Methodology for determining the durability of soil-cultivating machines working bodies of parts

D. N. Radnaev; Раднаев Даба Нимаевич; A. A. Abiduev; Абидуев Андрей Александрович; A. S. Pekhutov; Пехутов Александр Сергеевич; P. A. Boloev; Болоев Петр Антонович; G. E. Kokieva; Кокиева Галия Ергешевна

doi:10.31857/S2500208224010171

Methodology for determining the durability of soil-cultivating machines working bodies of parts

Authors: Radnaev D.N.¹, Abiduev A.A.¹, Pekhutov A.S.¹, Boloev P.A.¹, Kokieva G.E.¹
Affiliations:
1. Filippov V.R the Buryat State Academy of Agricultural
Issue: No 1 (2024)
Pages: 77-81
Section: Processes & Machines of Agroengineer Systems
URL: https://snv63.ru/2500-2082/article/view/659404
DOI: https://doi.org/10.31857/S2500208224010171
ID: 659404

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The development and creation of high-performance machines for agricultural production is in many cases limited by the insufficient wear resistance of individual parts and assemblies. Russian scientists, engineers and technicians working on the problem of increasing the durability of machines have achieved significant results. However, theoretical conclusions and prerequisites for increasing durability and the method of calculating parts of agricultural machines for durability are not enough. The durability calculations of agricultural machine parts used in some cases during their design are imperfect. In addition, in most cases, there are no reasonable calculations of allowable wear that would ensure high quality machine operation, i.e. these calculations are not related to the tasks of preventive maintenance and operation of machines. A number of scientists have been studying the abrasive wear of working parts of soil-cultivating and seeding machines for decades, but this issue has not yet been finally resolved. Until now, there is no clear understanding of the essence of abrasive wear and the factors that determine it. Most of the work carried out on the study of abrasive wear of parts of working bodies of soil-cultivating machines is of a private nature. There are no works covering the study of the complex set of phenomena that occur during abrasive wear. At present, very little has been studied about the wear capacity of soils, there is no criterion that determines it, and there is no connection between the phenomena of wear of the working parts of soil-cultivating machines and the basic theoretical principles of agricultural mechanics. The study of the wear capacity of soils, as well as the determination of the magnitude of pressures that arise during the interaction of the working parts of agricultural machines with the soil, can be used when calculating the working parts of these machines for durability.

Keywords

tillage machines, working parts, abrasive wear, specific pressure, durability of parts

Full Text

Характерная особенность современного машиностроения – создание машин повышенной производительности, малой металлоемкости, прочных, надежных и удобных в эксплуатации. Большинство деталей сельскохозяйственных машин в процессе работы сравнительно быстро теряют свои первоначальные качества из-за динамических нагрузок, абразивного износа и воздействия внешней среды. Сельскому хозяйству требуется значительно больше запасных частей для замены изношенных деталей машин, чем угольной или и нефтедобывающей промышленностям, где степень механизации производственных процессов достигла высокого уровня. Быстрый износ деталей вызывает простои машин в ремонте. Поэтому мероприятия, связанные с улучшением качества сельскохозяйственных машин, увеличением их долговечности, приобретают большое народнохозяйственное значение. [1, 4, 6, 11–13]

Разработаны методы поверхностного упрочнения, в том числе наплавка различными сплавами, поверхностная закалка, гальваническое хромирование. [9, 10, 14] Проводят исследования по изменению и подбору конфигурации и размеров рабочих органов почвообрабатывающих машин, имеющих повышенную долговечность. [2, 3, 5, 7, 8] Мало изучены вопросы изнашивающей способности почв, отсутствует определяющий ее критерий, связь процесса износа рабочих органов почвообрабатывающих машин с основными теоретическими положениями земледельческой механики. Для раскрытия сущности абразивного износа недостаточно металловедческого анализа, необходимо изучить процесс взаимодействия рабочих органов с почвой в зоне соприкосновения почвенных частиц с рабочей поверхностью изнашиваемой детали.

