НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бобрицький Віталій Миколайович

УДК 621.891:631.31

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ РІЗАЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ГРУНТООБРОБНИХ МАШИН

Спеціальність 05.02.04 – тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кіровоградському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Аулін Віктор Васильович,

Кіровоградський національний технічний університет, професор кафедри "Експлуатація та ремонт машин".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мнацаканов Рудольф Георгійович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри "Виробництво,

ремонт та матеріалознавство";

кандидат технічних наук, доцент

Гупка Богдан Васильович,

Тернопільський державний технічний

університет ім. І.Пулюя,

доцент кафедри "Технологія машинобудування".

Захист відбудеться "26" жовтня 2007 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий "20" вересня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.К.Грищук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Деталі робочих органів ґрунтообробних машин (РОГМ) не виробляють запланованого ресурсу через інтенсивне абразивне зношування робочих поверхонь в технологічному середовищі – ґрунті.

Неминуче, передчасне й нерівномірне зношування різальних елементів (РЕ) приводить до втрати первинної форми деталей і різальних елементів, необхідної для якісного виконання технологічних операцій обробітку ґрунту. Внаслідок затуплення РЕ збільшується тяговий опір ґрунтообробних машин, що негативно впливає на енергоємність процесів, збільшення витрат паливно-мастильних матеріалів й виникає потреба в додатковому заточуванні або заміні зношених деталей. Сукупність зазначених факторів обумовлює зниження економічної ефективності використання ґрунтообробних агрегатів і збільшення собівартості продукції рослинництва, що є вельми негативним в сучасних умовах ринкових відносин.

Підвищення надійності деталей РОГМ, вибір оптимальної технології їх зміцнення потребує ретельних досліджень механізму абразивного зношування РЕ, який достатньо складний і на сьогодні остаточно не розкритий. Питання керування абразивною зносостійкістю розглядається однобічно й направлене, в основному, на підвищення фізико-механічних властивостей поверхонь тертя. Вся увага дослідників сконцентрована на методах зміцнення і формування зносостійких покриттів.

Комплексний підхід до вирішення зазначених проблем з урахуванням закономірностей зміни форми РЕ РОГМ в процесі тертя і зношування, ефекту їх самозагострювання, його оцінки і умов реалізації при використанні концентрованих потоків енергії для їх зміцнення при виготовленні є безумовно актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до державної цільової програми №062 "Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу" на 1998 – 2005 р.р. (постанови Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. №403, від 11 квітня 2001 р. №350); плану науково-дослідних робіт Кіровоградського національного технічного університету за тематикою "Розробка та впровадження нових технологій у виробництві та ремонті сільськогосподарської техніки" на 1995-2005 р.р. і держбюджетної теми "Підвищення зносостійкості деталей і спряжень СГТ композиційними покриттями та матеріалами", держреєстрація №104U000633 на протязі 2003-2005 р.р.

Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин лазерними технологіями з реалізацією ефекту самозагострювання.

Задачі дослідження:

? проаналізувати умови роботи, характер та величину зношування РЕ РОГМ.

? визначити основні напрямки підвищення зносостійкості РЕ РОГМ та стабілізації їх форми в умовах абразивного зношування.

? теоретично обґрунтувати закономірності взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем.

? з’ясувати зв’язок між формоутворенням профілю РЕ в процесі зношування з його напружено-деформованим станом.

? експериментально і теоретично дослідити вплив лазерного термозміцнення та наплавлення на властивості поверхневих шарів матеріалів РЕ РОГМ та виявити умови отримання ефекту самозагострювання.

? дослідити вплив процесу формування геометрії РЕ РОГМ на величину тягового опору ґрунтообробних агрегатів.

? провести стендові та експлуатаційні випробування деталей РОГМ, зміцнених запропонованими лазерними технологіями та дати техніко-економічну оцінку їх впровадження у виробництво.

Об’єкт дослідження – закономірності процесу абразивного зношування й підвищення зносостійкості РЕ.

Предмет дослідження – характеристики абразивного зношування та формоутворення РЕ, зміцнених лазерними технологіями.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились з використанням основних положень теорії тертя та зношування в абразивному середовищі, фізики твердого тіла, теорії взаємодії концентрованих потоків енергії з речовиною. Процес формування профілю РЕ розглянуто з позицій взаємодії абразивних частинок з РЕ, як сукупності мікроударів, розв’язувалася задача взаємодії напівзакріпленого абразиву з робочою поверхнею РЕ.

Для дослідження механізмів абразивного зношування і поверхневого руйнування в роботі використані сучасні методи фізичного експерименту та імітаційного моделювання. Особливу увагу приділено дослідженню кінетики структури, елементного складу, напружено-деформованого стану поверхонь тертя при абразивному зношуванні, процесу самозагострювання РЕ. При обробці результатів експериментальних досліджень використані методи комп’ютерного моделювання, математичної статистики та пакети прикладних програм на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

? для дослідження динаміки взаємодії різального елемента з абразивним технологічним середовищем запропоновано фізичну імітаційну модель;

? вперше теоретично визначено та експериментально досліджено процеси формоутворення профілю різальних елементів деталей робочих органів ґрунтообробних машин при терті та зношуванні в абразивному середовищі;

