3
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО – ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ
На правах рукописи
Шукуров РУСТАМ УТКУРОВИЧ
УДК 620.178.16; 621.791.92
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ
ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН
Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
ТАШКЕНТ – 2005
4
Работа выполнена в Ташкентском автомобильно-дорожном институте
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Кадыров С.М.
Официальные оппоненты:
ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ПРОФЕССОР ЛЕБЕДЕВ О.В.
ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ПРОФЕССОР КАБАШЕВ А.Р.
ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ПРОФЕССОР ДЖУРАЕВ А.Д.
Ведущая организация - Ташкентский государственный технический уни-
верситет.
Защита состоится "23” марта 2005 г. в 10
00
часов в зале заседаний ректора-
та ТАДИ на заседании разового специализированного совета, созданного при-
казом ВАК РУз от 10 ноября 2004 года№ 245-с по специальности 05.02.04 –
«Трение и износ в машинах» на базе объединенного специализированного со-
вета КО67.33.01 при Ташкентском автомобильно-дорожном институте по адре-
су: 700060, г. Ташкент ул. Мовароуннахр 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТАДИ.
Просим Вас принять участие в защите, Ваши отзывы на автореферат в
двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направить в спе-
циализированный Совет института.
Автореферат разослан «21» февраля 2005 г.
Тел.: (10-99871) 133-08-27 Факс: (10-99871) 132-14-39, 132-14-80
e-mail: tayi admin @ mail. ru, sertifat @ indox ru.
Ученый секретарь
специализированного совета Файзуллаев Э.З.
5
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из важнейших концепций глубокой пере-
стройки хозяйственного механизма Республики Узбекистан является создание
целостной, эффективной и гибкой системы экономического управления и реа-
лизация на этой основе программы повышения технического уровня и качества
машин с увеличением экономичности и производительности техники, ее дол-
говечности, усилением необходимости применения научной методологии про-
ектирования землеройной техники.
Выступая на четырнадцатой сессии Олий Мажлиса Республики Узбеки-
стан первого созыва республики И. А. Каримов по сути структурных преобра-
зований в экономике выделил шесть пунктов, в которых указывается на необ-
ходимость ускоренного развития высокотехнологичных и наукоемких произ-
водств, таких как автомобилестроение, самолетостроение и др., создание но-
вых производств по выпуску современной, высокоэффективной сельскохозяй-
ственной, землеройной техники, широкое развитие системы локализации про-
изводства.
Большим резервом для увеличения эффективности использования зем-
леройных машин является повышение их долговечности, так как даже неболь-
шое возрастание ресурса огромного парка землеройных машин дает народному
хозяйству значительный технико-экономический эффект. При этом немало-
важное значение имеет проблема сохранения в течение всего периода эксплуа-
тации оптимальных рабочих характеристик землеройных машин и, в первую
очередь, их производительности.
Известно, что производительность землеройной машины определяется
конструктивным совершенством своего рабочего органа и напрямую связана с
величиной износа его режущих элементов. Многочисленными исследованиями
было установлено, что при затуплении режущих элементов энергоемкость от-
деления грунта от массива возрастает на 60…100%, а производительность ма-
шины в этом случае снижается на 10…40% .
Анализ результатов исследовательских работ по проблеме повышения
эксплуатационных качеств землеройных машин показывает, что до настоящего
времени не существует общепринятой теории разработки износостойких рабо-
чих органов землеройных машин. Общим недостатком проведенных исследо-
ваний является то, что проблема износостойкости рабочих органов землерой-
ных машин рассматривается в них без учета доказанного влияния природно-
климатических и грунтовых условий на износостойкость исследуемых объек-
тов. В результате этого предложенные авторами предыдущих исследований
рекомендации по упрочнению рабочих органов землеройных машин имеют ча-
стный характер и оказываются эффективными только в условиях, близких к
тем, в которых проводились данные исследования.
Таким образом, проблема повышения износостойкости режущих элемен-
тов рабочих органов землеройных машин, несмотря на большое количество
выполненных до настоящего времени исследований, остается актуальной.
6
В проведенных нами исследованиях применяется принципиально новый
подход к решению задачи повышения износостойкости режущих органов зем-
леройных машин. Указанная задача решается путем реализации принципов
бионики натурных режущих элементов по природному объекту, в качестве ко-
торого выбран представитель фауны Центральной Азии, ведущий исключи-
тельно подземный образ жизни. Совершенствование конструкции режущих
элементов дополняется применением износостойкой наплавки с использовани-
ем наплавочных материалов, наиболее соответствующих грунтовым условиям
центрально-азиатского региона.
Исследования выполнялись в соответствии с целевой технической про-
граммой Государственного комитета по науке и технике Республики Узбеки-
стан (ГНТП-19) «Создание наукоемких высокопроизводительных и экспортно-
ориентированных технологий, машин и оборудования для сельского хозяйства
и промышленности» и национальной программе по развитию и усовершенст-
вованию сети автомобильных дорог Республики Узбекистан на 1996-2010 гг., а
также по направлению научных исследований Ташкентского автомобильно-
дорожного института (Проблема № 6 "Повышение долговечности и износо-
стойкости машин").
Цель работы: развитие научных основ теории изнашивания режущих
элементов и разработка на их базе конструкторско-технологических решений,
повышающих износостойкость рабочих органов землеройных машин.
Объектами исследований являлись режущие элементы рабочих органов
землеройных машин и карьерных экскаваторов.
Научная новизна работы заключается в разработке:
- дискретной фазовой динамической модели резания грунта режущими
органами землеройных машин, позволяющей формализовать процессы струж-
кообразования, развития опережающей трещины и изнашивания;
- научных основ изнашивания в абразивной среде режущих элементов
рабочих органов землеройных машин;
- методики расчета износа и ресурса режущих элементов землеройных
машин;
- рациональной конструкции режущих элементов рабочих органов зем-
леройных машин на основе метода биомеханического моделирования.
Практическая ценность работы. Использование разработанных методов
алгоритмов, программ и моделей позволяют: прогнозировать износостойкость
на стадии проектирования, оценить влияния конструкторско-технологических
решений на износостойкость режущих элементов землеройных машин с уче-
том условий эксплуатации. На основании биомеханических исследований раз-
работаны рациональные конструкции режущих элементов с повышенной изно-
состойкостью и производительностью и пониженной энергоемкостью резания.
Предложена методика определения абразивности грунтов, даны рекомендации
по выбору износостойких наплавочных материалов.
Личный вклад автора в решении проблемы заключается в формировании
общей идеи, цели и задачи исследования, формировании методологического
подхода; выполнении теоретических и экспериментальных исследований и
7
обобщении результатов, участии в изготовлении опытных образцов и их ис-
следованиях; разработке и внедрение практических рекомендаций.
Достоверность результатов исследований и обоснованность положений
диссертации обеспечивается: сравнением аналитических результатов, получен-
ных на основе используемых теорий, с экспериментальными данными; удовле-
творительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований, где среднее отклонение данных не превышает 18%; достаточ-
ным объемом измерений обеспечивающим с вероятностью 0,95 относительную
погрешность не более 15-20%.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результа-
ты диссертации внедрены в практику проектирования, производства и испыта-
ний рабочих органов землеройных машин в концерне “Автойул”, ПО “Таш-
экс”, Навоийском горнометаллургическом комбинате (НГМК), тресте Ташгор-
дорстройремонт,АООТ“Курилиш-механизация”,УзНИИПроцветмет”,
АО
“Спецсплав”, а также в научно-исследовательских работах и др.
Основные научные и практические результаты диссертации используют-
ся в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании, лаборатор-
ной практике и научно-исследовательской работе кафедры “Строительные,
дорожные машины и оборудование” ТАДИ и "Тракторы и автомобили" ТГТУ
для направлений наземные транспортные системы, технологические машины и
оборудование.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и об-
суждалось на:
-Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффектив-
ности использования автомобильного транспорта и автомобильных дорог в
условиях жаркого климата и высокогорья", Ташкент, 1982г.;
-Второй Всесоюзной конференции "Закономерности формирования
структуры сплавов эвтектического типа", Днепропетровск, 1982 г.;
-ХХLI научно-технической конференции по итогам НИР, МИСИ. Моск-
ва, 1983 г.;
-Зональной конференции "Повышение эффективности проектирования,
испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин",
Горький, 1988 г.;
-Зональной конференции "Эксплуатация машин в суровых условиях",
Тюмень, 1989 г.;
-Республиканской научно-техническая конференции "Разработка ресур-
сосберегающих технологий, эффективных технологий производства строи-
тельных материалов и конструкции и ведения строительно-монтажных ра-
бот", Днепропетровск, 1988 г.;
-I-ой региональной научно-технической конференции "Проблемы меха-
низации в региональном строительстве", Бишкек, 1991 г.;
-Международной конференции "Проблемы развития автотранспорта и
транзитных коммуникаций в Центрально - Азиатском регионе", Ташкент, 1996
г.;
-Республиканской научно-технической конференции "Развитие автомо-
8
бильно-дорожного комплекса Республики Узбекистан в условиях рыночной
экономики", Ташкент, 1997 г.;
-II Республика илмий коллоквиуми "
Œ
збекистон муста
š
иллиги унинг
фани ва технологияларини ривожлантириш кафолати"
Œ
зР ФТДК ва ОАК,
Тошкент, 1998 й.;
-Научной конференции "Суюкликлар куп фазали аралашмалар ва туташ
мухитларда тулкинларни таркалишининг долзарб муаммолари" УзФА, УзР
ФТДК, М.Т.Уразбоев номидаги механика ва иншоотлар сеймсмик мустахкам-
лиги институти, Ташкент, 1999 й.;
-Международной
научно-технической конференции "Современные
проблемы технических наук" ТГТУ, Ташкент, 1999 й.;
-Международной научно-технической конференции "Развитие и эффек-
тивность автомобильно-дорожного комплекса в Центрально - Азиатском ре-
гионе", Ташкент, 2000 г.;
-Международной научно-технической конференции "Автотранспортный
комплекс. Проблемы и перспективы развития" (МАДИ), Москва, 2000 г.;
-Научно-практических конференциях профессорско-преподавательского
состава Ташкентского автомобильно-дорожного института (1982 - 2004гг.);
-Расширенном заседании кафедры «СДМ и О» на специализированном
научном семинаре «Автомобили и тракторы» ТАДИ, на специализированном
научном семинаре «Трение и износ в машинах» ТГТУ, а также на объединен-
ном научном семинаре ТАСИ «Курилиш технологияси ва ташкилиѐти», науч-
но-техническом семинаре УзРНТК «Фан ва тара==иѐт».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 52 ра-
боте, в том числе 12 журнальных статей, 2 а.с., 1 патент Республики Узбеки-
стан.
Структура и объем диссертациии. Диссертация состоит из введения, пяти
глав с выводами в каждой из них, общих выводов и рекомендаций, списка ли-
тературы (160 наименований) и приложения. Общий объем работы составляет
310 страницы и включает 80 рисунков, 42 таблицы.
9
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность решаемой проблемы, форму-
лируется основная цель исследований.
Первая глава содержит анализ состояния проблемы повышения износо-
стойкости режущих органов землеройных машин, и формулируются основные
задачи исследования.
В обзоре рассмотрены особенности условий работы землеройных машин
и существующие теоретические концепции процесса абразивного изнашива-
ния, способы повышения износостойкости режущих органов конструкторско-
технологическими методами.