Цель работы – изучить изнашивающую способность почв, определить величины давлений, возникающих при взаимодействии рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

За эталонную абразивную среду принят чистый кварцевый песок, применяемый в силикатной промышленности, с размером частиц 0,25…0,30 мм и нулевой влажностью (W = 0%). Натуральные почвы содержат наибольшее количество песчинок такого размера. Наличие кварцевых частиц в почве определяет ее абразивную способность. Принятие однородной абразивной среды за эталон во многом облегчает проведение исследований износостойкости деталей при износе нефиксированным абразивом в лабораторных условиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для последовательности в решении вопроса расчета на долговечность деталей сельскохозяйственных машин, наряду с изучением общих закономерностей износа, следует также четко классифицировать детали, которые сравнительно быстро теряют свою работоспособность. Такая классификация значительно облегчает возможность создания единой теории и метода расчета для их группы, хотя общую закономерность и физическую сущность износа можно изучать на одной детали, характерной для данного класса (табл. 1).

Таблица 1.

Укрупненная классификация деталей сельскохозяйственных машин

Класс

Группа

Подгруппа

первого порядка

второго порядка

Детали, работающие в абразивной среде

одиночные

1. Лемехи

2. Отвалы

3. Диски борон

4. Зубья борон

5. Лапы культиваторов

–

6. Сошники сеялок

1. Дисковые

2. Анкерные

7. Опорные детали машин

1. Ободы колес

2. Башмаки, траки и зацепы

3. Покрышки

парные

1. Шарниры гусениц

2. Встряхиватели картофелеуборочных машин

3. Поддерживающие ролики в картофелеуборочных машинах

4. Звенья элеваторов картофелеуборочных машин

–

Детали режущих аппаратов борочных машин

1. Сегменты ножей

2. Противорежущие пластинки

3. Пластинки трения

4. Прижимные лапки

5. Спинки ножей

6. Пальцы пальцевых брусьев

–

Детали рабочих органов кормоприготовительных машин

1. Ножи

2. Противорежущие пластинки

3. Молотки дробилок

4. Деки дробилок

5. Вальцы зерноплющилок

6. Шипы жмыхо-дробилок

7. Пальцы картофелемялок

8. Решетки картофелемялок

9. Шнеки кормосмесителей

10. Кожухи кормосмесителей

–

Валы и подшипники

1. С постоянной нагрузкой

2. Со знакопеременной нагрузкой

3. С ударной нагрузкой

4. С движением качения

1. Подшипники шариковые

2. Подшипники роликовые

3. Подшипники скольжения

1. Радиальные

2. Упорные

3. Радиально-упорные

1. Ролики цилиндрические

2. Ролики бочкообразные

3. Ролики конические

4. Ролики игольчатые

–

Шестерни

1. Цилиндрические

2. Конические

1. С прямым зубом

2. С косым зубом

–

Цепи и звездочки

1. Цепи

1. Роликовые

2. Крючковатые

3. Комбинированные

–

2. Звездочки

1. Роликовых цепей

2. Крючковатых цепей

3. Комбинированных цепей

–

Ремни приводные

1. Плоские

2. Клиновидные

–

Рессоры и пружины

1. Рессоры

1. Однолистовые

2. Многолистовые

–

2. Пружины

1. Плоские

2. Спиральные

–

Шлицевые соединения

1. Прямоугольные

1. Центрированные по боковым сторонам

2. Центрированные по наружному диаметру

3. Центрированные по внутреннему диаметру

–

2. Эвольвентные

3. Треугольные

–

Укрупненная классификация деталей сельскохозяйственных машин составлена на основе конструктивного сходства их по выполнению технологического процесса и вида износа. Все детали разбиты на девять основных классов. Каждый из них разделен на группы, из которых выделены подгруппы первого и второго порядка.

В классы деталей, работающих непосредственно в абразивной среде, а также деталей режущих аппаратов уборочных и кормоприготовительных машин входят основные, непосредственно соприкасающиеся с обрабатываемым объектом и выполняющие главную функцию в общем технологическом процессе. Большинство деталей этих классов – непарные.