? вперше запропоновано використання лазерних технологій для керування властивостями робочих поверхонь РЕ та створення умов для реалізації ефекту самозагострювання;

? за допомогою комп’ютерного моделювання визначено й теоретично обґрунтовано параметри напружено-деформованого стану різальних елементів в процесі їх взаємодії з абразивним технологічним середовищем;

? результатами стендових та експлуатаційних випробувань доведено вплив технологій лазерного зміцнення на ресурс і енергетичні показники робочих органів ґрунтообробних машин.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

–

–

–

–

–

–

Особистий внесок здобувача. Результати проведених експериментальних та теоретичних досліджень отримано автором самостійно. Постановка проблеми і задач досліджень виконано спільно з науковим керівником. Одержано аналітичні залежності інтенсивності зношування РОГМ від властивостей матеріалу РЕ та умов експлуатації [1], та впливу концентрації наповнювача при зміцненні [2]; дано аналіз силової картини взаємодії РЕ з ґрунтом [3]; теоретично обґрунтовано та експериментально доведено доцільність використання лазерного термозміцнення [4] і наплавлення [5] для підвищення триботехнічних характеристик та реалізації ефекту самозагострювання; розглянуті питання можливостей автоматизації процесів наплавлення [6,9] та запропоновано технологічні схеми зміцнення РЕ РОГМ лазерними технологіями [7]; виявлено підвищення ресурсу [8], сприятливий характер зміни властивостей поверхневих шарів матеріалів та динаміку зміни форми РЕ, що обумовлює реалізацію ефекта самозагострювання [10]; проведено стендові та експлуатаційні випробування зразків і деталей робочих органів [11].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наук.-техн. конференціях викладачів, аспірантів та співробітників Кіровоградського національного техн. університету (2002-2007 р.р.), Першій міжнар. наук.-техн. конф. "Машинобудування та металообробка – 2003" (м. Кіровоград, 17-19 квітня 2003 р.), 3-ій міжнар. наук.-техн. конф. "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (м. Харків, 23-26 березня 2004 р.), 4-й міжнар. наук.-техн. конф, "Инженерия поверхности и реновация изделий", (25-27 мая 2004, г. Ялта.), 1-й міжнар. наук.-техн. конф. “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I” Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя., (м. Тернопіль 4-7 жовтня 2004 р.), 5-й міжнар. наук.-техн. конф, "Инженерия поверхности и реновация изделий", (24-26 мая 2005, г. Ялта.), XII міжнар. наук.-техн. конф. "Машиностроение и техносфера XXI века"(12-17 вересня 2005 р. м Севастополь), 4-ій міжнародній наук.-техн. конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (м. Харків, 12-15 листопада 2005 р.), 6-й міжнар. наук.-техн. конф. "Инженерия поверхности и реновация изделий", (30мая-1 июня 2006, г. Ялта.), XIІI міжнар. наук.-техн. конф. "Машиностроение и техносфера XXI века"(11-16 вересня 2006 р. м Севастополь), VII міжнар. наук. конф. "Сучасні проблеми землеробської механіки" (м. Мелітополь 17-19 жовтня 2006 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 наукових праць, у тому числі, 9 статей у наукових фахових виданнях України, 2 публікації тез у матеріалах міжнародних наукових конференцій, а також 3 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел, який включає 177 найменувань, і додатків. Робота викладена на 168 сторінках і містить 18 таблиць, 90 рисунків та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита сутність дисертаційної роботи і обґрунтована актуальність її теми, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі дано характеристику РЕ РОГМ та умов їх роботи в абразивному технологічному середовищі. Показано важливість підтримання РЕ в загостреному стані в процесі експлуатації для якісного обробітку ґрунту. Зазначено, що геометрія РЕ при терті і зношуванні в абразивному середовищі змінюється, величина та характер цих змін залежать передусім від властивостей матеріалу, з якого вони виготовлені, фізико-технологічних властивостей ґрунту та експлуатаційних характеристик ґрунтообробних агрегатів.

Зміцнення однієї з робочих поверхонь РЕ стримує утворення затилкової фаски і дозволяє отримати ефект самозагострювання, що полягає у вибірковому зношуванні переважно основного матеріалу РЕ.

Аналіз робіт по тертю і зношуванню РЕ РОГМ показав, що закономірності взаємодії РЕ з ґрунтом, на сьогодні не достатньо вивчені, відсутній єдиний погляд на процеси затуплення і самозагострювання та їх зв'язку з технологічними методами зміцнення.

Сформульовані вимоги для реалізації ефекту самозагострювання показують, що найбільшу увагу слід зосередити на співвідношенні товщини зміцненого і несучого шарів, їх міцності, триботехнічних характеристик та на створенні умов мінімізації радіусу кривизни різальної кромки в процесі тертя і зношування. Це обумовлює вибір методу зміцнення з урахуванням основних закономірностей механізму його зношування в умовах експлуатації. Оскільки зношування деталей РОГМ носить локальний характер, то для їх зміцнення ефективно використати лазерні технології. Варіюючи режимами лазерної обробки можна керувати процесами зношування РЕ РОГМ й створити умови для розвитку і протікання процесів їх самозагострювання.

За матеріалами першого розділу була сформульована мета і задачі досліджень.

У другому розділі наведено програму, методи та методики теоретичних і експериментальних досліджень.

