Исследования напряженного состояния плужного лемеха после восстановления

2. Войнаш С.А. Особенности решения проблемы механизации работ при малых формах хозяйствования в лесостепных районах России // Технология колесных и гусеничных машин -Technology of Wheeled and Tracked Machines. -

2013. - №1. - С.18-21.

3. Войнаш А.С., Войнаш С.А., Жарикова Т.А. Транспортно-технологические машины на базе автотрактора для лесостепных районов Алтайского края: Монография / Рубцовский индустриальный институт. - Рубцовск,

2014. - 114 с.

4. Патент № 111071 РФ на полезную модель, МПК B 60 Р 1/00. Погрузочно-транспортное средство / Войнаш А.С., Войнаш С.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU). - № 2011111815/11; заявл. 29.03.11; опубл. 10.12.11. Бюл. № 34. - С.1210-1211.

УДК 593.373:621.791

ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЛУЖНОГО ЛЕМЕХА

ПОСЛЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Михальченков А.М., д.т.н., профессор Козарез И.В., к.т.н., доцент, Тюрева А.А., к.т.н., доцент

ФГБОУ ВПО «Брянский государственный аграрный университет»

Для определения деформаций и влияния температурных воздействий наплавленного металла на деформацию проводились исследования остаточных напряжений плужного лемеха после эксплуатации и подвергнутых различным технологическим воздействиям.

Ключевые слова: ресурс, деформация, лучевидный износ, дефект, плужный лемех, восстановление, наплавка, тензометрия.

To determine the deformations and the influence of temperature effects of weld metal for deformation studies were conducted residual stresses plow Coulter after operation and subjected to various technological influences.

Keywords: resource, deformation, luchevidna-ya wear, defect, plough the ploughshare, reconstruction, surfacing, tenzometric.

Повышение ресурса лемехов, как правило, связано с предварительным их упрочнением, направленным на увеличение стойкости к абразивному изнашиванию [1]. Технологии восстановления, в большинстве случаев, сводятся к пластическому деформированию при температуре выше температуры рекристаллизации, с целью возобновления геометрии носка за счет запаса металла с тыльной стороны; предусматривается также и термообработка [2].

Между тем, данный способ и некоторые другие не позволяют устранить такой распространенный дефект как лучевидный износ. Поэтому был предложен и апробирован в полевых условиях способ, заключающийся в предварительной наплавке слоя малоуглеродистым электродом, затем нанесением слоя высокой твердости (не менее ИЯС 47) [3].

Наплавленный износостойкий слой обладает высокой склонностью к образованию трещин, вследствие наличия структур с высокой хрупкостью из-за значительных остаточных напряжений 2-го рода. Это определенным образом будет

сказываться на надежности восстановленных лемехов в период их эксплуатации. Поэтому проводились исследования остаточных напряжений лемехов после эксплуатации и подвергнутых различным технологическим воздействиям.

При проведении исследований по определению деформаций и напряжений применялась электротензометрия. Выбор метода обусловлен возможностью измерений: в большом количестве точек, в широком диапазоне температур, при различных внешних условиях.

В качестве регистрирующего прибора использовался измеритель деформаций цифровой, марки ИДЦ-1. Точность показаний прибора 1-10"5 единиц относительной деформации. Схема наклейки датчиков - полумостовая. Прибор имеет 10 измерительных каналов.

Для исследований применялись проволочные тензорезисторы на основе папиросной бумаге с активными базами 5 и 10 мм типа ПКБ-5-100 и ПКБ-10-200. Диапазоны измерений этих тензоре-зисторов составляет + 3 тыс. - 10 тыс. еод. Данные типы датчиков имеют константановую решетку.

В качестве клея для наклейки тензодатчиков использовался клей холодного отверждения «Монолит» с циакриновой основой. Хорошая адгезия к металлам и бумажным основам тензо-резисторов, быстрое отверждение (12...24 минуты), малая усадка при высыхании обуславливают рациональность его применения.

