сотрудник
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
На сегодняшний день довольно остро стоит проблема поддержания работоспособности сложных современных отечественных и зарубежных сельскохозяйственных машин. Рабочие органы сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин работают в агрессивной абразивной среде, что приводит к их интенсивному износу и, как следствие, к потере геометрической формы. Это, в свою очередь, ведет к нарушению агротехнических требований, что существенно влияет на урожайность возделываемых культур. Серийные рабочие органы почвообрабатывающих машин выполняют из легированных сталей типа СТ65Г с рабочей твердостью HRC 55…60. Цель исследований – повышение износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, путём использования технологии комплексного микроплазменного упрочнения, с разработкой методики определения рациональных режимов обработки рабочих поверхностей. Для оценки эффективности комплексного упрочнения лабораторных образцов были проведены исследования элементарного состава упрочненного слоя. В качестве лабораторных образцов использовали пластины из стали марки СТ65Г. Упрочнение осуществляли с использованием различных сочетаний металлокерамических порошков и режимов микроплазменного упрочнения. Определение износостойкости проводили на машине трения 77 МТ-1. Наилучшие результаты отмечены после вибродугового упрочнения с последующим электроискровым легированием и использованием металлокерамического порошка, состоящего на 80 % из матричного порошка ПГ-10Н-01 и на 20 % из карбида бора B4C. На основе показателей режимов упрочнения построены интерполяционные полиномы Лагранжа, которые описывают зависимость величины износа образца от силы тока и напряжения, разработан алгоритм определения рациональных режимов упрочнения для достижения максимальной износостойкости исследуемых образцов. Микротвердость поверхности изделий при электроискровом упрочнении повышалась до 2 раз, а при вибродуговом в комплексе с электроискровым легированием и использованием специальных паст с металлокерамическими порошками – более чем в 3 раза. Глубина упрочненного слоя поверхности при комплексном упрочнении составляет порядка 0,3 мм.
упрочнение, износостойкость, лабораторные образцы, твердость, модели, полиномы Лагранжа, режимы обработки
Введение. На сегодняшний день весьма актуальная проблема
при восстановлении и изготовлении рабочих органов и деталей сельскохозяйственных машин – обеспечение заданных физико-механических свойств их рабочих поверхностей, а именно
износостойкости [1, 2, 3].
Рабочие органы сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин работают в агрессивной абразивной среде, что приводит к их интенсивному износу и, как следствие, к потере геометрической формы. Это, в свою очередь, ведет к нарушению агротехнических требований, что существенно влияет на урожайность возделываемых культур [4, 5, 6].
Обычно твердость заводских рабочих органов составляет HRC 55…60 (6,0…8,0 ГПа). При этом известно, что почвы (в зависимости от типа) содержат от 36 до 78 % абразивных фракций (полевой шпат, гранит, кварц, роговые обманки, слюды, рудные минералы), твердость которых составляет 7,2…11,0 ГПа, что указывает на недостаток твердости поверхности серийно изготавливаемых рабочих органов и приводит к их износу (рис. 1).
Рис. 1 – Следы абразивного изнашивания (фрагмент рабочей поверхности лапы культиватора (х100)).
Комплексные технологии микроплазменного упрочнения рабочих органов и деталей СХМ, предусматривает использование вибродугового и электроискрового упрочнения в сочетании с применением металлокерамических порошков различного состава [7, 8, 9]. Их также можно использовать при восстановлении и изготовлении деталей топливной аппаратуры, деталей газораспределительного механизма и турбокомпрессоров дизельных двигателей [10, 11, 12].
Цель исследований – повышение износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, путём использования технологии комплексного микроплазменного упрочнения, с разработкой методики определения рациональных режимов обработки рабочих поверхностей.
Условия, материалы и методы. Упрочнение опытных образцов по ранее разработанной методике осуществляли на кафедре эксплуатации и ремонта машин Казанского ГАУ на соответствующем оборудовании.