Для дослідження закономірностей процесів абразивного зношування в роботі застосований комплексний підхід. При цьому враховувались: характер і закономірності взаємодії РЕ з абразивним середовищем; структурні (мікроскопічні і субмікроскопічні) характеристики матеріалів РЕ; елементний склад поверхневих шарів матеріалів та комплекс їх властивостей, одержуваний при зміцненні.

Для дослідження закономірностей взаємодії РЕ з абразивним середовищем, механізмів зношування в роботі використані сучасні методи фізичного експерименту та імітаційного моделювання. Особливу увагу приділено дослідженню кінетики структури, елементного складу, напружено-деформованого стану поверхонь тертя, зносу в характерних точках РЕ і деталей в абразивному середовищі та процесу самозагострювання РЕ.

В роботі розроблено установку для імітаційного фізичного моделювання взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем. Зйомку процесу проводили цифровою фотокамерою через певні проміжки часу руху РЕ. Зміну відстаней між частинками за певний проміжок часу проведення експерименту визначали на моніторі ПЕОМ за допомогою координатної сітки. Також проводили візуальне дослідження за напружено-деформованим станом абразивного середовища.

Лазерне термозміцнення і наплавлення композиційних покриттів на зразках РЕ та деталях РОГМ проводили на лазерній установці Комета-2 в безперервному режимі генерації випромінювання (л=10,6мкм).

Випробування зразків зі стандартних матеріалів РОГМ і зміцнених за запропонованими технологіями проводили на машині тертя Х4-Б, за методом дослідження металів на абразивне зношування об закріплені абразивні частинки (ГОСТ 17367-71).

Для дослідження структури, елементного складу, властивостей зразків зміцнених різними технологіями, особливостей кінетики їх зношування в абразивному середовищі був використаний комплекс фізичних методів, починаючи від візуального огляду до використання сучасних приладів високої розподільної здатності: ДРОН–3М, РСМА, "Superprobe-733" фірми JЕОL зі скануючим мікроскопом JSM-840 і приставки DDS-35 та ін. Розмір зон лазерного впливу та вміст компонентів у наплавленому покритті визначали з результатів металографічного зображення методами цифрової їх обробки на ПЕОМ з використанням пакету програм "Adobe Photoshop .0".

Аналіз та розрахунок поля напружень і деформацій на робочих поверхнях РЕ в процесі його взаємодії з абразивним технологічним середовищем виконували методом кінцевих елементів за допомогою пакету COSMOSWorks інтегрованого в САD-систему SolidWorks.

В процесі стендових та експлуатаційних випробувань досліджували профілі РЕ, інтенсивність зносу та характер її зміни, зміну геометричної форми зразків РЕ та деталей РОГМ за розробленими схемами (Рис.1.)

а) б)

Рис.1. Схеми для визначення зміни профілю і величини зносу РЕ (а) та лінійного зносу і зміни геометрії деталей РОГМ (б) (1 – вихідний профіль деталі, 2 – профілі після напрацювання).

За базою отриманих даних величини зносу у фіксованих точках визначали коефіцієнт зміни форми РЕ і деталей РОГМ при певному напрацюванні:

, (1)

де , li max – відповідно середня та максимальна величини лінійного зносу для і-ої форми деталі; lki = хk0 – xki, k – фіксована точка ( ).

Стендові випробування зразків різальних елементів та робочих органів ґрунтообробних машин проводились на круговому стенді. Експлуатаційні випробування здійснювались в господарствах Кіровоградської області на культиваторах КПС-4,0 та плугах ПЛН 3-35 та ПЛН 5-35.

Обробку та аналіз результатів експериментальних досліджень проводили математико-статистичними методами з використанням пакетів прикладних програм на ПЕОМ.

В третьому розділі з теоретичної точки зору розглянуто динаміку зношування РЕ РОГМ, зміну їх форми в процесі зношування, взаємодію РЕ з абразивним середовищем, зносостійкість зміцнених РЕ та проведене обґрунтування виникнення ефекту самозагострювання РЕ і стабілізації тягового опору РОГМ.

Тертя і зношування робочих поверхонь РЕ і деталей РОГМ є випадковим процесом, обумовленим зміною їх геометричних розмірів. Цей процес можна описати стохастичним диференціальним рівнянням:

(2)

де U(t) – функція відносного зносу, , u(t) – поточний знос, uгр – граничний знос; – функції, що характеризують інтенсивність зносу; – випадкова складова, t – тривалість зношування. Випадкова функція U(t) описує безперервний марківський процес, якщо значення функції о(t) – незалежні випадкові величини.

Оскільки довговічність РЕ РОГМ визначається передусім величиною зносу, то зміну середнього значення зносу та його дисперсії можна описати лінійною залежністю. При цьому рівняння кінетики зношування матиме вигляд:

, (3)

де І1, І2 – сталі величини, що характеризують інтенсивність детермінованої і випадкової складової процесу зношування. Величину зносу елемента робочої поверхні можна уявити як різницю випадкових процесів:

, (4)

де , – відповідно випадкові функції, що характеризують знос елемента поверхні в моменти часу t1, t2; Дt = t1 – t2 – тривалість зношування; S – напрацювання.

