Применение нанотехнологии в производстве высокоресурсных почвообрабатывающих органов сельскохозяйственной техники

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИННОВАЦИИ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 2. С. 245-248.

УДК 620.22-022.532:631.31:620.3

П.В. Орлов, П.Б. Гринберг, К.Н. Полещенко, Е.Е. Тарасов

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Освещена проблема повышения ресурса почвообрабатывающих органов сельскохозяйственной техники. Рассмотрены традиционные пути повышения работоспособности почвообрабатывающих режущих элементов. Изучены технологические возможности применения наноструктурированных покрытий для повышения ресурса стрельчатых лап.

Ключевые слова: почвообрабатывающие органы, наноструктурированные покрытия, объемноразвитая поверхность.

Повышение ресурса сельхозтехники является одной из приоритетных задач экономической политики. По данным, приведенным в работе [1], затраты на ремонт и техническое обслуживание техники составляют до 15 % от всей валовой продукции сельского хозяйства. В структуре этих затрат до 70-75 % приходится на закупку новых запасных частей и лишь 8-10 % - на восстановление и упрочнение изношенных деталей машин. Эффективность почвообрабатывающей техники определяется работоспособностью ее рабочих органов. В частности, для обработки почв фактором, регламентирующим работоспособность сельскохозяйственной техники, является ресурс почвообрабатывающих органов. Почвообрабатывающие органы (ПОО) сельхозтехники работают в условиях знакопеременных динамических нагрузок, абразивного износа, коррозии [2], что приводит к сокращению срока службы режущих элементов за счет их интенсивного изнашивания [3].

Исследования алтайских ученых показали, что изнашивание, например, стрельчатых лап культиваторов, приводящее к потере формы их режущей части, с одной стороны, снижает качество подготовки почвы под посев и влечет за собой снижение урожайности и повышение себестоимости, а с другой - увеличивает тяговое усилие, что приводит к увеличению расхода горючесмазочных материалов и сокращению ресурса двигателей тяговых устройств. На скорость износа рабочих органов, контактирующих с почвой, влияет множество факторов, среди которых необходимо отметить: структуру почвы, рабочую глубину, рабочую скорость, уплотнение почвы, уровень ее влажности, предыдущие почвообразующие операции, поверхностную сухость почвы, геометрические параметры рабочих органов и углы их установки. В связи с этим наибольшую значимость приобретает поиск эффективных технико-технологических и инженерных решений, направленных на создание высокопроизводительного и высокоресурсного сельскохозяйственного оборудования.

К настоящему времени разработано несколько десятков технологий упрочнения, однако широко апробированы два подхода при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих машин [3-5]. Первый заключается в выпуске рабочих органов из легированных сталей типа 65Г с последующей термообработкой. Данный подход получил широкое распространение на отечественных заводах-изготовителях рабочих органов, которые получаются дешёвыми, но имеют невысокий ресурс, что приводит к их частой замене на почвообрабатывающих машинах. Фирма «Джон Дир» ввела в сталь присадки из бора, что сделало ее более прочной.

© П.В. Орлов, П.Б. Гринберг, К.Н. Полещенко, Е.Е. Тарасов, 2012

Таблица 1

Применение нанотехнологий при создании новой сельскохозяйственной техники [6]

Технология производства Признак нанотехнологии Эффект применения

Детали двигателя: клапана, седла, поршни Использование нанопорошковых материалов Повышение жаростойкости и износостойкости

Детали опрыскивателей и поливной техники: насадки, распылители Использование металлокерамических нанопорошков Повышение стойкости к гидроабразивному изнашиванию

Кожухи кормоуборочных комбайнов Нанесение нанослоя из оксида аллюми-ния Увеличение срока службы в несколько раз

Упрочнение режущих элементов почвообрабатывающей техники Использование наночастиц из металлокерамики Повышение долговечности в 2-3 раза

Антифрикционные вкладыши Использование нанокомпозитивов из углерода Снижение коэффициента трения в несколько раз

Производство автомобильных фар и зеркал Использование нанопленок Самоочищение поверхости

