ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ державний технічний університет

імені івана пулюя

Назар Ігор Богданович

УДК 631.33.024.2

технологічне забезпечення відновлення

дисків сошників зернових сівалок

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | кандидат технічних наук, професор

Палаш Володимир Миколайович,

Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра “Зварювальне виробництво, діагностика та відновлення металоконструкцій” | Офіційні опоненти | Заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя

завідувач кафедри технології машинобудування

кандидат технічних наук, доцент

Пахолюк Андрій Пантелейович

Львівський державний аграрний університет

Провідна установа | Кіровоградський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м.Кіровоград | Захист відбудеться “ 18 ” листопада 2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за адресою: 46001, м.Тернопіль, вул.Руська, 56, ауд. 79.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, за адресою: 46001, м.Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “ 17 ” листопада 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Попович П.В.

к.т.н., доцент

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний стан технічного забезпечення аграрного сектора України характеризується зменшенням кількості техніки порівняно із 1991 роком на 16..50% та значним її старінням, 40..60% відпрацювали свій амортизаційний термін.

Для відтворення матеріально-технічного парку агропромислового комплексу (АПК) на рівні технологічної потреби необхідно щорічно купувати машин і обладнання на суму понад 7..8 млрд. грн. Крім того, підтримання матеріально-технічного парку (МТП) в працездатному стані потребує 1,2..1,5 млрд. грн. на рік на закупівлю запасних частин і ремонтних матеріалів.

Ситуація, що склалась з технічним забезпеченням, вимагає нових підходів до формування та реалізації технічної політики в сільському господарстві, основними напрямками якої є: забезпечення прибутковості у сільському господарстві; розробка і впровадження енергоощадних технологій, нової техніки та обладнання; формування та функціонування ринків матеріально-технічних ресурсів тощо. Головним же завданням є збереження, відновлення, ремонт та підтримання в працездатному стані наявного технічного потенціалу та ефективне його використання.

Серед великої кількості землеоброблювальної техніки, яка використовується для посіву сільськогосподарських культур, важливе місце займають зернові сівалки, робочими органами яких є диски сошника, виготовлені із сталі 65Г. В результаті абразивного спрацювання, ударних навантажень, а також хімічної дії ґрунту відбувається їх зношення, в результаті чого зменшується їх зовнішній діаметр дисків. Згідно агротехнічних вимог, коли диск спрацьований більше ніж на 25 мм. за діаметром., він забраковується. Відносно невеликий термін експлуатації дисків (4..5 років) вимагає необхідності виготовлення їх у великій кількості.

На даний час агротехнічна галузь України щорічно потребує до 3 млн. нових дисків загальною вартістю близько 115 млн. грн. Для їх виготовлення необхідно майже 5,4 тис.т. листової сталі 65Г. В зв’язку з цим, актуальним питанням є ремонт спрацьованих дисків із застосуванням таких способів, які передбачають відновлення їх геометричних розмірів з метою збільшення ресурсу роботи дисків. Серед таких процесів вагоме місце займають методи зварювання.

За економічними розрахунками, застосування технологічного процесу ремонту дисків сошників зернових сівалок шляхом відновлення зовнішніх діаметрів дає змогу знизити собівартість відновлених дисків, порівняно із новими, на 25-30%.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до існуючих Державних науково-технічних програм: “Підвищення надійності та довговічності машин і конструкцій”; “Впровадження технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу на 1998-2005 рр. (П. 3.11.12); Національна програма розвитку агропромислового виробництва і соціального відродження села на 1999-2010рр. за напрямком “Ресурсне оновлення виробництва на основі застосування сучасних організаційних та техніко-технологічних систем, організація матеріально-технічного постачання” та координаційного плану Комітету з питань науки і техніки України, розділу „Машинобудування” (позиція 43) „Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2000-2005 роки. .

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є збільшення ресурсу роботи дисків сошників зернових сівалок шляхом ресурсозберігаючих технологій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- виявити причини та особливості зношення дисків сошників зернових сівалок;

- проаналізувати існуючі способи ремонту дисків та обґрунтувати доцільність відновлення їх зовнішнього діаметра зварюванням без застосування операцій попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки;

- визначити оптимальний хімічний склад та мікроструктуру шва для одержання необхідних фізико-механічних властивостей робочої ділянки, що забезпечує втомну міцність та абразивну зносостійкість відремонтованого диска;

- дослідити вплив залишкових внутрішніх напружень на стійкість відремонтованого диска до абразивного зношення;

- розробити математичну модель експериментально-розрахункового методу для визначення напружено-деформованого стану у відремонтованих за зовнішнім діаметром дисках, виготовлених із сталі 65Г;

- провести стендові та польові випробування відновлених дисків;

- визначити основні параметри технологічного процесу ремонту спрацьованих дисків сошників зернових сівалок із відновленням їхнього зовнішнього діаметра.

Об'єкт дослідження – диски сошників зернових сівалок.

Предмет дослідження – вплив фізико-механічних характеристик металу робочої ділянки на експлуатаційні властивості відремонтованих дисків.