Розв’язання рівняння (3) дає можливість отримати диференціальну та інтегральну форми закону розподілу величини зносу, виходячи з марківської моделі процесу зношування:

; (5)

, (6)

де ; , – тривалість напрацювання до критичного (допустимого) зносу; Мu, уu – відповідно математичне очікування та середнє квадратичне відхилення; – інтеграл Лапласа.

Отже параметри закону розподілу мають конкретний фізичний зміст і є характеристиками процесів тертя і зношування.

Напружений стан поверхні РЕ представлено системою диференціальних рівнянь Ламе, розв’язок якої для визначених початкових умов, враховуючи геометрію різального елементу вихідного стану, дає можливість знайти зміщення поверхні тертя в даних точках, а отже зміну геометрії РЕ при певному напрацюванні РОГМ.

Показано, що оптимальну товщину зносостійкого шару для реалізації ефекту самозагострювання можна знайти з умови:

, (7)

де межі інтегрування b і а – це максимальне і мінімальне значення глибини зміцненого шару, що відповідають умовам вибракування деталей; Ізн – інтенсивність зношування; t – напрацювання до усталеного режиму тертя.

Розв’язуючи рівняння (7) при усталеному режимі тертя, маємо:

. (8)

Знаючи закон розподілу можна знайти оптимальну товщину зміцненого шару. У випадку нормального закону розподілу маємо:

. (9)

Отримано аналітичний вираз зміни інтенсивності зношування по довжині РЕ РОГМ:

(10)

де І02 – максимальна інтенсивність зношування зміцненої поверхні; Еп , Нп , На – модуль пружності та твердості зміцненого шару і абразиву; о2 – емпірична стала, характерна для даного виду деталі РОГМ і способу зміцнення; с, h – щільність ґрунту та його товщина; а, l, б – ширина, довжина РЕ та його кут нахилу.

При лазерному наплавленні композиційного покриття модуль пружності і твердість дорівнюють:

Еп = Ем ( 1 - Сн ) + Ен Сн ; (11)

, (12)

де Сн – концентрація наповнювача; Ем,Ен- відповідно модулі пружності матриці та наповнювача покриття, Нм , Нн – твердості матриці та наповнювача.

Процесом зношування можна керувати змінивши концентрацію зміцнюючого наповнювача в покритті дозаторним пристроєм.

Рівняння динаміки руху точки середовища масою mі вздовж робочої поверхні РЕ під впливом поля сил (Рис.2) матиме вигляд:

. (13)

Рис. 2. Силове навантаження на частинку у шарі ґрунту при русі РЕ.

Нормальну складову N силового впливу частинки абразивного середовища на робочу поверхню РЕ можна визначити за виразом:

. (14)

де са , da – густина та діаметр абразивної частинки; v, L – швидкість руху та шлях тертя абразивної частинки. Тоді складові результуючої сил в даній точці робочої поверхні РЕ дорівнюють:

; (15)

. (16)

Показано, що в процесі тертя і зношування РЕ результуюча сил змінюється як за величиною так і за напрямком (Рис.3).

а) б) в)

Рис.3. Зміна положення результуючої сил від зміни профілю ріжучої кромки РЕ: а – РЕ загострений; б – РЕ затуплений; в – РЕ затуплений і має затилкову фаску.

Отже, для забезпечення нормальних умов протікання процесу обробітку ґрунту, стримання зростання енергетичних характеристик цього процесу, необхідно підтримувати РЕ в загостреному стані.

В четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень характеру взаємодії РЕ з абразивним середовищем, властивості зміцнених шарів поверхонь тертя, закономірності тертя і зношування РЕ, зміна його профілю.

Імітаційне фізичне моделювання процесів взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем виявило різний характер обтікання РЕ (Рис.4)

а) б)

Рис. 4. Характер обтікання абразивним потоком загостреного (а) та затупленого (б) РЕ.

Характерним є те, що абразивний потік, що огинає РЕ знизу є більш інтенсивним, і в процесі затуплення різальної кромки утворюється зона з підвищеною концентрацією абразивних частинок, що обумовлює зростання опору переміщенню РЕ. Це підтверджується і при статичному фіксуванні процесу взаємодії РЕ з абразивними частинками. Виявлено, що при появі затилкової фаски в області різальної кромки виникають сили, які виштовхують його вгору з абразивного середовища.

Для керування процесами зношування поверхонь РЕ і реалізації умов самозагострювання при їх зміцненні важливим фактором є глибина зміцненого шару, залежність якої від параметрів лазерної обробки подано на рис.5.

Рис. 5. Взаємозв’язок параметрів лазерної обробки з глибиною зміцненого шару для сталі 65Г (діаметр лазерного променя d = 5 мм).

В процесі лазерного термозміцнення і наплавлення отримуються дрібнодисперсні мартенситні структури з вкрапленнями карбідів і боридів (Рис.6).

а) х150 б) х100

в) х250 г) х250

Рис. 6. Загальний вигляд зони лазерного термозміцнення (а) і наплавлення (б) та мікроструктур зон наплавлення сплаву ПС-14-60: в – індукційного; г – лазерного.