Остальные шесть классов объединяют вспомогательные детали (парные) общего назначения, которые передают мощность, необходимую для выполнения рабочей функции основных деталей. Выход из строя непарных обусловлен искажением их геометрической формы. Из приведенной классификации видно, что основные непарные детали подвержены абразивному износу, поэтому первоочередная задача исследований – изучить качественную и количественную стороны этого процесса.

Износ деталей зависит от качества металла, давления абразивной среды, изнашивающей способности абразива, времени протекания процесса или пути трения и выражается функцией:

ΔG = f(P, L, S, m, Н), (1)

где P – давление абразива; L – путь трения; S – площадь трения; т – изнашивающая способность абразива; Н – твердость металла.

Расчет на долговечность рабочих органов почвообрабатывающих машин возможен, если известно влияние перечисленных факторов на абразивный износ.

Фактическое удельное давление превышает номинальное во много раз. При протаскивании образцов кварцевого песка по стальной и бронзовой пластинам установили, что только 8…10% песчинок, находящихся в контакте, истирают металл при своем перемещении. Значительная их часть в момент начального движения выходит из контакта и в процессе движения царапает металл на очень коротком пути своего перемещения. По характеру царапин можно судить о том, что, кроме скольжения песчинок, происходит их поворот и качение.

При повороте или выходе песчинок из контакта нарушаются связи, имеющиеся между частицами, контактируемыми с металлом, и расположенными выше, в так называемой граничной зоне. Поворачивающаяся песчинка вовлекает в движение вокруг себя другие, часть из которых вступает в контакт с металлом, его истирание при этом повторяется.

Таким образом, в процессе движения почвенных частиц в граничной зоне происходит непрерывная потеря и возобновление контакта. При возобновлении контакта более активные частицы, то есть те, которые удерживаются соседними частицами силой, большей, чем сопротивление скольжению внедрившейся частицы, истирают металл.

Исследования показали, что скорость относительного перемещения почвенных частиц по поверхностям рабочего органа почвообрабатывающих машин значительно меньше поступательной скорости самого рабочего органа.

Скорость относительного перемещения почвенных частиц в зоне контакта их с рабочим органом определяем по формуле:

$υ_{о т} = υ_{п} \frac{\cos (α + φ)}{\cos φ}$ , (2)

где υ_п – поступательная скорость движения рабочего органа; α – угол установки рабочего органа к горизонту или направлению движения; φ – угол между направлением абсолютного перемещения грунта в граничной зоне и нормалью к рабочей поверхности.

Находим угол φ:

$φ = a r c t g (\frac{f - ε}{f + f_{1} - ε} c t g α)$ , (3)

где f – коэффициент трения грунта о поверхность рабочего органа; f₁ – коэффициент трения грунта о грунт; ε – величина отношения усилия подпора к силе трения.

Необходимо изучить влияние различных свойств почвы на абразивный износ, а также классифицировать почвы по их изнашивающей способности.

Исследование проводили в лабораторных и полевых условиях на пяти видах почв (табл. 2–4). Полевые опыты выполняли с лемехами, отвалами и полевыми досками, лабораторные – с образцами круглой формы на специальной установке.

Таблица 2.

Гранулометрический состав каштановой почвы Забайкалья при различных системах ее обработки

Система обработки	Глубина, см	Количество частиц различного диаметра, %
Система обработки	Глубина, см	0…0,25	0,25…0,05	0,05…0,01	0,01…0,005	0,005…0,001	< 0,001	< 0,01
Отвальная	0…20	28,4	34,0	21,9	4,8	5,4	5,5	15,7
Отвальная	20…30	28,8	34,5	18,7	4,3	6,9	6,8	18,0
Плоскорезная	0…20	26,8	33,2	21,4	4,8	6,9	6,9	16,6
Плоскорезная	20…30	29,4	31,8	19,8	5,5	5,9	7,6	18,7
Комбинированная	0…20	28,2	33,3	22,1	4,2	6,1	6,1	16,4
Комбинированная	20…30	29,1	35,0	20,0	4,3	5,2	6,4	15,8

Процесс изменения гранулометрического состава почвы наблюдается при различных системах обработки, но интенсивность его меньше, чем на бессменном пару в почве и севообороте (табл. 2). При отвальной системе обработки почвы в слое 0…20 см – наибольшее снижение содержания илистой фракции. В результате ветровой эрозии происходит безвозвратное отчуждение почвы за пределы поля и ухудшается ее механический состав.