Отмечается, что природные условия Центральной Азии, отличаются вы-
сокой контрастностью, абразивностью, загипсированностью, засоленностью и
пересушенностью грунтов, которые являются технологической средой для
землеройных машин, эксплуатирующихся в данном регионе.
Порядка 80% отказов машин вызывается износом, что ставит проблему
защиты машин от изнашивания в число наиболее актуальных. Успешное реше-
ние этой задачи зависит от знания закономерностей трения и изнашивания, ко-
торые определяются не только свойствами материала и формой режущего ор-
гана, а также характером взаимодействия деталей с обрабатываемым объектом,
обусловленным самым рабочим процессом, совершаемым землеройной маши-
ной.
Повышение износостойкости неразрывно связано с изучением законо-
мерности и механизма изнашивания режущих органов землеройных машин на
стадии проектирования, изготовления и эксплуатации, а также разработкой ос-
нов расчета их на износостойкость и ресурс.
Установлено, что сложность процесса изнашивания режущих органов
землеройных машин обусловлена непрерывно меняющимися силами и давле-
нием по рабочей поверхности трения, неоднородностью абразивной среды,
сложностью процессов контактирования и перемещения частиц абразива.
В инженерной практике расчета землеройных машин на износостойкость
отсутствие учета влияния формы режущих органов не дают законченного ре-
шения задачи расчета на износ, так как не могут охватить весь комплекс дейст-
вующих на изнашивание геометрических факторов и как следствие изменение
действующих сил и давлений.
Для достижения цели и решения поставленной задачи предлагается но-
вый метод биомеханического моделирования для выбора износостойких кон-
струкций режущих органов землеройных машин.
Решение указанной проблемы и достижение поставленной цели опреде-
лили основные задачи диссертационной работы, осуществление которых тре-
бует проведения широкого спектра теоретических и экспериментальных иссле-
дований, которые последовательно решаются в следующих главах.
Во второй главе “Выбор конструкции и методов упрочнения режущих
элементов рабочих органов землеройных машин” обосновывается применение
биологического прототипа для выбора конструкции рабочих органов земле-
10
ройных машин, описывается выполненная автором выбор конструкции режу-
щих элементов биологического объекта, приводятся результаты лабораторных
испытаний биологического прототипа режущих элементов, а также исследова-
ния износостойкости их моделей и выбор наплавочных износостойких мате-
риалов.
В результате длительной эволюции живая природа приобрела способ-
ность создавать высокоэффективные землероющие конструктивные системы,
по уровню совершенства намного превосходящие лучшие образцы современ-
ной землеройной техники. Дальнейшие исследования показали, что, несмотря
на трудности, связанные со значительными отличиями принципов построения
живых объектов и землеройных механизмов имеется реальная техническая
возможность использования в искусственных объектах лучших "достижений"
живой природы. Для этого нами была разработана методика выбора биомеха-
нического объекта, которая позволяет использовать в инженерной практике
оптимальные решения, «внедренные» природой в живых землероющих конст-
руктивных системах.
В соответствии с разработанной методикой на первом этапе нами было,
изучено пять видов природных землероев, обитающих в регионе Центральной
Азии: крот (
Talpa eucopaea
), выдра (
Lutra lutra
), цокор (
Moyspalax
), слепец
(
Spalax leucodon
) и слепушонка обыкновенная (
Ellobius talpinus
). Собранные
данные показали, что наиболее специализированными землероями являются
три последних вида. Для выбора конкретного объекта биологического прото-
типа были проведены дополнительные полевые и лабораторные исследования
по изучению поведения и образа жизни указанных грызунов в естественных
природных условиях, а также выявлению закономерностей строения и работы
их роюще–жевательного аппарата.
В результате выполненных исследований было установлено, что роющий
резцовый аппарат наиболее сильно развит у слепушонки обыкновенной (
Ello-
bius talpinus
), что, по-видимому, и объясняет ее наивысшую "производитель-
ность" среди остальных исследованных природных землероев. Далее, нами
окончательно было выбрана в качестве биомеханического объекта слепушонка
обыкновенная (
Ellobius talpinus
).
а) б)
Рис. 1. Резцовый аппарат слепушонка
(Ellobius talpinus).
11
Следующий этап заключался в проведении лабораторных эксперимен-
тальных исследований, в которых испытывалась пара моделей зубьев (рис.1),
представляющая собой увеличенную копию пары верхних резцов слепушонки
обыкновенной.
При разработке лабораторных моделей резцов выдерживалось их геомет-
рическое подобие биологическому прототипу. Для этого использовался мас-
штабный коэффициент
k
l
=
5, по которому определялись основные параметры
опытных резцов:
R
1.M
= k
l
R
1H.
; R
2.M
= k
l
R
2.H
; B
M
= k
l
B
H
; h
M
= k
l
h
H
; b
M
= k
l
b
H
;
где
R
1.M
и
R
1.H
, R
2.M
и
R
2.H
,
B
M
и
B
H
,
h
M
и
h
H
,
b
M
и
b
H
- радиусы продольной
оси резца и его передней поверхности, ширина и высота поперечного сечения
резца и меж-резцовое расстояние (см. рис.3) соответственно для лабораторной
модели (индекс “м”) и биологического прототипа (индекс “н“).
Лабораторные испытания проводились в два этапа. На первом этапе ис-
пытаний использовался стенд, собранный на базе поперечно–строгального
станка (рис.3,а). Усилия резания измерялись методом тензометрирования с по-
мощью датчиков ПКП-15-200, тензоусилителя 8АН4-7ЧМ и осциллографа Н-
700. Тарировка тензодатчиков осуществлялась образцовым динамометром 3-
0,05 (рис.3, б).
Для стендовых испытаний были изготовлены также модели верхних рез-
цов выдры (для сравнения) при их 50-кратном увеличении, а в качестве эта-
лонных использовались зубья с клиновидным профилем. Все модели зубьев из-
готавливались из нормализованной Стали 40Х.
b
Рис. 2. Конструктивная схема лабораторных образцов биоло-
гического прототипа криволинейных моделей
h
B
R
А
А
А – А
повернуто
12
а) б)
Рис. 3. Общий вид лабораторного испытательного стенда
(а)
и
тарировка тензометрических звеньев
(б).
Одновременно испытывались 4 зуба (два эталонных и два биологическо-
го прототипа). В качестве модельного грунта применялся шамотный кирпич
марки ШБ-4/23. Испытания проводились при движении оправки со скоростью
6,5 м
мин и глубине блокированного резания 0,4
0,7 см. угол резания у всех
резцов составлял 38…40
0
.
В результате тензометрирования усилий при резании модельного грунта
было установлено, что сила сопротивления резанию для клиновидного резца
составляет 62…65Н, для резца типа “выдра” - 25…29Н, для резца типа “сле-
пушонка” - 16…18Н.
Сопоставление полученных данных показало, что по сравнению с эта-
лонным резцом у резцов типа “выдра” и “слепушонок” сопротивление реза-
нию снизилось соответственно в 2…2,6 и 3,4…4 раза.
Проведенный нами анализ механизма взаимодействия биологического
прототипа (криволинейный) с грунтом позволил установить причины наблю-
даемого снижения сопротивления резанию. Так, при резании грунта криволи-
нейным режущим элементом, ее режущая кромка, с выступом в передней час-
ти, активно внедряясь в грунт, как бы вкалывается в него с большим удельным
давлением, а, следовательно, и с наименьшим сопротивлением, и по мере даль-
нейшего перемещения, разрушает грунт путем непрерывного вкалывания и ко-
сого резания режущей кромкой. В процессе дальнейшего внедрения зуба в
грунт, последний раскалывается под его воздействием и перемещается вдоль
передней, задней и боковой граней. Передняя и задняя грани, за счет своей
криволинейности, смещают частицы грунта над и под зубом в сторону умень-
шения поперечной толщины и одновременно при контакте с более крупными
абразивными частицами грунта (камни, примеси и т.д.) либо вытесняют их из
зоны действия (траектории движения) зубьев, либо вдавливают их в менее
плотные слои разрабатываемого грунта. Вертикально расположенная боковая
грань в процессе разрушения грунта выполняет роль рассекателя грунта, а так-
же “накопителя” утолщенности зуба и способствует устойчивости хода.
13
Уменьшение величины сопротивления резанию у биомеханических мо-
делей также предопределено и выбором в качестве эллипсоидного поперечно-
го сечения режущей кромки, т.к. во-первых, такой профиль более обтекаем,
чем, например, прямоугольный, который после небольшой выработки грунта
тоже примет близкое к эллипсоидному очертание, во-вторых, принять для ре-
жущей кромки профиль в виде тонкого лезвия нельзя, ввиду возможности бы-
строго его затупления, крошения и низкой прочности.
На втором этапе исследований, с целью определения силы сопротивления
резанию в грунтовых условиях, близких к эксплуатационным, эталонные (кли-
новидные) зубья и биологические объекты (типа “слепушонка”) испытывались
в грунтовом канале.
Испытания проводились на грунтах II категории, влажностью 18% и
плотностью С=8 ударов плотномера ДОРНИИ, с каменистыми включениями
до 80мм.
Скорость резания задавалась равной
V=0,77 м/с
, угол резания составлял
37…43
о
, глубина копания изменялась в пределах
2…24см
. Горизонтальная со-
ставляющая силы сопротивления копанию измерялась динамометром ДПУ-0,5-
2.
Сопоставление значений горизонтальной составляющей при резании
грунта испытанными зубьями показывает, что в случае резания (копания) кри-
волинейными зубьями (биологический прототип) сопротивление копанию
снижается в 1,6…2,8 раза в зависимости от глубины копания.
На следующем этапе изучалось влияние криволинейной формы зубьев на
их производительность.
Были получены при проведении опытов в грунтовом канале в условиях
блокированного резания лессового грунта влажностью 16% и плотностью
С=20…24 удара плотномера ДОРНИИ. Испытуемые зубья устанавливались на
тензометрической тележке с углом резания 38
о
. Скорость резания поддержи-
валась постоянной для всех опытов.
Результаты измерения геометрических параметров прорезей и вычис-
ленные отношения П
2
/П
1
показали, что резание (копание) грунта криволиней-
ным зубом приводит к повышению производительности на 16…21%. Рост про-
изводительности объясняется большими значениями отношения критической
глубины резания к ширине зуба. Для биологического прототипа это отношение
составляет 5…6 и 6,5…7 при углах резания 38…47 и 65…75
о
соответственно,
для клиновидного зуба при тех же углах резания 2,5…4,0 и 3…5.
Одновременно с осциллографированием силы сопротивления резанию
при стендовых испытаниях (см. рис.3) изучалась износостойкость исследуемых
моделей зубьев. Износ биомоделей и эталонных зубьев определялся взвешива-
нием с точностью до 0,1мг и микрометрированием с погрешностью
0,05мм.
В результате исследования твердости и износостойкости внешней и внут-
ренней сторон резцов животного-прототипа было установлено, что внутренняя
сторона резцов менее твердая и поэтому изнашивается быстрее, чем более
твердый наружный слой, в результате чего сохраняется острая режущая часть с
найденным природой оптимальным углом заострения. Другими словами в
14
роющих и когтевых аппаратах природных землероев реализуется эффект само-
затачивания, обеспечивающий постоянную готовность животных к жизненно
важным для них действиям.