Специфічний вплив лазерного випромінювання на поверхневі шари сталей 45, Л53, 65Г обумовлює цілий комплекс ефектів, що сприйнятливо впливають на зносостійкість в абразивному середовищі: підвищена щільність дислокацій (1013...1017 м-2), перерозподіл легуючих елементів (С, Сr, Mn та ін.) і домішок (P, S, O, Na); інтенсифікація процесів створення та розчинення сполук; зменшення пористості наплавлених покриттів (1...10%), збільшення твердості та більш плавний характер розподілу мікротвердості (Рис.7), підвищення міцності зчеплення сплаву ПС-14-60.

а) б)

Рис.7. Розподіл мікротвердості по глибині зміцненого шару в сталях (а) після лазерної термообробки (q = 8·107 Вт/м2; ф = 0,3 с): 1 – сталь 45; 2 – сталь Л53; 3 – сталь 65Г , та покриттів (б) зі сплаву ПС-14-60 (крива 1) та сплаву ПС-14-60 + 6%В4C (крива 2) після лазерної обробки, основа – сталь 65Г.

Закономірність зміни величини зносу досліджуваних сталей після лазерного термозміцнення в залежності від розміру фракції абразиву практично однакова (Рис.8), але швидкість зношування різна і при певних значеннях розміру фракції абразиву спостерігається її стабілізація.

Рис. 8. Залежність лінійного зносу зразків після лазерного термозміцнення від розміру фракції абразиву.

Аналогічні закономірності зношування властиві і для наплавлених шарів (Таблиця 1). Звертає увагу те, що у порівнянні з індукційним наплавленням сплаву ПС-14-60, його лазерне наплавлення збільшує зносостійкість поверхні у 1,15...1,25 рази, а при додаванні 6% В4С – у 1,30...1,50 рази. Виявлені закономірності підтверджуються характером зношування поверхонь тертя за металографічним аналізом і знятими профілограмами. Таким чином, лазерне термозміцнення і наплавлення композиційних покриттів суттєво підвищує зносостійкість поверхонь зразків деталей при абразивному зношуванні.

Таблиця 1

Лінійний знос зразків наплавлених різними способами

Розмір фракції абразиву, мкм | Лінійний знос, мм

Індукційне наплавлення,

ПС-14-60 | Лазерне наплавлення,

ПС-14-60 | Лазерне наплавлення,

ПС-14-60 + 6% В4С

40…50 | 0,10 | 0,07 | 0,06

50…63 | 0,14 | 0,11 | 0,09

63…80 | 0,17 | 0,14 | 0,12

80…100 | 0,20 | 0,17 | 0,15

100…125 | 0,21 | 0,18 | 0,16

125…160 | 0,21 | 0,18 | 0,16

Результати досліджень поля напружень зміцнених шарів на досліджуваних зразках після лазерної термообробки (Рис.9,а) та лазерного наплавлення (Рис.9,б), показали наявність в поверхневих шарах напружень стиску, величина яких змінюється в залежності від режимів обробки (-200...-400 МПа).

а) б)

Рис. 9. Розподіл залишкових напружень в сталях по глибині зміцненого шару після лазерної термообробки (а): 1 – сталь 45; 2 – сталь Л53; 3 – сталь 65Г, та в наплавлених лазерним випромінюванням композиційних покриттях (б) на сталі 65Г: 1 – ПС-14-60; 2 – ПС-14-60+6% В4С.

Результати аналізу і розрахунку поля напружень РЕ показали, що їх максимальний рівень зосереджено у вузькій області різальної кромки (Рис.10,а), а по мірі збільшення радіусу її заокруглення область максимальних напружень суттєво збільшується (Рис.10,б).

а) б)

Рис.10. Напружений стан загостреного (а) та затупленого (б) РЕ.

Про це свідчать і отримані в роботі розподіли компонентів залишкових напружень вздовж осей координат.

Стендові дослідження показали, що найменший лінійний знос (Таблиця 2) та інтенсивність масового зносу спостерігаються для зразків РЕ (сталь 65Г), зміцнених запропонованими лазерними технологіями.

Таблиця 2

Залежність лінійного зносу по ширині РЕ від шляху тертя і способу зміцнення

Спосіб зміцнення | Лінійний знос по ширині, мм

Інтенсивність зношування, мм/км

при шляху тертя | Середні значення

інтенсивності зношування

, мм/км | квадр.

відхил.

·10-3, мм/км

30

км | 60

км | 90

км | 120 км | 150 км

Об’ємне гартування | 2,15

0,0717 | 4,40

0,0733 | 6,55

0,0728 | 8,65

0,0721 | 10,85

0,0723 | 0,072 | 0,574

Лазерна термообробка на глибину, мм | 0,50 | 1,55

0,0517 | 3,05

0,508 | 4,55

0,506 | 6,05

0,500 | 7,45

0,497 | 0,051 | 0,694

0,75 | 1,40

0,0467 | 2,80

0,0467 | 4,15

0,0461 | 5,45

0,0454 | 6,75

0,0450 | 0,046 | 0,669

1,00 | 1,35

0,0450 | 2,65

0,0442 | 3,95

0,0439 | 5,25

0,0438 | 6,50

0,0433 | 0,044 | 0,555

Індукційне наплавлення ПС-14-60 | 1,25

0,0417 | 2,45

0,0408 | 3,70

0,0411 | 4,85

0,0404 | 6,05

0,0403 | 0,041 | 0,487

Лазерне наплавлення ПС-14-60 | 1,05

0,0350 | 2,05

0,0342 | 3,25

0,0361 | 4,25

0,0354 | 5,35

0,0357 | 0,035 | 0,659

Лазерне наплавлення ПС-14-60 + 6% В4С | 0,95

0,0317 | 1,85

0,0308 | 3,10

0,0344 | 3,95

0,0329 | 5,10

0,0340 | 0,033 | 1,364

Спостереженнями за формою профілю зміцнених РЕ по характерним точкам в процесі тертя та зношування виявлено, що при певному напрацюванні відбувається стабілізація лінійного зносу і збереження загостреної форми зразків РЕ, зміцнених лазерним наплавленням (Рис.11).

