Лемех плуга ПЛП 01.006-01 (рабочий чертеж)

1.2 Анализ конструкций и условий работы лемехов плугов


Лемеха относятся к числу самых сложных изделий
сельскохозяйственного машиностроения. Повышение их конкурентоспособности является важной задачей отечественного сельскохозяйственного машиностроения и ремонтного производства. Решение этой научно-технической проблемы требует комплексного подхода, учитывающего
конструкторские, технологические, материаловедческие, триботехнические, эксплуатационные, экологические и экономические факторы.
Как известно, ежегодно сменяются сотни тысяч этих деталей. Из-за их изнашивания потери сельхозпроизводителей огромны. Особенно велики затраты на сменные детали сельхозпроизводителей Республики Беларусь так, как почвы в наших хозяйствах обладают высокой абразивной изнашивающей способностью из-за этого при равных прочих условиях наши сельхозпроизводители примерно в 3 раза больше расходуют деталей на обработку почвы. Основными причинами такого положения являются также несоответствие конструкций, технологии и материала деталей отечественного производства условиям работы. Например, многие десятилетия для изготовления сменных деталей корпусов плугов использовались стали Л53 и 65Г. При этом не учитывались закономерности
абразивного изнашивания и возросшие скорости пахотных агрегатов. Скорость относительного перемещения деталей рабочих органов плугов при вспашке возросла с 1,0 м/с до 3,5 м/с. Это повлекло увеличение ударных нагрузок и интенсивности абразивного изнашивания. Для обеспечения работоспособного состояния таким деталям требуется значительное увеличение прочности, ударной вязкости  и  твёрдости  материалов. Как показывают исследования для современных условий обработки почвы необходимо обеспечить прочность материала изделия не менее 1500-1800 МПа. Ударная вязкость должна соответствовать значениям в пределе 0,8-1,0 МДж/м2. Для снижения интенсивности абразивного изнашивания необходимо обеспечивать максимально возможную твёрдость поверхности около 60 НRСэ. Такие значения прочности, ударной вязкости и твёрдости при изготовлении деталей из сталей Л53 и 65Г традиционными технологиями (закалка + отпуск) не обеспечиваются [1].





Наряду с этим, при серийном производстве лемехов корпусов плугов отечественными производителями не достаточно используются специальные профили. Например, профиль 122С и 142С для лемехов, полоса
120x18 мм. Недостаточно внимания уделяется сокращению операций механической обработки при изготовлении деталей. Как правило, применяются традиционные операции термической обработки изделий (закалка + отпуск) с использованием масел в качестве охлаждающей среды, что свидетельствует о их экологическом несоответствии современным требованиям к технологии. Такие технологии [1] позволяют достигать твёрдости рабочей поверхности изделий, как правило, в пределах 38-43 HRСэ, что также является недостаточным для эффективного использования деталей, работающих в абразивной среде.
Технология производства лемехов, а также других сменных деталей корпусов плугов, должна базироваться на учёте и комплексном сочетании конструкторских, технологических, материаловедческих, триботехнических, эксплуатационных, агротехнических и экономических факторов, характеризующих работоспособность изделий нового поколения и их конкурентоспособность. Технологии их производства должны быть экологически безопасными.
При применении соответствующих новых материалов и специальных профилей для заготовок, а также использование прогрессивных методов термической обработки, позволяет обеспечивать твёрдость изделий в пределах 60-64 НRСэ и более, ударную вязкость - 0,8-1,25 МДж/м , прочность - 2500-3500 МПа. При этом интенсивность абразивного изнашивания таких деталей рабочих органов почвообрабатывающей техники снизится в 2-А раза. Она составит для долот по их длине не более 50-60 мкм/км, лемехов по их ширине 40-50 мкм/км пути.
Изучились конструкции лемехов производства: Республики Беларусь, России, Украины, Германии, Франции, Норвегии, Канады, Венгрии, США и др. стран. Среди конструкторских факторов анализировались габаритные размеры (длина, ширина, максимальная толщина), удельная масса на единицу площади лицевой поверхности (г/см), исходный продольный профиль режущей части, расположение лезвия режущей кромки по отношению к направлению движения.
Анализ конструкций лемехов проводился с учетом требований к простоте их изготовления функциональной надежности, технологичности, эксплуатационной экономичности и универсальности. Объектами изучения служили лемеха, изготовленные кузнечным и литейным способами,




