Методика расчета рабочих органов почвообрабатывающих машин на прочность

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН НА ПРОЧНОСТЬ

С.А. СИДОРОВ, докторант каф. механизации канд. техн. наук

Прочность основных видов рабочих органов почвообрабатывающих машин (лемехов и отвалов плугов, лап и наральни-ков культиваторов, сферических дисков борон, лущильников, лесных дисковых культиваторов, комбинированных агрегатов) является одной из важнейших характеристик, существенно влияющих на работоспособность рабочего органа и в целом на показатели надежности почвообрабатывающего орудия.

В настоящее время в РФ серийные рабочие органы почвообрабатывающих машин изготавливаются из трех основных марок сталей: 65Г; 45; Л53. В термообработанном состоянии (обычно с твердостью 37...43 ед.ИКС) представленные стали имеют удовлетворительные показатели относительного удлинения (5 = 6,5...7,2 %), но невысокие значения предела прочности (ств = 880-1080 МПа) [1].

По данным многолетних исследований и анализа результатов хозяйственных эксплуатационных испытаний различных видов серийных, изготовленных из представленных сталей, рабочих органов почвообрабатывва-ющих машин только за первый год эксплуатации выходят из строя по причине поломки (либо деформации с последующей поломкой) около 35 % серийных лемехов плугов, 15 % отвалов плугов, 15 % лап культиваторов и 25 % различных видов дисковых рабочих органов.

При использовании почвообрабатывающих орудий на вырубках в лесном хозяйстве либо на каменистых почвах эти показатели еще выше.

Существует гипотеза, выдвигаемая некоторыми специалистами, по которой основной причиной большого количества эксплуатационных поломок рабочих органов почвообрабатывающих машин является низкая усталостная долговечность материалов, из которых изготавливаются детали.

i/хработ ГНУВИМРоссельхозакадемии,

Основным доводом служит распространенный факт, что, как правило, при увеличении наработки (продолжительности эксплуатации) количество отказов по критерию прочности возрастает.

Для оценки величин пределов выносливости основных видов сталей (включая экспериментальные, повышенной прочности), из которых изготавливаются рабочие органы почвообрабатывающих машин, в ОАО ВИС-ХОМ были проведены лабораторные испытания на пластинчатых образцах толщиной 4-8 мм.

Испытательным оборудованием служила электромеханическая кривошипная установка типа ИРС-НАМИ. Испытания характеризовались следующими показателями:

- вид испытаний - многоцикловое;

- режим нагружения - плоский симметричный консольный изгиб;

- частота нагружения - 17 ± 0,5 Гц;

- база испытаний - 7-106 циклов (7 млн циклов);

- периодичность испытаний - непрерывно вплоть до достижения образцом предельного состояния или базы испытаний;

- критерий предельного состояния - полное разрушение образца;

- первичное напряжение

о , = (0,25 - 0,30) •о .

Результаты испытаний показали, что для различных видов сталей их пределы выносливости составляют величину от 310 до 620 МПа.

Для оценки действующих на рабочие органы почвообрабатывающих орудий реальных нагрузок (напряжений) были проведены специальные исследования.

В частности, для определения значений сосредоточенной нагрузки, действующей на носовую часть лемеха плуга и, соответственно, являющейся «причиной» создания из-гибных напряжений в опасном сечении лемеха

74

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

был использован оригинальный экспериментальный метод, основанный на априорных данных о физико-механических свойствах сталей. На полях хозяйств Домодедовского района Московской области в тяжелых почвенных условиях (тяжелый суглинок, твердость почвы - 3,1...3,5 МПа) при скорости пахоты 2,5-2,7 м/с исследовались прочностные свойства трапециевидных лемехов, изготовленных из «мягкой», не термообработанной стали «3» с различной толщиной проката (10,8 и 6 мм).

Величина нагрузки, приложенной к носовой части лемеха, определялась с учетом известных закономерностей курса «сопротивления материалов» [2].

В данном случае за основу была взята система нагружения (эпюра изгибающих моментов) «от сосредоточенной на свободном конце нагрузки». Усилие «F» (рисунок), приложенное к носку лемеха, определялось по соответствующей зависимости

F = Wa / /, Н

где о - действующее напряжение в опасном сечении лемеха, МПа;

/ -изгибное плечо (рисунок), м;

W - момент сопротивления сечения лемеха в опасном сечении, м3;

W = hb / 6, м3

где h - ширина лемеха в опасном сечении, м; b - толщина лемеха.

При проведении опытов обязательным условием, характеризующим значение «F», было наличие деформации (изгиба или начала изгиба), которая имела место при испытаниях лемехов определенной толщины проката и которая должна соответствовать пределу текучести (от) используемой марки стали.