Лемех с компенсационным тензорезистором был по своим данным (вес, геометрическая конфигурация, марка и состав материала) идентичен исследуемому. После проверки на стабильность показаний (проверка проводилась в течение двух суток) при комнатной температуре проводилось определение остаточных деформаций.

Температура окружающего воздуха при проведении экспериментов колебалась от +18°С -+20°С. Так же, как и в помещении, проверялись отклонения от нулевых показаний. Причем проверка шла по всем наклеенным датчикам. На одном лемехе располагалось 7 тензорезистора, а общее число наклеенных датчиков в период исследований составило 168 штук. Установлено, что максимальное отклонение достигало ± 3 • 10-1 еод. Допускаемая погрешность ИДЦ-1 составляет ± 20 • 10-1 еод.

А 60

Рисунок 1 - Расположение тензорезисторов на рабочей поверхности лемеха

Оценка остаточных напряжений от сварки производилась методом устранения связи исследуемого объема с окружающим металлом путем вырезания. При этом происходит нарушение равновесного состояния, и изучаемый объем получает возможность свободно деформироваться. Подобные измерения рекомендуется проводить ма-лобазными датчиками или тензорезисторами, наклеенными в разных направлениях. Отрезка участка осуществлялась таким образом, чтобы не происходило нагрева.

Для тензометрирования были отобраны 24 лемеха одной партии по 4 лемеха на каждый вариант технологии, а так же новый лемех и лемех с лучевидным износом (номера технологий соответствуют экспериментальным образцам):

1. Лемех в состоянии поставки.

2. Лемех с лучевидным износом.

3. Лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа малоуглеродистым электродом Э42А-УОНИИ-13/45-3,0-УО ГОСТ 9466-75.

4. Лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа электродом, обеспечивающим высокую твердость поверхности Э-320Х25С2ГР - Т-590-УОНИИ-13/55 -4-УД ГОСТ9466-75.

5. Лемех с двухслойной наплавкой области лучевидного износа: первый слой электродом Э42А-УОНИИ-13/45-3,0-УО ГОСТ 9466-75, наплавка второго слоя - электродом Э-320Х25С2ГР - Т-590-УОНИИ-13/55 -4-УД ГОСТ9466-75.

6. Лемех, восстановленный двухслойной наплавкой, имеющий наработку 34 га.

Носовую часть каждого лемеха отрезали по сечению, параллельно образованию лучевидного износа, выдерживали паузу до момента выравнивания температуры среды - +18 °С .+20 °С. Фиксировали показания прибора ИДЦ-1 Остаточные напряжения определялись по формуле [4]:

^ост. 5 Е

где о0ст - остаточные напряжения, МПа, е -показания прибора, число единиц относительной деформации, Е - модуль упругости материала лемеха или наплавленного слоя, Е = 2,0.2,1 105 МПа.

В результате проведенных измерений на всех лемехах зафиксированы незначительные остаточные напряжения поперечно наклеенных тензорезисторов 11, 12, 14.

Данное обстоятельство указывает на отсутствие или незначительное влияние наплавленного металла и температурных воздействий на деформацию лемеха по его поперечным сечениям. Классическим примером отмеченного выше фактора можно считать продольную деформацию при сваривании балок в поперечном сечении. По-видимому, такие оост не будут оказывать существенного влияния на работоспособность лемеха.

На всех исследуемых лемехах зафиксирован определенный уровень остаточных напряжений. Результаты экспериментальных исследований обработаны в виде графиков (рисунок 2, а-е).

Лемеха в состоянии поставки имеют растягивающие оост, увеличивающиеся к носку, что обусловлено наличием большого объема металла с тыльной стороны - магазина (рисунок 2, а). Однако их максимальное значение невелико и не превышает 20 МПа. Полученные данные примерно соответствуют результатам исследований. Низкие значения оост в не эксплуатирующихся лемехах подтверждают незначительное влияние технологических факторов при производстве -нарушение размерной стабильности. В связи с вышеизложенным, следует считать, что остаточные напряжения у новых лемехов не окажут какого-либо существенного воздействия на работу данных деталей.