Раскрытие механизма сохранения заострения резцов, действующего в
живой природе, позволило нам решить аналогичную задачу и для исследуемых
биологических прототипов. Для этого во второй серии опытов были изготовле-
ны двухслойные модели резцов с наплавкой их наружных поверхностей изно-
состойкими сплавами.
Окончательно влияние формы зубьев и способа упрочнения на их изно-
состойкость оценивалось с помощью коэффициента формы зуба, представ-
ляющего собой отношение износостойкостей биомоделей и эталонного зуба.
Полученные в результате износных испытаний данные приведены в табл. 1.
Результаты опытов позволили сделать следующий вывод: придание зубь-
ям формы, а материалу их передних и задних поверхностей свойств, характер-
ных для резцов природных землероев, приводит к повышению износостойко-
сти зубьев на 18…21% и сохранению первоначального угла заострения их ре-
жущей части.
Механические испытания наплавочных материалов проводились для
оценки их способности сопротивляться деформации при приложении внешней
нагрузки.
Химический анализ наплавочных материалов выполнялся методом спек-
трального анализа на стилоскопе СЛ-11. Отбор проб производился сверлением
наплавленного слоя испытанных режущих элементов.
Результаты испытаний износостойкости режущих элементов
Таблица 1
Марка
Электро-
да
Твер-
дость
наплав-
ки HRC
Относительная зносо-
стойкость зуба
Коэффици-
ент формы
Клиновид-
ный
Биомо-
дель
Т – 590
Х – 5
КБХ – 45
ХР – 19
ЭНУ- 2
ЦС – 2
55…57
60…63
57…59
56…58
56…59
50…52
1,0
1,78
1,61
1,15
1,12
0,59
1,0
2,07
1,90
1,29
1,27
0,68
1,.13
1,16
1,18
1,12
1,13
1,15
Металлографические исследования структурного состояния износостой-
ких сплавов, были направлены на изучение характера зон сплавления, особен-
ностей распределения упрочняющей и матричной фаз, а также структурных
изменений в поверхностном слое в результате изнашивания деталей.
Наиболее износостойким оказался боросодержащий сплав, наплавлен-
ный электродами Х-5. В связи с этим далее исследовалось влияние бора на
15
структуру, фазовый состав и физико-механические свойства наплавленного
металла с базовым содержанием углерода 3, хрома 25 и бора до 3,6%.
16
Рис. 4. Элементы дискретной фазовой модели
резания грунта зубом экскаватора
Установлено, что максимальная износостойкость наплавленного металла
достигается при содержании бора 2,0…2,2%. Дальнейшее его увеличение (до
3,6%) приводит к снижению содержания хрома в эвтектике, упрочняющей фазе
и зоне сплавления.
В третьей главе “Теоретическое исследование процесса абразивного
изнашивания режущих элементов рабочих органов землеройных машин” раз-
рабатывается дискретная фазовая динамическая модель процесса резания грун-
та режущими органами землеройных машин, и излагаются методики матема-
тического моделирования процесса абразивного изнашивания режущих эле-
ментов и прогнозирования их ресурса.
Процесс резания грунта представляется в виде последовательности девя-
ти дискретных фаз (рис. 4.):
первой фазы
– подвода зуба до точки
О
1
касания с
фронтальной поверхностью грунта,
второй фазы -
смятие (уплотнение) на-
ружных слоев грунта, которая, развиваясь, переходит в
третью.
В
четвертой фазе
движения зуба вдоль оси
z
перед ним образуется
фронт смятых агрегатов, ориентированных вдоль передней грани, которые
продолжают двигаться вперед вместе с зубом экскаватора, растягивая грунт,
находящийся ниже линии врезания, относительно задней грани.
По мере внедрения зуба в тело грунта (
пятая фаза
) сопротивление сдви-
гу вдоль плоскости врезания и растяжению деформированного слоя растет,
вследствие чего также возрастают контактные напряжения на передней грани
зуба. В результате появляется новая плоскость сдвига
О
2
М
, вдоль которой на-
чинают действовать максимальные касательные напряжения.
Механизм образования микротрещины разрушения (
шестая фаза
) в слое
деформированного грунта перед вершиной зуба
О
1
объясняется с позиций со-
временной теории дислокаций.
Пусть линейная последовательность дислокаций под действием каса-
тельных напряжений скопился у любого препятствия, скажем, у границы зерна
в точке псевдовершины
О
2
(рис. 5). Скопление
п
дислокаций составит линию
длиной
1
Gbn
L
,
где
G
- модуль сдвига, МПа;
b
- толщина вязкой прослойки, связывающей между собой отдельные агре-
гаты или абразивные частицы, мм;
- коэффициент Пуассона;
- касательные напряжения, МПа.
Тогда на любой площадке
P
O
2
будут действовать напряжения
.
f
r
L
'
,
f
r
L
2
1
Здесь
и
- коэффициенты;
1
f
и
2
f
- коэффициенты, зависящие от ориентации
P
O
2
;
L
– длина линии скопления дислокаций;
17
Рис. 5. Дислокационный механизм воз-
никновения опережающей трещины в
прочном грунте
r
– расстояние рассматриваемой точки от точки
О
2
.
Допустим, что пластическая де-
формация под действием
’
почему-либо
затруднена, например, вектор этих на-
пряжений меняет направление вследст-
вие эффекта экранирования встречаю-
щимся на его пути монолитом ограни-
ченных размеров. В этом случае напря-
жения
приведут к разрыву сплошно-
сти грунта вдоль оси
P
O
2
. Чтобы оце-
нить вероятность разрыва, заметим, что
средние напряжения на участке
О
2
Р
длиной
l
равны
l
L
1
МПа,
где
1
–константа.
Полная энергия образования трещины определяется уменьшением упру-
гой энергии и увеличением поверхностной энергии.
После соответствующих расчетов получим
Sl
G
l
W
2
8
1
2
2
Дж,
где
S
- удельная поверхностная энергия, Дж/мм
2
.
Подставляя значение
, получим критическое напряжение
, когда обра-
зование трещины начинает уменьшать
W
L
SG
2
1
2
1
16
МПа.
После вычисления
1
находим
L
SG
1
8
3
2
МПа.
Подставив значение
L
, окончательно получим
nb
S
2
8
3
МПа.
Если принять длину линии скольжения
L
равной условному диаметру
d
агрегата (конгломерата), а также учесть, что при одноосном напряженном со-
стоянии
= 0,5
, то из последнего выражения нетрудно получить зависимость
между размерами твердых включений грунта и напряжением хрупкого разру-
шения.
Здесь, кроме того, необходимо учесть сопротивление
0
движению дис-
локаций различными препятствиями типа дисперсных включений других по-
род и пр. Это можно решить подстановкой в левую часть уравнения (3.7) раз-
ность (
-
0
) вместо
, где
0
= 0,5
0
. После преобразования можно записать
0
2
1
kd
,
18
Рис. 7. Расчетная схема для
определения глубины смя-
тия материала зуба
Рис. 6. Соотношение размеров цара-
пины в разных местах ее сечения
где
1
6
SG
k
.
Поскольку напряжения
’
определяются зависимостью того же вида, что
и
, то аналогичные преобразования дают напряжения начала скольжения (ес-
ли скольжение начинается раньше, чем образование трещины)
0
1
2
1
d
k
.
Вершина зуба
О
1
устремляется в точку
О
2
, скользя по отрезаемому грун-
ту передней гранью (
седьмая
фаза
). С разрывом нормально напряженных сло-
ев пик касательных напряжений в точке
О
2
мгновенно возрастает до величины,
превышающей предельные, в результате происходит сдвиг или скол (в зависи-
мости от состава и состояния грунта, а также толщины отрезаемого слоя) за-
хватываемой ковшом части грунта по плоскости максимальных касательных
напряжений. Если грунт достаточно хрупкий, то образуется трещина скола и
получается типичная дорожка скалывания (
восьмая
фаза
). Тогда процесс реза-
ния будет представлять собой цепной характер повторяющихся циклов скалы-
вания по предложенному механизму (
девятая
фаза
).
Одним из показателей механических свойств поверхностного слоя при-
нято считать величину удельной силы сопротивления царапанью или условных
напряжений сдвига
ц
.
Величина разрушения поверхности
образца оценивается по двум линейным
размерам - ширине царапины:
S
и
на уровне
поверхности и
S
ц
по вершинам пластиче-
ских образований (рис. 6).
Установлено, что соотношение
S
и
/
S
ц
= 0,5 практически остается постоянным
и для материалов в наклепанном состоянии.
Удельная сила сопротивления цара-
панию определяется по уравнению
ГПа
S
H
,
,
S
F
,
ц
ц
ц
2
2
6
833
4
49
5
146
,
где
F
– сила царапания, Н;
S
ц
– ширина царапины по вершинам пласти-
ческих образований числено равная 7,47
h
глуби-
ны царапины, см;
Н
– микротвердость испытуемого мате-
риала, ГПа.
Полученные данные убедительно показы-
вают, что по среднему значению сходимость ре-
19
зультатов экспериментальных исследований с расчетними, достаточно высокая
(относительное рассеивание не превышает 9%). Причем, погрешность умень-
шается по мере повышения микротвердости металла (для стали У12 с микро-
твердостью 78,9 ГПа погрешность составила 0,6%). Особо следует отметить
поведение стали 110Г13Л, у которой, при практически равной с отожженной
сталью У12 микротвердостью, значение
ц
почти в 2 раза выше. Очевидно в
данном случае имеет место эффект самоупрочнения стали Гадфильда, прису-
щий всем сталям аустенитного класса.
Необходимо заметить, что природные абразивные материалы, за исклю-
чением алмаза, имеют низкие царапающие свойства, вследствие чего можно
полагать этот вид изнашивания режущих органов не является превалирующим.
Фактически напряжения распределяются по ширине контактной площадки не-
равномерно (рис. 7). Максимальные контактные напряжения в материале зуба
выражается формулой
3
2
2
1
2
918
0
D
P
,
q
max
,
где
1
и
2
– коэффициенты;
1
2
1
1
1
E
и
2
2
2
2
1
E
;
Для решения составленной математической модели процесса изнашива-
ния используется математический аппарат численных методов, основанный на
анализе ряда дискретных состояний, через которые проходит изнашивающаяся
поверхность трения.
Предварительно известными считаются: начальная форма и размеры ре-
жущего элемента
Z
ij
=c
ij
^n
, описываемая функцией
i
=
O(p),
закономерности
изнашивания материала элемента и зависимость изменения коэффициента тре-
ния от энергетического состояния материала, а также от удельной нагрузки.
Для решения поставленной задачи кривая, ограничивающая переднюю и
заднюю поверхности режущего элемента, разбивается на ряд отрезков через
произвольно выбранный интервал с координатами узловых точек (рис.8):
j =
j
; z
ij =
I=0
(
j
);
или
z
ij=
c
n
ij
,
где
c
и
n
- коэффициент и показатель степени; (для
клиновидных
зубьев
c
=3,5
и
n=
1;
для
биопрототипа
c=
0,5
и
n=
1,5).
Учитывая, что вектор износа направлен по нормали к поверхности зуба,
находим значение удельной нагрузки
p
ij
= p
i
(
j
)= p
zi
(
i
)cos
2
(arctg
1
ij
ij
z
z
)
и износ зуба в
j
-ой точке за шаг
t:
h
ij
=J(p
ij
)V
j
t,
Зная координаты профиля
i
-го состояния величину и направление век-
тора износа за один шаг в
j
-ой точке, нетрудно определить координаты профи-
ля
i+1
-го состояния.