Для определения рациональных режимов и составов металлокерамических порошков были исследованы пять упрочненных образцов и один контрольный образец из стали 65 Г (рис. 2). Рассматривали следующие варианты: вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым упрочнением; вибродуговое упрочнение с металлокерамическим порошком (МКП) ПГ-10Н-01; вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым легированием и МКП, содержащим 80 % ПГ-10Н-01 и 20 % В4С (карбид бора); вибродуговое упрочнение с МКП, содержащим 20 % ПГ-10Н-01 и 80 % В4С; электроискровое легирование с последующим вибродуговым упрочнением.
Испытания проводили согласно действующей методике [13, 14, 15]. Для определения наиболее износостойких образцов использовали машину трения 77МТ-1. Основным показателем оценки была потеря массы образца при равных условиях работы машины трения, то есть величина износа – обратная характеристика износостойкости покрытия.
В качестве контртела при испытании на износостойкость были взяты абразивные бруски марки ЧАЗ-38-12С1НБ, которые крепили в нижней части стакана машины трения [16, 17]. Сравнение проводили с образцом без упрочнения.
1 2 3
4 5 6
Рис. 2 – Общий вид образцов в различных сочетаниях комбинированных технологий микроплазменного упрочнения: 1 – вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым упрочнением; 2 – вибродуговое упрочнение с металлокерамическим порошком (МКП) ПГ-10Н-01; 3 – вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым легированием и МКП, содержащим 80 % ПГ-10Н-01 и 20 % В4С (карбид бора); 4 – вибродуговое упрочнение с МКП, содержащим 20 % ПГ-10Н-01 и 80 % В4С; 5 – электроискровое легирование с последующим вибродуговым упрочнением; 6 – неупрочненный.
Морфологический состав упрочненных лабораторных образцов изучали в «Институте органической и физической химии им. А. Е. Арбузова». По результатам этих исследований также было установлено, что глубина структурно-измененного упрочненного слоя составляет порядка 0,3 мм.
Обработку результатов лабораторных исследований на упрочненных образцах осуществляли с использованием моделей, которые дают возможность наблюдать соответствие между показателями износа Zi и варьируемыми входными параметрами (сила тока k и напряжение φ), которые задаются эмпирической функцией двух переменных f (x;y). Для определения вида этой функции использовали интерполяционные полиномы Лагранжа.
Для построения математических моделей использовали результаты лабораторных исследований по определению показателей величины износа в зависимости от напряжения φ и силы тока упрочнения k, полученные при проведении лабораторных исследований.
Результаты и обсуждение. Самая большая износостойкость (табл. 1) отмечена у образца, обработанного вибродуговым упрочнением с последующим электроискровым легированием после нанесения пасты содержащей 80 % ПГ-10Н-01 и 20 % В4С. Она была выше, чем у контрольного образца, в 3 раза. Это объясняется двойным упрочнением и наличием большого количества легирующих элементов [17].
Таблица 1 – Результаты испытания на износостойкость
|
Образец |
Масса образца, г |
Величина износа, мг |
Скорость изнашивания, г/ч |
Износостойкость относительно контрольного образца |
|
|
до испытаний |
после испытаний |
||||
|
Вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым упрочнением |
90,153 |
90,1435 |
0,0095 |
0,019 |
2,427 |
|
Вибродуговое упрочнение с МКП ПГ-10Н-01 |
91,354 |
91,344 |
0,01 |
0,02 |
2,3 |
|
Вибродуговое упрочнение с последующим электроискровым легированием и МКП содержащей 80 % ПГ-10Н-01 и 20 % В4С |
91,756 |
91,7485 |
0,0075 |
0,015 |
3,067 |
|
Вибродуговое упрочнение с МКП содержащей 20 % ПГ-10Н-01 и 80 % В4С |
91,896 |
91,8875 |
0,0085 |
0,017 |
2,706 |
|
Электроискровое легирование с последующим вибродуговым упрочнением |
90,7532 |
90,7425 |
0,0105 |
0,021 |
2,19 |
|
Неупрочненный |
89,345 |
89,322 |
0,023 |
0,046 |
1 |
Исследование интерполяционных полиномов Лагранжа дает возможность установить кореллированную взаимосвязь между входными факторами – режимы упрочнения и функции отклика – величина износа лабораторного образца. Для решения этой задачи проводится интерполяция функции двух переменных факторов (х0…х4) и (y0…y5) (табл. 2). Введем следующие обозначения: Zi – значение точек поверхностей, характеризующих величину износа; f (kiφi) – функция, характеризующая напряжение φi=xi и силу тока ki=yi .