В лемехах, имеющих лучевидный износ, остаточные напряжения меняют свой знак и становятся сжимающими. Отрицательный знак

Модуль упругости принимался с определенными допущениями (наплавленный объем металла считали однородным).

Данные эксперимента представлены в таблице.

напряжений свидетельствует на наличие изгиба носовой части лемеха в тыльную сторону вдоль продольной образующей. Наличием изгиба объясняется образованием лучевидного износа, который можно считать концентратором напряжений в виду потери указанной областью сплошности. Как показывает эпюра напряжений (рисунок 2, б), изгиб нижней части носка минимален. По-видимому, наличие магазина увеличивают сопротивляемость изгибающим силам, действующим со стороны почвы. Кроме того, остаточные напряжения хотя и выше, чем у лемехов в состоянии поставки, но все-таки - невелики. Следует считать, что наличие невысоких остаточных напряжений обусловлено потерей значительной части материала лемеха в процессе абразивного изнашивания. Так толщина испытуемых лемехов в области носка уменьшилась на 2 мм.

Наличие лучевидного износа приводит к появлению отрицательных оост и способствует изгибу носка лемеха. Можно предположить, что при значительном истирании носка (лучевидный износ) вероятность и величина изгиба будут увеличиваться.

Заплавка лучевидного износа электродом с малоуглеродистым стержнем обеспечивает наличие сжимающих напряжений, возрастающих к нижней части носка (рисунок 2, в), в отличие от напряжений изношенного лемеха без технологических воздействий. Таким образом, возникающие остаточные напряжения достаточны для равномерно увеличивающегося изгиба носовой части в сторону, обратную рабочей поверхности.

Применение электродов, обеспечивающих высокую твердость (ОЗШ, Т-590,), как в случае

Таблица - Результаты определения остаточных напряжений, оост, Мпа

Наименование варианта изучаемого образца Номера датчиков

1 2 3 4

1. Лемех в состоянии поставки 10 14 16 20

2. Лемех с лучевидным износом -40 -46 -20 -5

3. Лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа малоуглеродистым электродом Э-42А -59 -60 -66 -71

4. Лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа электродом Т-590 -78 -75 -81 -86

5. Лемех с двухслойной наплавкой области лучевидного износа -71 -69 -72 -79

6. Лемех, восстановленный двухслойной наплавкой, имеющий наработку 34 га. -54 -43 -33 -21

однослойной наплавки, так и двухслойной, приводит к росту напряжений по сравнению с вариантом наплавки электродом Э42А (рисунок 2, в, г, д).

Наиболее высокие остаточные напряжения имеют место при наплавке электродным материалом, обеспечивающим высокое значение твердости (рисунок 2, г), следует полагать, что некоторое повышение о0ст вызвано структурными превращениями - наплавка производится на стальную основу с содержанием электрода менее 0,5%.

Особенностью образования остаточных напряжений после двухслойной наплавки лемеха в области образования лучевидного износа (рисунок 2, д), состоящей из нескольких слоев материалов с различными свойствами, является наложение напряжений, возникших непосредственно при наплавке лемеха малоуглеродистым электродом и последующей наплавки Т-590 по слою образованному ранее. Наличие достаточно мягкого подслоя должно обеспечить снижение оост. Остаточные напряжения неодинаковы и зависят от последовательности наплавки различных материалов: малоуглеродистый электрод и электродом, обеспечивающим высокую твердость поверхности. Величина и характер напряжений зависят от химического состава электрода, режима и способа наплавки [4]. При остывании лемеха, в процессе восстановления, возможен распад аустенита и скорость остывания при более низких температурах (менее 600°С), когда металл находится в упругом состоянии. В этом случае структурные превращения приводят к образованию сжимающих остаточных напряжений,

меняющих характер эпюры суммарных напряжений. Высказанное выше предположение о снижении оост подтверждается экспериментальными данными (рисунок 2, д). Поэтому технологические варианты восстановления двухслойной наплавкой являются наиболее предпочтительными.