штампованные из круга полосового или периодического проката с различными технологиями упрочнения[3].
Анализ конструкций лемехов, выпускаемых зарубежными и отечественными фирмами, свидетельствует о том, что зарубежные фирмы освоили выпуск различных типов этих изделий, адаптированных к условиям эксплуатации. Так, например, фирмы Германии выпускают около 40 типов плужных лемехов. Для вспашки лёгких почв производятся недорогие трапециевидные лемеха из полосового проката. В тоже время для обработки тяжёлых почв изготавливаются долотообразные лемеха. Они имеют усиленный носок, либо упрочнённый долотообразный участок твёрдым сплавом. Учитывая условия обработки тяжелых почв, отдельные фирмы (норвежская фирма Квернеланд) твёрдость ПРЭ доводят до значений 60-64 HRCэ при обеспечении высокой прочности изделия. Они являются уникальным примером использования на практике современных достижений научно-технического прогресса. Габаритные размеры лемехов (длина, ширина, максимальная толщина, мм) колеблются в пределах: 340 х 70 х 12,5 мм (Франция), 530 х 142 х 19 мм (Норвегия) и 610 х 100 х 12 мм (Канада). Максимальная ширина 180 мм имеет место для лемехов, изготавливаемых в Германии. Минимальную ширину 100 мм имеют лемеха производства Канады. Максимальная толщина 23 мм имеет место для изделий Германии. Минимальную толщину 10 мм применяют для лемехов, производимых в странах СНГ (Россия, Украина, Беларусь). Максимальную удельную массу на единицу площади имеют лемеха производства Франции (9,03 г/см2). Минимальное значение этого параметра присуще лемехам стран СНГ (6,2 г/см2). Установлено, что для изготовления лемехов в 90-ые годы применялась сталь 40ГР (Германия), сталь ЗОГР (Франция), сталь 30Г2Р (Франция и Норвегия), сталь У9 с повышенным содержанием марганца (Канада), сталь 45 Г2С (Германия и США), сталь 30 Г2 (Венгрия), сталь Л53 (Украина, Россия, Беларусь).
Рабочая часть лемехов, как правило, (кроме изделий Венгрии) подвергалась термообработке. Твердость рабочей части находилась в пределах от 21...23 НRСэ до 49...52 HRСэ. Отдельные фирмы этот показатель доводили до значений 54...59 НRСэ.
В качестве материалов для изготовления лемехов многие зарубежные фирмы применяли мало- и среднеуглеродистые стали, легированные марганцем, кремнием и бором с технологическими добавками титана и алюминия: сталь 40 ГР; сталь 30 ГР; сталь 30 Г2Р; сталь 4 Зарубежные фирмы выпускали




различные типы лемехов с учетом эксплуатации плугов в различных условиях.
К ним относятся: недорогие трапециевидные лемеха, изготовленные из полосового проката, для вспашки легких почв; долотообразные лемеха для вспашки средних почв; плоские долотообразные с усиленным носком, получаемые кузнечным способом для вспашки тяжелых почв; плоские долотообразные с усиленным носком, имеющие с тыльной стороны усиленную щеку и изготавливаемые кузнечным способом, для вспашки тяжелых и каменистых почв; плоские долотообразные лемеха с усиленным носком, имеющим увеличенный вылет носка, для обработки тяжелых задервенелых почв[5].
В последнее время наметились тенденции к выпуску универсальных лемехов к плугам общего назначения. Зарубежные фирмы выпускают универсальный лемех с удлиненным носком, упрочненным твердым сплавом
методом плакирования. Считается, что такие лемеха предпочтительнее по сравнению с универсальными лемехами с накладным долотом и лезвием с переменным углом резания.
Конструктивные особенности плужных лемехов состоят в следующем. Габаритные размеры (длина, ширина, максимальная толщина в мм) колеблется в пределах; 340 • 70 • 12,5 (Франция), 530 • 142 • 19 (Норвегия) и 610 • 100 • 12 (Канада). Максимальную ширину 180мм имеют лемеха производства Германии. Минимальная ширина 100мм присуща лемехам производства Канады, Максимальная толщина лемеха в 23 мм имеет место для изделий Германии, а минимальная - 10мм изделий Украины.
При производстве лемехов учитывались особенности и закономерности их абразивного изнашивания. Оно может изменяться. Абразивное изнашивание
лемехов зависит от множества факторов: непрерывно меняющиеся нагрузки на
поверхности трения, неоднородность абразивной среды, сложность динамики процессов контактирования и перемещения частиц абразива, от свойств агента абразивного изнашивания - кварцевых частиц, микротвердость которых составляет 10... 11 ГПа.
Скорость движения лемеха в почве, как правило, равняется 1.2...3.5м/с. Установлено, что рост скорости движения лемеха от 1.2 до 3.5 м/с приводит к резкому увеличению износа. Особенно интенсивно изнашивается долотообразный носок лемеха. Так, при увеличении скорости в 2.7 раза износ долотообразного носка лемеха возрастает в 3...4 раза.
Интенсивность изнашивания лемехов зависит также от механического




