Підвищення довговічності робочих органів грунтообробних машин

У сучасному сільськогосподарському виробництві України широко використовують грунтообробну техніку як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва. Досвід експлуатації зарубіжної техніки засвідчує її переваги щодо надійності порівняно з вітчизняною, зокрема стосовно довговічності робочих органів.

М. Василенко, канд. техн. наук,
ННЦ «Інститут механізації та
електрифікації сільського господарства»

Робочі органи грунтообробних машин працюють у важких умовах навантаження та абразивної дії грунту. Рівень зношення робочих органів грунтообробних машин залежить від обсягів фізичних фракцій грунту, розміру часток понад 0,01 мм. Найшвидше зношуються робочі органи, які працюють на піщано-щебеневих грунтах (5–10 га на леміш), а найнижча інтенсивність зношування спостерігається на чорноземних та глинистих (25–30 га на леміш).
Крім того, залежно від типів грунту, різниться і характер зношування робочих органів. У робочих органах, що працюють на глинистих і чорноземних грунтах, швидко затуплюється та зношується робоча кромка леза, тоді як на піщаних вона залишається більш загостреною, а зношення лемеша відбувається за його товщиною.
На характер зношення істотно впливає і такий чинник, як тиск грунту на робочий орган у певних його зонах. Завдяки тому, що питоме навантаження на лезо лемеша збільшується в напрямку до носка, інтенсивність зношення носка в декілька разів вища, ніж леза лемеша як за шириною (під час роботи на чорноземах і глинистих грунтах), так і за товщиною (на піщаних грунтах).
Подібні характер та інтенсивність зношення під час роботи на різних типах грунту мають і лемеші передплужників, а змінні носки (вістря) лемешів, які конструктивно виготовлені як складові лемеша, зношуються аналогічно носковій частині звичайного долотоподібного лемеша.

Місця інтенсивного зношування
Встановлено, що найбільші навантаження бере на себе вістря, тому часто зношування досягає таких величин, за яких відновлення цих деталей уже недоцільне. Вістря зношується за товщиною до значень 10–12 мм, а в окремих місцях і більше, а також за довжиною — до значень, коли вістря не виступає над лемешем і не захищає його від зношування.
   Лемеші плугів виробництва Lemken та Kverneland зношуються за подібними епюрами, а саме: передня частина, захищена вістрям, зношується найменшою мірою або майже не зношується (у Kverneland — леміш із накладним вістрям), середня частина має рівномірне зношування, і в задній частині лемеша спостерігається збільшене зношування. За ширини лемеша (Lemken) 147 мм ця величина, залежно від величини наробітку, досягає 45–50 мм. При цьому товщина з 11 мм зменшується на 2–3 мм, а в хвостовій частині зношування досягає 6–7 мм. Маса деталі з 5 кг зменшується до 2,5–2,8 кг.
Аналогічна картина — на лемешах фірми Kverneland. За номінальної ширини лемеша 150 мм величина зношування досягає 50 мм. При цьому залишкова товщина в хвостовій частині становить від 3,9 до 4,2 мм, а в середній частині лемеша — від 9,4 до 9,8 мм.
Такі показники дають підстави зробити висновок, що лемеші можуть бути придатними до відновлення методом ремонтних вставок.
Лемеші передплужників зношуються найбільшою мірою за товщиною (до значень 4–6 мм), що призводить до недоцільності їхнього відновлення. Найменше зношуються польові дошки. Величини зношувань за шириною становлять, як правило, до 15 мм, що дає змогу відновлювати їх згаданим способом. Установлено, що на лемешах, які працюють в умовах важких грунтів, доцільно зміцнювати лезо за всією його довжиною на ширину 25–30 мм, а також долото — за всією його шириною на довжині 45–50 мм.
На лемешах, які працюють в умовах грунтів із підвищеним вмістом піску, зміцнювати слід носкову частину. Зоною зміцнення є площина між лобовою лінією та паралельною їй умовно проведеною лінією на відстані 100–110 мм. На лемешах, що конструктивно виконані зі змінним носком (долотом), раціонально зміцнювати лезо вздовж: від змінного чи накладного долота до заднього обрізу лемеша на ширину до 50 мм. Зона зміцнення змінних носків лемешів, за даними аналізу величин зношення, має розташовуватись, починаючи від різальної кромки, і закінчуватись за 20–25 мм до отвору для кріплення, покриваючи всю ширину носка.
