Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 100 Дворук В.І.,* Борак К.В.** *Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна, Житомирський агротехнічний коледж, м. Житомир, Україна E-mail: vidvoruk@gmail.com ДОСЛІДЖЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ДИСКОВИХ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ГРУНТООБРОБНИХ МАШИН УДК 621.891:631.313.02 Розглянуто структурні особливості сталі для дискового ґрунтообробного робочого органу фірми Bellota. Проаналізовано триботехнічні характеристики цієї сталі і показано, що в порівнянні зі сталлю, яку застосовують віт- чизняні виробники сільськогосподарської техніки (сталь 65Г) вона володіє в 1,5 рази вищою зносостійкістю на суг- линкових ґрунтах і в 1,35 рази – на піщаних. Ключові слова: ґрунт, дисковий робочий орган, знос, зносостійкість. Вступ Підвищення зносостійкості деталей сільськогосподарських машин, які працюють в умовах абра- зивного зношування – одна з найважливіших задач сучасного сільськогосподарського машинобудування. У аграрному виробництві абразивному впливу найбільше піддаються робочі органи ґрунтообробних ма- шин, які працюють в складному технологічному середовищі – ґрунті. Значний внесок у вивчення питань підвищення зносостійкості робочих органів ґрунтообробних машин зробили: Г.Н. Синеоков, Б.І. Косте- цький, М.М. Хрущов, А.Ш. Рабинович, Л.С. Єрмолов, В.Н. Ткачов, А.М. Михальченков, М.М. Сєвєр- ньов, С.О. Сидоров, Г.П. Каплун, В.В. Аулін та багато інших вчених. До 90% всіх досліджень в напрямку підвищення зносостійкості робочих органів присвячено технологічним та конструктивним методам його забезпечення, в той час, як експлуатаційним методам, зокрема пов’язаним з впливом грунту на зносо- стійкість робочих органів приділено значно менше уваги. Технічні вимоги для дисків вітчизняної техні- ки передбачають їх виготовлення зі сталі 65Г (або її замінника – сталі М76) і сталі 45 з термообробкою на твердість 39…44 HRC. [1] Світовий лідер в галузі виробництва робочих органів дискових грунтообро- бних машин фірма Bellota виготовляє їх з борвмісної сталі 28MnB твердістю 50±2 HRC, що забезпечу- ються автоматичною системою контролю режиму термообробки [2]. На сьогодні недостатньо вивченим залишається питання щодо доцільності застосування робочих органів дискових ґрунтообробних машин вітчизняного та іноземного виробництва у різних типах ґрунтів (піщані, супіщані, суглинкові та глини). Постановка проблеми Метою даної роботи є дослідження фізико-хімічних характеристик сталі для ґрунтообробного робочого органу фірми Bellota на різних типах ґрунтів. Результати дослідження На офіційному сайті фірми Bellota як матеріал для дискових ґрунтообробних робочих органів рекомендовано сталь 28MnB5 [2]. За інформацією виробника даної марки сталі Ovako Sweden AB рег- ламентовано такий її хімічний склад (табл. 1). Таблиця 1 Хімічний склад сталі 28MnB5 (виробник Ovako Sweden AB) [3] Steel Weldability C% Si% Mn% P% S% Cr % Al% B% CEV0,57max Min 0,25 0,15 1,00 - - - - 0,0008 28MnB5 Pcm0,4 max Max 0,32 0,40 1,50 0,035 0,035 0,30 0,020 0,0050 Хімічний склад досліджуваної сталі для ґрунтообробного робочого органу фірми Bellota, що був визначений методом атомно-емісійної спектрометрії представлено в табл. 2. Таблиця 2 Хімічний склад сталі диску Bellota C Si Mn P S Al Cr Ni Mo Cu V Nb В Ті N 0,272 0,234 1,26 0,020 0,0035 0,026 0,22 0,019 0,002 0,019 0,004 < 0,002 0,0023 0,033 0,0068 Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 101 Як видно хімічний склад даної сталі відповідає нормативним вимогам до неї (окрім алюмінію його вміст більше на 0,006% за допустимі межі) Випробування твердості робочих органів дискових ґрунтообробних машин (виробник Bellota) проводили за методом Роквелла відповідно до ISO 6508-1 [4]. Результати випробувань представлено в табл. 3. Таблиця 3 Твердість