Установка для сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью
INSTALLATION FOR COMPARATIVE RESOURCE TESTS FOR ABRASIVE WEAR OF WORKING MEMBERS OF TILLERS WITH DIFFERENT WEAR RESISTANCE

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в различных областях техники, таких как в машиностроение, сельскохозяйственные машины и др., для сравнительных испытаний изделий с различной износостойкостью.
Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.
Сравнительные испытания – это испытания аналогичных по характеристикам или одинаковых объектов, проводимые в идентичных условиях для сравнения характеристик их свойств. Специфика этого рода испытаний – изучение поведения (реакции) объектов, которые испытываются в одинаковых условиях, с целью сопоставления их аналогичных специфических характеристик.
Ресурс (технический) – это наработка объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния.
Наработка изделия (объекта) – это продолжительность функционирования изделия либо объем работы, выполненный им за некоторый промежуток времени.
Предельное состояние технического изделия – это состояние изделия, которое характеризует его выход из области работоспособного состояния. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, деталям и элементам. Требования к изделию с точки зрения точности функционирования, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и другие оговариваются, как правило, в его нормативно-технических документациях через предельно допустимые значения основных параметров. При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация изделия должна быть прекращена.
Абразивный износ – это повреждение поверхности мелкими частицами абразивных материалов. Износ – это изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) его поверхностного слоя при трении.
Абразив – это мелкие, твердые и острые частицы материала, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных изделий.
Рабочие органы объекта — это узлы и детали машин, непосредственно воздействующие на среду в процессе ее обработки. Например, для  почвообрабатывающей техники рабочими органами являются лапы культиватора,  лемех плуга, диск сошника сеялок, зубья и диски борон.
Износостойкость – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Изнашивание – это процессы разрушения, отделения частиц материала с поверхности твердого тела и накопления остаточной деформации при трении. Изнашивание проявляется в постепенном изменении размеров и формы тела, а также в изменении взаимного расположения поверхностей детали.
Интенсивность изнашивания – это отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.
Борона – это сельскохозяйственный агрегат, предназначенный для поверхностного или глубокого рыхления почвы с последующим устранением сорняков.
При исследовании уровня техники заявителем выявлены аналоги заявленного технического решения.
Известно изобретение по патенту РФ № 2328720 «Машина для испытания на абразивное изнашивание», сущностью является машина для испытания на абразивное изнашивание, содержащая стол с размещенными на нем электродвигателем, редуктором и приводным валом, на котором на траверсе установлены кронштейны с креплением для образцов, барабан с абразивным материалом, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит штангу с тензометрическим датчиком, одним концом жестко закрепленную к столу, а другим соприкасающуюся с барабаном, под днищем барабана с абразивом установлены электромагниты, а в качестве абразива используют ферромагнитные материалы.
В целом машина содержит стол с размещенными на нем электродвигателем, редуктором и приводным валом, на котором на траверсе установлены кронштейны с креплением для образцов, барабан с абразивным материалом, штангу с тензометрическим датчиком, одним концом жестко закрепленную к столу, а другим соприкасающуюся с барабаном. Под днищем барабана с абразивом установлены электромагниты, а в качестве абразива используют ферромагнитные материалы.
Недостатком известной машины является невозможность ее применения для испытания образцов неправильной геометрической формы, таких как отдельные рабочие органы почвообрабатывающих машин.
Известно изобретение по патенту РФ № 2408865 «Установка для испытания на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин», сущностью является установка для испытания на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин, содержащая раму, на которой установлен привод возвратно-поступательного перемещения, держатель образца, абразивный материал, узел нагружения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тензометрический датчик, аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину и набор грузов для испытания, при этом привод возвратно-поступательного перемещения выполнен в виде электродвигателя, соединенного через ременную передачу с возвратно-поступательным механизмом, который с помощью крепления соединен с кареткой горизонтального перемещения, на которой установлен держатель для испытуемого образца, на держателе закреплен тензометрический датчик, сигнал с которого поступает на ЭВМ через усилитель АЦП, при этом держатель имеет винтовой зажим, который выполнен с возможностью изменения угла установки испытуемого образца, а при помощи узла нагружения изменяется нагрузка сверху и снизу на испытуемый образец за счет увеличения или уменьшения грузов, при этом в узел нагружения самотеком из емкости поступает абразивный материал.
