11.2. Агротехнологическая и энергетическая зависимость орудий от абразивного изнашивания почворежущих лезвий

При работе почворежущих лезвий (плужных лемехов) на их тыльной части образуются фаски износа 3 с затылочными углами δ и элементами криволинейной поверхности, которые принято называть затылками (рис. 11.5).

П

Рис. 11.5

ри выяснении причин образования таких затылков исследователи допускали возможность перемещения указанных лезвий по идеальной горизонтальной прямой без учета неровностей полей, нагружение их отождествляли с нагружением обычных резцов без учета связи с агротехнологическим процессом и энергетическим нагружением. К тому же в большинстве работ исследования велись в лабораторных условиях, при которых использовались почвенные смеси с нарушенной структурой и агротехнологическими параметрами, принципиально отличающимися от параметров почв с естественной структурой и сложением. Поэтому возникла необходимость выяснить агротехнологическую и энергетическую связь орудий с абразивным изнашиванием их почворежущих лезвий в естественно изменяющихся полевых условиях. Дело в том, что фактически почворежущие лезвия перемещаются не по идеальным прямым 3, а по сложным траекториям 2, которые обусловлены колебаниями орудия по глубине и поступательным его движением (рис. 11.5). Из рисунка видно, что перемещение лезвия вверх и вниз по криволинейной траектории сопровождается изменением направлений результирующих скоростей V_р. При движении лезвия вверх его тыльная часть испытывает наименьшее давление со стороны почвы, а при движении вниз – наибольшее. В этом случае давление оказывается соизмеримым с разрушающими почву напряжениями (пределом твердости почвы на сжатие). В результате интенсивность изнашивания нижней части лезвия оказывается всегда больше интенсивности изнашивания верхней, что и является одной из главных причин образования затылков. Перемещением лезвий по сложным траекториям объясняется также и образование затылочных углов с элементами криволинейной (выпуклой) поверхности затылка. Проследить эти явления можно при выглублениях и заглублениях орудия (плуга) в конце гонов (рис. 11.6). На правой части рисунка показан процесс принудительного выглубления, а на левой – естественного заглубления орудия. Эти процессы тождественны процессам перемещения лезвий в почве при работе орудия (плуга) и отражают характерные конечные случаи. Имеем:

ctg β = V_x / V_z, (11.10)

где β – угол, определяющий направление результирующей скорости выглубления V_р.в; V_x – поступательная скорость; V_z – скорость выглубления.

Воспользовавшись опытными данными V_x = 1,8 м/с и V_z = 0,3, по формуле (11.10) получаем β = 9,4º. Это значение совпадает со значениями опытного затылочного угла δ = 8…13º. Можно, следовательно, считать, что углы δ возникают в результате изменения направления почвенных частиц относительно тыльной части лезвий.

К тому же перемещаются они по разным участкам затылка с разными скоростями. Известно, что относительная скорость V_о перемещения почвы по изнашиваемой поверхности двугранного клина:

V_о = V_x cos (α + ψ) / cos φ, (11.11)

где α – угол установки клина к дну борозды; ψ – угол отклонения абсолютной траектории от нормали к рабочей поверхности клина.

Рис. 11.6 Рис. 11.7

Используя уравнение (11.11) для затылка, перемещающегося по криволинейной траектории, можно найти относительные скорости перемещения частиц почвы при выглублении, заглублении и горизонтальном его перемещении.

Для процесса выглубления (при α = 0, β = 10º и φ = α/2) имеем:

V_о.в = V_x cos (0 + 0) / cos 0 cos β = V_x / cos 10º = 1,02 V_x, (11.12)

а для горизонтального

V_о.г = V_x cos (δ + φ) / cos φ = V_x cos (10º + 5º) / cos 5º = 0,97 Vx, (11.13)

При выглублении V_о.в оказывается больше скорости V_x и относительной скорости V_о.г при горизонтальном перемещении. Учитывая это, можно полагать, что затылочные углы возникают в результате изменения скорости и направления перемещения почвенных частиц относительно тыльной части лезвия.

На основании рис. 11.7, а записываем:

ctg φ = L / a, (11.14)

где φ – угол, определяющий направление результирующей скорости заглубления V_р.з; L – длина пути заглубления; а – глубина обработки.

При а = 0,22 м на твердой почве для плуга L равна примерно 3,3 м, на нетвердой – 2,8 м. Используя это, получаем φ = 3,8…4,5º. Этими углами объясняется образование элементов криволинейной поверхности на задней нижней части затылка, по которой к тому же частицы почвы движутся со средней относительной скоростью:

V_о.з = V_x cos [(δ + φ) + ψ] / cos ψ cos α =

= V_x cos [(10º + 4º) + 7º] / cos 7º cos 4º = 0,94V_x. (11.15)

Кроме того, перед работающими лезвиями периодически возникают опережающие трещины в почве, а в промежутках между образованием этих трещин лезвия производят зачистку дна. Появление трещин снимает нагрузку с режущей кромки лезвия, благодаря чему она сохраняет относительную остроту, зачистка дна сопровождается дополнительным износом передней нижней части затылка. Так появляется элемент криволинейной поверхности в этой части затылка.

Итак, учет того, что агротехнологические характеристики орудий связаны с характеристиками почворежущих лезвий, позволил выяснить закономерности реального процесса образования затылков, а также тот факт, что наибольшее контактное давление и перемещение частиц почвы приходится на тыльную часть лезвий. Вследствие этого износ почворежущих лезвий идет в направлении Н (рис. 11.5). При этом формулу давления затылка на почву в усредненном виде можно записать так:

P = F / S, (11.16)

где F – нормальная сила, приходящаяся на затылок; S – площадь затылка.