состава почв. Считается, что наиболее высокой абразивной изнашивающей
способностью обладают песчаные и супесчаные почвы, засоренные гравелистыми частицами. Так при вспашке торфяно-болотных (мелиорированных) почв интенсивность изнашивания лемеха составляет 0.01 мм/км, на суглинках - 0.11 мм/км, на супесчаных - 0.14 мм/км, на песчаных - 0.18 мм/км[5].
Абразивная износостойкость сталей является определяющим параметром, по которому оценивают эффективность и работоспособность лемехов. Установлено, что относительная износостойкость перечисленных зарубежных марок лемешных сталей, термообработанных на твердость 48...52 НRСэ, отличается всего лишь на 30%, т.е. имеют место стабильные результаты исследуемого параметра. Относительная износостойкость лемешных образцов (включая сталь Л 53), термообработанных на твердость 41...48 HRСэ. изменяется на 25%. Относительная износостойкость лемешных сталей термообработанных на твердость 47...51 НRСэ выше по сравнению с образцами, закаленными на твердость (до 23 НRСэ) в 1.6...2.1 раза.
Многие отечественные фирмы применяют лемеха (рисунок 1.1) с наплавленными элементами твердыми сплавами. Применяемые твердые
сплавы содержат в качестве карбидообразующих элементов хром и вольфрам. Такие сплавы имеют относительную износостойкость в 2...5 раз выше по сравнению с эталоном.
Для изготовления сменных деталей рабочих органов почвообрабатывающей техники зарубежные фирмы–производители используют, как правило, среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3…0,5%, дополнительно легированные бором в количестве 0,004…0,006%, а также борсодержащие стали, которые позволяют получать после специальной термической обработки мелкозернистую структуру, что обеспечивает изделиям высокую твёрдость, прочность и износостойкость. К закаливаемым борсодержащим сталям относятся стали марок RACOLD TS. Они являются тонколистовыми конструкционными сталями, обладающими прокаливаемостью. В состоянии поставки сталь является хорошо деформируемой. Для закалки может применяться масло или вода. Производятся стали марок: RACOLD B 135 TS; RACOLD B 24 TS (BO2 TS); RACOLD B 27 TS. Сталь RACOLD B 24 TS (BO2 TS) при закалке в масле позволяет достичь временного сопротивления разрыву не менее 1300 МПа, твёрдости 440 HV, а при закалке в воде, соответственно, не менее 1500 МПа, 470 HV [6].


Рисунок 1.1 Долотообразный плоский лемех ПГЦ

Следует отметить, что отставание конструкторских и научно-исследовательских организаций стран СНГ в разработке новых технических решений, напрвленных на повышение надежности ПРЭ. Они не вносят сколько-нибудь заметных изменений, позволяющих повысить абразивную
износостойкость лемехов, достичь самозатачивания лезвия детали. Следует признать как необоснованное техническое решение использование для изготовления лемехов стали 65 Г из-за ее не технологичности (для закалки необходимо применять масло и соблюдать др. аспекты). Известно, что для
сталей с содержанием углерода более 0.6% следует соблюдать условие начала достичь достаточной технологичности (закалка в воде) и высоких




механических свойств (предел прочности на растяжение (изгиб) и ударную вязкость). отпуска изделия после закалки. Это время не должно превышать
0.5... 1.0 ч. При нарушении данного требования в стали может образоваться мелкая сетка трещин, которая в последствии приведет к снижению прочности
изделия. В этой связи полезным является опыт зарубежных фирм, использующих для изготовления лемехов среднеуглеродистые стали типа 30Г2Р, 30ГР.
Анализ конструкционных материалов (таблица 1.1), используемых в последние 15 лет предприятиями Республики Беларусь и другими государствами СНГ, свидетельствует о применении недорогих марок сталей, а также традиционных методов термообработки (закалки и отпуска). Твердость изделий составляет 35,5...48 HRC, прочность не превышает 900... 1200 МПа, ударная вязкость находится в пределах 0,2...0,6 МДж/м.
За рубежом детали рабочих органов преимущественно получают из более прочных борсодержащих (с добавками молибдена, титана) мало и среднеуглеродистых сталей. Аналогами их в СНГ являются стали 30ГР, 40ГР, 30Г2Р и др. Применение таких сталей и специальных способов термической обработки позволило достичь повышенных эксплуатационных свойств. Детали упрочнялись до твердости 48.. .52 HRC, прочность превышала 1200 МПа[10].
В ходе исследований были изучены и проанализированы химический состав и структурное строение лемехов, долот и других почворежущих элементов зарубежного производства, поставляемых нашим сельхозпроизводителям. К числу таких изделий относятся лемеха (Rabe), лемеха-копачи (Holmer), лемеха и долота (Vogel&Noot), долото (Kverneland), долото (Kuhn), зубья культиваторов с активными рабочими органами (Rabe), долота (Gregoire Besson) и др. (см. в рубрике «результаты испытаний»).
Сменные детали (долото, лемех, полевая доска, отвал и др.) рабочих органов почвообрабатывающих машин, изготовленные из стали 60ПП, являются изделиями нового поколения, а технический уровень технологии их получения (производительность, качество, стоимость и экологическая безопасность) превосходят аналогичные показатели традиционных технологий производства изделий и могут рекомендоваться при освоении выпуска аналогичных деталей, осваиваемых по импортозамещению.