Недостатком известной установки является невозможность ее применения для испытания образцов неправильной геометрической формы, таких как отдельные рабочие органы почвообрабатывающих машин. Ее можно использовать только как устройство для исследования износостойкости материала рабочих органов почвообрабатывающих машин. Кроме того, техническим недостатком известной установки является недостаточно широкие функциональные возможности и, в частности, невозможность одновременных сравнительных испытаний ряда разнородных образцов с имитацией рабочей среды.
Наиболее близким по существу к заявленному техническому решению, выбранному заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту РФ № 2649241 «Установка для испытания на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин», сущностью является установка для испытания на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин содержащая раму, на которой установлен привод вала вращения и емкость с абразивным материалом, внутри которой на отдельных башмаках размещены испытываемые рабочие органы, отличающаяся тем, что емкость с абразивным материалом выполнена в форме неподвижного барабана, а рабочие органы присоединены к валу вращения с помощью стоек, на нижней части которых имеется трубчатое завершение, к которому посредством регулировочных болтов присоединен башмак, имеющий охватывающую обойму с горизонтальными и радиальными прорезями с возможностью регулирования разных углов установки рабочих органов в продольно-вертикальной и горизонтальной плоскостях. Кроме того, данная установка отличается  тем, что в верхней части стойки закреплена микроэвм и блок носителя информации, которые совместно с тензодатчиками сопротивления, размещенными на гранях стойки, обеспечивают возможность измерения силовых характеристик нагружения испытываемых рабочих органов.
Недостатками прототипа являются:
1 – отсутствие постоянного воздействия абразивного материала на испытуемый образец. Это приводит к уменьшению производительности технологического процесса в 3 – 4 раза, так как испытуемый образец лишь периодически оказывается под воздействием абразивного материала в процессе вращения вала кронштейна образцов (см. Фиг.2 в патенте прототипа);
2 – отсутствие возможности регулировки давления абразивного материала на испытуемый образец вследствие того, что в процессе работы образец оказывается на разных глубинах абразивного материала (см. Фиг.2 в патенте прототипа);
3 - требуются дополнительные мощности (усилия) установки для преодоления сил трения между стойками (кронштейном) образцов и абразивным материалом;
4 – вертикальное расположение емкости абразивных материалов создает неудобства по обслуживанию установки. Как видно из Фиг.1 в патенте прототипа, емкость абразивных материалов в центре имеет люк для доступа по обслуживанию, как по заполнению или удалению абразивного материала, так и по установке или съему испытуемых образцов, который (люк) в процессе работы необходимо закрыть;
5 – отсутствует возможность передвижения установки в целях производственной необходимости, так как установка является  стационарной.
Задачей и техническим результатом заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно – создание установки для сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью, обладающей:
1 - постоянством воздействия абразивного материала на испытуемый образец за счет заполнения емкости абразивных материалов необходимым количеством по всей плоскости основания;
2 - возможностью регулировки давления слоя абразивного материала на испытуемый образец путем регулировки величины углубления образца в абразивную среду;
3 - более высоким КПД (коэффициентом полезного действия) установки за счет меньшего потребления электроэнергии из-за отсутствия сил трения между кронштейном (коромыслом) образцов и абразивным материалом, а также постоянства воздействия абразивного материала на испытуемый образец;
4 - удобством по обслуживанию установки за счет горизонтального расположения емкости абразивных материалов;
5 - возможностью передвижения установки в целях производственной необходимости за счет ее расположения на тележке.
Сущностью заявленного технического решения является установка для сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью, содержащая раму, на которой установлен привод вала вращения и емкость с абразивным материалом, внутри которой на кронштейне размещены испытываемые рабочие органы, характеризующаяся тем, что емкость с абразивным материалом расположена в горизонтальной плоскости, испытываемые рабочие органы находятся под постоянным воздействием абразивного материала, кронштейн испытуемого образца не находится под воздействием абразивного материала и имеет возможность регулировки требуемого давления слоя абразивного материала на испытуемый образец, установка  имеет возможность передвижения.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.6.
