Определение параметров электроконтактного термомеханического восстановления режущей способности рабочих органов почвообрабатывающих машин

2. Внедрение в производство индустриальных почвообрабатывающих посевных комплексов снижает уровень металлоемкости на гектар посевной площади в 2,12,4 раза, а применение энергосберегающих комплексов — в 5-6 раз в сравнении с серийным почвообрабатывающим посевным комплексом.

3. Внедрение в производство энергосберегающих и индустриальных комплексов будет сопровождаться существенным высвобождением рабочих, поэтому руководителям агропредприятий необходимо готовить такие программы, которые бы позволили их трудоустроить.

Библиографический список

1. Беляев В.И. Тяговые испытания и агротехническая оценка посевных машин

при различных скоростных режимах работы / В.И. Беляев, И.И. Бауэр, Ю.С. Зыга // Вестник АГАУ. — 2008. — № 3.

2. Завора В.А. К вопросу обоснования продолжительности выполнения механизированных работ в растениеводстве / В.А. Завора, В.И. Толокольников // Вестник АГАУ. — 2007. — № 1.

3. Завора В.А. Машинно-технологические станции и их технологическое обеспечение / В.А. Завора / / Вестник ЧГАУ. — 2004. — Т. 42.

4. Завора В.А. Современное состояние и основные пути развития механизации растениеводства АПК / В.А. Завора,

B.И. Толокольников, С.Н. Васильев // Вестник АГАУ. — 2008. — № 3. —

C. 43-50.

+ + +

УДК 631.3.01.004.67

В.П. Шерышев, В.Н. Чижов, А.А. Болтенков, М.В. Селивёрстов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

Ключевые слова: электроконтактная термомеханическая обработка, деталь типа «диск», угловая скорость, режущая кромка, восстановление, теплообмен, температура, математическая модель, численный эксперимент.

Введение

Режущая кромка рабочих органов почвообрабатывающих машин, взаимодействуя с почвой, интенсивно изнашивается,

теряя свои режущие свойства. Обширную группу быстроизнашивающихся рабочих органов сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин представляют собой детали типа «диск». Одним из перспективных способов восстановления их режущей способности является разрабатываемая в Алтайском ГАУ электроконтактная термомеханическая обработка (ЭТМО) [1].

Основными технологическими параметрами ЭТМО являются: напряжение и, сила тока I и давление Р, прикладываемые к формующему электроду, угловая скорость вращения  восстанавливаемой детали типа «диск», определяющая производительность процесса восстановления. Придать заостренную форму режущей кромке можно и на холодной детали, имеющей температуру окружающей среды. Однако при этом придется прикладывать к электроду большую механическую нагрузку Р.

С другой стороны, известно, что металл детали, нагретый до температуры превосходящей температуру пластической деформации при данном давлении, оказывает значительно меньшее сопротивление процессу деформирования. В связи с этим возникает задача определения рационального сочетания величины прикладываемого в зоне деформирования давления Р, силы тока I и напряжения и, обеспечивающих нагрев каждой точки объема металла восстанавливаемой режущей кромки, находящегося под формирующим электродом, до температуры пластической деформации ТдЕФ.

При этом первостепенную роль играет распределение температуры. В пространственно-одномерном случае закон распределения температуры по сечению системы «деталь-теплоотводящая масса» 0(х) определяется по заданным Р и и с помощью численного моделирования, представленного в работе [2].

Следующим этапом решения задачи определения параметров ЭТМО является определение угловой скорости ш. Этому вопросу и посвящена данная работа.

Постановка задачи. Рассмотрим схематическое изображение процесса ЭТМО (рис. 1). Деталь 2 толщиной 12 (сталь 65Г), жестко прикрепленная к вспомогательной теплоотводящей массе 3, выполненной также в виде диска толщиной 13 (сталь 3), с угловой скоростью ш вращается под формующим электродом 1 (твердый сплав Т15К6), к которому приложены напряжение и и давление Р (г1 — радиус цилиндрической части сечения детали; г2 — радиус конической части сечения детали до конечной части затупленной кромки; г3

— радиус теплоотводящей массы; г — средний радиус зоны деформирования; 11

— длина электрода).