Методи дослідження. Для досягнення мети та вирішення поставлених завдань в роботі використовувались такі методи: метод математичного планування та статистичної обробки; метод визначення зносостійкості сталі; металографічний і хімічний аналізи; методи оцінки деформаційного зміцнення та втомної міцності; метод електротензометрування; експериментально-розрахунковий метод визначення напружено-деформованого стану в диску; експериментальне дослідження дисків на стійкість до спрацювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

§ обґрунтовано параметри та властивості ремонтного кільця в залежності від особливостей експлуатації сошників та процесу їх зношення.

§ встановлено зв’язок між хімічним складом зварювального порошкового дроту та фізико-механічними і експлуатаційними властивостями відремонтованих за зовнішнім діаметром дискових деталей при абразивному зношенні та втомному руйнуванні в умовах роботи посівної техніки.

§ розроблена математична модель експериментально-розрахункового методу для визначення залишкового напружено-деформованого стану в тонколистових дискових деталях із сталі 65Г.

§ встановлено раціональні параметри пластичного деформування відремонтованої ділянки диска сошника, які зумовлюють релаксацію внутрішніх напружень розтягу та створення напружень стиску у робочій ділянці.

§ вперше запропонована функціональна залежність, що описує поле пластичних деформацій для випадку з’єднання обмеженої радіусом пластини з отвором із сталі 65Г коловим швом.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено інженерну методику розрахунку напруженого стану у тонколистових дискових деталях сільськогосподарських агрегатів. На підставі проведених лабораторних та польових випробувань встановлено, що відремонтовані диски мають необхідну стійкість до абразивного спрацювання при ресурсі їх роботи на рівні із новими дисками. Визначено оптимальні параметри технологічного процесу ремонту спрацьованих дисків сошників зернової сівалки шляхом відновлення їх зовнішнього діаметра. Отримано патент України №38536А “Спосіб відновлення спрацьованих дисків сільськогосподарської сівалки”. Проведенням техніко-економічної оцінки ефективності процесу встановлено, що собівартість відремонтованого диска складає 45..60% вартості нового, а технологічний процес ремонту прийнятий до впровадження у Львівській області в підприємстві ТзОВ АПП “Львівське”.

Теоретичні та практичні результати дисертаційних досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри зварювального виробництва, діагностики та відновлення металоконструкцій Національного університету „Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, рішення, висновки та рекомендації, наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В опублікованих за результатами досліджень роботах дисертанту належить у [1] - розробка оптимального хімічного складу залізо-марганцевистого шва з аустенітною структурою та дослідження його впливу на експлуатаційні характеристики колового з'єднання диска із сталі 65Г; у [2] - визначення величини деформаційного зміцнення поверхні шва, яке має місце при пластичному деформуванні; у [3] – визначення основних параметрів технологічного процесу ремонту дисків, без застосування попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки; у [4,5] – розробка та обґрунтування математичної моделі, що враховує особливості формування поля пластичних деформацій у відновлених зварюванням дисках сошників зернових сівалок; у [6] - розроблення програми та проведення дослідження експлуатаційних властивостей відремонтованих дисків в лабораторних та польових умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: 2-ій Міжнародній конференції у Львові “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (м.Львів, 1999р.); 4-му, 5-му, 6-му, 7-му Міжнародних симпозіумах Українських інженерів-механіків у Львові” (м.Львів, 1999р., 2001р., 2003р., 2005р.); 7-й Всеукраїнській науковій конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики”, (м.Львів, 2000р.); 4-му Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м.Тернопіль, 2000р.); 1-у науковому симпозіумі “Сучасні проблеми інженерної механіки” (м.Луцьк, 2000р.); Міжнародній конференції “Сварные конструкции” (м.Київ, 2000р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м.Харків, 2001р.); 3-ій та 4-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки" (м.Кіровоград, 2001р., 2003р.); Українсько-польській конференції “САПР в машинобудуванні: проблеми навчання та впровадження” (м.Львів, 2002 р.); 2-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (м.Київ, 2003р); 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка - 2003” (м.Кіровоград, 2003р.); 3-ій Міжнародній конференції „Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (м.Львів, 2004р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 друкованих робіт, із яких 5 - наукові статті у спеціалізованих фахових виданнях ВАК України. За матеріалами дисертаційних досліджень отримано деклараційний Патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 154 сторінок і включає 45 рисунків, 13 таблиць, список літератури із 154 найменувань і 4 додатки.

основний Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її зв’язок з науковими програмами, визначені наукова та практична значущість отриманих результатів і їх апробація.

У першому розділі “Стан питання та завдання дослідження” розглянуто основні аспекти технічного обслуговування, ремонту і наявності сільськогосподар-ської посівної техніки в Україні, проведено аналіз умов роботи дискових сошників зернових сівалок та визначено основні причини виходу їх з ладу.

Встановлено, що одним із дефектів, які найчастіше мають місце під час експлуатації дискових сошників, є зношення сталевих дисків за зовнішнім діаметром. Це зумовлює нерівномірність загортання насіння і призводить до істотного зменшення врожайності (25..30%).