На Фиг. 1 представлена таблица сопоставительного анализа заявленного технического решения с прототипом для облегчения проведения экспертизы по существу.
На Фиг. 2а, 2б и 2в представлены составляющие конструктивного чертежа установки для сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью (главный вид установки, вид установки справа и спецификация деталей установки), где:
1 – рама;
2 – емкость с абразивным материалом;
3 – кронштейн (коромысло);
4 – приводной вал;
5 – колесные опоры;
6 – испытуемые рабочие органы;
7 – мотор-редуктор;
8, 9  – корпусные подшипники.
На Фиг. 3 и Фиг.4 приведены фото устройства по реализации заявленного технического решения на примере сравнительных испытаний зубьев бороны с использованием сверлильного станка. На Фиг. 3 приведено фото устройства без емкости абразивного материала, на Фиг. 4 – устройство в полном комплекте.
На Фиг. 5 приведены фото двух испытуемых зубьев бороны исходного заводского (а) и упрочненного вибродуговой плазмой (б) до сравнительных испытаний.
На Фиг. 6 приведены фото испытуемых зубьев бороны исходного заводского (а) и упрочненного вибродуговой плазмой (б) после сравнительных испытаний.
Далее заявителем приведено описание конструкции заявленной установки, составляющие конструктивного чертежа которой представлены на Фиг. 2а, 2б и 2в. на Фиг. 2.
Установка состоит из рамы 1, на которой установлена емкость 2 с абразивным материалом. Внутри емкости 2 находится приводной вал 4 для вращения кронштейна (коромысла) 3 с размещенными на нем испытуемыми рабочими органами 6. Положение коромысла 3 на приводном валу 4 может регулироваться с помощью крепежных болтов. Приводной вал 4 имеет конструктивную связь с емкостью 2 через корпусные подшипники 8 и 9. Приводной вал 4 получает вращение от мотор-редуктора 7, прикрепленного к емкости 2 со стороны ее днища. Установка имеет колесные опоры 5 для ее передвижения в целях производственной необходимости.
Заявитель поясняет, что в приведенной на Фиг.2 конструкции заявленной установки показан для примера кронштейн (коромысло) 3 для случая двух испытуемых образцов, что не ограничивают патентные притязания заявителя, так как кронштейн (коромысло) 3 может быть изготовлен для любого желаемого количества, ограничиваемого только суммарным размером образцов, что не влияет на совокупность существенных признаков и достигаемый технический результат.
Заявитель поясняет, что приведенные на Фиг.2 габаритные размеры установки приведены в качестве примера и не ограничивают патентные притязания заявителя, так как размеры определяются в зависимости от требований заказчика и зависят от технических задач с применением заявленного технического решения, что не влияет на совокупность существенных признаков и достигаемый технический результат.
Заявленная установка работает следующим образом.
Перед началом работы пользователь производит внешний осмотр, убеждается в рабочем состоянии установки и наличии ее заземления. Далее производят подготовку установки к работе.
Для этого вначале выставляют с помощью крепежных болтов положение кронштейна (коромысла) 3 на приводном валу 4 на требуемую высоту, затем прикрепляют испытуемые рабочие органы 6 с использованием соответствующей оснастки к кронштейну (коромыслу) 3.
Затем в емкость 2 засыпают абразивный материал. Высоту абразивного материала выбирают таким образом, чтобы создать над рабочими органами 6 достаточный слой для требуемого на них давления. Выбор марки абразивного материала не имеет принципиального значения, так как заявленный технический результат достигается не использованием абразивного материала определенной марки, а проведением сравнительных испытаний рабочих органов с различной износостойкостью.  В качестве абразивного материала может быть выбрана песчано-гравийная смесь, кварцевый песок и т.п.