Выделим на поверхности обрабатываемой детали окружность радиуса г0 и мысленно пронижем систему «деталь-теплоотводящая масса» в направлении, перпендикулярном к вышеуказанной поверхности (рис. 1 а). Тогда получим составной стержень, состоящий из двух контактирующих стержней — из стали 65Г и Ст-3 (пунктирная область) (рис. 1 б). В первом приближении этот стержень будем считать однородным стержнем длиной I = 12 + 13 с некоторыми усредненными теплофизическими характеристиками.

Считаем, что выделенный условный стержень, двигаясь по окружности (пунктирная линия) через боковую поверхность площади S1 = 2пг1, нагревается до заданной температуры, распределенной по закону 0(х) (рис. 1 а). Теплообмен стержня с окружающей средой осуществляется через его торцы.

Температурное поле рассматриваемого стержня Т(х, ^ (х — координата, t — время) представим уравнением:

д- = а2 ^ + Ф)(в(х) - Т), дt дх

0 < х < I, > 0 ,

температуропроводность,

2 Я где а =-

с  р

м2/с;

Я — среднее значение теплопроводности, Вт/(мК);

с — среднее значение удельной массовой теплоемкости, Дж/(кгК);

р — плотность, кг/м3;

n(t) — коэффициент кондуктивного теплообмена стержня с окружающей массой материала детали (определяется данными предварительных экспериментальных исследований), с-1.

Теплообмен условно выделенного стержня, осуществляемый с его торцов с окружающей средой, регламентируется законом Ньютона, то есть:

-лЯдд-

дх

,= 01

х = 0, t > 0,

-ядП

дх

= = аО) • (Т - Тр),

х = I, t >0,

где а — приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).

х

45$ 0-

Г

А-АО

X

Рис. 1. Схематизация процесса ЭТМО: а — вид сверху; б — поперечное сечение

К моменту начала процесса ЭТМО стержень равномерно нагрет до температуры окружающей среды (Тср):

= Т , О < х < I; * = 0.

Требуется определить время *тах, за которое точка стержня с координатой

х = I,

достигнет температуры пластиче-

ской деформации ТдЕФ Таким образом будет определена и угловая скорость. Метод решения.

Задачи (1)-(4) будем решать методом конечных разностей. Перейдем от непрерывной области измерения аргументов

G = {(хЛ) : О < х < I; О < Г < Хпаа } к сеточной области Gh ={(х1,гк ) : О < i < N ;

О < к < т ; Хк = к  г}, где И — шаг сетки по

переменной х, м; т — шаг сетки по переменной /, с.

После замены в уравнениях (1)-(4) частных производных отношениями конечных разностей для определения сеточной

функции ик , определенной в узлах сеточной области Gh, получаем систему

разностных уравнений:

г к+1 . 7. к ттк+1

- а  ик++11 + Ьк  и к+1 - с  = dk ,

где а = с =

тк ттк

а2 г ,к , 2а2 г к

; Ьк = 1 +  ---к

h2

h

2

+ гп ;

d^ = иГ +гпк  е;

П — значение функции ц на к-том слое по времени;

е — значение функции е в /-том узле сетки.

С помощью метода прогонки [3] получаем расчетные формулы. Прямая прогонка:

а

а =

Ь - С аг-1

; в =

d\ + с^ в-1

ь - с а

I = 1, N -1. Обратная прогонка:

^^ =аг Uk:t +в ; 1 = N -1, О , (7) где а^ и — прогоночные коэффициенты.

Начальные значения прогоночных коэффициентов определяются по формулам:

1 Ск  Т

—  в =-_

,к ; Го

аО =

1 + дК 1 + д"

к ак  h

$ =

Л

Начальное значение для выполнения обратных прогонок вычисляется по формуле:

Uk+1 =

и N

Тср + рм-1

1 + $к - аN-1

Численный эксперимент. По приведенной выше математической модели для определения параметров электроконтактного термомеханического деформирования в системе «деталь-теплоотводящая масса» был проведен численный экспери-

б

а

мент. Целью этого эксперимента являлось определение времени достижения точкой x = l2 температуры начала пластического деформирования при заданном давлении Р.

В среде MATHCAD с использованием полученной математической модели и метода прогонки была составлена программа.

Исходными данными для проведения численного эксперимента являлись среднее значение теплопроводности Х = 35,96 Вт/(мК), среднее значение удельной массовой теплоемкости с = 1390 Дж/(кгК), плотность р = 7800 кг/м3. В качестве начальной температуры процесса принята температура окружающей среды Т = 200С.