а) б)

Рис.11. Залежність лінійного зносу в характерних точках профілю РЕ (згідно рис. 1,а) від способів зміцнення для різних шляхів тертя: а – 30 км; б – 60 км.

Даний факт свідчить про можливість створення умов для виникнення і розвитку ефекту самозагострювання при застосуванні лазерних технологій.

П’ятий розділ містить результати експлуатаційних випробувань, рекомендації до впровадження запропонованих технологій зміцнення у виробництво та оцінку їх економічної ефективності.

В процесі експлуатаційних досліджень виявлено, що лазерна термообробка дозволяє в 1,3...1,4 рази знизити знос носових областей деталей у порівнянні з об’ємною термообробкою, а застосування лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 з додаванням 6% В4С – в 1,7...1,8 рази у порівнянні з базовою технологією індукційного наплавлення. Ці результати узгоджуються з результатами стендових випробувань.

Застосування технології лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 з додаванням карбіду бору в локальні області деталей РОГМ, що зазнають найбільшого зносу, дозволяє зберігати їх вихідну форму тривалий час в процесі експлуатації (Рис.12)

а) б)

Рис.12. Стрілчасті лапи культиватора після напрацювання 25 га, зміцнені: а – індукційним наплавленням сплаву ПС-14-60 (базова технологія), б – лазерним наплавленням сплаву ПС-14-60 + 6% В4С (запропонована технологія).

Виявлено, що застосування технологій лазерного зміцнення стримує підвищення тягового опору в процесі обробітку ґрунту РОГМ (Рис.13), що є позитивним з точки зору економії паливно-мастильних матеріалів.

Рис.13. Залежність тягового опору культиватора КПС-4 від напрацювання і способу зміцнення стрілчастих лап: 1 – об’ємна термообробка (базова технологія), 2 – лазерна термообробка, 3 – індукційне наплавлення ПС-14-60 (базова технологія), 4 – лазерне наплавлення ПС-14-60, 5 – лазерне наплавлення ПС-14-60 + В4С.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу умов роботи, характеру і величини зношування РОГМ, вперше запропоновано використання технологій лазерного термозміцнення та наплавлення для підвищення зносостійкості різальних елементів на стадії виготовлення РОГМ з створенням умов реалізації ефекту самозагострювання.

2. На основі побудованої імітаційної фізичної моделі виявлено закономірності взаємодії РЕ з абразивним технологічним середовищем. Запропоновано процеси взаємодії описувати стохастичним диференціальним рівнянням з детермінованою і випадковою складовими відносного зносу.

3. Теоретично і експериментально показано, що на формоутворення профілю РЕ та зносостійкість його локальних областей впливають властивості абразивного технологічного середовища та матеріалу РЕ, напружено-деформований стан і товщина зміцненого шару. Визначено, що інтенсивність зношування по довжині РЕ змінюється за експоненціальним законом, а застосування лазерних технологій зміцнення дозволяє керувати інтенсивністю зношування в локальних областях РЕ.

4. Враховуючи силову картину взаємодії ґрунту з РЕ РОГМ в процесі тертя і зношування теоретично виявлено закономірність зміни складових результуючої сили, що діє на різальну кромку за величиною та напрямком. Експериментально досліджено її вплив на тяговий опір агрегатів при обробітку ґрунту.

5. Досліджено специфічний вплив лазерного випромінювання на властивості зразків і деталей РОГМ: утворюється дрібнодисперсна мартенситна структура; рівномірно розподіляються карбіди і бориди в матриці поверхневого шару; перерозподіляються атоми легуючих елементів і домішки у зонах лазерного впливу; виявлено зменшення піку сполуки Fe2O3 після лазерної обробки у порівнянні з об’ємною термообробкою; пористість шарів при лазерному наплавленні зменшується (до 5%) у порівнянні з наплавленням СВЧ; плавний перехід мікротвердості зміцненого шару до мікротвердості основи (максимальна мікротвердість при лазерній термообробці складає 8...12 ГПа, а при лазерному наплавленні – 12...14 ГПа); підвищена міцність зчеплення шару з основою лазерно наплавлених покриттів.

6. Дослідження абразивної зносостійкості на машині тертя Х4-Б зразків зі сталей 45, Л53, 65Г, зміцнених за традиційними та запропонованим технологіями, показало, що для кожної сталі існує діапазон розміру фракції абразиву, при якому інтенсивність зношування зразків починає стабілізуватися. Для зразків, зміцнених лазерною обробкою, в процесі абразивного зношування спостерігається перевага складової пластичного деформування, ефектів полірування і відсутність прямого процесу різання абразивними частинками. Провідним видом абразивного зношування є його механохімічна форма. Це підтверджують результати металографічних досліджень зон тертя і їх профілограми.