Обґрунтовано, що актуальною є науково-технічна задача, яка полягає у розробці способу ремонту спрацьованих дисків із відновленням їх експлуатаційних властивостей і зовнішнього діаметра зокрема. Серед таких способів вагоме місце займають методи зварювання. Основні труднощі при цьому пов’язані з забезпеченням рівноміцності зварного з'єднання по відношенню до основного металу, та стійкості відремонтованого диска до абразивного зношення і втомного руйнування. Вони зумовлені фізико-хімічними процесами, що мають місце в зоні зварювання і супроводжуються зміною структури та властивостей сталі 65Г. В результаті виникають значного рівня залишкові напруження, які істотно впливають на довговічність диска. Так, напруження розтягу знижують стійкість деталі до спрацювання при експлуатації в абразивному середовищі, в той час як напруження стиску підвищують її. В зв’язку з цим актуальним завданням є оцінити за величиною напружень стиску у робочій ділянці диска під час розробки способу їх ремонту. На даний час відсутні способи, які дозволили б неруйнівним шляхом визначити залишкові напруження у тонколистових дискових деталях, виготовлених із сталі, яка при зварюванні схильна до утворення структур гартування. Отже важливою є науково-технічна задача, що полягає у розробці методики неруйнівного визначення залишкового напружено-деформованого стану у тонколистових дискових деталях.

В існуючих способах ремонту дисків зварюванням, знижують рівень залишкових напружень і тим самим підвищують опір дисків до втомного руйнування попереднім підігрівом та кінцевою термічною обробкою, які складають близько 18..20% від загальної собівартості ремонту.

Встановлено, що для ремонту дисків найдоцільніше застосовувати зварювальні матеріали, які забезпечують утворення високомарганцевистого аустенітного шва з високою деформаційною здатністю, що пластично деформується під дією внутрішніх напружень і тим самим забезпечує уникнення технологічних тріщин за рахунок зниження рівня залишкових напружень у робочій ділянці диска. Під дією зовнішніх пластичних деформацій, що можна здійснити прокатуванням роликами, відбувається додаткова релаксація залишкових напружень і створюються умови для виникнення напружень стиску. Окрім того у металі шва проходить деформаційне зміцнення із утворенням структури мартенситу, що додатково підвищує абразивну зносостійкість диска.

На основі аналізу проблем забезпечення довговічності дисків із врахуванням умов їх експлуатації визначено мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі “Науково-технологічні передумови підвищення довговічності дисків” проведено теоретичні дослідження факторів, що впливають на зносостійкість дисків та якість посіву зернових, змодельовано геометричні параметри з’єднання під час приварювання ремонтного кільця. Визначено допустимий рівень напружень стиску, які забезпечують необхідну абразивну стійкість робочої ділянки відремонтованого диска до спрацювання. На підставі аналізу структурної діаграми системи Fe-С-Mn встановлено, що при вмісті у сплаві вуглецю в межах 0,5..1,3% та марганцю 6..15%, при швидкостях охолодження Wох=15..20 0С/сек у діапазоні температур 500-6000С, отримується метал шва із бездефектною високомарганцевистою аустенітною структурою, яка під дією пластичних деформацій зміцнюється до твердості основного матеріалу диска.

З врахуванням геометричних розмірів з'єднання та особливостей металургійних процесів в реакційній зоні зварювання, розроблено хімічний склад порошкових зварювальних дротів 90Г14, 120Г20, 40Г20 (табл.1), які забезпечують необхідні експлуатаційні властивості робочої ділянки (величину напружень і мікроструктуру) та стійкість диска до утворення технологічних тріщин. Одержане

Таблиця 1

Вміст вуглецю та марганцю у порошковому дроті та металі шва

з'єднання схильне до контактного зміцнення. Його величина визначається геометричними параметрами зварного з'єднання – співвідношенням ширини шва до товщини металу. Якщо воно знаходиться в межах 0,25..1, зварне з'єднання схильне до контактного зміцнення. На підставі проведеного моделювання геометричних розмірів зварного шва отримана оптимальна ширина м'якого прошарку 1,8..2мм (відносна товщина прошарку при цьому знаходиться в межах 0,75..0,80), що підвищує межу міцності зварного з’єднання на 20..25%.

Для визначення залишкових зварювальних напружень у відремонтованому диску в роботі застосовано експериментально-розрахунковий метод, адаптований до визначення компонентів напруженого стану у зварних з’єднаннях коловим швом сталі 65Г. Метод базується на використанні рівнянь механіки тіл з власними напруженнями та експериментальної інформації, отриманої із застосуванням неруйнівного методу сіток, з допомогою якого визначалась величина деформації шляхом вимірювання зміщення попередньо встановлених міток. Розроблена математична модель враховує особливості формування поля пластичних деформацій в сталях даного типу та конструктивну схему з’єднання.

Вважаючи, що напружений стан в коловому шві відремонтованого диску є плоский, попередньо приймається умова осьової симетрії, і головними напрямками у випадку формування колового шва будуть радіальний та коловий. Тензор напружень матиме дві відмінні від нуля компоненти та , а тензор деформацій – дві незалежних компоненти та . Записавши умову рівноваги, що та враховуючи співвідношення ; ; ; згідно з методом умовних пластичних деформацій отримаємо

де - координата в радіальному напрямку; - радіальне переміщення,

, - умовні пластичні деформації; - коефіцієнт Пуасона; Е – модуль Юнга.