сталі диску Bellota Твердість HRC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Всередині→ посередині 49,9 49,0 49,5 49,1 49,2 49,0 49,6 49,9 49,6 49,0 49,6 12 13 14 15 216 17 18 19 20 21 Посередині →зовні 49,4 50,0 50,0 49,8 48,8 49,9 49,9 49,9 50,0 49,8 Дослідження структури сталі вказаних робочих органів проводили за схемою представленою на рис. 1 Рис. 1 – Схема проведення досліджень на вирізаному зразку Зразки шліфувались та підвались обробці азотною кислотою (HNO3), результати досліджень представлено на рис. 2. Як відомо, вміст бору до 0,1% різко знижує поверхневий натяг сталі. Це призводить до адсорбції бору на межах і зростаючих зерен, уповільнення лінійної швидкості росту кристалів та відповідного по- дрібнення структури сталі. Зона стовпчастої кристалізації скорочується, структура стає однорідною і дрібнозернистою, поліпшуються пластичні властивості, що ми можемо спостерігати на рис. 2. а) б) в) Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 102 г) д) е) ж) з) к) л) м) н) Рис. 2 – Мікроструктура сталі диску Bellota: а, б – зовні; в – посередині; г – всередині; д, е – зовні (вершина деталі); ж, з – зовні (перехід до нор- мальної товщини); к, л – посередині деталі, м, н – деталь всередині. Випробування на згин сталевих зразків з надрізом проводили за стандартом ISO 148-1:2011-01 [5] на маятниковому копрі PSW-750. Результати досліджень представлено в табл. 3. Таблиця 3 Випробування на згин сталі диска Bellota Розміщення Температура Енергія удару Вимірювання [°С] 1 2 3 MW 3,8x 10,0 CV -KSZO А2 + 20 12 (32 *) 12 (32 *) 13 (34 *) 12 (32 *) CV -KSZO В2 + 20 11 (29*) 10 (26 *) 10 (26 *) 10 (26 *) CV -KSZO А0 0 10 (26 *) 9 (24 *) 9 (24 *) 9 (24 *) CV -KSZO В0 щ0 0 10 (26 *) 10 (26 *) 8 (21 *) 9 (24 *) KSZO – розміщення надрізу перпендикулярно поверхні. А – тангенціальне. В – радіальне. (*) – перера- хунок з дослідного зразка на повнорозмірний зразок. З представлених результатів видно, що енергія удару, яка призводить до згину зразка значно більша за енергію удару яка може виникнути при експлуатації робочих органів дискових ґрунтооброб- них машин [1]. Основною триботехнічною характеристикою матеріалів, які працюють в умовах абразивного зношування є зносостійкість. У зв’язку з цим проведено відповідні експлуатаційні дослідження. Прово- Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 103 дились вони протягом 2015-2017 років у СТОВ “Старокотельнянськеˮ Андрушівського району Жито- мирської області та ТОВ «Райз – Полісся» Овруцького району Житомирської області на універсальних дискових агрегатах УДА-4,5 та тяжких дискових боронах БПД-4,2 за методикою представленою в роботі [1]. Рис. 3 – Темп зношування дискових робочих органів ґрунтообробних машин при роботі на суглинкових ґрунтах Як видно з представлених результатів, напрацювання до граничного стану серійних дискових робочих органів зі сталі 65Г становить 103 га, а робочих органів фірми Bellota - 154 га, тобто зносостій- кість останніх вища в 1,5 рази (середня вартість таких дисків в 1,9-2,1 рази вища порівняно з дисками ви- готовленими зі сталі 65Г). Даний ефект спостерігався в суглинкових ґрунтах. Однак під час досліджень в піщаних грунтах мало місце його зниження до 1,35 раза Такий результат пояснюється підвищеною абра- зивністю піщаних грунтів, завдяки чому провідним механізмом зношування поверхні тертя робочого ор- гану в них було мікрорізання (рис.4), в той час як в суглинкових та глинистих ґрунтах - полідеформацій- не руйнування. Рис. 4 – Поверхня тертя дискового робочого органу, який експлуатується на піщаних та супіщаних ґрунтах Незважаючи на економічну доцільність застосування дисків, виготовлених зі сталі 65Г, спожи- вачі надають перевагу робочим органам зі сталі 28MnB5. Значною мірою це пояснюється можливістю виникнення дефектів та відсутністю самозагострювання (самоорганізації) робочої кромки при експлуа- тації робочих органів зі сталі 65Г (рис. 5). Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 104 Рис. 5 – Вигляд робочої кромки диска виготовленого зі сталі 65Г в процесі експлуатації на ґрунтах з наявністю твердих включень Дефекти (зминання та вищерблювання робочої кромки) виникають в результаті динамічної взає- модії робочої кромки з твердими включеннями, що містяться в ґрунті (каміння) (рис. 5) і призводять до погіршення якості обробітку ґрунту, а також зростання тягового опору машини. Причиною появи вказа- них дефектів в більшості випадків є низька якість термічної обробки при виготовленні робочих органів. На відміну від дисків виготовлених зі сталі 65Г, диски зі сталі 28MnB5 здатні до самозагострю- вання в процесі експлуатації [1]. Висновки 1. Встановлено, що підвищення зносостійкості та забезпечення реалізації ефекту самозагострю- вання дискових робочих органів фірми Bellota отримано за рахунок застосування високоякісної сталі та її відповідної термічної обробки. 2. Перспективним напрямком подальших досліджень є визначення триботехнічних характерис- тик робочих органів ґрунтообробних машин для кожної конкретної ґрунтово-кліматичної зони, що до- зволить підвищити їх зносостійкість з урахуванням умов експлуатації. Література 1. Борак К.В. Підвищення зносостійкості робочих органів дискових ґрунтообробних знарядь ме- тодом електроерозійної обробки: дис. канд. тех. наук: 05.02.04 – тертя та зношування в машинах / Борак Костянтин Вікторович. – Харків, 2013. – 217 с. 2. http://www.bellotaagrisolutions.com/en. 3. http://www.ovako.com/. 4. ISO 6508-1:2016 (en) Metallic materials – Rockwell hardness test – Part 1: Test method 5. ISO 148-1:2011-01 (en) Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 1: Test method Поступила в редакцію 30.09.2017 Дослідження зносостійкості дискових робочих органів грунтообробних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 105 Dvoruk V.I., Borak K.V. Research of wear-resistance working organs of disk tillage machinery The structural features of the material of Bellota'і disk tillage organs are considered. The tribotechnical characteristics of this material are analyzed and it shows that in comparison with the material which is mainly used by domestic manufacturers of disk working bodies (steel 65G), it possesses ,.5 times more wear-resistance. It was established that increasing the wear resistance and achieving the self-closing effect in Bellota's disk work- ing organs was obtained through the use of high-quality steel and complex heat treatment, which allowed to achieve the qualitative tribo-technical characteristics of the wearing surface. Despite the high wear resistance of the disk working organs of tillage -working machines, even such a world leader as Bellota does not take into ac- count the tillage -climatic conditions of operation in the design and production of working organs, therefore it is promising to determine the necessary tribotechnical characteristics of the friction surfaces of the working organs of tillage-working machines for each tillage -climatic zone, that will allow to make working organs with the in- creased wear-resistance, taking into account the conditions of their operation. Keywords: tillage, disk working organs, wear, wear-resistance. References 1. Borak K.V. Pіdvishhennja znosostіjkostі robochih organіv diskovih ґruntoobrobnih znarjad' metodom elektroerozіjnoї obrobki: dis. kand. teh. nauk: 05.02.04 – tertja ta znoshuvannja v mashinah / Borak Kostjantin Vіktorovich. – Harkіv, 2013. – 217 p. 2. http://www.bellotaagrisolutions.com/en. 3. http://www.ovako.com/ 4. ISO 6508-1:2016 (en) Metallic materials – Rockwell hardness test – Part 1: Test method 5. ISO 148-1:2011-01 (en) Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 1: Test method