После подготовки установки к работе ее подключают к источнику электропитания, например, в электрическую сеть напряжением 380 В, с частотой 50 Гц. Электрическая часть установки на конструкционном чертеже не приведена, т.к. она выполняется по стандартной схеме и не влияет на заявленный технический результат. Запускают мотор-редуктор 7 и производят обработку испытуемых образцов абразивным материалом. При этом работу установки периодически останавливают  и проверяют состояние испытуемых образцов, фиксируя их диагностические (технические) параметры, например, сравнивают весовые характеристики, используя измерительные приборы. Для рабочих органов почвообрабатывающей техники испытания проводят до доведения менее износостойкого образца до его предельного состояния, т.е. до состояния, не пригодного для дальнейшего использования. Затем сравнивают параметры обоих образцов, например, весовой износ массы,  и делают выводы по ресурсным характеристикам испытуемых изделий. Для практического доказательства целесообразно продолжить испытания для более износостойкого образца также до доведения его до предельного состояния. По сравнению продолжительности обработки обоих образцов можно определить их количественную характеристику по ресурсу работы.
Далее приведен пример реализации заявленного технического решения.
Поскольку изготовление заявленной установки представляло для заявителя определенные технические трудности, приведен пример реализации заявленного технического решения с использованием упрощенного варианта установки, фото приведены на Фиг. 3 и 4.
В качестве испытуемых образцов были выбраны зубья бороны марки БЗТ 1.0 00.005 (М16х2).
Для вращения кронштейна (коромысла) с расположенными на нем образцами был использован привод сверлильного станка. Поскольку привод сверлильного станка имел электродвигатель с оборотами 1500 об/мин, для привода использовали соосный цилиндрический мотор-редуктор MR283 с оборотами на выходном валу 30 об/мин. Передаточное число от привода станка на шпиндель вращения образцов взяли 1:1.
Для емкости с абразивным материалом применили металлический цилиндр диаметром 500 мм. Абразивным материалом служила обычная песчано-гравийная смесь. Зуб бороны в абразивный материал вставляли на всю длину. Оба зуба бороны были заводского изготовления. Один зуб бороны брали исходный, без обработки, другой обработали вибродуговой плазмой со всех сторон. Для обработки использовали сварочный инвертор. Упрочнение производили медно-графитовым стержнем диаметром 8  мм при токе дуги 60 А. Частота вибрации электрода составила 100 Гц. Обработку производили до появления существенного износа исходного заводского зуба бороны без обработки.
На Фиг. 5 приведены фото двух испытуемых зубьев бороны - исходного заводского (а) и упрочненного вибродуговой плазмой (б) до испытаний. На Фиг. 6 приведены фотографии испытуемых зубьев бороны после сравнительных испытаний. Общая продолжительность испытаний образцов по времени составляла 150 часов.
Из сравнения фото (а) и (б) на Фиг. 5 и 6 видно, что исходный зуб (а) имеет существенный износ после испытаний, а упрочненный зуб (б) практически цел.
По весовым измерениям исходный образец имел износ на 30 грамм, а упрочненный - всего на 5 грамм. Это означает, что ресурс работы упрочненных зубьев бороны вибродуговой плазмой выше ресурса работы заводских зубьев борон порядка в 5-6 раз. Для измерений были использованы весы марки Newacalox на 500 г. с точностью 0.01 г.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявителем решены поставленные задачи и достигнут заявленный технический результат, а именно – создана установка для сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью, в которой, по сравнению с прототипом:
1 – обеспечено постоянство воздействия абразивного материала на испытуемый образец за счет заполнения емкости абразивных материалов необходимым количеством по всей плоскости основания;
2 – обеспечена возможностью регулировки давления слоя абразивного материала на испытуемый образец путем регулировки величины углубления образца в абразивную среду;
3 – обеспечен более высокий КПД установки за счет меньшего потребления электроэнергии из-за отсутствия сил трения между кронштейном (коромыслом) образцов и абразивным материалом, а также постоянства воздействия абразивного материала на испытуемый образец;
4 – обеспечено удобство по обслуживанию установки за счет горизонтального расположения емкости абразивных материалов;
5 – обеспечена возможность передвижения установки в целях производственной необходимости за счет ее расположения на тележке.
Заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «новизна», так как при определении уровня техники не выявлено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения.
Заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.