Рисунок. К расчету лемеха плуга на изгибную прочность

Опыты показали, что лемехи, изготовленные из проката толщиной 6 мм (для их крепления к «башмаку» корпуса плуга использовались дополнительные специальные гайки), на длине гона около 300 м, при нормальных условиях эксплуатации, без каменистых и древесных включений, имели устойчивую изгибочную деформацию (в отдельных случаях - поломку) в зоне носка и первого крепежного отверстия. У лемехов толщиной проката 8 мм также имелась деформация носка, но менее выраженная.У деталей, изготовленных из листа «10», деформаций не было.

Значение сосредоточенной нагрузки определялось по формуле (1) с учетом известных данных [1] о том, что предел текучести стали «3» равен о ^280 МПа. Момент сопротивления сечения для лемехов, изготовленных из проката толщиной 8 мм, равнялся примерно W « 1,39Л0_6 м3, а величина изгибочного плеча - / « 0,17-0,18 м.

Таким образом было определено, что значение усилия, действующего на носок лемеха в обычных, хотя и тяжелых условиях эксплуатации, находится в пределах F = 1800-2200 Н. Примерно такое же значение данной нагрузки можно получить, если исходить из достаточно известного факта, что на носок лемеха приходится примерно 25-35 % от величины тягового сопротивления лемешно-отвального корпуса (обычно равное 5500-7500 Н).

Из изложенного можно сделать общий вывод, что сосредоточенная нагрузка, действующая на носок лемеха в усредненных почвенных условиях эксплуатации, находится в пределах F = 1500-2200 Н (меньшее значение соответствует условиям эксплуатации при относительно невысокой твердости почвы). Это означает (согласно зависимости, обратной зависимости 1), что обычные усредненные эксплуатационные напряжения в опасном сечении лемеха, изготовленного из стали толщиной проката 9,5-12,0 мм, находятся в пределах о = 110-170 МПа. Аналогичный примерный расчет для стрельчатой лапы культиватора показывает, что обычное эксплуатационное напряжение в опасном сечении (на уровне первого крепежного отвер-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2008

75

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

стия) лапы культиватора, изготовленной из листа 5-6 мм, еще меньше и составляет величину 35-55 МПа.

Для сферических дисковых рабочих органов был проведен специальный расчет напряжений, действующих в районе «заделки диска» (зоне контакта с распорной втулкой) при усредненных обычных условиях эксплуатации. Основным методом такого расчета дисков на прочность являлся метод конечных элементов, при котором поверхность диска разбивалась на ряд конечных элементов, представляющих собой «подобласть простой формы», из которых составлена «область сложной формы». В качестве базового для расчета был выбран элемент № 44 с неартогональными сторонами. Координаты узловых точек были заданы в сферической системе координат. Расчет велся на ЭВМ, оснащенной графопостроителем, по программе «LIRA». Была принята расчетная схема с частой разбивкой на конечные элементы в центре диска и в местах соприкосновения с распорной втулкой. Моделирование влияния зажимной распорной втулки осуществлялось с помощью поперечных стержней. За линией контакта с распорной втулкой также имела место частая разбивка. Далее использовалась относительно редкая разбивка, т.к. уровень напряжений с удалением от центра диска значительно снижается при постоянной толщине материала сферического диска. Наиболее напряженными являлись элементы, которые расположены вблизи «заделки» со стороны точки приложения нагрузки. Этот факт подтверждается на практике, т.к. у большинства сломанных дисков (более чем в 80 % случаев) трещина образуется именно вблизи заделки.

Моделировались условия эксплуатации (нагрузочный режим) диска лущильника (толщина листа материала диска 4,0 мм) и тяжелой дисковой бороны (толщина материала 6,0 мм). Расчет показал, что величина напряжений, действующих в «заделке» сферического диска, находится в пределах от 85 до 170 МПа. Данный результат в значительной степени был подтвержден при проведении в Поволжском филиале ОАО ВИСХОМ (г. Ки-нель) исследований по определению напряже-

ний, действующих в опасных сечениях дисков лущильников и полевых борон, в хозяйственных (полевых) условиях, осуществлявшихся с помощью тензометрической аппаратуры по специальной методике. Уровень напряжений в районе «шпульки» (распорной втулки) у реальных дисков находился в пределах 110-150 МПа.

Из изложенного видно, что обычные эксплуатационные напряжения в опасных сечениях у основных видов рабочих органов почвообрабатывающих машин не превышают величины 170 МПа (в большинстве случаев меньше).