Второй подход основан на упрочнении режущей части путем наплавки упрочняющих материалов. Это направление получило широкое распространение в России и за рубежом. Упрочнённые на этапе изготовления рабочие органы почвообрабатывающих машин выпускают такие фирмы, как АНИТИМ, Рубцовский завод запасных частей (Россия), La Pina (Испания), Forges de Niawx (Франция), Land (США, Великобритания). Однако упрочнение, например, методом наплавки характеризуется высокой стоимостью наплавляемых материалов, а также наличием ярко выраженной границы раздела между материалом ПОО и покрытием, повышающей вероятность хрупкого разрушения в условиях эксплуатации. При этом ресурс возрастает не более чем на 5060 %, что сопоставимо с дополнительными затратами на изготовление.

Использование вместо наплавляемых твердых сплавов керамики также не решает принципиально вопрос о повышении пластичности режущей части рабочих органов.

В последнее время при создании новой техники стали применяться нанотехнологии, в том числе и для повышения срока службы ПОО (табл. 1).

Например, после нанесения комбинированных микро- и наноструктурированных

покрытий на стрельчатые лапы сеялок СКП_2.1 и «Джон Дир» их ресурс увеличился в 3-4 раза, что подтверждено испытаниями, проведенными на полях Омской, Новосибирской, Кемеровской, Тюменской областей и Казахстана. Оптимизация состава покрытий и рельефа поверхности режущей части позволяет повысить ресурс рабочих органов до 5-6 раз и более по сравнению с изделиями, изготовленными по стандартной технологии.

При этом, как показал анализ выполненных исследований, изменение эксплуатационных свойств изделий может существенно повышаться даже в условиях наиболее жесткого вида изнашивания - абразивного применительно к стрельчатым лапам сеялок.

Исследование особенностей износа стрельчатых лап позволило установить влияние состава нанопокрытий на интенсивность изнашивания модифицированных рабочих поверхностей этих изделий. Было установлено, что изменение характера износа и снижение интенсивности изнашивания стрельчатых лап может быть достигнуто путем комбинированной плазменной и ионно-плазменной обработки, заключающейся в последовательном нанесении покрытий различного состава (рис. 1).

Рис. 1. Изменение характера износа стрельчатых лап установленных на посевном комплексе «Джон Дир» после наработки 63 га на лапу: 1 - после комбинированной обработки: равномерный износ в пределах 1-2 мм;

2 - стандартная: полная потеря формы носовой части

Нанотехнологии в производстве высокоресурсных почвообрабатывающих органов.

247

В результате чего на поверхности изделия формируется композитное нанопокрытие, состоящее из металлокерамики, керамики, карбидов и боридов тугоплавких металлов, обеспечивающее дополнительное повышение ресурса лап. В процессе исследований было выявлено влияние на изменение эксплуатационных свойств стрельчатых лап еще одного фактора - состояния микрогеометрии их рабочих поверхностей в условиях обработки различных грунтов.

Повышение ресурса ПОО достигалось путем формирования на их рабочих поверхностях объемноразвитой поверхностной структуры с последующим нанесением на нее в вакуумно-плазменной установке нано-структурированного покрытия с размерностью от 20 нм и выше из материала, обеспечивающего в сочетании с реактивным газом твердость, выше твердости абразивных частиц почвы.

Расчетным путем установлено, что поверхностная площадь объемноразвитой структуры в виде полусфер или конусов почти в четыре раза превышает площадь плоской поверхности. Структура в виде полусфер формируется в результате пескоструйной обработки поверхности или путем

напыления керамического порошка без последующего оплавления (рис. 2).

Создание объемноразвитой поверхности с наноструктурированным покрытием изменяет характер взаимодействия этой поверхности с почвой, обеспечивает в процессе обработки почвы чередование на рабочих поверхностях сфер участков повышенного и пониженного давления, тем самым снижая нагрузку от воздействия абразивных частиц контактного слоя почвы на контактные поверхности режущих элементов. На участке наибольшего сопротивления сфероидальной поверхности, в зоне, прилегающей к ее передней кромке (рис.3), происходит торможение частиц при снижении их скорости.