Виконавши відповідні математичні операції із врахуванням граничних умов отримано вирази для обчислення залишкових зварювальних напружень у довільній точці безмежної пластини із стиковим коловим з'єднанням

Розв’язок задачі для круглої пластини радіусом R (радіус відремонтованого диска R=350мм) (рис.1) із технологічним отвором радіусом R0 (R0=16мм) приймаючи умови: , можна зобразити у вигляді

Виконавши відповідні математичні перетворення, отримано вирази для розрахунку залишкових напружень у конкретній точці тонколистової дискової деталі із технологічним отвором радіусом R0 та обмеженим радіусом R.

(4)

де , ,

k- коефіцієнт, що враховує технологічні параметри процесу зварювання;

- функція, що характеризує поле пластичних деформацій.

Сталі інтегрування визначаються із краєвих умов: на зовнішньому краю диска при r=R радіальні напруження ; на внутрішньому контурі при r=R0 радіальні напруження .

Тоді вирази для обчислення залишкових зварювальних напружень, в залежності від ділянок відремонтованого диска зображаємо наступними співвідношеннями

Ё

(5)

Ё

(6)

Ё

(7)

Отримано формули для визначення розподілу напружень в зварному стиковому з’єднанні з коловим швом деталі з отвором і обмеженої радіусом. З метою адаптації їх до визначення залишкових напружень в диску, розглядаємо функцію , що

Рис. 1 Геометричні розміри диска

1 –базова деталь, 2 – сектор ремонтного кільця, 3 – коловий зварний шов, r0 – вісь зварного шва, r1, r2 – межі зони пластичних деформацій, R, R0 – зовнішній та внутрішній радіуси диска відповідно | Рис. 2 Розрахункова схема для моделювання зварювальних напружень

у коловому шві тонколистової пластини

- кутова, r – лінійна координата

описує поле пластичних деформацій при зварюванні сталей схильних до гартування (сталь 65Г) швом із структурою аустеніту. Застосовано підхід, що базується на використанні співвідношень узагальненого закону Гука. Загальний вигляд кривої, що описує поле пластичних деформацій у випадку зварювання сталі 65Г коловим швом, показано на рис.2.

Вона узагальнює характер можливих полів пластичних деформацій при зварюванні високовуглецевих та легованих сталей коловим швом із структурою аустеніту.

Надалі, із виразу (4) компоненти тензора деформацій можна представити наступним чином

Тут - максимальні пластичні деформації, к – різниця між компонентами напруженого стану, r1, r2 – межі зони пластичних деформацій, r0 – координата осі шва, rА, rВ – координати максимальних значень, - функції, що описують поле пластичних деформацій на різних ділянках з’єднання, які виражені наступними співвідношеннями:

В результаті математичних перетворень отримаємо формули для обчислення компонентів та тензора напружень. Тут невідомими є параметри поля пластичних деформацій, а саме: r1, r2 – координати початку та кінця зони пластичних деформацій, rА, rВ – координати максимальних значень напружень у певних ділянках величиною А0,А1,А2, - максимальні пластичні деформації, к – різниця між компонентами напруженого стану.

Для відшукування невідомих параметрів в роботі застосовано спеціальний функціонал, який являє собою суму середньоквадратичних відхилень між величинами розрахованих характеристик поля напружень та відповідним їм комбінаціями напружень, котрі отримано експериментальним шляхом - метод координатних сіток. Для більш прозорого ведення математичних операцій детальніше розглянемо методику отримання із застосуванням методу координатних сіток експериментальних значень деформацій.

Вирази для визначення компонентів повної деформації в осьовому та радіальному напрямках можна записати у вигляді

, ,

де - пружна деформація, - пластична деформація.

Згідно з методом умовних пластичних деформацій

Відомо, що у пружних зонах диска , деформацію вимірюємо експериментально і позначаємо . Тоді вираз для обчислення повної деформації запишемо так , де U – переміщення вздовж радіуса r. Тоді . Деформацію вимірюємо на основі відхилень вибраних на діаметрі положень точок до та після зварювання. При цьому початкові положення точок можна фіксувати на незначній відстані між ними, що дозволяє отримати задовільні результати використовуючи, зокрема, мікроскопи з невеликим збільшенням. Надалі за формулою , де, знаходимо усереднену за базою деформацію в конкретній точці.

Надалі невідомі параметри, що характеризують поле пластичних деформацій знаходимо шляхом оптимізації функціонала, мінімізація якого забезпечує мінімальне відхилення теоретично обчислених та експериментально отриманих характеристик полів напружень. В середній зоні виключаються точки, що розміщені

(10)

де

на шві, оскільки немає можливості зафіксувати їх початкові положення до зварювання.

За найближчий розв’язок оберненої задачі приймаються величини, що забезпечують найменше значення функціонала. Підставивши ці величини у відповідні формули отримаємо розподіл залишкових напружень у зварному коловому з’єднанні із аустенітним швом для конкретного випадку.

Із застосуванням розробленого математичного апарату проводилось дослідження напруженого стану відремонтованих дисків сошника зернових сівалок.