20
Z
a
max
2a
h
ij
2b
Z
Z
i
+
1
,j
Z
ij
j
V
ко
п
i
P
0
M
ij
Рис.8. Расчетная схема изменения формы
зуба при изнашивании
Z
ij
= c
ij
n
Тогда уравнение
h
ij
примет вид:
h
ij
= J
ij
L
j
H
j
t,
где
h
ij
–квант износа;
J
ij
- интенсивность изнашивания;
L
j
- путь трения (путь резания или копания);
H
j
- число взаимодействий сопряженных абразивных
частиц с режущим
элементом в единицу времени (в зависимости от типа грунта);
t
- конечный малый промежуток времени;
j
- номер узловой точки.
Решение задачи по определению давления на поверхности трения от
нагрузки и формы режущего элемента для каждого состояния осуществляется
на основании закономерностей изнашивания и имеет вид (Рис. 8):
q
ij
=
1
1
cos
4
M
j
ij
ij
ij
ij
z
arctg
b
a
P
,
где
q
ij
–
давление на поверхности трения;
Р -
усилие на режущей кромке зуба;
a
ij
, b
ij
– геометрические параметры (ширина и толщина) зуба;
i -
порядковый номер состояния;
j -
номер узловой точки.
Форма режущего органа зем-
леройных машин при каждом со-
стоянии описывается дискретны-
ми точками на поверхности (см.
рис. 3.5).
Шаг износа принимается
равным малой величине износа
режущего элемента за малый про-
межуток времени
t
k
цикла, тогда
h
ij
=J
ij
V
k
t
k,
где
h
ij
–
квант износа;
J
ij
-
интенсивность изнашивания;
V
к
-скорость
(резания) копания;
t
k
- время резания ( копания).
Интенсивность абразивного
изнашивания, полученная на осно-
ве усталостной природы разруше-
ния поверхности трения, может
21
быть рассчитана по формуле:
J
ij
=
к
к
T
ai
TP
o
ij
a
ij
t
V
E
K
A
Q
E
E
h
d
n
h
*
3
1
2
2
2
,
где
Е
о
–
исходная плотность внутренней энергии материала зуба;
Е
TP
-
энергия трения;
Q
- количество тепла, выделяемого на режущей кромке;
A
ai
-
номинальная площадь контакта;
K
T
-
коэффициент соотношения твердости материала и абразива;
E*-
критическая плотность внутренней энергии.
Исходная плотность внутренней энергии материала
E
o
по существу явля-
ется механической энергией аккумулированной в металле в форме остаточных
напряжений:
E
o
= (1 – 2
)
Д
EV
6
3
2
,
где
- коэффициент Пуассона;
Е
- модуль упругости (Юнга);
- остаточное напряжение;
V
Д
-
объем деформируемого материала.
Эти показатели и их величины связаны между собой двумя соотноше-
ниями:
G =
1
Е
и
D =
2
1
3
Е
где
D
- модуль всестороннего сжатия (или объемной упругости).
Модули упругости
E
и
G
связаны между собой соотношением:
G =
8
3
E,
где
G
- модуль сдвига.
Энергия трения при абразивном изнашивании состоит из энергии вдав-
ливания абразивных частиц в поверхность трения и энергии скольжения час-
тиц:
Е
TP
= Е
вд
+ Е
ск
.
Энергия вдавливания частицы в поверхность
Е
вд
=
RHB
N
Nh
2
2
,
где
N
- нагрузка на единичный абразив;
h -
глубина вдавливания частицы в поверхность;
R –
радиус абразивной частицы.
HB –
твердость поверхности.
Энергия скольжения частицы по поверхности трения при пластической
деформации:
22
Е
ск
=SL
T
,
где
S
- площадь поперечного сечения канавки скольжения;
L
- путь скольжения частицы;
T
- предел текучести материала режущего органа землеройных машин.
Величина износа в единице объема в соответствии с рис. 8 будет:
V =
tg
tg
b
h
hb
1
2
1
2
1
2
,
где
-
задний угол;
-
передний угол.
Предложенный алгоритм функционирования узла трения "зуб-грунт"
включает описание формоизменения зуба от свойств материала, нестационар-
ных нагрузок и условий контактирования, механики взаимодействия "материал
зуба - среда".
Предлагаемая математическая модель позволяет рассчитать износостой-
кость режущих элементов землеройных машин различных типов в зависимости
от геометрии, конструктивных особенностей, вида упрочняющих материалов
и абразивных сред, параметров нагружения.
На рис. 9 иллюстрируется расчетное распределение нормального дав-
ления по задней поверхности наплавленного клиновидного зуба. Установлено,
что максимальное давление возникает вблизи режущей кромки; по мере удале-
ния от нее давление гиперболически уменьшается (рис.9).
Полученное распределение давления характеризует острое состояние
клиновидного зуба. По мере опережающего изнашивания в зонах наибольшего
давления происходит выравнивание эпюры и износ стабилизируется. В отли-
чие от них зубья с оптимизированной геометрией имеют (рис. 9) более плавное
распределение давления, способствующее поддержанию зуба в заостренном
состоянии. Как следствие, сопротивление резанию в этом случае уменьшается.
Рис. 9. Изменение давления на задней поверхности клиновидного
(а)
зуба и биомехани-
ческой модели
(б)
зуба для состояний:
1-
для
i = 61; 2 –
для
i = 601; 3 –
для
i = 1141.
Д
авл
ен
ие,
М
П
а
9,96
22,46
а)
3
3
2
1
0,75
4,2
4,2
12,34
б)
1
2
3
3
9,96
10,7
7,3
4,2
23
Расчеты показали, что давление вблизи режущей кромки зуба типа “слепушон-
ка” в 1,7…2,0 раза ниже, чем у клиновидного.
Характеру распределения нормального давления (см. рис. 9) соответст-
вуют эпюры износа задней поверхности зубьев (рис. 10). Максимальный износ
наблюдается вблизи режущей кромки.
Формоизменение зуба с оптимальной геометрией в процессе изнашивания
(рис. 10) характеризуется более равномерным распределением износа по по-
верхности трения, чем в случае с клиновидным зубом (рис. 10) . Показательно,
что режущая часть биомеханической модели сохраняется практически неиз-
менной при положительном заднем угле резания благодаря выбранной кривиз-
не зуба, т.е. реализуется его самозатачивание.
Характерно, что в пределах наработки до 480 часов зависимость износа
клиновидных и оптимизированных зубьев от усилия на кромке, носит линей-
ный характер во всем рассмотренном диапазоне значений от 10
4
до 5
.
10
4
кН
(рис. 10). При большей наработке линейная зависимость может быть также
принята в диапазоне усилий от 2
.
10
4
до 5
.
10
4
кН. Для усилий до 2
.
10
4
кН линей-
ную связь можно принять для всего диапазона наработок.
Рис.3.9.
Рис. 10. Изменение формы клиновидного зуба в процессе изнашивания при наработке:
1 -
120час.;
2 –
360час.;
3 –
600час.;
4 –
840час.;
5 –
1200час
Отношения коэффициентов износа для клиновидного зуба и биомехани-
ческой модели зуба, характеризующие влияние формы режущего элемента, да-
ны в табл. 2.
Отношения коэффициентов износа отражают влияние на износ формы
зуба и должны соответствовать значениям коэффициента формы зуба.
Р = 50 кН, Сталь 40Х
а)
И
з н
о
с ,
м
м
331,8
259,7
205,4
142,5
61,7
5
4
3
2
1
б)
Р = 50 кН, Сталь 40Х
с наплавкой Х - 5
5
4
3
2
1
76,7
57,9
44,1
28,8
17,1
24
Рис. 11. Изменение формы режущей части биомеханической модели в процессе
изнашивания при наработке:
1-
120 час.;
2
- 360 час.;
3
- 600 час.;
4-
840 час.;
5-
1200 час.
Сопоставление данных показало, что расчетные и экспериментальные
показатели формы зуба вполне удовлетворительно соответствуют друг другу:
расчетные показатели находятся в интервале 18…34, а экспериментальные – в
интервале 12…18%. Видно, что предельные нижние и верхние значения совпа-
дают. Это обстоятельство подтверждает корректность заложенных в расчет
предпосылок о степени влияния на износ биомеханической оптимизации фор-
мы режущих элементов.
По зависимостям износа от усилия на режущей кромке клиновидного и
оптимизированного зубьев, представленным на рис.10 и рис. 3.11, видно, что
при износе до 80 мм связь между износом и усилием можно считать линейной.
Коэффициенты пропорциональности (коэффициенты износа) имеют следую-
щие значения (табл.2):
281,2
218,28
Р = 50 кН, Сталь 40Х
37,1
172,6
118,78
50,49
И
з
н о
с ,
м
м
5
4
3
2
1
48,26
Р = 50 кН, наплавка Х5
11,5
63,07
35,96
23,4
8,49
5 4 3 2 1
25
Коэффициенты износа клиновидных и оптимизированных
зубьев с наплавкой Э-300Х25Г2Р2СТ
Таблица 2
Форма зуба
Н а р а б о т к а з у б а , час.
120
240
480
720
960
1200
Клиновидная
Биомодель
2,01 10
-3
1,68 10
-3
3,79 10
-3
3,18 10
-3
6,86 10
-3
5,71 10
-3
9,51 10
-3
8,06 10
-3
1,19 10
-3
9,9 10
-3
1,41 10
-2
1,17 10
-2
Коэффициент
формы зуба
1,196
1,192
1,201
1,180
1,202
1,205
В четвертой главе “Разработка методов упрочнения зубьев ковшей карь-
ерных экскаваторов” приведены результаты исследований по разработке ме-
тодов упрочнения зубьев ковшей карьерных экскаваторов.
Объектами исследований являлись карьерные экскаваторы ЭКГ – 8И и
ЭКГ – 10, эксплуатирующиеся на карьере “Мурунтау” Навоийского Горно-
металлургического комбината (НГМК).
Проведенные наблюдения позволили установить, что в зависимости от
режима эксплуатации зубьев, характер их изнашивания разделяется на два ос-
новных типа. В первом случае (основной режим), вновь установленные на
ковш зубья эксплуатируются до предельного износа без переустановки. При
этом, через 8 – 10 маш. – час. работы на режущей части зуба образуется
площадка износа, угловое положение которой относительно продольной оси
зуба в течение всего процесса изнашивания остается постоянным. По мере
укорочения режущей части длина площадки износа постепенно увеличивает-
ся, достигая максимального значения при предельно допустимом износе острия
зуба.
Площадка износа представляет собой выпуклую поверхность со скругле-
нием на режущей кромке зуба. Касательная к середине площадки износа, по-
видимому, совпадает с касательной к траектории движения зуба, т.е. передняя
поверхность зуба и касательная к площадке износа образуют действительный
угол резания.
Измерения партии изношенных зубьев экскаваторов ЭКГ – 8И и ЭКГ -
10 показали, что при максимально допустимом линейном износе режущей час-
ти
L
ПР
=
170-180 мм, длина площадки износа составляет
L
=160-180мм, а угол
между касательной к середине площадки износа и продольной осью зуба со-
ставляет 30-35
0
.