В переходной зоне между сферами под действием суммарных давлений и сдвиговых деформаций, превышающих предел прочности контактного слоя почвы, происходит интенсивное разрушение его скалыванием. В области наименьшего сопротивления образуются застойные зоны, в которых скорость перемещения частиц почвы снижается до нуля, в связи с чем трение почвы при ее относительном перемещении в этих зонах отсутствует.

Рис. 2. Последовательность создания объемноразвитой наноструктурированной поверхности: а - исходная поверхность; б - то же с нанесенным сфероидальным керамическим покрытием; в - то же с нанесенным наноструктурированным покрытием

Рис. 3. Схема контактного взаимодействия почвы с поверхностью трения наноструктурированных сфер:

Уп - скорость перемещения почвы, Исф - высота сфероидального слоя, 1ъ - толщина наноструктурированного покрытия, 1 - поверхность металла режущего элемента, 2 - поверхность торможения контактного слоя почвы, 3 - зона износа,

4 - зона застойных явлений, 5 - наноструктурированное покрытие, Аі - вид поверхности с покрытием до износа,

А2 - то же с частично изношенным покрытием

Эга

12«

100

Рис. 4. Наработка до износа стрельчатых лап с наноструктурированным покрытием в га на одну лапу: слева - наработка лап от производителя, справа - наработка тех же лап с наноструктурированным покрытием

Изменение физики процесса резания приводит к снижению скорости изнашивания режущей поверхности рабочих органов, а наноструктурированный слой, нанесенный на сфероидальную поверхность, преимущественно изнашивается на участках торможения контактного слоя. При этом наност-руктурированное покрытие в зоне застойных явлений вступает в контакт с почвой по мере износа покрытия в зоне торможения почвы и переходной зоне, выполняя рабочие функции вплоть до полного износа сфер. В связи с этим полный ресурс наноструктурирован-ного слоя толщиной в несколько десятков нанометров увеличивается в зависимости от высоты сферы (при нанесении сфероидального покрытия плазменно-дуговым методом высота сфер находится в пределах от 20 до 200 мкм) в сотни раз.

Полевые испытания показали высокую эффективность стрельчатых лап после нанесения наноструктурированных покрытий. Испытания проводились при обработке почвы под посев и пары на полях Омской, Курганской и Тюменской областях с использованием стрельчатых лап от производителей фирм «Сэлфорд» и ГВЭЛ с последующим нанесением комбинированного нанострук-турированного покрытия.

На рис. 4 показана средняя наработка испытанных лап.

Таким образом, было установлено, что снижение интенсивности изнашивания стрельчатых лап может быть достигнуто путем комбинированной поверхностной обра-

ботки, включающей создание объемноразвитой поверхности и нанесение нанострук-турированных покрытий. Для разработки серийной технологии модифицирования рабочих поверхностей стрельчатых лап и коммерциализации разрабатываемой технологии необходимы проведение дополнительных исследований физики процесса изнашивания изделий при обработке различных типов почв и изучение совместного влияния состава нанопокрытий и микрогеометрии поверхности на эксплуатационные свойства изделий.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Лялякин В. П. Концепция развития ремонта техники на базе восстановления и упрочнения деталей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2001. № 6. С. 2-7.

[2] Шитов А. Н., Веденеев А. А. Влияние различных факторов на изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих машин // Ремонт, восстановление, модернизация. 2002. № 7. С. 21-23.

[3] Сидоров С. А. Технический уровень и ресурс рабочих органов сельхозмашин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1998. № 3. С. 29-33.

[4] Черноиванов В. И. Состояние и проблемы технического сервиса в АПК // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. № 7. С. 2-6.

[5] Лялякин В. П. Указ. соч.

[6] Федоренко В. Ф. Применение нанотехнологий в техническом сервисе машин // Вестн. гос. аг-рар. заоч. ун-та. 2007. № 2 (7). С. 5-8.