Відновлення зовнішнього діаметра дисків передбачає приварювання до базової деталі чотирьох секторів, виготовлених із неремонтнопридатних дисків, коловим швом із подальшим виконанням прямолінійних швів для з’єднання секторів між собою (рис.3). Таким чином, технологічні умови відновлення диска є такими, що залишкові напруження, обумовлені зварюванням, будуть циклічно симетричними з періодом . Тому для їх відшукування потрібно було би розв’язувати неосесиметричну задачу.

Рис. 3 Розподіл залишкового напруженого стану у відремонтованому диску Далі з урахуванням того, що інформацію про величину ми отримуємо експериментальним шляхом, для точного визначення компонент тензора напружень та будуємо розв’язок осесиметричної задачі і використовуємо експериментальні дані в перерізах, де напруження є максимальними (рис.3). Таким чином, в перерізах зварного з’єднання, обчислені на основі такого розв’язку залишкові напруження дещо перевищують дійсні напруження, що при розрахунку довговічності диска підвищує коефіцієнт запасу його міцності.

Отже, розроблений математичний апарат та доступні експериментальні дані дають змогу враховувати реальний стан експлуатації деталі (зміну поля напружень внаслідок техногенного чи природного впливу) та отримати величину напружень у будь-якій точці зварного з’єднання коловим швом тонколистової дискової деталі, що виготовлена із обмеженої радіусом високовуглецевої сталі.

У третьому розділі “Програма і методика проведення досліджень” для розв'язання поставлених задач вибрано комплекс методик теоретичних та експериментальних досліджень.

Для забезпечення необхідного рівня залишкових напружень та мікроструктури, у робочій ділянці диска, із застосуванням планування дворівневого двофакторного експерименту, здійснено моделювання характеристик робочої ділянки з оптимальним хімічним складом шва, його геометричними розмірами і фізико-механічними властивостями.

Розроблено ресурсозберігаючий спосіб ремонту дисків, який передбачає з'єднання зварюванням базової деталі (диск, до якого приварюються сектори) та секторів (рис. 4). Спрацьований диск обточується до технологічного діаметра 320мм і вибирається за базову деталь (рис. 4а). З іншого гранично зношеного диска виготовляються сектори різальної крайки (рис.4б).

Для позиціювання секторів 2 відносно базової деталі 1 а також їх з'єднання в роботі використано технологічний зварювальний комплекс (рис.5).

Можливі зміни геометричних параметрів відновлених дисків фіксувались стандартними приладами.

Рис. 4 Базова деталь (а) та сектори (б), виготовлені із

неремонтнопридатних дисків, та їх позиціювання для приварювання (в)

Хімічний склад зварних швів визначено із застосуванням спектрометра “Spektrolab”. Металографічні дослідження здійснювались з використанням оптичного мікроскопа МІМ-8 при збільшенні 150..500 раз.

Рис. 5. Схема зварювального комплексу технологічного процесу відновлення дисків

1– колона, 2– робочий стіл, 3– мідна підкладка, 4– вивідна технологічна вставка, 5– сектори відновлювального кільця, 6– центральний диск, 7– зварювальна головка, 8– притискачі, 9 – основа, 10- диск, 11- двигун-редуктор

Оцінка схильності до зміцнення поверхні шва, утвореного з використанням високомарганцевистого порошкового дроту, здійснювалась у два етапи. В першому етапі для спрощення процедури та зменшення часу підготовки зразків, схильність до зміцнення визначалась на невеликих дослідних зразках 40?50Ч2,5?м, вирізаних із відремонтованих дисків. З використанням твердоміра Брінелля, кулька O10мм втискалась в поверхню зварного шва навантаженням 2,5кН. Після кожного втиснення за допомогою твердоміра Віккерса виконувалось вимірювання твердості в центрі створеного кулькою відбитку. Таким чином отримана залежність твердості зміцненої поверхні шва від кількості втиснень кульки. За результатами досліджень визначено необхідну для зміцнення поверхні шва ступінь пластичного деформування, яка в наступному етапі реалізовувалась шляхом прокатування робочої ділянки відремонтованого диска роликами, із використанням модернізованої установки на базі токарного верстату.

Дослідження дисків на жорсткість проводилось в умовах статичного вигину, яке за характером та величиною зусилля відтворює робочі навантаження під час посівних робіт. Визначення робочих напружень у відремонтованих і нових дисках виконувалось методом електротензометрії згідно ГОСТ 6996-66. Використовувалась універсальна дослідна машина УММ-5. Застосовувалися тензодавачі марки 2ФПКА 5.200В згідно ГОСТ 21616-76 з робочою базою 5мм, опором 225,40..226,30 Ом та К=7,37. В якості вимірювального тракту використовувалась послідовно з'єднані пів-мостова схема, ПК та пристрій УНІЛАБ.

Оскільки в процесі експлуатації диска можуть виникати втомні тріщини в роботі проведено випробовування робочої ділянки відремонтованих дисків на втомну міцність за силовою схемою і режимами, які максимально наближені до робочих. Дослідження проводили на установці, яка забезпечує вибрану силову схему навантажень, згідно ГОСТ 25.502-79. Використовувались спеціальні зразки - фрагмент нового та відремонтованого диска у формі “балки рівного опору”.