Отдельно следует рассмотреть вопрос о нагрузках, действующих на рабочие органы почвообрабатывающих орудий, эксплуатирующихся в лесном хозяйстве, на нераскорчеванных вырубках, изреженных насаждениях и пр. Отмечается [3], что рабочее сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий при обработке лесных угодий в 1,5 - 3 раза выше по сравнению с аналогичными показателями машин, обрабатывающих окультуренные почвы сельскохозяйственного назначения. У лесных почвообрабатывающих агрегатов существует большая неравномерность тягового сопротивления в процессе эксплуатации: коэффициент неравномерности (отношение разности максимального и минимального тяговых сопротивлений к их среднему значению) достигает при обработке лесных почв величины 2,5, в то время как в сельском хозяйстве он обычно не превышает значения 1,2.

При обработке почв сельскохозяйственного назначения рабочие органы достаточно часто (особенно на каменистых почвах) подвергаются воздействию повышенных нагрузок (при встрече с камнями, корнями, посторонними предметами и т.п.), максимальные значения которых, вероятно, мало отличаются от аналогичных нагрузок, действующих на детали при обработке лесных почв. Но, очевидно, дело в том, что при обработке лесных почв такие повышенные нагрузки возникают существенно чаще.

При этом важно определить, насколько велико количество таких повышенных нагрузок у рабочих органов лесных почво-

76

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

обрабатывающих орудий за срок их службы и сравнить это количество с числом циклов нагружения, являющимся критерием расчета сталей на выносливость, принятом в машиностроении, т.е. с 6-7 миллионами циклов нагружения.

Элементарный анализ показывает, что при наличии максимального количества (до 1000) пней на 1 га обрабатываемой площади и около 170 (максимум) возможных столкновений с препятствиями на одном гектаре обработки почвы лесным плугом (по данным работы [3]), а также с учетом того, что ресурс почворежущих рабочих органов (даже наиболее качественных и упрочненных) не превышает 70-80 га, можно подсчитать, что рабочие органы лесных почвообрабатывающих машин за весь период эксплуатации испытывают не более 14000 нагружений с увеличенными (до 2...3,5 раз) значениями нагрузки. Даже если увеличить это число в 2-2,5 раза, с учетом возможного наличия густой поросли с соответствующим воздействием относительно меньших по значению, но более частых нагружений, все равно число циклов повышенного нагружения на детали лесных почвообрабатывающих машин не менее чем в 200 раз меньше количества нагрузочных циклов, характеризующих предел выносливости сталей.

Поэтому можно принять, что рабочие органы почвообрабатывающих машин, применяемых в лесном и сельском хозяйствах, имеют сходные условия эксплуатации, а некоторые отличия носят не принципиальный, а статистический характер.

Действующие уровни обычных почвенных напряжений (до 170 МПа) при эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих машин существенно меньше пределов выносливости (310-620 МПа) сталей, из которых они изготавливаются. В опасных сечениях рабочих органов, используемых при обработке лесных почв, могут возникать напряжения близкие или даже несколько превышающие пределы выносливости сталей, но количество таких нагружений явно недостаточно для того, чтобы считать причиной пониженной прочности рабочих органов «усталость материалов».

На этом основании можно сделать важный вывод о том, что поломки и деформации рабочих органов почвообрабатывающих машин происходят не от «усталости материалов». Причиной поломок является относительно редкие «пиковые», по-сущест-ву ударные нагрузки (при встрече с камнем, древесным неперерезаемым препятствием и пр.), величины которых в 5-20 раз превышают значения средних почвенных нагрузок, и напряжения, возникающие в опасных сечениях деталей при таких нагрузках превышают не только предел выносливости, но и предел текучести и прочности используемых сталей. Наиболее важными параметрами, характеризующими прочностные свойства рабочих органов почвообрабатывающих машин, являются предел прочности (ов), предел текучести (от) и относительное удлинение (5) сталей, используемых для их изготовления.

Согласно результатам наших исследований, рабочие органы почвообрабатывающих машин необходимо изготавливать из сталей с пределом прочности не ниже 1100 МПа и относительным удлинением не менее 7 %. Меры, направленные на повышение предела выносливости сталей и, соответственно, изделий (дробеструйная обработка, поперечная прокатка, полировка поверхности и др.), при пониженных значениях базовых прочностных характеристик материалов малоэффективны.

Важнейшим параметром, определяющим прочностные характеристики рабочих органов, является толщина листа материала («Ь»), из которого изготавливаются детали. От верно выбранного значения толщины материала зависят надежность и долговечность рабочего органа, его материалоемкость и работоспособность.

До настоящего времени толщина материала рабочих органов почвообрабатывающих машин определялась не на основании научно обоснованных расчетов на прочность, а выбиралась «по апробированным практикой размерам» [4]. Нами предлагается методика определения толщины материала рабочих органов почвообрабатывающих орудий, основанная на учете действующих на деталь нагрузок и физико-механических свойств сталей, из которых она изготовлена.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008

77