Данные химического анализа не обнаруживают миграции веществ по профилю каштановой почвы (табл. 3).

Таблица 3.

Химический состав исследуемых почв, %

Проба	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Прочие примеси	Сумма
1	64,69	17,9	4,20	2,83	0,11	Нет	2,42	97,66
2	62,00	17,75	2,40	2,79	0,18	–	2,85	96,17
3	66,60	15,4	3,60	1,6	0,19	–	1,51	98,70
4	68,44	16,15	3,80	2,53	0,27	Следы	1,81	98,20
5	68,20	10,95	3,60	1,06	0,17	Нет	2,52	97,00

Для более полного представления о влиянии влажности на износ провели специальные опыты со всеми образцами почв. Существует предел влажности для каждой почвы, при котором наблюдается наибольшая абразивная способность (табл. 4).

Таблица 4.

Изменение изнашивающей способности почв в зависимости от влажности

Почва	Коэффициент изнашивающей способности при влажности, %
Почва	5	10	15	20
Каштановая песчаная	1,57	1,85	2,4	1,4
Каштановая суглинистая	0,57	1,07	1,23	0,64
Темно-каштановая глинистая	0,49	0,71	0,51	0,33

Почвы расположены в порядке убывания их изнашивающей способности, наибольшей обладает песчаная, наименьшей – глинистая.

Чем больше внутреннее сцепление частиц почвы, тем менее они свободны и больше изнашивают образец, и наоборот.

Опыты показали, что износ находится в прямой зависимости от удельного давления (p):

ΔG = kp, (4)

где k – коэффициент, который зависит от физико-механических свойств почвы.

Мощность трения также возрастает с увеличением удельного давления:

N_т=a + bp, (5)

где а и b – коэффициенты, зависящие от свойств почвы при одном и том же материале испытуемых образцов.

При постоянной влажности коэффициенты изнашивающей способности почвы не изменяются, несмотря на разное удельное давление.

Полевые опыты, проведенные с деталями рабочих органов почвообрабатывающих машин, показали, что почвы по изнашивающей способности располагаются в такой же последовательности, как и при лабораторных исследованиях.

В качестве примера приводим расчеты долговечности серийного лемеха из стали Л53. Для различных почв при давлении 0,05 Н/см²интенсивность износа колеблется от 0,2 до 2,5 мг/сек., то есть увеличивается в 12,5 раза, мощность трения – в 1,37 раза. Не всегда большему износу соответствует большая работа трения. При давлении 0,08 Н/см² для песчаной почвы износ составил 2000 мг, работа трения – 71000 Нм, для суглинистой при том же давлении – 270 мг (в 7,4 раза меньше), работа трения – 6000 Нм (в 1,28 раза меньше). Этот пример показывает, что только незначительная часть работы трения затрачивается непосредственно на износ, то есть на удаление микростружек частицами почвы.

Чтобы найти нормальное давление на рабочие органы почвообрабатывающих машин была сконструирована специальная электроизмерительная установка. Опыты по определению давления грунта на лемех и отвал тракторного плуга проводили на всех видах почв. Наибольшее давление действует на носок лемеха – 0,042…0,06 Н/см² для глинистой почвы и 0,018…0,022 Н/см² песчаной. Давление почвы у пятки лемеха на 30…40% меньше, чем на носке. У нижней части груди отвала для глинистой почвы давление находится в пределах 0,015…0,018 Н/см², верхней – 0,001…0,0015 Н/см². Давление почвы на отвал падает по его высоте. Наибольшее давление на крыле отвала у нижнего обреза (0,004…0,006 Н/см²).

Найденные величины давлений можно использовать для расчета долговечности рабочих органов сельскохозяйственных машин.