Визначення залишкового напружено-деформованого стану відремонтованих дисків виконано експериментально-розрахунковим методом, який адаптований для випадку, що враховує особливості геометрії та фізико-механічних властивостей колового зварного з'єднання відремонтованого диска сошника. З метою перевірки точності експериментально-розрахункового методу використано руйнівний експериментальний метод, який передбачає розрізання відремонтованого диска та вимірювання напружень тензодавачами опору.

Для визначення впливу характеру та величини напружень у робочій ділянці диска на його довговічність, проведено дослідження зносостійкості диска в умовах абразивного спрацювання. згідно методики Хрущова-Бабичева на машині Х4-Б при контакті поверхні з гумовим кругом через річковий пісок (O0,5..0,6мм). Досліджувались зразки 28?35Ч2,5?м, виготовлені із дискової сталі 65Г, максимально звільнені від напружень, із створеними з застосуванням стандартної методики дробоструминної обробки (тиск повітря -0,6МПа, абразив –корунд Al2O3, розмір частинок –O1..3мм., час обробки -20сек, кут обробки -900) напруженнями стиску та із застосуванням спеціального приспосіблення, напруженнями розтягу. Величина зношення зразків оцінювалась ваговим способом за зміною маси деталі.

Дослідження експлуатаційних властивостей відремонтованих дисків сошників та стійкість до спрацювання проводилась шляхом польових та стендових випробовувань. Для стендових випробовувань спроектована та виготовлена експериментальна установка. Диски випробовувались при лінійній швидкості руху крайки диска 10км/год на різних типах ґрунтів.

Прогнозування довговічності дисків здійснювалось на підставі аналізу результатів зносостійкості дисків із подальшим застосуванням графічно-математичного апарату (SolidWorks, Mathkad, CosmosWorks).

Польові дослідження проводились з використанням 24-ох рядкової зернової сівалки СЗ-3.6 під час весняного посіву зернових культур, на 3-ох типах ґрунту: темно-сірий опідзолений, опідзолений чорнозем, лучний середньо-суглинистий чорнозем. Напрацювання дисків при експлуатації становило 275..280 га. Швидкість руху зернової сівалки в усіх випадках – 10..12 км/год. Після проходження кожних 20-22 га виконувався технічний контроль дисків. Інтенсивність спрацювання дисків визначалась за величиною діаметра дисків, наявності жолоблення та тріщин в ділянках зварного з'єднання, а також за деформацією диска.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень довговічності відремонтованих дисків сошників” вивчалась залежність експлуатаційних властивостей відремонтованих дисків від фізико-механічних характеристик їх робочої ділянки. Зокрема, досліджувався вплив мікроструктури та залишкового напружено-деформованого стану робочої ділянки на зносостійкість і втомну міцність відремонтованих дисків.

Визначено, що метал шва має структуру аустеніту з початковою твердістю HV180..200. Дослідженням деформаційного зміцнення зварного шва (табл.2) встановлено, що із збільшенням величини пластичного деформування твердість його поверхні зростає до HV365..415, і поширюється на глибину до 0,5мм. З віддаленням від поверхні твердість поступово знижується.

Таблиця 2

Вплив хімічного складу швів на їх поверхневе зміцнення

Визначення залишкового напружено-деформованого стану у відремонтованих дисках здійснювалось до- та після прокатування робочої ділянки роликами. Результати показали, що оптимальні градієнти та величина залишкових напружень

після пластичного деформування мають місце у диску, що відремонтований із застосуванням порошкового дроту 40Г20 (рис.6).

Залишкові напруження у радіальному напрямку є стискальними у робочій ділянці диска і з наближенням до краю вони зменшуються до нуля. У коловому напрямку вздовж осі шва залишкові напруження у ділянці термодеформаційного впливу і до краю диска є стискальними. Таким чином, у робочій ділянці відремонтованого диска присутні залишкові напруження стиску, що підвищує зносостійкість диска під час експлуатації в абразивно-корозійному середовищі. Похибка у величині напружень, що отримана з застосуванням експериментального руйнівного та експериментально-розрахункового способу не перевищує 10%.

Рис. 6 Розподіл колових залишкових напружень

в робочій ділянці диска, відремонтованого із застосуванням дроту марки 40Г20

Окрім абразивного зношення під час експлуатації диск сошника перебуває під дією складних знакозмінних циклічних, втомних і ударних навантажень, які зумовлюють виникнення в ньому пружних і пластичних деформацій та в окремих випадках руйнування диска. Дослідження жорсткості дисків в умовах статичного вигину показали, що величина та характер робочих напружень у новому та відремонтованому дисках істотно не відрізняється і отримане в процесі відновлення диску зварне з’єднання забезпечує необхідну жорсткість конструкції в процесі експлуатації.

Зносостійкість дисків сошників зернових сівалок визначалась як маса металу m (кг), яка зносилась за одиницю часу (секунда) (рис.7).

Рис. 7 Залежність зносостійкості термічно-обробленої сталі 65Г від величини та характеру робочих напружень

час випробовування 100±3 сек., абразив – річковий пісок (O0,5..0,6мм)

Результатами випробовування дисків на втомну міцність, що представлені у вигляді кривої Вейлера, експериментально встановлено (рис.9), що найвищу довговічність (2,5106 циклів), при межі втомної міцності -1= 618МПа, має з’єднання, що отримане при зварюванні порошковим дротом 40Г20.