Таблица 2 – Общий вид кодированных значений входных факторов (х0…х4) и (y0…y5) и функции отклика характеризующая величину износа (Zi)
|
Сила тока |
Напряжение |
||||
|
х0 |
х1 |
х2 |
х3 |
х4 |
|
|
y0 |
z0.0 |
z0.1 |
z0.2 |
z0.3 |
z0.4 |
|
y1 |
z1.0 |
z1.1 |
z1.2 |
z1.3 |
z1.4 |
|
y2 |
z2.0 |
z2.1 |
z2.2 |
z2.3 |
z2.4 |
|
y3 |
z3.0 |
z3.1 |
z3.2 |
z3.3 |
z3.4 |
|
y4 |
z4.0 |
z4.1 |
z4.2 |
z4.3 |
z4.4 |
|
y5 |
z5.0 |
z5.1 |
z5.2 |
z5.3 |
z5.4 |
Алгоритм обработки результатов с использованием интерполяционных полиномов Лагранжа для определения минимальной величины износа при различных режимах обработки заключается в интерполяции функции Zn = qn(x) при фиксированном yn на отрезке х0…х4 (см. табл. 2). В результате получим полином Лагранжа следующего вида: {Р (х)}, где n – номер уровня рассечения исследуемой поверхности от 0 до 5, х0…х4 – значение величины напряжения при упрочнении и y0…y5 – значение величины силы тока.
Для уровня первой фиксации при фиксированном значении у0 полином будет выглядеть следующим образом:
+
+
+
+
. (1)
Для первого уровня при фиксированном у1:
+
+
+
+
. (2)
Для второго уровня при фиксированном у2:
+
+
+
. (3)
Для третьего уровня при фиксированном у3:
+
+
. (4)
Для четвертого уровня при фиксированном у4:
+
+
+
. (5)
Для пятого уровня при фиксированном у5:
+
+
+
(6)
Результаты интерполирования функции двух переменных Z=f(x;y) по одной переменной – х показаны в таблице 3.
Таблица 3 – Зависимость исследуемых показателей износа при различных напряжении и силы тока
|
уi |
у0 |
у1 |
у2 |
у3 |
у4 |
у5 |
|
Zi |
Р |
Р |
Р |
Р |
Р |
Р |
При рассечении исследуемой поверхности по заданным уровням в месте пересечения секущей плоскости и исследуемой поверхности при фиксированном значении Х образуются кривые, характеризующие зависимость износа образца (Zi) от силы тока (уi) при фиксированном значении напряжения (хi) (рис. 3).
Для получения исследуемой поверхности проинтерполируем функцию
Z = q(y) на отрезке у0…у5.
+
+
+
+
. (7)
Такая последовательность формализации процесса интерполирования, дает возможность исследовать аналитические связи между показателями режимов упрочнения и величины износа. В дальнейшем, исследуя полученную поверхность методом рассечения, можно определить минимальные показатели износа при различных режимах упрочнения образцов.
В результате математического моделирования режимов упрочнения и показателей износа лабораторных образцов были получены уравнения поверхности, исследование которых позволяет рекомендовать рациональные режимы технологического процесса виброплазменного упрочнения [18, 19].
В связи с изложенным разработана методика теоретических исследований упрочняющих технологий, на основании которой получены аналитические зависимости износостойкости покрытий и режимов упрочнения. Полином вида Z=P(x;y) в трехмерном пространстве (рис. 3) задает поверхность, которая в явном виде показывает зависимость величины износа от изменения напряжения и силы тока. Исследование поверхностей проводится с использованием функции нескольких переменных методом дифференциальных исчислений.
Для этого при фиксированном значении одного из параметров проводится плоскость φi (см. рис. 3). В результате пересечения поверхности Z=P(x;y) с секущей плоскостью φi образуется кривая вида Z=f(y). Используя методы дифференциального исчисления, определяется минимальное (min) значение функции Z=f(y) в области изменения параметра y (сила тока). Допустим, что yi есть min этой функции. Следовательно, в точке с координатами кривая Z=f(у), лежащая на поверхности Z=P(x;y), достигает своего минимального значения. На исследуемой поверхности при ее рассечении точка минимального износа будет иметь координаты
;
.