На изношенных рабочих поверхностях зубьев наблюдались многочис-
ленные риски в виде макро- и микроцарапин средней глубиной от 25 до 5000
мкм с относительно небольшим количеством макро- и микровырывов средней
площадью от 100 мк
2
до 10 мм
2
при глубине от 10 до 500 мк. Вместе с тем от-
мечен ряд царапин глубиной до 4-5мм и длиной до 40-50мм, а также вырывов
глубиной до 3-5мм и площадью до 8-12мм
2
. Остальные поверхности зубьев по-
крыты редкими макро- и микроцарапинами и вырывами глубиной от 5 до 400
мк.
26
1
2
3
4
5
40
40
40
40
Рис. 12. Схема измерения твердости на
площадке износа
С целью более глубокого изучения картины изнашивания было прове-
дено лабораторное исследование фрагмента площадки износа зуба. При этом
определялись: химический состав материала образца, его микроструктура,
твердость металла на поверхности площадки износа и наличие на ней наклепа.
Микроструктура металла образца представляла собой аустенит с вели-
чиной зерна, соответствующей 4-5 баллу, отдельные зерна оценивались в 3
балла. По величине зерна исследованный металл был отнесен к группе крупно-
зернистых.
Твердость металла на поверхности площадки износа определялась по
всей ее длине. На рис. 12 приведена схема расположения точек, в которых
проводились измерения твердости.
Получены следующие данные:
точка
1 – НВ 286
; точка
3 – HB 201;
точка
5 – HB 206.
точка
2 – НВ 232;
точка
4 – НВ 208;
Для установления наличия на-
клепа на площадке износа из фраг-
мента зуба был вырезан образец с
участком площадки износа, располо-
женным вблизи точки 1(см. рис. 12).
Соответствующие измерения на по-
верхности, перпендикулярной пло-
щадке износа, показали, что в по-
верхностном слое толщиной 0,45 мм
микротвердость составляет Н
м
= 645 кг/мм
2
, а в сердцевине Н
м
= 412 кг/мм
2
, что
указывает на существование незначительного упрочнения (наклепа) тонкого
слоя изношенной поверхности.
С целью проверки эффективности наплавки как метода упрочнения
зубьев ковшей карьерных экскаваторов нами была произведена опытная на-
плавка режущих частей зубьев электродами Т –590 и Х – 5.
Общий анализ закономерностей изнашивания исследуемых зубьев по-
зволил установить основные причины малоэффективности как наплавки, так и
других методов поверхностного упрочнения зубьев карьерных экскаваторов:
во-первых, толщина упрочненного поверхностного слоя (4 –6 мм и т.п.) по ме-
ре износа режущей части очень быстро становится несоизмеримо малой по
сравнению с геометрическими размерами поперечных сечений режущей части
зуба и в конце процесса износа уменьшается настолько, что практически не
влияет на ее износостойкость, во–вторых, наплавленный слой располагается
крайне невыгодно по отношению к площадке износа, т.е. к главной поверхно-
сти износа, образующей с наплавленной поверхностью угол 60 – 65
0
. В ре-
зультате этого основные изнашивающие нагрузки воспринимаются неупроч-
ненным металлом режущей части зуба, что и вызывает его интенсивный износ.
Отсюда следует, что существенное повышение долговечности зубьев карьер-
ных экскаваторов можно получить только с помощью методов объемного уп-
рочнения металла режущей части зубьев.
27
Рис. 13. Общий вид рабочего органа
рыхлителя на базе бульдозера ДЗ-42
В данной работе нами предложена одна из таких технологий. Она осу-
ществляется на установке для электрошлаковой наплавки (ЭШН) зубьев и за-
ключается в приварке к телу зуба наконечника, получившего объемное уп-
рочнение.
Результаты проведенных исследований показали, что, во-первых, сталь
110Г13Л обладает технологической совместимостью (т.е. хорошим сплавлени-
ем) со сталями, имеющими отличную от аустенита структуру и, следовательно,
имеется возможность практической реализации предлагаемой технологии на
установке ЭШН, во-вторых, достигнуто увеличение износостойкости режущей
части зуба на 90 - 100% по сравнению с эталонными зубьями, т.е. долговеч-
ность зуба, восстановленного по предлагаемой технологии возросла не менее
чем в 1,9 раза по сравнению с зубом, отлитым из стали 110Г13Л.
В пятой главе “Производственные испытания экспериментальных рабо-
чих органов и наплавочных материалов” приводятся результаты производст-
венных испытаний экспериментального рабочего органа рыхлителя, выпол-
ненного виде пары биологического объекта резцов животного - прототипа
(El-
lobius talpinus)
и режущих элементов землеройных машин, наплавленных
опытными наплавочными материалами.
Испытания биологического прототипа. В испытаниях устанавливалась
эффективность оптимизации формы зубьев рыхлителя ДЗ - 42 биологического
прототипа с точки зрения их износостойкости и долговечности.
Для проведения испытаний были изготовлены два комплекта биологиче-
ского прототипа нижних резцов – слепушонки обыкновенной
(Ellobius
talpinus).
Определение основных размеров биологического прототипа выпол-
нялось при условии равенства ширины
b
бм
режущей части биомодели и шири-
ны
b
нр
наконечника зуба базового рыхлителя:
b
бм
= b
нр
. В соответствии с этим
условием коэффициент увеличения размеров резцов определялся по выраже-
нию:
K
у
=
бп
р
нр
b
b
.
,
где
b
р.бп
- ширина резца биологи-
ческого прототипа.
Комплект биологического про-
тотипа состоял из двух резцов (далее -
опытных зубьев), представляющих со-
бой зеркальное отражение друг друга.
На стойке рыхлителя опытные зубья
устанавливались попарно с шагом
t,
который определялся умножением на
коэффициент
К
у
величины межрезцо-
вого расстояния роющего аппарата
биологического прототипа, благодаря
чему выдерживалось максимально
возможное конструктивное соответст-
вие опытного рабочего органа биоло-
28
гическому прототипу. Общий вид опытного рабочего органа рыхлителя ДЗ - 42
приведен на рис. 13. Опытные зубья изготовлялись методом литья из стали
35ГЛ с последующей упрочняющей обработкой их режущих частей. Выбор
технологии упрочнения зубьев основывался на результатах испытаний износо-
стойкости лабораторных образцов упрочненных биомоделей. В качестве ос-
новного упрочняющего наплавочного материала были выбраны электроды Х–
5, обеспечивающие наиболее высокую износостойкость изнашивающимся по-
верхностям.
Эффективность применения исследуемых наплавочных материалов
(электродов Т –590 и Х – 5) устанавливалась путем экспериментальных напла-
вок на зубья ковшей экскаваторов ЭО – 3322 и ЭО – 4121. Во время экспери-
ментов экскаваторы разрабатывали грунты II категории, влажностью
= 16 –
18% и с числом ударов плотномера ДорНИИ С =8…15.
Передние и задние поверхности режущих частей опытных зубьев на-
плавлялись исследуемыми электродами. Толщина наплавленного слоя состав-
ляла 4 – 6 мм.
Испытания проводились методом сравнения скорости и интенсивности
изнашивания неупрочненных (эталонных) зубьев и зубьев с опытной наплав-
кой. Для этого на один ковш устанавливались два эталонных зуба и два опыт-
ных. Износ зубьев определялся как величина абсолютного укорочения
l
ре-
жущей части зуба относительно измерительной базы, нанесенной на боковую
поверхность зуба. Измерения износа проводились через 50 мото-ч работы под-
контрольных машин.
При испытаниях наплавленных режущих органов регистрировался износ
зубьев и объем грунта, разработанного машиной с начала проведения экспери-
мента.
На рис. 14 показаны образцы зубьев экскаваторов ЭО – 4121 и ЭО –
3322, упрочненные опытной наплавкой.
а)
б)
Рис. 14. Общий вид клиновидных зубьев ковшей экскаваторов ЭО –4121 (а) и ЭО – 3322 (б)
В отличие от выполненных ранее исследований, в данной работе, для
оценки контактного взаимодействия пары металл - абразивная среда и опреде-
ления интенсивности изнашивания зубьев нами впервые был применен метод
построения кривой опорной поверхности.
29
Кривая опорной поверхности строилась с помощью параметров
b
и
v
сте-
пенной аппроксимации начального участка опорной кривой. Вычисление па-
раметров
b
и
v
производилось по средненму арифметическому отклонению
профиля
R
a
и значениям
R
ma
x
и
R
p
рассчитанным по 5 участкам профилограмм
изношенных поверхностей режущих частей зубьев, упрочненных опытными
наплавочными материалами.
Профилограммы исследованных поверхностей снимались при помощи
электронного быстродействующего самопишущего прибора PERTH-O-METER
типа DWR-LP (Германия). Профилограммы записывались на электросентив-
ную диаграммную ленту шириной 44 мм на контрольных базах длиной 10 мм в
поперечном и продольном направлениях передней грани зуба.
Продольные профилограммы снимали по оси симметрии зуба, попереч-
ные - через середины продольных баз. Вертикальное и горизонтальное увели-
чения составляли соответственно 200 и 40 раз.
Все характеристики, относящиеся к микрогеометрии поверхности, объе-
динений индексом:
=
R
b
R
v
/
1
max
По полученным данным оценивалась конструкционная износостойкость
рабочих органов рыхлителя и опытных зубьев ковшей экскаваторов.
Биологический прототип. Конструкционная износостойкость опытных и
эталонных зубьев рыхлителя оценивалась по двум безразмерным показателям
пп
и
зп
представляющим собой отношения абсолютных линейных износов,
измеренных по нормали к соответственно передней и задней поверхностям
(индексы “ПП” и “ЗП”) клиновидного наконечника
i
кл
и режущей части
опытного зуба
i
оп
:
пп
=
пп
оп
пп
кл
i
i
и
зп
=
зп
оп
зп
кл
i
i
Результаты обработки данных, полученных в ходе испытаний опытных
зубьев приведены в табл. 3:
Износ опытных зубьев и наконечников рыхлителя ДЗ-42
Таблица 3
Расстояние
от передней
кромки, мм
Клиновидный зуб,
мм
Опытный зуб, мм Относительная
Износостойкость
Передняя
Грань
Задняя
грань
Передняя
грань
Задняя
грань
Передняя
Грань
Задняя
Грань
7
15
35
55
11,40
8,20
7,95
7,35
2,05
1,40
1,25
1,20
9,20
6,25
6,20
5,65
1,35
0,90
0,85
0,80
1,24
1,31
1,28
1,30
1,52
1,56
1,47
1,50
Данные табл.4 показывают, что проведенная оптимизация формы зуба и
его упрочнение по комбинированной схеме электродами Х-5 и Т – 590 привела
к повышению износостойкости передней поверхности режущей части зуба на
30
24... 31% по сравнению с клиновидным наконечника зуба; износостойкость
задней поверхности при этом повысилась в 1,5 раза.
По данным, полученным при испытаниях упрочненных зубьев на экска-
ваторах, вычислялась скорость изнашивания зубьев:
v
изн
=
l
, мм/мото-ч
По результатам испытаний упрочненных зубьев на экскаваторах ЭО –
4121, по объему разработанного грунта
(W
г
)
и величине износа
l,
вычислялся
темп изнашивания зубьев:
T
=
г
W
l
, мм/м
3
Относительная конструкционная износостойкость зубьев определялась как
отношение скоростей или темпов изнашивания серийных и опытных зубьев:
v
=
on
c
v
v
и
=
оп
с
.
При вычислениях величин
v
и
за эталон сравнения принимались зу-
бья из стали 110Г13Л, наплавленные электродами Т – 590.
В табл. 4 приведе-
ны результаты выполненных вычислений.