7. Розподіл залишкових напружень по глибині зміцненого шару лазерною термообробкою показав, що зона напружень стиску поширюється на глибину до 200 мкм. Величина напружень при цьому складає -200...-400 МПа. При лазерному наплавленні напруження стиску поширюються на глибину до 100...150 мкм, далі до глибини 500...600 мкм спостерігаються напруження розтягу з величиною 300...450 МПа. При додаванні карбіду бору до сплаву ПС-14-60, через позитивний його вплив, характер залишкових напружень дещо змінюється. Зафіксовано, що максимальний рівень напружень зосереджено у вузькій області різальної кромки. Характерним є те, що при мінімальному радіусі заокруглення різальної кромки область напруженого матеріалу достатньо невелика, а при його збільшенні – інтенсивно зростає.

8. Виявлено, що лазерна термообробка дозволяє в 1,3...1,4 рази знизити знос носка деталей РОГМ у порівнянні з об’ємним гартуванням, а застосування лазерного наплавлення сплаву ПС-14-60 + 6% В4С – у 1,7...1,8 рази у порівнянні з базовою технологією індукційного наплавлення. Дослідження лінійного зносу у характерних точках свідчать про локальний характер процесу зношування по довжині РЕ деталей. Застосування технології лазерного наплавлення з додаванням карбіду бора у локальні області найбільшого зносу дозволяє практично вирівняти знос в характерних точках РОГМ, що дає можливість тривалий час зберігати вихідну геометричну форму деталі.

9. Застосування лазерного термозміцнення у порівнянні з традиційним об’ємним гартуванням підвищує ресурс деталей РОГМ у 1,5...2,2 рази, а лазерне наплавлення сплаву ПС-14-60 – у 1,5...1,6 рази у порівнянні з традиційним індукційним наплавленням того ж сплаву. При цьому спостерігається стабільність тягового опору впродовж тривалого періоду експлуатації. Очікуваний загальний економічний ефект від впровадження технології лазерного наплавлення у виробництво стрілчастих лап культиваторів при річній програмі 70 тис. шт. складе 69591,61 грн. за рахунок зменшення енергетичних витрат при зміцненні та підвищення їх ресурсу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Ауліна Т.М. та ін. Керування характером та інтенсивністю зношування різальних частин робочих органів ґрунтообробних машин // Вісник ХДТУСГ / Вип. 23. Техн. сервіс АПК, техніка та техн. у с/г машинобудуванні. – Харків. – 2004. – С.270-273.

2. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Ауліна Т.М. Вплив зміцнюючих КП нанесених на робочі поверхні деталей на їхню зносостійкість // Зб. наук. праць І Міжнар. наук.-техн. конф. “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I” ТДТУ ім. І. Пулюя. – Тернопіль, 2004. – С.303-307.

3. Аулін В.В., Бобрицький В.М. Характер та інтенсивність зношування робочих органів ґрунтообробних машин // Проблеми трибології (Problems of tribology). Хмельницький. ХДУ, 2004. – №2 – С.107-112.

4. Аулін В.В., Лізунов С.М., Бобрицький В.М., Батєхін В.Б. Обґрунтування впливу мартенситної структури на трибологічні властивості сталей під впливом концентрованих потоків енергії // Проблеми трибології (Problems of tribology). Хмельницький. ХНУ, 2005. – №2 – С.103-112.

5. Аулін В.В., Златопольский Ф.Й., Бобрицький В.М. Вплив на зносостійкість композиційних матеріалів процесів, що протікають на межі їх складових // Инженерия поверхности и реновация изделий. Материалы 4-й междун. научн.-техн. конф., 24-26 мая 2005, г. Ялта. – Киев: АТМ Украины, 2005. – С.289-291.

6. Аулін В.В., Віхрова Л.Г., Бісюк В.А., Бобрицький В.М. Керування процесом приготування багатокомпонентної суміші для нанесення КП на деталі машин / Зб. наук. праць КДТУ “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. Кіровоград: КНТУ.– 2005р. – Вип. 16. – С.266-269.

7. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Батєхін В.Б. Використання концентрованих потоків енергії при формуванні локальних зміцнених зон та композиційних покриттів на деталях машин / Сб. трудов XII Междунар. научн. техн. конф. "Машиностроение и техносфера XXI века ", м. Севастопіль., 2005. – Том 1. – С. 30-33.

8. Аулін В.В., Бобрицький В.М., Солових Є.К. Аналіз характеру зношування лез грунторіжучих деталей та підвищення їх ресурсу лазерними технологіями /Загальнодерж. міжвідомчий наук.–техн. зб. "Конструювання, виробництво та експлуатація с/г машин " – Кіровоград: КНТУ. – 2005р.– Вип.35. – С. 153-157.

9. Віхрова Л.Г., Аулін В.В., Бісюк В.А., Бобрицький В.М. Керування та моніторинг процесів приготування композиційних матеріалів та нанесення композиційних покриттів на деталі машин // Вісник ХНТУСГ / Вип. 37. Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. Том 2. – Харків. – 2005.-С.174-178.

10. Аулін В.В., Бобрицький В.М, Жулай О.Ю. Зміна форми різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин в процесі зношування // Праці Таврійської держ. агротехн. академії – Вип.40. – Мелітополь, ТДАТА, 2006. – С.5-11.