Изменив в заданных пределах, можно определить min других показателей на исследуемой поверхности. В следствии этого каждому значению
на поверхности Z=P(x;y) будет соответствовать своя точка минимального значения
.
Рис. 3 – Зависимость исследуемого показатели износа от силы тока и напряжения: Z – исследуемый показатель износа; X – показатель напряжения;
Y – показатель силы тока.
Последовательно проводя рассечение исследуемой поверхности по указанной методике на поверхности Z=P(x;y), можно получить систему точек { }, соединение которых образует на поверхности кривую Z=P(x;y) при min исследуемого технологического фактора. Ортогонально спроектировав эту кривую на плоскость, можно получить графическую зависимость силы тока К от напряжения
.
Изложенному методу можно дать аналитическую интерпретацию и на ее основании получить уравнение, характеризующее технологический процесс упрочнения рабочих органов сельскохозяйственных машин.
Для этого проведем аналитическое определение зависимости между силой тока К и напряжением , при которой исследуемые параметры величины износа достигают своего минимального значения.
Обобщенное уравнение поверхности будет иметь следующий вид:
. (8)
Выполнив условие получим:
(9)
В результате преобразования уравнения (9), получится выражение:
, (10)
где
Зависимость (10) описывает кривую Z=f(у) (см. рис. 3).
Продифференцировав функцию (10) по у можно получить уравнение вида:
(11)
Если выполнить рассечение исследуемой поверхности (см. рис. 3) многократно, можно получить ряд кривых в местах пересечения секущей плоскости и исследуемой поверхности. Проведя исследование этих кривых по экстремальным (минимальным) точкам, можно определить зависимость, которая характеризует взаимосвязь входных факторов сила тока К и напряжения при условии минимального значения исследуемого параметра Z величина износа.
Функция задания исследуемой поверхности имеет следующий вид:
(12)
приняв , получим следующую зависимость:
(13)
Продифференцировав зависимость (13), можно получить следующее выражение:
(14)
Если есть решение уравнения
, то выражение
(15)
обращается в тождество, следовательно
(16)
Уравнение (16) задает в неявном виде зависимость стационарных точек от х. Поскольку не все стационарные точки в секущей кривой находятся в своем минимальном значении при решении этого уравнения необходимо выдерживать следующее условие:
(17)
Таким образом, разработана методика теоретических и экспериментальных исследований виброплазменной технологии упрочнения рабочих органов СХМ.
Выводы. Самая большая износостойкость отмечена у образца, обработанного вибродуговым упрочнением с последующим электроискровым легированием после нанесения пасты, содержащей 80 % ПГ-10Н-01 и 20 % В4С. Она была выше, чем у контрольного образца, в 3 раза. Это объясняется двойным упрочнением и наличием большого количества легирующих элементов. Глубина упрочненного слоя поверхности при этом составляет порядка 0,3 мм.
В результате математического моделирования режимов упрочнения и показателей износа лабораторных образцов были получены уравнения поверхности, исследование которых позволяет рекомендовать рациональные режимы технологического процесса виброплазменного упрочнения.
Разработана методика рассечения исследуемой поверхности, которая позволяет получить ряд кривых в местах пересечения секущей плоскости и исследуемой поверхности, представленной в графическом виде. Проведенное исследование секущих кривых по экстремальным (минимальным) точкам, позволило определить зависимость, характеризующую влияние входных факторов сила тока (Y) и напряжение (Х) при минимальном значении величины износа (Z).
1. Превентивная стратегия технического обслуживания дробильного оборудования / И. Х. Гималтдинов, Б. Г. Зиганшин, И. Г. Галиев и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 3(59). С. 71-76.
2. Низкотемпературный способ получения материалов из отходов теплоэнергетических и нефтехимических предприятий / Р. Р. Ахметзянов, И. Г. Хабибуллин, Х. С. Фасхутдинов и др. // Вестник Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина. 2009. № 4(35). С. 34-36.