Износ опытных зубьев ковшей экскаваторов
Таблица 4
Материал
Твер-
дость
HRC(HB)
ЭО – 3322
ЭО – 4121
l,
мм
V,
Мм/ч
-
1
v
l,
мм
10
3
мм/м
3
Сталь 40Х
Сталь 110Г13Л
Наплавка Х – 5
на сталь 40Х
Наплавка Х – 5
на 110Г13Л
Наплавка Т– 590
на 110Г13Л
36…38
205…209
60…63
60…63
57…59
24,9
36,8
6,6
9,7
16,5
0,25
0,37
0,07
0,10
0,17
0,66
0,45
2,50
1,70
1,0
25,2
35,2
8,3
11,9
18,9
2,5
3,5
0,8
1,2
1,9
0,75
0,54
2,28
1,59
1,0
П р и м е ч а н и е:
l
– линейный износ за время эксперимента;
v
– ско-
рость изнашивания;
- темп изнашивания;
-
относительная износостой-
кость.
Анализ данных табл.4 показал, что оптимальным вариантом для ковшей
экскаваторов ЭО – 3322 и ЭО - 4121 будет применение зубьев из стали 40Х,
наплавленных электродами Х-5. При этом их износостойкость возрастет в
1,6....2,5 раза по сравнению с эталонными зубьями из стали 110Г13Л, наплав-
ленными электродами Т -590 .
Полученные результаты достаточно точно подтвердили данные лабора-
торных испытаний износостойкости наплавок Х – 5 и Т – 590 (см. табл. 1. ).
31
Результаты определения характеристик микрогеометрии фрагментов из-
ношенных зубьев экскаватора ЭО – 4121 приведены в табл.5 и табл.6. Пример
построения кривых опорной поверхности для изношенного зуба, наплавленно-
го электродами Т – 590, представлен на рис.15.
Представляет интерес оценка направленности следов трения, которую,
по нашему мнению, можно оценить отношением
m =
поп
/
пр
.
Значение данного показателя приведено в табл.5. При
m
>1 изнашивание
зубьев происходит при трении продольного скольжения абразивных частиц по
поверхности, при
m
<1 имеет место поперечное скольжение абразивных частиц,
при
m
=1 направленного скольжения абразивных частиц нет.
Это возможно либо при ударно-абразивном изнашивании, либо при рав-
новероятном скольжении частиц в обеих направлениях.
Анализ значений интенсивности изнашивания, полученных по парамет-
рам продольной шероховатости (табл.7) показывает их заметные колебания на
5 порядков. Значения интенсивности, определенные по параметрам поперечной
шероховатости (табл.7) отличаются меньшей чувствительностью к исходным
аргументам и характеризуются практически неизменным порядком 10
-3
.
Характеристики микрогеометрии поверхности трения
по параметрам поперечной профилограммы
Таблица 5
Марка
Элек-
трода
R
поп
R
max
b
v
b
1/v
m
Т
1
– 590
Т
2
– 590
ВСН – 6
110Г13Л
Х – 5
60
40,5
161
56,2
78,12
15
16
18
18
13
3,82
0,739
1,227
4,067
1,23
1,57
2,12
2,62
1,72
1,45
2,35
0,867
1,08
2,26
1,15
0,1064
0,456
0,104
0,142
0,145
6,73
8,3
0,83
0,10
1,13
Характеристики микрогеометрии поверхности трения
по параметрам продольной профилограммы
Таблица 6
Марка
Элек-
трода
R
пр
R
max
B
v
b
1/v
пр
Т
1
– 590
Т
2
– 590
ВСН – 6
110Г13Л
Х – 5
124
40
1545
192,5
117
7
20
22
14
14
0,32
0,43
1,234
0,565
1,23
1,394
0,85
1,01
0,85
3,26
0,44
0,37
1,23
0,37
1,065
0,1282
1,351
0,0158
1,1351
0,1124
32
Значения интенсивности изнашивания по параметрам
продольных профилограмм
Таблица 7
Марка
Электро-
да
b
пр
R
max
пр
l
J
пр
ВСН – 6
Т – 620
Х – 5
110Г13Л
Т
1
– 590
Т
2
– 590
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,234
4,44
1,23
0,565
0,43
0,32
0,0041
0,00156
0,169
0,00929
0,0038
0,717
22
24
14
14
20
7
33,125
5,52
28,63
13,64
5,34
59,7
6,192
.
10
-4
1,164
.
10
0
4,902
.
10
-3
1,645
.
10
-2
4,110
.
10
-4
5,200
.
10
-1
Значения интенсивности изнашивания по параметрам
поперечных профилограмм
Таблица 8
Марка
Электро-
да
b
поп
R
max
l
поп
J
поп
ВСН – 6
Т – 620
Х –5
110Г13Л
Т
1
– 590
Т
2
– 590
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,227
17,5
1,23
4,067
3,82
0,739
0,109
0,0278
0,0184
0,0172
0,012
0,0827
18
11
13
18
15
16
30,96
9,579
36,34
8,969
7,396
14,180
4,365
.
10
-3
2,448
.
10
-3
6,804
.
10
-3
7,560
.
10
-3
2,360
.
10
-3
1,663
.
10
-3
Таким образом, можно заключить что интенсивность изнашивания, рас-
считанная на основе экспериментальных данных о микротопографии поверх-
ностей трения, изменяется от 10
о
до 10
-4
.
0,5
0,25 0,50 0,75
0,5
t
p
a)
b =2,97
=1,768
t
p
Рис. 15. Кривые опорной поверхности, построенные по продольной
(а)
и попереч-
ной
(б)
профилограммам (зуб с наплавкой Т – 590).
0,25 0,50 0,75
б)
b =1,91
=1,58
0,5
33
Сравнение значений безразмерной интенсивности изнашивания, полу-
ченных на основе экспериментально-аналитического расчета и при математи-
ческом моделировании энергетическим подходом, численным методом изна-
шивания, свидетельствует об одинаковом их порядке и виде контактного взаи-
модействия. Следовательно, корректность выбранной математической модели
изнашивания подтверждается экспериментально- аналитическим расчетом на
основе эксплуатационных данных.
Рассмотрение связи безразмерных интенсивности изнашивания
J
и ком-
плексного показателя микрошероховатости
указывает на сложную, в первом
приближении, линейную зависимость. Можно полагать, что увеличение пока-
зателя приводит к увеличению интенсивности изнашивания, при этом резкое
снижение последней достигается при значениях
от 0,05 до 0,2. В области
больших
значений интенсивность изнашивания асимптотически устремляет-
ся к минимальному для данного механизма изнашивания значению.
Сопоставление интенсивностей изнашивания различных наплавочных
материалов показало, что относительная износостойкость при вычислении че-
рез параметры поперечной шероховатости имеет следующий ряд:
Значения относительной износостойкости
опытных наплавочных материалов
Таблица 9
Х – 5
Т – 590
Т – 620
ВСН – 6 110 Г 13 Л
11,1
3,8
3,08
1,73
1,0
Износостойкость наплавки Х-5 в 2,9 раза превышает износостойкость
наплавки Т-590, что также удовлетворительно согласуется с результатами ла-
бораторных и натурных испытаний.
На следующем этапе исследований была установлена зависимость про-
изводительности экскаватора
Q
от величины линейного износа
h
зубьев
ковша, т.е. вида функции
Q = f(
h).
Опытные замеры производительности
Q
i
подконтрольных экскаваторов
и линейного износа
h
i
зубьев их ковшей проводились через каждые 50 мото –
ч работы этих машин.
По результатам испытаний была рассчитана часовая эксплуатационная
производительность экскаваторов для всех проведенных опытов и после соот-
ветствующей обработки полученных данных, установлена зависимость:
Q = Q
o
– 0,575
h,
где
Q
o
–производительность экскаватора при работе с неизношенными зубья-
ми.
Из выражения
Q
следует, что по мере возрастания износа
h
зубьев
производительность экскаватора снижается практически линейно.
Уместно отметить, что предлагаемое упрочнение режущих органов на-
плавкой электродами Х – 5 повышает конструкционную износостойкость ре-
34
жущих органов в 2,0…2,5 раза, а это равносильно возрастанию производитель-
ности землеройных машин на 18…21%.
На заключительном этапе исследований рассчитывалась экономическая
эффективность от увеличения срока службы режущих органов землеройных
машин и карьерных экскаваторов путем их наплавки износостойкими электро-
дами по сравнению с существующей технологией изготовления и упрочнения.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов в народное хо-
зяйство Республики Узбекистан составляет 5,28 млрд. сум, по состоянию на
2003 год полученный экономический эффект 82,43 млн.сум.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Проведенные теоретические, биомеханические и экспериментальные ис-
следования позволили сформулировать следующие выводы и рекомендации.
1.Условия эксплуатации землеройных машин в регионе Центральной
Азии характеризуются комплексом неблагоприятных факторов тяжелыми при-
родно-климатическими условиями, трудностью разработки Центрально-
азиатских грунтов, отличающихся высокой загипсированностью, пересушен-
ностью, засоленностью и абразивностью, значительным содержанием (от 35 до
85%) твердых пород (кварц, диорит и т.п.), приводящим к 1,5 …2 кратному
снижению ресурса режущих элементов и повышения энергоемкости разработ-
ки на 60-100%, а также снижение производительности на 10-40%. Установлено
ведущим видом поверхностного разрушения (изнашивания) режущих элемен-
тов рабочих органов землеройных машин, разрабатывающих грунты является
абразивный износ сопровождающийся микрорезанием рабочих поверхностей
твердыми частицами грунта, причем интенсивность изнашивания колеблется в
пределах от 10
0
до 10
-4
.
2. Разработана дискретная фазовая динамическая модель резания грунта
режущими органами машин, которая при формализации процесса обладает
главным достоинством – общностью принципа при всем многообразии свойств
грунтов и горных пород при стружкообразовании, опережающей трещины по-
зволяющий развитие научных основ теории изнашивания режущих органов
машин.
3. Одним из путей существенного улучшения конструктивных и эксплуа-
тационных качеств рабочих органов землеройных машин является биомехани-
ческий метод, в основе которого лежит принцип воссоздания в рабочих орга-
нах реальных землеройных машин “конструктивных” решений, найденных жи-
вой природой в процессе эволюции животных-землероев.
4. Для обеспечения износостойкости исходя из требований к режущим
органам выявленных из биомеханических исследований в натурных режущих
элементах удается также воспроизвести очень важное свойство их природных
аналогов – способность самозатачиваться в процессе изнашивания, что обеспе-
чивает наиболее благоприятные условия работы всего рабочего органа.
5. Установлено, что при этом, в зависимости от глубины резания, в не-
сколько раз (в 1,6…2,8 раза) снижается сила сопротивления резанию, значи-
35
тельно увеличивается износостойкость режущих частей элементов и на
16…21% повышается производительность всего рабочего органа.
6. Упрочнение режущих элементов рабочих органов землеройных ма-
шин, эксплуатирующихся в абразивных грунтах, следует проводить высоко-
углеродистыми борсодержащими наплавочными материалами. Причем опти-
мальное содержание бора в наплавленном слое должно составлять 2,0…2,2%.
При указанном содержании бора микротвердость основы повышается до 10200
МПа, упрочняющей фазы – до 19500 МПа, а агрегатная твердость наплавлен-
ного слоя, при его достаточной вязкости, увеличивается до значения
HRC
60…64.