Но, с другой стороны, по известному закону подобия:

P ÷ μt, (11.17)

где μ – коэффициент, учитывающий разницу во взаимодействии затылка с почвой и наконечника плунжера твердомера; T – предел твердости почвы в слое работы лезвий, кПа.

Действующая на затылок лемеха плуга сила запишется как F = μTS, а избыток заглубляющих плуг сил распределится на его колеса. Они определяют устойчивость хода плуга по глубине и при увеличении затылков автоматически перераспределяются: на колесах уменьшаются, а на затылках увеличиваются. Этим отличается нагружение лезвий почвообрабатывающих орудий от нагружений обычных резцов. Учитывая энергетическую связь орудий с их почворежущими лезвиями и воспользовавшись общепризнанным уравнением абразивного изнашивания, имеем

dτ / dυ = ρс,

где dτ – линейный износ по нормали к плоскости трения, dυ – путь трения (наработка), ρ – контактное давление, с – коэффициент износа.

Можно в итоге получить:

dτ / dυ = Н = μсT, (11.18)

где Н – удельный износ лезвия лемеха в направлении нормали к плоскости затылка, мм/га.

Введем в формулу (11.18) дополнительный коэффициент q, который учитывал бы разницу в направлениях износов Н и лезвия Л (в направлении от режущей кромки к спинке, рис. 11.4). Величину q определяют скалярным умножением векторов Л и Н по известным углам ε и δ:

Л = μ q с Т. (11.19)

Из выражения (11.19) следует, что темп изнашивания лезвия Л (мм/га) не зависит от толщины лезвий, поскольку Н не зависит от S, а определяется параметрами Т, с и μ.

Эта новая закономерность абразивного изнашивания почворежущих лезвий подтверждается экспериментальными данными изнашивания лезвий чугунных и стальных лемехов с толщиной лезвий соответственно 6–7 и 10–11, с твердостью 550–600 единиц по Бринелю и 2,8–3,3; 6,5–7,5 мм с такой же твердостью при вспашке тяжелосуглинистых старопахотных черноземов Западной Сибири на глубину 0,22–0,24 м. Объясняется это тем, что сосредоточенная сила, действующая на затылки лезвий лемехов, изменяется так, что с увеличением площади затылков давление (кПа) остается пропорциональным пределу твердости почвы. Вследствие этого и изнашивание почворежущих лезвий идет с неуменьшающимся темпом. Обычные же резцы, имеющие клиновидные сечения и нагруженные постоянными силами, утолщаясь вследствие износа режущей кромки, изнашиваются с уменьшающимся темпом за счет снижения давления.

Неуменьшающийся темп износа почворежущих лезвий зависит от состояния почвы. Например, известно, что типичные тяжелосуглинистые черноземы Западной Сибири имеют в физическом песке (с частицами больше 0,01 мм) 72–78% кремнезема, который обладает твердостью существенно выше твердости закаленной стали, чем объясняется повышенная его абразивность. Частицы физической глины (меньше 0,01 мм) в этих почвах состоят из мягкой породы, слюды, окислов металлов и органических веществ. Они выполняют роль своеобразной основы, в которой удерживаются и закрепляются абразивные частицы силами, связанными со свойствами и состоянием почвенной влаги. Она, как известно, в указанных черноземах описывается зависимостью:

T = 33799,84/W – 545,348, (11.20)

где T – твердость почвы на глубине 0,2–0,3 м, кПа; W – влажность в том же слое,%.

Формула (11.20) позволяет показать, что в пределах фактически возможной работы плугов на указанной почве (W = 9…28%) твердость ее может изменяться в пять раз. А с этим изменением связан темп износа лезвий:

Л = 0,0003478Т – 0,08589, (11.21)

где Л – темп изнашивания (мм/га) лезвий с твердостью 550–600 единиц по Бринелю из стали Л-53.

Как видим, почва с естественной структурой и сложением существенно отличается по своим агротехнологическим параметрам от почвенных смесей с нарушенной структурой, которые использовались в лабораторных исследованиях. Не были выяснены реальные закономерности абразивного изнашивания почворежущих лезвий, поскольку не учитывались агротехнологические и энергетические характеристики орудий в зависимости от характеристик лезвий. Нет в литературе и четкого представления о механизме абразивного изнашивания металла в почве, который отождествляется с общеизвестными механизмами. Рассматриваемая почва по мехсоставу имеет 60% физической глины и 40% физического песка со средними размерами частиц 0,09 мм. В такой почве на единицу поверхности трения приходится сотни абразивных частиц. Если даже учесть только 72–78% частиц, участвующих в процессе, то и в этом случае силы прижатия абразивных частиц к изнашиваемой площади затылка лезвия оказываются в десятки раз меньше сил, которые приходятся, например, на абразивные частицы при истирании металла наждачным полотном. К тому же в почве абразивные частицы могут вращаться в своей закрепляющей основе. При истирании металла наждачным полотном изнашивание идет в основном путем скалывания микростружек, а в почве естественного сложения и состава – за счет сочетания многократного деформирования и коррозийно-механических процессов. Вероятность микрорезания на рассмотренной почве невелика. Оно наблюдалось в виде следов (царапин) от абразивных частиц на поверхностях трения лишь на очень твердой почве. Такое явление наблюдалось особенно отчетливо при пахоте твердых сухих целинных почв. Здесь рабочая поверхность лемехов корпусов после перемещения в 500 м нагревалась от трения до 60–80ºС и имела царапины.

Таким образом, выяснение закономерности абразивного изнашивания почворежущих лезвий, учитывающей агротехнологические и энергетические характеристики орудия, позволяет на новой основе глубже проникнуть в объективную сущность процесса.