11. Бобрицький В.М. Вплив параметрів різальних елементів на енергетичні характеристики ґрунтообробних машин // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя. – 2007. – Том12. – №1. – С. 86-91.

12. Пат. 8835 Україна, МПК 7G01F11/24. Пристрій для дозування сипких матеріалів / Аулін В.В., Бобрицький В.М., Барановський Д.М. та ін. (Україна); Кіровоградський національний технічний університет. – №u200502282; Заяв. 14.03.05; Опуб. 15.08.2005; Бюл.№8.

13. Пат. 8907 Україна, МПК 7G01G11/00. Спосіб багатокомпонентного дозування сипкого матеріалу / Аулін В.В., Бісюк В.А., Віхрова Л.Г., Бобрицький В.М. (Україна); Кіровоградський національний технічний університет. – № u 200502779; Заяв. 28.03.05; Опуб. 15.08.2005; Бюл.№8.

14. Пат. 21545 Україна, МПК В23Н7/00. Спосіб модифікування поверхні деталей /Аулін В.В., Бобрицький В.М., Барановський Д.М. та ін. (Україна); Кіровоградський національний технічний університет. – № u200610900; Заяв. 16.10.06; Опуб. 15.03.2007; Бюл.№3.

АНОТАЦІЯ

Бобрицький В.М. Підвищення зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Національний транспортний університет, м. Київ, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню зносостійкості різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин з реалізацію ефекту самозагострювання. Запропоновано для керування властивостями робочих поверхонь різальних елементів та створення умов для реалізації ефекту самозагострювання використовувати лазерні технології термозміцнення і наплавлення.

Виявлено закономірності взаємодії різальних елементів з абразивним технологічним середовищем, теоретично визначено та експериментально досліджено процеси формоутворення профілю різальних елементів при терті і зношуванні в абразивному середовищі. Обґрунтовано раціональні режими лазерної обробки для отримання необхідних властивостей і оптимальної товщини зміцненого шару для створення умов самозагострювання. Проведено комплекс досліджень фізико-механічних та трибологічних властивостей зміцнених поверхневих шарів зразків та деталей робочих органів ґрунтообробних машин.

Стендові та експлуатаційні дослідження показали доцільність застосування технологій лазерного зміцнення різальних елементів при виготовленні деталей робочих органів ґрунтообробних машин для підвищення їх зносостійкості, реалізації ефекту самозагострювання і подовження ресурсу.

Показано, що економічний ефект від впровадження запропонованих технологій лазерного зміцнення досягається за рахунок зниження собівартості процесу зміцнення деталей робочих органів при виготовленні, а також підвищення їх ресурсу.

Ключові слова: різальні елементи, зносостійкість, робочі органи ґрунтообробних машин, абразивне зношування, лазерне термозміцнення, лазерне наплавлення, самозагострювання, різальна кромка.

АННОТАЦИЯ

Бобрицкий В.Н. Повышение износостойкости режущих элементов рабочих органов почвообрабатывающих машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – Трение и износ в машинах. – Национальный транспортный университет, г. Киев, 2007.

Диссертация посвящена повышению износостойкости режущих элементов рабочих органов почвообрабатывающих машин с реализацией эффекта самозатачивания. Предложено для управления свойствами рабочих поверхностей режущих элементов и создания условий для реализации эффекта самозатачивания использовать лазерные технологии термоупрочнения| и наплавки.

На основе предложенной имитационной физической модели выявлены закономерности взаимодействия режущих элементов с абразивной технологической средой. Предложено процессы взаимодействия описывать стохастическим дифференциальным уравнением.

Теоретически определенны и экспериментально исследованы процессы формообразования профиля режущих элементов при трении и изнашивании в абразивной среде. Обоснованы рациональные режимы лазерной обработки для получения необходимых свойств и оптимальной толщины упрочненного слоя для создания условий самозатачивания. Проведен комплекс исследований физико-механических и трибологических свойств упрочненных поверхностных слоев образцов и деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Учитывая силовую картину взаимодействия почвы с режущим элементом в процессе трения и износа теоретически получена закономерность изменения результирующей сил, действующих на режущую кромку, по величине и направлению. Экспериментально исследовано ее влияние на тяговое сопротивление почвообрабатывающих агрегатов.

В процессе экспериментальных исследований образцов деталей наблюдалось специфическое влияние лазерного излучения на свойства их поверхностных слоев: образуется мелкодисперсная мартенситная структура; равномерно распределяются карбиды и бориды в матрице поверхностного слоя; перераспределяются атомы легирующих элементов и примесей; выявлена интенсификация процессов образования и растворения соединений химических элементов, уменьшение пористости наплавленных покрытий; повышение твердости и более плавный характер распределения микротвердости по глубине слоя; повышения прочности сцепления сплава ПС-14-60.

Исследования абразивной износостойкости на машине трения Х4-Б образцов из сталей 45, Л53, 65Г упрочненных по традиционным и предложенным технологиям показали, что для каждой стали существует свой диапазон размеров фракции абразива, при котором интенсивность износа образцов стабилизируется. Для образцов, упрочненных лазерной обработкой, в процессе абразивного износа наблюдается преимущество составляющей пластического деформирования, эффектов полирования и отсутствие прямого процесса резания абразивными