Рис.9 Криві втоми дискової сталі 65Г

1 – для сталі 65Г, 2 – для 40Г20, 3 – 120Г20, 4 – 90Г14

На підставі лабораторних випробовувань відремонтованих дисків, враховуючи результати досліджень деформаційного та контактного зміцнення, а також рівень залишкових напружень та стійкість дисків до абразивного спрацювання, для ремонту дисків сошника із відновленням їх зовнішнього діаметра доцільно застосовувати порошковий дріт марки 40Г20. Диски сошників, що відремонтовані з використанням такого дроту, надалі використовувались у польових випробовуваннях.

Таблиця 3

Результати випробовування дисків в польових умовах

Польовими випробовуваннями встановлено, що у відремонтованих дисках значних відхилень в їх геометрії, тріщин в ділянках з'єднання та жолоблень не виявлено. Величина спрацювання за діаметром після 280год експлуатації усереднено складає 0,5..0,8% відносно початкової його величини. Виявлено (табл.3), що найбільша інтенсивність спрацювання дисків має місце в темно-сірому опідзоленому ґрунті. Після повного циклу польових випробовувань величина спрацювання відремонтованого диска порівняно із новим є дещо нижчою і знаходиться в межах агротехнічних вимог до посіву зернових.

На підставі отриманих результатів розроблений технологічний процес ремонту дисків сошника зернової сівалки з відновленням їх зовнішнього діаметра та визначені його основні параметри, який прийнятий до впровадження у господарстві АПП “Львівське”. Із застосуванням розробленого способу ремонту собівартість відремонтованого диска складає 45..60% вартості нового.

висновки

На підставі отриманих результатів проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

1. В результаті проведених досліджень стану надійності сільськогосподарської техніки встановлено, що диски сошників зернових сівалок СЗ-5,4, Клен-6, та інші в основному зношуються за зовнішнім діаметром і підлягають відновленню їх робочої ділянки. Одним із перспективних шляхів відновлення дисків сошників, виготовле-них із сталі 65Г, є застосування методу електродугового приварювання робочої ду-гоподібної ділянки диска без попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки.

2. Визначено геометричні параметри робочої ділянки та мікроструктуру металу зварного шва відремонтованого диска сошника, які забезпечують необхідну абразивну стійкість до зношення та втомного руйнування дисків сошників. На підставі цих критеріїв встановлено оптимальний хімічний склад металу шва (0,55..0,6%С, 11..11,5%Mn, 87,9..88,5%Fe). Для одержання такого шва, розроблено та виготовлено самозахисті порошкові високо-марганцевисті дроти.

3. Вперше запропоновано функціональну залежність , що описує поле пластичних деформацій для випадку з’єднання обмеженої радіусом пластини з отво-ром із сталі 65Г коловим пластичним швом. Удосконалено математичну модель, яка адаптує експериментально-розрахунковий метод визначення залишкових напружень для колового з'єднання при зварюванні дискової деталі зі сталі 65Г із врахуванням краєвих умов та структурних перетворень в зоні термодеформаційного впливу.

4. Із врахуванням особливостей неруйнівного експериментального методу визначення характеристик залишкового напруженого стану і засобу вимірювання запропоновано спеціальний функціонал, мінімізація якого дає можливість визначити параметри поля пластичних деформацій і розрахувати залишкові напруження у довільній точці колового зварного з'єднання відремонтованого диска сошника зернової сівалки.

5. Досліджено вплив величини та характеру робочих напружень на стійкість дисків сошників сільськогосподарських сівалок до зношення в абразивному середовищі. Встановлено параметри пластичного деформування робочої ділянки (зусилля притискання >2,5кН, діаметр ролика -30мм, кількість проходів по робочій ділянці -4), які забезпечують створення необхідної величини напружень стиску. Експериментально підтверджено, що диск із напруженнями стиску в робочій ділян-ці, які створюються прокатуванням металевими роликами, має зносостійкість в 1,7 рази вищу у порівнянні із диском, максимально звільненим від напруженого стану.

6. Експериментальними дослідженнями, проведеними відповідно до розроблених програм і методик встановлено, що межа витривалості робочої ділянки відремонтованого диска дорівнює ~90% межі витривалості металу нового диска і складає відповідно 618МПа проти 625МПа при кількості циклів до руйнування відповідно N=2,5?106 та N=2,9?106.

7. Лабораторними та польовими випробуваннями визначено, що руйнування та жолоблення дисків у місці з'єднання відсутнє, а спрацювання за товщиною та зовнішнім діаметром після обробки площі 280га не перевищує допустимих значень зазначених в агротехнічних вимогах до посіву зернових. На основі теоретичних та експериментальних досліджень, визначено основні параметри технологічного процесу ремонту спрацьованих дисків сошників зернових сівалок із відновленням їхнього зовнішнього діаметра.