У польових дошках найбільше зношується та її частина, яка в процесі роботи рухається дном борозни і контактує з її стінкою. При цьому інтенсивність зношення в передній частині майже вдвічі менша, ніж у задній. Отже, для збільшення ресурсу польові дошки потрібно зміцнювати на ширину 35 мм, починаючи від нижнього обрізу в передній частині, і на ширину до 60 мм — у задній.
Полиці плугів зношуються, в основному, в двох зонах. Перша — це так звана грудинка, яка бере на себе великий тиск, відділяючи грунт від стінки борозни та змінюючи напрям руху грунту, а друга — це зона, де зазвичай відбувається його перевертання. Результати, отримані під час визначення зон, характеру та величин зношень робочих органів, використані для обгрунтування раціональних способів локального зміцнення конкретних деталей з урахуванням їхніх геометричних форм та розмірів і можливості механізації процесу зміцнення.
Епюри зношення робочих органів грунтообробних машин підтверджують робочу гіпотезу, згідно з якою зміцнення доцільно проводити першочергово в місцях найімовірнішого зношення (з урахуванням умов роботи та характеристики грунтів). Локальне зміцнення дає змогу з мінімальними витратами порівняно дорогих зміцнювальних матеріалів збільшити ресурс нової чи відновленої деталі в декілька разів.
   Провідні зарубіжні фірми досягають підвищення надійності робочих органів грунтообробної техніки, таких як лемеші плугів та передплужників, польові дошки, грудинки полиць та інші, за рахунок застосування спеціальних матеріалів (леговані сталі), конструктивних особливостей робочих органів (збільшені габаритні розміри, порівняно з вітчизняними, використання змінних частин робочих органів, які найбільше піддаються зношенню) та завдяки зміцненню (як шляхом термічної обробки, так і нанесенням зносостійких матеріалів). Вартість цих деталей доволі висока, що спричинює здорожчання собівартості виготовлення сільськогосподарської продукції. Тому існує потреба в забезпеченні сільгоспвиробника відносно недорогими запасними частинами до грунтообробної техніки з підвищеною зносостійкістю. Вирішити це питання можна шляхом створення конкурентоспроможних технологій зміцнення деталей сільськогосподарської техніки за їхнього відновлення та за рахунок виготовлення цих деталей із збільшеним удвічі-втричі ресурсом.
Нині під час відновлення зношених робочих органів грунтообробних машин з успіхом застовують для нанесення зміцнювальних покриттів такі способи, як електроерозійний (для одночасного загострення та зміцнення), електродугове наплавлення, газополуменеве напилення з подальшим оплавленням нанесеного шару тощо. Розроблені нові технології виготовлення та відновлення робочих органів грунтообробної техніки з використанням вуглецевих сталей (вміст вуглецю — до 0,7%) та із застосуванням для їхнього зміцнення електроерозійної обробки та порошкових матеріалів. Це доволі перспективні способи зміцнення робочих поверхонь і добре зарекомендували себе у виробничих умовах.
Наразі розроблено низку інших матеріалів, призначених для зміцнення деталей, що працюють в абразивному середовищі. Зокрема, дослідний завод зварювальних матеріалів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона випускає електроди марок Т-590 та Т-620. Такі матеріали доцільно наносити на поверхні робочих органів локально, в місцях найінтенсивнішого зношення з метою зменшення їхніх витрат. За такого способу зміцнення в розрахунку на одну деталь витрачають приблизно 0,1 кг зміцнювального матеріалу, що, за нашими даними, коштує близько 5 грн, а зносостійкість, за прогнозами, збільшиться в 2–2,5 раза порівняно зі зносостійкістю серійного робочого органу.

Способи зміцнення
З-поміж способів, які найчастіше використовують для зміцнення робочих поверхонь деталей, — звичайне гартування середньовуглецевих, високовуглецевих та легованих сталей. Завдяки цьому можна отримати твердість металу в межах 46 HRC — для сталі 45 і до 64 HRC — для сталі 65Г та легованих сталей. Для піщаних грунтів такий метод успішно використовують і нині. Але зносостійкість таких робочих органів нижча, порівняно з іншими, зміцненими, спеціальними матеріалами. Крім того, на важких грунтах не відбувається самозагострення, що призводить до збільшення тягового зусилля і, відповідно, — до перевитрат пального.  Дослідження електроерозійного способу одночасного загострення та зміцнення підтвердили перспективність його для операції зміцнення лезової частини лемешів, лемешів передплужників, долот. Цей спосіб дає змогу на високовуглецевих сталях без витрат спеціальних зміцнювальних матеріалів отримувати твердий шар на рівні 60–62 HRC завтовшки від 1 до 4 мм. Такий робочий орган має достатньо високі показники ресурсу і відповідає прийнятим вимогам до самозагострення.
