упрочненных) дисков установлено снижение коэффициента трения поверхностей образцов опытных дисков по сравнению с образцами серийных дисков – СУД в 1,22 раза, ЭУД в 2,11 раз, ВУД в 1,54 раз, что обуславливает снижение потерь на трение в опытных образцах по сравнению с образцами серийными за счет более высокой твердости.
  4. Сопоставительный анализ лабораторных испытаний образцов на изнашивание и трение с результатами ускоренных стендовых испытаний на износ серийных и опытных дисков сошников сеялки СЗТ-3,6А указывает на их сходимость, так как наиболее износостойкими опытными дисками по сравнению с серийными являются диски, снятые с эксплуатации упрочненные, далее восстановленные приваркой ремонтной детали упрочненные и затем серийные упрочненные диски.
Список литературы

1. Супонев И.А., Ерохин М.Н. Физико-механические свойства почв и их воздействие на рабочие органы почвообрабатывающих машин // Чтения академика В.Н. Болтинского: сборник статей, Москва, 22-23 января 2025 года. Москва: ООО «Сам Полиграфист», 2025. С. 304–309.

2. Ожегов Н.М., Ружьев В.А., Ловкис В.Б. Влияние физико-механических свойств почвы на интенсивность изнашивания рабочей поверхности дисков высокоскоростных почвообрабатывающих машин // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2016. №39. С. 286–290.

3. Нотов Р.А., Лебедев А.Т., Ангрыков Б.А., Абушинов О.А., Бадмаева Т.В., Лебедев П.А. Прогнозирование ресурса двухдисковых сошников зерновых сеялок // Наука в центральной России. 2019. № 6. С. 95–104. DOI:https://doi.org/10.35887/2305-2538-2024-6-95-104.

4. Литвинова Т.А., Мецлер А.А., Пирожков Р.В. Исследование износостойкости покрытий, полученные методами газопорошковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки // Глобальная ядерная безопасность. 2016. № 1. С. 46–49.

5. Тюрин А.Г., Разумаков А.А., Терентьев Д.С., Нагавкин С.Ю., Иванцивский В.В. Исследование структуры и свойств твердых сплавов с градиентным строением // Материаловедение. 2012. № 4. С. 86–92.

6. Кроха В.А. Холодная пластическая деформация металлов как метод повышения их износостойкости // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010. № 4. С. 23–30.

7. Лаптева В.Г., Куксенова Л.И., Алисин В.В., Герасимова Н.Г. Повышение износостойкости сталей и чугуна лазерной обработкой // Ремонт, восстановление, модернизация. 2009. № 3. С. 2–7.

8. Тарасов В.В., Трифонов И.С. Развитие метода изнашивания материалов по закрепленному абразиву // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т.17, № 1. С. 143–149.

9. Нотов Р.А., Лебедев А.Т. Работоспособность дисковых сошников зерновых сеялок в различных эксплуатационных условиях // Наука в центральной России. 2019. №6. С. 5–10. DOI:https://doi.org/10.35887/2305-2538-2019-6-5-10.

10. Волков М.И. Методика испытаний на износ дисков сошников и результаты её отработки // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2024. №3 (43). С. 5-12.

11. Пастухов А.Г., Волков М.И. Определение тягового сопротивления дискового сошника // Материалы XXIV Международной научно-производственной конференции «Инновационные решения в аграрной науке – взгляд в будущее» в 2 т. Том 1.п. Майский. 2020. С 55–56.

12. Ибатуллин И.Д., Журавлев А.Н., Утянкин А.В., Галлямов А.Р., Неяглова Р.Р. Стенд и методики триботехнических испытаний материалов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3. С. 218-223.

13. Морозов А.В. Повышение долговечности гладких цилиндрических соединений при восстановлении электромеханической обработкой: Дисс. докт. техн. наук / А.В. Морозов; РГАУ МСХА им. Тимирязева, Ульяновский ГАУ им. П.А. Столыпина. М.: 2018. 458 с.

14. Хорев В.А. Антифрикционные композиционные материалы для эксплуатации в экстремальных условиях трения: Дисс. канд. техн. наук / В.А. Хорева; СПбГТИ(ТУ). Спб.: 2025. 119 с.

15. Перепелкина С.Ю., Коваленко П.П., Печенко Р.В., Нуждин К.А. Методика исследования трибологических характеристик материалов на машине трения // Приборостроение. 2016. Т.59, № 8. С. 636–640. DOI:https://doi.org/10.17586/0021-3454-2016-59-8-636-640.

16. Аркуша, А.И. Техническая механика: Теоретическая механика и сопротивление материалов. М.: Ленанд, 2016. 352 c.


Войти или Создать
* Забыли пароль?