8. Економічна оцінка ефективності техпроцесу ремонту дисків показала, що із застосуванням розробленого способу ремонту ціна відновленого диска складає 45..60% вартості нового. Розроблений технологічний процес ремонту дисків сошника зернової сівалки з відновленням їх зовнішнього діаметра без застосування операцій попереднього підігріву та кінцевої термічної обробки прийнятий до впровадження у господарстві АПП “Львівське”, с.Зубра, Львівській області і дає змогу повернути до експлуатації близько 60% зношених дисків.

список опублікованих праць

1. Палаш В.М, Назар І.Б., Євтушенко Є.Є. Технологічний процес підвищення довговічності спрацьованих дисків зернової сівалки // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету “Техніка в сільськогоспо-дарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація” - 2003. - №13 - С. 21-26.

2. Палаш В.М, Назар І.Б. Відновлення дисків сільськогосподарської сівалки приварюванням різальної крайки // Вісник НУ “Львівська політехніка”: “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів” – 2003 - №483 – С .76-79.

3. Патент 38536 А, Україна, МПК 7 А01В7/00, А01В15/16. Спосіб відновлення спрацьованих дисків сільськогосподарської сівалки: Пат. 38536 А, Україна, МПК 7 А01В7/00, А01В15/16/ Назар І.Б., Осмак М.І.(Україна); Заявлено 20.07.2000р.; Опубліковано 15.05.2001, Бюл. №4.

4. Назар І.Б., Дзюбик А.Р. Математичне моделювання залишкового напруже-ного стану в колових швах // Вісник НУ “Львівська політехніка”: “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів” – 2002 - №456 – С .55-58.

5. Назар І.Б., Дзюбик А.Р. Моделювання зварного з’єднання відновлюваного диску сільськогосподарської сівалки // Вісник НУ „Львівська політехніка”: „Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні” – 2003 – №467 – С.128-133.

6. Назар І.Б. Ремонт дисків сошників зернової сівалки відновленням їх різальної крайки // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету “Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин” - 2003. - №33 - С. 196-200.

анотація

Назар І.Б. Технологічне забезпечення відновлення дисків сошників зернових сівалок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – „Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва”. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2005р.

Визначено геометричні параметри, рівень допустимих стискальних напружень та мікроструктуру металу робочої ділянки диска. На підставі цих критеріїв встанов-лено оптимальний хімічний склад металу шва та параметри пластичного деформу-вавння робочої ділянки, які забезпечують релаксацію залишкових напружень розтягу та створення напружень стиску, що підвищує зносостійкість та втомну міцність диска в умовах абразивного спрацювання.

Удосконалено математичну модель, яка адаптує експериментально-розрахунковий метод визначення залишкових напружень для колового з'єднання при зварюванні дискової деталі зі сталі 65Г із врахуванням краєвих умов та структурних перетворень в зоні термодеформаційного впливу.

Досліджено вплив величини та характеру робочих напружень на стійкість дисків сошників сільськогосподарських сівалок до зношення в абразивному середовищі та встановлено, що для підвищення зносостійкості виготовлених із сталі 65Г дисків сошників сільськогосподарських сівалок необхідно створити в робочій ділянці напруження стиску. Встановлено, що диск із напруженнями стиску в робочій ділянці має зносостійкість в 1,7 рази вищу, у порівнянні із диском, максимально звільненого від напруженого стану. Розроблено технологічне забезпечення відновлення дисків сошника зернової сівалки.

Ключові слова: сільськогосподарська техніка, зернові сівалки, диски сошників, ремонт, напруження, експериментально-розрахунковий метод, зносостійкість, зміцнення, технологічний процес.

аннотация

Назар И.Б. Технологическое обеспечение восстановления дисков сошников зерновых сеялок. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – „Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства”. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2005р. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений.

В первом разделе работы рассмотрены основные аспекты технического обслуживания, ремонта и наличия сельскохозяйственной посевной техники в Украине, проведен анализ условий работы дисковых сошников зерновых сеялок и определен основные причины выхода их из строя. Обосновано, что актуальной есть научно-техническая задача, которая заключается в разработке способа ремонта изношенных дисков с возобновлением их эксплуатационных свойств и внешнего диаметра в частности.

Во втором разделе на основе выполненного анализа проведены теоретические исследования факторов, которые влияют на износостойкость дисков и качество посева зерновых, смоделированы геометрические параметры соединения во время приваривания ремонтного кольца. Разработан химический состав порошковых сварочных проволок. Для определения остаточных сварочных напряжений в отремонтированном диске в работе впервые предложена функциональная зависи-мость, которая описывает поле пластических деформаций для случая соединения ограниченной радиусом и с отверстием пластины из стали 65Г круговым пласти-ческим швом. Усовершенствована математическая модель, которая адаптирует экспериментально-расчетный метод определения остаточных напряжений для кругового соединения при сварке дисковой детали из стали 65Г с учетом краевых условий и структурных превращений в зоне термодеформационного влияния.

Третий раздел диссертационной работы посвященный разработке программы и методик проведения исследований. Разработан ресурсосохраняющий способ ремонта дисков, который предусматривает соединение сваркам базовой детали и секторов без применения операций предыдущего подогрева и конечной термической обработки. За результатами исследований определенно необходимую для укрепления