Снижение уровня остаточных напряжений у лемеха, восстановленного двухслойной наплавкой и имеющего наработку 34 га, связано с удалением некоторой части металла с поверхности при абразивном изнашивании (рисунок 2, е).

Как следует из рисунка 3 (а-г) максимальные остаточные напряжения присущи наплавке по варианту 4 (наплавка только электродом обеспечивающим максимальное значение твердости). При этом все варианты наплавок обеспечивают отрицательные значения оост. Наличие подслоя, полученного малоуглеродистым электродом, обеспечивает некоторое снижение напряжений. Это связано с уменьшением количества углерода в наплавленном подслое.

Проведенные исследования позволяют рекомендовать для восстановления технологию, заключающуюся в предварительном нанесении относительно мягкого подслоя с последующей наплавкой более твердого слоя.

Следует отметить, что вышеизложенная отработка тензометрирования лемеха, дала возможность получить достоверные результаты по деформированию конструктивных элементов от статического нагружения, остаточным деформациям от сварки, рабочим напряжениям.

1_, мм

20 60 100 140 180

20 60 100 140 ММ

а) б)

в)

г)

Д) е)

Рисунок 2 - Эпюры остаточных напряжений по длине носка лемеха L, мм:

а) - лемех в состоянии поставки; б) - лемех с лучевидным износом; в) - лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа малоуглеродистым электродом Э-42А; г) - лемех с наплавленной поверхностью области лучевидного износа электродом Т-590; д) - лемех с двухслойной наплавкой области лучевидного износа, е) - лемех, восстановленный двухслойной наплавкой, имеющий наработку 34 га

ст0СТ,МПа -I

20 -а

-20 --40 --60 --80 -

Датчик №1

Варианты

6

СТоСТ,МПа -

20 0

-20 --40 --60 --80

Датчик №2

2

Варианты

6

1

1

СТост,МПа 10 -10 -30 -50 -70 -90

Датчик №3

.2.

Варианты

6

СТоСТ,МПа 10 -10 --30 --50 -70 -90

Датчик №4

и Ii 1 2

Варианты

6

1

в) г)

Рисунок 3 - Остаточные напряжения по вариантам исследуемых лемехов: а) - по датчику №1, б) - по датчику №2, в) - по датчику №3, г) - по датчику №4

Список использованной литературы

1. Михальченков А.М., Увеличение ресурса лемехов / А. М. Михальченков., Тюрева А.А., Осипенко В.В. // Сельский механизатор. - 2012 -№2 С. 35-36.

2. Рабинович А.Ш. Самозатачивающиеся плужные лемехи и другие почворежущие детали машин / А.Ш. Рабинович. - М.: ГОСНИТИ, 1962. - 106 с.

3. Михальченков А. М. Технологические приемы повышения ресурса лемехов / А. М. Михальченков., И.В. Козарез, С. И. Будко // Сельский механизатор. - 2008 - №2 С. 39-41.

4. Лившиц Л.С. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений / Л.С. Лившиц, А.Н. Хакимов. - М.: Машиностроение, 1989. - 336с.

5. Патент на изобретение №2334384 Михальченков А.М., Тюрева А.А., Козарез И.В. Ми-хальченкова М.А. Способ повышения износостойкости плужных лемехов // Патент России №2334384. 2008.

6. Патент на изобретение №2412793 Белоус Н.М., Михальченков А.М., Кожухова Н.Ю., Козарез И.В. Способ восстановления плужных лемехов // Патент Росси №2412793. 2011.

7. Полезная модель № №2370351 Михальченков А.М. Тюрева А.А., Козарез И.В., Комо-горцев В.Ф. Способ восстановления и упрочнения плужных лемехов устранением лучевидного износа двухслойной наплавкой // Патент России №2370351. 2009.