3. Theoretical investigation of increasing efficiency of combine harvester operation on slopes / A. Belinsky, B. Ziganshin, A. Valiev, et al. // Engineering for Rural Development. Jelgava, 2019. P. 206-213. doi:https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N252.
4. Ensuring possibility of functioning of tractors in agricultural production taking into account residual resources of their units and systems / I. Galiev, C. Khafizov, R. Khusainov, et al. // Engineering for Rural Development. Jelgava, 2020. P. 48-53.
5. Химические аспекты трансформации серы в почве / Х. В. Гибадуллина, И. Г. Хабибуллин, З. М. Халиуллина и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2009. Т. 4. № 3(13). С. 97-99.
6. Методика расчета и проектирование дозатора-распределителя почвы / И. Х. Гайфуллин, Д. Т. Халиуллин, М. Н. Калимуллин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2023. - Т. 18, № 1(69). - С. 45-51.
7. Кашфуллин А. М., Гурьянов С. Г., Пепеляева Е. В. Влияние технологических параметров дуговой наплавки на износостойкость покрытий // Пермский аграрный вестник. 2020. № 1(29). С. 19-27.
8. Пепеляева Е. В., Кашфуллин А. М., Гурьянов С. Г. Влияние способов обработки поверхности узлов трения, восстановленных с использованием газопламенного напыления, на их трибологические свойства // Пермский аграрный вестник. 2019. № 4(28). С. 11-17.
9. Theoretical investigation of increasing efficiency of combine harvester operation on slopes / A. Belinsky, B. Ziganshin, A. Valiev, et al. // Engineering for Rural Development. Jelgava, 2019. P. 206-213. doi:https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18. N252.
10. Галиев И. Г., Хафизов К. А., Халиуллин Ф. Х. Модернизация системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора автотракторного двигателя // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14. № 1(52). С. 71-76.
11. Исследование помпажа путем совершенствования конструкции стенда для испытания сельскохозяйственных турбокомпрессоров / Т. И. Исинтаев, Б. К. Калиев, А. М. Плаксин и др. // АПК России. 2020. Т. 27. № 4. С. 642-648.
12. Совершенствование методик виброакустического контроля газораспределительного механизма ДВС / А. В. Гриценко, Н. Машрабов, С. А. Барышников и др. // АПК России. 2019. Т. 26. № 2. С. 193-202.
13. Павлов А. П., Сайфуллин Р. Н., Рафиков И. А. Обоснование режимов электроконтактной приварки стальных сеток при восстановлении деталей машин // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2016. № 1(37). С. 88-93.
14. Исследование остаточных напряжений в упрочненных и восстановленных деталях / А. Ф. Фаюршин, Р. Р. Хакимов, И. И. Багаутдинова и др. // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2016. № 1. С. 39-44.
15. Формирование структуры и износостойкость наплавленных покрытий с боридным упрочнением / А. М. Кашфуллин, Е. В. Пепеляева, С. Г. Гурьянов и др. // Пермский аграрный вестник. 2019. № 2(26). С. 15-23.
16. Исследования толщины электроискровых покрытий в зависимости от количества нанесенных слоев и скважности тока / А. А. Гайнетдинов, Р. Н. Сайфуллин, А. Ф. Фаюршин и др. // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2022. № 1(61). С. 103-109.
17. Повышение производительности и качества восстановления деталей электролитическим натиранием / Н. Р. Адигамов, А. Р. Валиев, И. Х. Гималтдинов и др. // Техника и оборудование для села. 2020. № 4(274). С. 34-38.
18. Патент № 2718017 C1 Российская Федерация, МПК B23H 5/00, B23H 9/00, B23K 9/04. Комбинированный способ упрочнения металлических поверхностей деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания : № 2019127085 : заявл. 27.08.2019 : опубл. 30.03.2020 / Н. Р. Адигамов, С. Н. Шарифуллин, Р. Р. Шайхутдинов и др.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО Казанский ГАУ).
19. Исследование влияния параметров рабочих органов и режимов работы культиватора модульного типа на качество поверхностной обработки почвы / О. В. Лисунов, М. В. Богиня, А. А. Васильев, Е. Н. Олейникова // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - № 1(61). - С. 190-196.