7. Разработана многофакторная математическая модель процесса абра-
зивного изнашивания режущих элементов рабочих органов землеройных ма-
шин. Разработанная модель дает возможность установить характер распреде-
ления давления и основные закономерности протекания процесса износа на
задней поверхности режущей части рабочих органов. Предлагаемая математи-
ческая модель с максимальной полнотой учитывает как геометрическую фор-
му режущих органов, так и влияние всех основных факторов влияющих на
протекание исследуемого процесса.
8. Адекватность разработанной математической модели доказана срав-
нением расчетных данных и результатов лабораторных, а также эксплуатаци-
онных испытаний моделей режущих органов и их опытных образцов. Выпол-
ненное сравнение показало их хорошую сходимость, что подтвердило обосно-
ванность введения в математическую модель энергетических факторов, харак-
теризующих состояние материала зубьев в поверхностных слоях, непосредст-
венно контактирующих с изнашивающей абразивной массой.
9. На основе созданной математической модели разработана методика
инженерного расчета износостойкости натурных режущих элементов земле-
ройных машин. Предлагаемая методика прогнозирования износа режущих ор-
ганов позволяет учитывать различные формы на стадии проектирования оце-
нивать изменение эксплуатационных характеристик рабочего органа.
10. Доказано, что высокая интенсивность изнашивания зубьев из литой
стали 110Г13Л обусловлена отсутствием глубокого наклепа металла на их
рабочих поверхностях, а скорость изнашивания опережает темп наклепыва-
ния металла рабочих поверхностей, твердость которых становится на 16-
30% ниже исходной.
11. Проблема повышения износостойкости зубьев карьерных экскава-
торов не может быть решена с помощью традиционных (поверхностных) мето-
дов упрочнения. Для достижения практически значимой величины увеличения
долговечности указанных зубьев необходимо применять методы, обеспечи-
вающие упрочнение всего объема металла режущей части зубьев. Доказана
эффективность предложенной технологии упрочнения зубьев: ее применение
приводит к увеличению износостойкости зубьев карьерных экскаваторов в
1,2…1,9 раза.
36
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
В научных журналах:
1. Шукуров Р.У. Методика расчета на долговечность режущих элемен-
тов ковшей экскаваторов и рыхлителей. //«Механизация хлопководства».
Ташкент 1986. № 6, с. 10-11.
2. Шукуров Р.У. Методы повышения долговечности режущих органов
землеройных машин. //«Механизация хлопководства». 1986. № 11. Ташкент. с.
5-6.
3. Волков Д.П., Густов Ю.И. Шукуров Р.У Износостойкие зубья земле-
ройных машин для Средней Азии. /«Строительные и дорожные машины».
1987, №10. Москва. с. 8-10.
4. Густов Ю.И., Абдуллаев А., Шукуров Р.У. Расчет ресурса криволиней-
ных зубьев ковшей экскаваторов. //«Механизация хлопководства». 1986. № 2.
Ташкент. с. 14-16.
5. Волков Д.П., Густов Ю.И., Шукуров Р.У, Абдуллаев А. Формоизмене-
ние режущих элементов - резерв для повышения долговечности и произво-
дительности экскаваторов. //«Механизация хлопководства». 1989. №2. Таш-
кент. с. 17-18.
6. Шукуров Р.У., Брыков В.П., Каримходжаев М.М. «Сменый рабочий
орган к экскаватору». //«Механизация хлопководства». 1991. № 1. Ташкент. с.
4-5
7. Шукуров Р.У. Биомеханика ва ишкаланиш. //“Автотранспорт Узбеки-
стана”. Ташкент 1997. № 5-6. с. 2.
8. Шукуров Р.У. У природы нет плохих механизмов. //«Автотранспорт
Узбекистана». Ташкент 1997. № 3 С.46-47
9. Шукуров Р.У. Эффективность методов упрочнения зубьев экскавато-
ров. //Вестник ТГТУ «Современные проблемы технических наук». - Ташкент,
ТГТУ, 1999. с. 121-125.
10. Шукуров Р.У. Упрочнение зубьев экскаваторов. //«Транспорт» наука,
техника, управление. 2000. №7, Москва.с. 28-30.
11. Кадыров С.М., Шукуров Р.У. Расчет интенсивности изнашивания
режущих органов землеройных машин. //«Транспорт» наука, техника,
управление. 2000. №7, Москва, с. 33-35.
12. Шукуров Р.У. Бионика ва техника. //«Фан ва турмуш». 2000.
№4. Тошкент. с. 3.
13. Шукуров Р.У., Абдуллаев А.М. «Повышение износостойкости зубьев
карьерных экскаваторов». //«Архитектура и строительство Узбекистана». Таш-
кент . 2002, № 1., с. 12-14
14. Шукуров Р.У. Выбор способа повышения износостойкости рабочих
органов дорожно-строительных машин. //«Транспорт», наука, техника, управ-
ление. 2000. №9 Москва. с.32-34.
15. Шукуров Р.У. Выбор рациональной формы рабочих органов земле-
ройных машин. //«Сельское хозяйство Узбекистана». Ташкент 2000. №5, с. 49-
50.
37
16. Кадыров С.М., Шукуров Р.У., Ишунин А.К. Численный метод расче-
та долговечности режущих органов землеройных машин. //Узбекский жур-
нал АН РУз “Проблемы механики”.Ташкент 2000. № 3. с. 43-48.
17. Шукуров Р.У. Чидамлилик, ейилиш, ички энергия. //«Узбекистон
кишлок хужалиги». Ташкент 2000. № 6. с. 37-38
18. Кадыров С.М., Шукуров Р.У. Энергетический подход к расчету изно-
са режущих органов землеройных машин. //Горный вестник Узбекистана. Таш-
кент 2000. № 2 . с. 14-18.
19. Шукуров Р.У., Карлыбаев М.М. Выбор рациональной формы рабочих
органов мелиоративных машин. //Вестник Каракалпакского отделения Акаде-
мии наук РУз. 2000. № 4. ККО АН РУз. с. 29-30.
20. Шукуров Р.У. Влияние формы режущих органов землеройных машин
на их ресурс. //«Транспорт» наука, техника, управление.Москва 2001. №
3. с. 24-25.
21. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование в создании режущих
органов землеройных машин. //«Строительные и дорожные машины».Москва
2001. № 3. с. 37-39.
22. Шукуров Р.У., Абдуллаев А.М. Ер казиш машиналарини кесувчи
кисмларини ейилшида ички энергия. //"Архитектура и строительство Узбеки-
стана". Ташкент 2002. № 1. с. 12-14.
В сборниках научных трудов
1.Волков. Д.П., Шукуров Р.У. Математическое моделирование износа
рабочих органов землеройных машин на ЕС ЭВМ. В кн. «Пути повышения
эффективности использования автомобильного транспорта и дорожных машин:
Сб. тр. – Ташкент, 1983. выпуск № 153. -11-17 с.
2. Шукуров Р.У. Программа расчета на долговечность зубьев ковшей
экскаваторов: Сб. науч. тр. НПО Кибернетика АН РУз. – Ташкент, 1986. Алго-
ритм. Вып. 53. 72-78 с.
3. Шукуров Р.У. Густов Ю.И. Зуб к ковшу экскаватора для разработки
высокоабразивных грунтов. //Сб. тр. регион. науч. тех. конф. «Эксплуатация
машин в суровых условиях». – Тюмень, 1989. с. 6-9.
4. Шукуров Р.У Густов Ю.И., Абдуллаев А. Усовершенствование кон-
струкции режущих элементов рабочих органов землеройных машин. //Сб. тр.
ХIХ научно-технической конф. профессорско-преподавательского состава
ТАДИ. – Тошкент, 1991. с. 46-48.
5. Шукуров Р.У. Повышение эффективности использования одноковшо-
вых экскаваторов. //Сб. науч. тр. ХХ научно-технической конф. профессорско-
преподавательского состава ТАДИ. Часть II. Ташкент, 1994. с. 118-119.
6. Шукуров Р.У., Азизов А. Ресурсы повышения долговечности и произ-
водительности экскаваторов. //Сб. науч. тр. межд.науч.-тех.конф. «Проблемы
развития автотранспортных транзитных коммуникаций в Центрально-
азиатском регионе».- Ташкент, Том 1, 1996. с. 51-53.
7. Шукуров Р.У. Усовершенствование конструкции режущих элементов
рабочих органов одноковшовых экскаваторов. //Сб. науч. тр. Респ. науч. тех.
38
конф. «Развитие автомобильно–дорожного комплекса Республики Узбекистан
в условиях рыночной экономики». - Ташкент, 1997. с. 241-242.
8. Шукуров Р.У. Повышение долговечности зубьев землеройных машин
на основе биомеханического моделирования. //«Узбекистон мустакиллиги
унинг фани ва технологияларини ривожлантириш кафолати». II Республика
илмий коллоквиуми. УРФТДК ОАК. - Ташкент, 1997. с. 102-105.
9. Шукуров Р.У. Комплексный подход повышения долговечности режу-
щих органов землеройный машин. //Сб. науч. тр. Респ. науч. конф. «Развитие и
эффективность автомобильно-дорожного комплекса республики Узбекистан в
условиях рыночных отношений». - Ташкент, 1998. с. 231-236.
10. Кадыров С.М., Шукуров Р.У. Расчет режущих органов землеройных
машин на износ. //Сб. науч. трудов научной Республиканской конференции
«Института механики и сейсмостойкости сооружений”. АНУзР. Ташкент, Фан,
1999. с. 565-568.
11. Шукуров Р.У. Эффективность функционирования рабочих органов
землеройных машин. //Сб. науч. тр. межд. науч. тех. конф. ТАДИ. “Развитие и
эффективность автомобильно-дорожного комплекса в Центрально-азиатском
регионе”. - Ташкент, 2000, с. 161-166.
12. Кадыров С.М., Шукуров Р.У Прогнозирование изнашивания режущих
органов землеройных машин. //Сб. науч. тр. международной науч. тех. конф.
«Автотранспортный комплекс проблемы и перспективы развития». МАДИ.
Москва, 2000. с. 142-145.
13. Шукуров Р.У. Энергетический подход к решению задач в области
абразивного изнашивания рабочих органов землеройных машин. //Сб. науч. тр.
Респ. Научно-практической конференции "Пути развития транспортных ком-
муникаций Республики Узбекистан". Ташкент 2002. с. 27 - 29.
14. Шукуров Р.У., Абдуллаев А.М. Формализация процесса изнашивания
режущих
элементов
землеройных
машин.
//Сб.науч.трудов
Рес-
пуб.науч.практ.конференции ТАДИ. II часть, Ташкент 2004 г. с. 64-66
15. Шукуров Р.У. Энергетика процесса изнашивания рабочих органов
землеройных машин. //Сб.науч.трудов Респуб.науч.практ.конференции. ТАДИ.
II часть. Ташкент. 2004 г. с. 66-69
В тезисах научных докладов
1. Густов Ю.И., Тылкин М.А., Шукуров Р.У. Повышение долговечно-
сти рабочих органов землеройных машин в условиях жаркого климата. //Тез.
Всесоюзной конф. по повышению эффективности использования автомобиль-
ного транспорта и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высо-
когорных районов. Вып. l. - Ташкент, 1982. с. 200-201.
2.Тылкин М.А., Густов Ю.И., Шукуров Р.У. Износостойкость наплав-
ленных эвтектических сплавов. //Тез. ll Всесоюзной конф. “Закономерности
формирования структуры сплавов эвтектического типа“. ТМЕТИ. - Днепро-
петровск, 1982. с. 240-241.