Недоліком цього методу є те, що він, в основному, придатний до використання для робочих органів, що виконують функцію різання грунту, а також те, що його можна застосовувати тільки для обробки лезової частини. Для локального зміцнення поверхні деталі в місцях імовірного зношення доцільно використовувати інші методи, а саме: електродугове наплавлення штучними електродами чи порошковими дротами, наплавлення порошковими матеріалами на установках СВЧ, плазмове та газополуменеве наплавлення порошками, прутками тощо.
   Електродугове наплавлення як штучними електродами, так і дротами може бути і суцільним (за всією поверхнею), і точковим. Дослідженнями встановлено, що точкове наплавлення краще зарекомендувало себе для нанесення на робочий бік різального органу. Незначно збільшуючи опір, наплавлені точки достатньою мірою захищають від зношення шари основного металу.
   Плазмове та газополуменеве наплавлення порошкових матеріалів та прутків на робочі органи плугів не знайшло широкого впровадження через складність обладнання (для плазмового нанесення), низьку продуктивність процесу газополуменевого наплавлення, що пов’язано з тривалим часом нагрівання деталі.
Таким чином, можна зробити висновок, що для локального зміцнення робочих органів плугів та дискових борін вітчизняного виробництва та зарубіжних фірм найдоцільнішим є спосіб електроерозійного загострення та зміцнення лезової частини лемешів, доліт та лемешів передплужників із робочого боку, що забезпечить їхнє самозагострення в процесі роботи. Для польових дощок та полиць раціональний спосіб зміцнення — точкове електродугове наплавлення порошковими дротами чи штучними електродами. Крім того, для підвищення зносостійкості та збільшення ресурсу лезових робочих органів на робочу поверхню цих деталей також доцільно нанести зміцнювальні матеріали, згідно з епюрою зношень, точковим електродуговим наплавленням.
Зміцнювальні матеріали
Типи і марки матеріалів, що застосовують для зміцнення деталей грунтообробних машин, мають бути адаптовані до обраних способів нанесення на поверхню деталі, а нанесений шар за своїми властивостями, виходячи з умов роботи робочих органів, — стійким до абразивного зношення.
Для електродугового наплавлення можна використовувати такі матеріали, як: зварювально-наплавлювальні порошкові дроти, стрічки; сталеві зварювально-наплавлювальні дроти; штучні електроди для ручного наплавлення.
Для ручного дугового наплавлення зміцнювальних покриттів широко застосовують електроди, до складу яких входять газо- та шлакоутворювальні компоненти і легуючі елементи. Для наплавлення деталей, які працюють в умовах абразивного зношення, застосовують електроди типу ЕН-95Х7Г5С марки 12АН-ЛИВТ та типу ЕН-30Х5В2Г2СМ марки ТК3-Н.
Для наплавлення деталей, які працюють в умовах інтенсивного абразивного зношення з ударними навантаженнями, рекомендують застосовувати електроди таких типів: ЕН-300Х28НЧСЧ марки ЦС1, ЕН-225Х10Г10С марки ЦН11, ЕН-110Х14В12Ф2 марки ВСН6 та ЕН-175Б8Х6СТ марки ЦН16.
Для наплавлення деталей з метою зміцнення їхньої поверхні відкритою дугою широкого застосування набули порошкові дроти, а саме: ПП-АН124, ПП-АН125, ПП-АН170, ПП-АН-122, ПП-АН-128, — а також дроти суцільного перерізу: НП-40Х2Г2М, НП-50ХФА.
   Відмінність у технології зміцнення з використанням дугових методів: наплавлення електродами чи дротами та електроерозійним способом — полягає в тому, що згадані вище матеріали за їхнього наплавлення на сталеві поверхні забезпечують зумовлену твердість незалежно від термічного циклу, який має місце при наплавленні. За електроерозійного способу обробки високу твердість можна отримати при жорстких умовах охолодження обробленого сталевого шару дуговим методом. Це зумовлено тим, що процес відбувається в рідинному середовищі (у воді), завдяки чому отримуємо найсприятливіші умови для утворення на сталі 65Г загартованих структур із твердістю 58-63 HRC.