' ср

В начальной стадии проведения численного эксперимента были определены коэффициенты а, bk, с и dk для каждого

слоя сетки по времени.

Далее производились вычисления начальных значений прогоночных коэффициентов a0, ß0 и дк, а также выполнялись прямые и обратные прогонки для каждого временного слоя.

Результаты и их обсуждение

В результате эксперимента прослежено распределение температур по толщине системы «деталь-теплоотводящая масса» во времени (рис. 2).

Как было отмечено ранее, детали, нагретые до температуры пластической деформации, оказывают значительно мень-

Т, 0С

1500 1350 1200 1050 900 750 600 450 300 150 0

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3

Рис. 2. Зависимость температуры от времени в фиксированных системы «деталь-теплоотводящая масса»

шее сопротивление пластическому деформированию. Следовательно, на рисунке 2 необходимо выбрать такой диапазон температур, который позволит не только уменьшить сопротивление пластическому деформированию и тем самым быстро восстановить геометрические параметры режущей кромки диска, но и обеспечит сохранение, а возможно, и увеличение других качественных характеристик режущей кромки.

Данные рисунка 2 свидетельствуют о том, что повышение температуры металла при нагреве может оказывать существенное влияние как на сопротивление деформированию, так и на его служебные механические характеристики. О ходе изменения прочности и пластичности в зависимости от увеличения температуры нагрева можно судить по зависимостям, приведенным на рисунке 3 [4], которые наглядно демонстрируют, что нагрев углеродистой стали до 1000С несколько увеличивает пластичность и уменьшает сопротивление деформированию. Дальнейшее увеличение температуры до 3000С значительно уменьшает пластичность и увеличивает прочность (зона синеломкости). Это может быть объяснено выпадением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения. Дальнейшее увеличение температуры приводит к постепенному, но значительному снижению прочности металла. При температурах порядка 1000°С предел прочности (св) уменьшается более чем в 10 раз.

2,3 мм 6,9 мм

11,5 мм

16,1 мм 20,7 мм

t, с

Рис. 3. График изменения показателей прочности (ав) и степени деформации (е) [4]

Для показателя степени деформации (е) характерна более низкая область температур, при которых возможна хотя бы неполная горячая деформация.

При температуре 830-9000С получили резкое снижение пластичности, происходящее, по их мнению, в результате значительного роста зерна.

Следовательно, искомый диапазон температур будет составлять от 700 до 8200С так как деформирование при данных температурах не встретит значительного сопротивления и позволит получить качественные прочностные характеристики восстановленной режущей кромки.

Возвращаясь к данным, полученным путем численного эксперимента, можно

сказать, что данный диапазон температур в точке х = l2 будет достигнут через 1,5-1,9 с (рис. 2).

Вывод

Таким образом, разработанная в статье математическая модель позволяет определить время, необходимое для подготовки материала детали к пластическому деформированию, а, соответственно, зная геометрические параметры конкретного рабочего органа можно определить угловую скорость восстановления при прочих заданных параметрах процесса для его режущей кромки.

Библиографический список

1. Чижов В.Н. Восстановление дисков сошников сеялок с использованием метода электроконтактного нагрева /

B.Н. Чижов, А.В. Бодякин, М.В. Селивёр-стов // Продукция предприятий Алтайского края для АПК России: сб. — Барнаул, 2003. — С. 67-68.

2. Чижов В.Н. Математическое моделирование тепловых процессов в системе «электрод — деталь — теплоотводящая масса» при ремонте деталей / В.Н. Чижов, А.А. Болтенков, Ф.С. Телгожаева // Вестник АГАУ. — 2009. — № 12 (62). —

C. 80-84.

3. Самарский А.А. Теория разностных схем / А.А. Самарский. — М.: Наука, 1983. — 592 с.

4. Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. — М.: Машиностроение, 1977. — 423 с.

+ + +

УДК 539.211

А.С. Баранов, А.С. Павлюк

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Ключевые слова: поверхность тела, координаты центра метки, анализ измерений, моделирование поверхности, форма тела.

Введение

Точное описание поверхности кузовных деталей мобильной машины, а также ра-

бочей поверхности рабочих органов сельскохозяйственных машин необходимо при их конструировании и изготовлении, но вызывает определенную сложность. Вследствие этого предпринимались попытки упростить процесс определения формы рабочей поверхности с помощью ряда способов.