3. Абдуллаев А., Кочев В.П., Шукуров Р.У. Повышение долговечности
режущих элементов в землеройных машинах. //Тезисы докл. науч. тех. конф.
39
«Повышение эффективности проектирования, испытаний эксплуатации ав-
томобилей и СДМ». – Горький, 1986. с .95.
4.Шукуров Р.У., Холдаров А. Автоматизированное проектирование ра-
бочих органов одноковшовых экскаваторов. //Тез. Докл. науч. тех. конф. «По-
вышение эффективности проектирования, испытаний эксплуатации автомо-
билей и СДМ». - Горький, 1989. с. 96.
В авторских свидетельствах, патентах, информационных сообщениях,
отчетах НИР:
1.Волков Д.П., Густов Ю.И., Шукуров Р.У. Стенд для определения
конструктивной износостойкости рабочих органов землеройных машин.
– Ташкент, 1983. Информационный листок № 308, УзНИИНТИ, с.3.
2.Волков Д.П., Густов Ю.И., Шукуров Р.У. Стенд для определения абра-
зивных свойств грунтов. – Ташкент, 1983. Информационный листок № 455.
УзНИИНТИ. с.3.
3. Шукуров Р.У. Расчет на износ зубьев ковша экскаватора. – Москва,
1983. ВИНИТИ, с. 7. - Деп. № 3680-83.
4. Густов Ю.И., Марченко И.П., Шукуров Р.У. Конструктивная проч-
ность наплавленных рабочих органов машин и оборудования. – Москва. 1983.
Экспресс–информация № 4, с. 30-34. «Строительство предприятий нефтяной
и газовой промышленности»
5. Шукуров Р.У. Повышение долговечности зубьев одноковшовых экска-
ваторов и рыхлителей в условиях Средней Азии: Автореф. канд. дис. Москва.
1984. – с. 18
6. Шукуров Р.У., Тылкин М.А., Аскарходжаев Т.И., Валеев Р.Х., Густов
Ю.И. Зуб к ковшу землеройной машины .Москва. А.С. 1134681. 1984. - 2 с.
7. Аскарходжаев Т.И., Шукуров Р.У., Брыков В.П., Баландин Л.С. По-
вышение долговечности пары "каток-звено" гусеничной ленты и рабочих орга-
нов экскаватора ЭО-3221 за счет нанесения наплавочных материалов. Техни-
ческий отчет ТАДИ по теме 661/86 инв. № 018600723227. 1988. – с. 58
8. Аскарходжаев Т.И, Абдуразаков А.А., Шукуров Р.У, Валеев Р.Х., Бры-
ков В.П. Ковш экскаватора. Москва . А.С. № 1198163. 1985. – с. 2
9. Шукуров Р.У., Ишунин А.К. Расчетный метод оценки долговечности
режущих органов землеройных машин. Ташкент. Патент № ДGC60 №00300
2000. – с. 2.
10. Аскарходжаев Т.И., Шукуров Р.У., Брыков В.П. Методы повышения
долговечности зубьев экскаваторов в НГМК. Технический отчет по теме
943/97. – Ташкент, 1998. с. 46
40
Техника фанлари доктори номзоди илмий даражасига талабгор
Шукуров Рустам Уткурович
05.02.04 – Машиналарда ейилиш ва иш=аланиш ихтисослиги быйича
«Ер =азиш машиналарининг кесувчи асбоб ишчи =исмларини ейилишга
бардошини ошириш» мавзусидаги диссертациясининг
+ис=ача мазмуни
Калитли сызлар:
«абразив», «биомеханика», «хизмат муддат», «кесувчи
асбоб», «пухталаш», «ейилиш», «ейилишга бардошлик» «унумдорлик», «ер
=азиш машиналари», «ишчи кисмлар».
Тад=и=от объектлари:
Ер =азиш машиналари ва кон экскаваторларини
ишчи кесувчи асбобларининг ишчи кисмлари.
Ишнинг ма=сади:
Ер =азиш машиналарини ишчи =исмларини ейилиш
назариясини илмий асосларини ривожлантириш ва уларга таянган холда улар-
ни хизмат муддатини конструкторлик-технологик усуллар билан ошириш.
Тад=и=от усули:
Тупрок кесувчи ишчи кисмларни ейилиш жараенини ва
уларнинг тупрок мухитига ызаро таъсирини биомеханик ва математик андаза –
намуналаридан фойдаланиб, щисобий анализ усули, ейилиш назариясини ил-
мий холати, олинган натижаларни олдиндан айтиб бериш ва ми=дорий ызга-
ришларнинг статистик щисоби =ылланилди.
Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги.
Тупро=ларни =ир=ишнинг
дискрет фазали динамик модели тупро= =ириндиси щосил былиш жараѐнини
ейилиш ва олдиндан дарз кетиш жараѐнларини ривожланишини формаллашти-
рилди. Сонли та=рибий усуллар ва тупро= абразивлигини ани=лаш услублари-
дан фойдаланган щолда кесувчи асбоб ишчи кисмларини ресурси ва ейилиш
бардошлигини щисоблаш услуби яратилди.
Амалий ащамияти:
Яратилган алгоритмлар, программалар ва моделлар
кесувчи авбоб ишчи =исмларини лойищалаш жараенида конструкторлик-
технологик параметрлар хизмат муддатига =андай таъсир =илишини олдиндан
айтиш имкониятини беради.
Биомеханик тад=и=отлар асосида ейилишга бардошли, иш унумдорлиги
ю=ори ва зарурий энергия сарфи кам былган кесувчи ишчи асбоб яратилди.
Ейилишга бардошли былган эритиб ѐпиштурувчи материалларни танлаш
быйича тавсиялар берилди.
Тадби= этиш даражаси ва и=тисодий самарадорлиги:
Тупрок кесувчи
асбобларни ишчи кисмларини хизмат муддатини ошириш быйича ишлаб
чи=илган тавсиялар «Автойыл» концернида, Навоий то\-металлургия комбина-
тида, АЖ «+ырилишмеханизацияда», «Тошшащарйыл=урилиштаъмирлаш»
трестида, «УЗНИИПроцветмет», АЖ «Махсус =отишма»да, олий юртларнинг
ы=ув жараенига тадби= этилган.
Узбекистон Республикаси щал= хыжалигига тадби= этиш туфайли кызда
тутилган и=тисодий самарадорлик 5,28 млрд сымни таш=ил этади (2003 йил
щолатига кыра).
41
Кылланилиш сощалари:
йыл, =урилиш, =ишло= хыжалик, то\-кон тех-
никаси машинасозлигида ва илмий тадкикот ишларида куллаш тавсия килина-
ди.
Resume
Summary
Thesis of Shukurov Rustam Utkurovich of the academic degree competition of
the doctor of the technical science, spatiality 05.02.04 - Friction and wear-out in ma-
chine subject:
"Increasing longevity of excavating parts of earth-moving machines"
The Keywords: "abrasion", "biomechanics", "longevity", "cutting element",
"wear", "wear resistance", "hardening", "productivity", " earth-moving machines ".
Research objects: cutting elements of excavating parts of earth-moving ma-
chines and open cut excavators;
The the work purpose: creating scientific principles of the wear theory of cut-
ting elements and design constructor-technological determines on their base, which
increase longevity of excavating parts of earth-moving machines.
Research methods: Were used biomechanical and mathematical modeling of
wear-out process of cutting elements, their interactions with earth, were applied me-
thods of the numerical analysis, scientific points of theories of friction and wear-out,
prediction and statistical обработка got results. The experimental studies were con-
ducted on stand and in natural condition with using the modern metrological equip-
ment on standard methods and with using method of the planning the experiment.
The got results and their novelty: there were designed discrete phase dynamic
model of earth cutting, which formalizes the process of chip forming, developments
overtaking rifts and wear. Also there were offered method of determining optimal
construction of cutting elements based on realization of biomechanical principles.
Practical value: Using the offered methods, algoritms and models can allow
design and prediction of influence constructor-technological desicions to wear resis-
tance of cutting elements during the project process. Based on biomechanical re-
search it was designed optimal engineerings of cutting elements with increased wear
resistance and produtivity. Were given recomendations
on choosing wear resistant
fillers.
The Degree of the introduction and cost-performance: Designed recommenda-
tions on increasing of longevity cutting organ землеройных of the machines are in-
troduced in концерне "Avtoyul", Navoiyskom is blazed-metallurgical combine
(NGMK), trust "Tashgordorstroyremont", AOOT "Kurilish mechanization",
"UZNIIPROCVETMET", JC "Specsplav", as well as in scholastic process. Expected
economic effect from introduction result work in public facilities of the Republic
Uzbekistan will form over 5,28 млрд bags (on condition on 2003).
The Application: road construction, agricultural, mining, machine building and
scientific-research works.
42
Р Е З Ю М Е
диссертации Шукурова Рустама Уткуровича на тему: «Повышение изно-
состойкости режущих органов землеройных машин» на соискание ученой
степени доктора технических наук по специальности 05.02.04
–
Трение и
износ в машинах
Ключевые слова:
«абразивность», «биомеханика», «долговечность»,
«режущий элемент», «износ», «износостойкость», «упрочнение», «производи-
тельность», «землеройные машины».
Объекты исследования:
режущие элементы рабочих органов землерой-
ных машин и карьерных экскаваторов.
Цель работы:
развитие научных основ теории изнашивания режущих
элементов и разработка на их базе конструкторско-технологических решений,
повышающих долговечность рабочих органов землеройных машин.
Метод исследования:
Использованы биомеханическое и математическое
моделирование процесса изнашивания режущих органов, их взаимодействия с
грунтовой средой, применены методы численного анализа, научные положения
теории трения и износа, прогнозирования и статистической обработки полу-
ченных результатов. Экспериментальные исследования проводились на стен-
дах и в натурных условиях с применением современного метрологического
оборудования по стандартным методикам и с применением метода планирова-
ния эксперимента.
Полученные результаты и их новизна:
Разработана дискретная фазовая
динамическая модель резания грунтов, которая формализует процессы струж-
кообразования, развития опережающей трещины и изнашивания. Создана ме-
тодика расчета износа и ресурса режущих органов и численным методом, а
также методика определения абразивности грунтов.
Предложен метод опреде-
ления рациональной конструкций режущих органов на основании реализации
принципов биомеханики.
Практическая значимость:
Использование предложенных методов алго-
ритмов, программ и моделей позволяют разрабатывать, а также прогнозировать
на стадии проектирования влияния конструкторско-технологических решений
на износостойкость режущих органов. На основании биомеханических иссле-
дований разработаны рациональные конструкции режущих органов с повы-
шенной износостойкостью и производительностью. Даны рекомендации по
выбору износостойких наплавочных материалов.
Степень внедрения и экономическая эффективность:
Разработанные
рекомендации по повышению долговечности режущих органов землеройных
машин внедрены в концерне «Автойул», Навоийском горно-металлургическом
комбинате (НГМК), тресте «Ташгордорстройремонт», АООТ «Курилиш меха-
низация», «УЗНИИПроцветмет», АО «Спецсплав», а также в учебный процесс.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в народ-
43
ное хозяйство Республики Узбекистан составит свыше 5,28 млрд сум (по со-
стоянию на 2003 год).
Область применения:
строительно-дорожном, сельскохозяйственном,
горнодобывающей, машиностроении и научно-исследовательских работах.