У ННЦ «ІМЕСГ» створено установку для електроерозійної обробки лезових робочих органів грунтообробних машин з метою їхнього одночасного загострення та зміцнення, загальний вигляд якої показано на фото 1.
За обробки робочих органів на цій установці відмічають, що твердість певною мірою залежить від температури рідинного середовища і не залежить від таких режимних показників, як струм (у межах 200–500 А) та напруга (в межах 35–55 В). Температуру рідинного середовища доцільно підтримувати в межах 10…60°С, що забезпечить показники твердості в межах 58–63 HRC.
Така твердість поверхневого шару на робочих органах грунтообробних машин забезпечуватиме високі ресурсні показники та зумовлюватиме процес самозагострення робочих органів під час виконання функціонального призначення, що позитивно відобразиться на якісному підрізанні кореневищ бур’янів та на зменшенні тягового опору й економії пального.

Випробування
За даними проведених досліджень розроблено технологічну та конструкторську документацію для проведення операцій із зміцнення робочих органів, що знайшло впровадження в низці підприємств України. Вигляд лемеша плуга та носка, зміцнених за запропонованою комбінованою технологією, наведено на фото 2 і 3. Відновлені та зміцнені за розробленими технологіями робочі органи грунтообробних машин пройшли лабораторно-польові випробування. Для випробувань було виготовлено комплект носків та лемешів до плуга Jupiter (по вісім одиниць кожної з деталей). Результати випробувань показали, що середній наробіток на робочий орган плугів становить від 180 до 210 га.
Виготовлені за розробленими технологіями робочі органи плуга Lemken пройшли випробування в умовах ПСП «Світанок» Васильківського р-ну Київської обл. Загальний вигляд виготовленого лемеша плуга Lemken показано на фото 4.
   Випробування підтвердили робочу спроможність зміцнених органів грунтообробної техніки та їхню відповідність функціональному призначенню.
З позитивного боку зарекомендував себе метод локального зміцнення лемешів плугів французької фірми GREGOIRE-BESSON. Виготовлені в ННЦ «ІМЕСГ» лемеші із низьковуглецевої сталі та із вставним привареним лезом із сталі 65Г, як це показано на фото 5, були локально зміцнені по лезу електроерозійним методом із нанесенням наплавлених точок у хвостовій частині з робочого боку електродом Т-590. Випробування таких лемешів в умовах ВАТ «Кашперівський бурякорадгосп» Тетіївського р-ну на Київщині показали наробіток у середньому 210 га на один леміш, що відповідає ресурсу нової імпортної деталі.
Це дає підстави стверджувати, що ресурс зміцнених за технологією ННЦ «ІМЕСГ» робочих органів зарубіжних грунтообробних машин за значенням не нижчий за ресурс нових деталей або ж у декілька разів (учетверо-вшестеро) перевищує відповідне значення щодо лемешів вітчизняного виробництва.
Розроблення технологічних процесів відновлення робочих органів проводили, першою чергою, для таких деталей, як леміш, долото, польова дошка, грудинка полиці, полиця. За основу було взято метод ремонтних вставок, за якого зношену частину відрізували, а на її місце приварювали спеціальну вставку зі сталі 65Г із вмістом вуглецю 0,6–0,7% та марганцю — близько 1%. Саме цю марку сталі було обрано з таких міркувань: за жорсткого гартування вона дає твердість 59-62 HRC, що забезпечить стійкість проти зношення робочих органів в абразивному середовищі. Після цього деталь загострювали електроерозійним способом та зміцнювали спеціальними матеріалами, наприклад, електродами Т-590 або порошковим дротом ПП-НП80Х20 електродуговим наплавленням точок.
   За даними експлуатаційників, вартість зміцненого наплавленням лемеша плугів фірми Lemken становить 350 грн, вістря — 159 грн. Розрахункова вартість виготовлення цих робочих органів за запропонованою технологією становитиме, відповідно, 170 та 80 грн, що вдвічі дешевше за вартість нових деталей.
Термін окупності капітальних витрат за програмою відновлення 200 комплектів робочих органів (леміш, леміш передплужника, польова дошка, долото) до плугів Lemken, Kverneland, Rabewerk тощо становить один рік.
Економічний ефект від впровадження технології та обладнання за таких програм — близько 100 тис. грн/рік. Тож вирішення питання оновлення робочих органів грунтообробної техніки шляхом їхнього зміцнення — економічно вигідне, технологія ефективна. Отже, наступний крок — ваш!