Economic feasibility of using the technology of carbon-vibro-arc hardening for hardening the pointed paws of tillage machinery

Full Text

Введение

Стрельчатые лапы являются широко используемым рабочим органом в конструкциях современных сельскохозяйственных машин. Культиваторы, посевные комплексы, рыхлители и другие машины могут иметь в своей конструкции несколько десятков стрельчатых лап, подверженных при эксплуатации интенсивному ударно-абразивному изнашиванию. Замена даже одного комплекта лап на таких агрегатах приводит к значительным финансовым затратам организации, осуществляющей производство сельскохозяйственной продукции.

Для упрочнения стрельчатых лап в настоящее время известны различные технологии [1−4], которые, впрочем, не лишены тех или иных недостатков. Современным способом упрочнения, позволяющим формировать на рабочих поверхностях стрельчатых лап композитные покрытия, является карбовибродуговое упрочнение (КВДУ). В настоящее время ведутся исследования по разработке теоретических и технологических основ данного способа [2, 5−11].

При реализации КВДУ на упрочняемую поверхность наносится многокомпонентная паста, которая после высушивания до затвердевания расплавляется угольным электродом установки ВДГУ-2. В результате из компонентов пасты на упрочняемой поверхности формируется композитное покрытие, обладающее комплексом высоких физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Несмотря на все выполненные к настоящему моменту исследования пока еще остается не в полной мере разработанной рациональная ресурсосберегающая технология КВДУ стрельчатых лап, целесообразная с точки зрения экономической эффективности ее использования.

Цель исследований

Разработка рациональной технологии КВДУ стрельчатых лап почвообрабатывающих машин и экономическое обоснование целесообразности ее использования.

Материалы и методы

При проведении исследований в качестве основы (матрицы) многокомпонентной пасты для КВДУ использовали порошок ПГ-ФБХ6-2 на железной основе, который производится на ОАО «Полема» (г. Тула). Данный порошок, как показал проведенный анализ, является одним из наиболее часто используемых при напылении и наплавке рабочих поверхностей деталей машин различного назначения, эксплуатируемых в условиях ударно-абразивного износа [12]. В качестве керамического компонента пасты использовали карбид бора В₄С ГОСТ 5744. Массовое содержание криолита (активатора процесса зажигания дуги при КВДУ) в составе пасты составляло 10 % [5, 8, 10, 11]. В качестве связующего использовали 50%-й водный раствор клея ПВА.

КВДУ осуществляли на установке ВДГУ-2, которую в настоящее время производит ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва). Для формирования композитных покрытий при КВДУ использовали угольный электрод диаметром 8 мм.

При оценке экономической эффективности разработанной технологии КВДУ стрельчатых лап почвообрабатывающих машин учитывали положения методики, изложенной в работах [13, 14].

Результаты и обсуждение

Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать рациональную технологию упрочнения стрельчатых лап способом КВДУ, которую, благодаря невысоким дополнительным капитальным вложениям, можно использовать как в небольших мастерских фермерских хозяйств, так и в условиях специализированных ремонтно-восстановительных предприятий.

При реализации технологии (рис. 1) вначале производят зачистку рабочей части (режущей кромки) лапы, затем приготавливают многокомпонентную пасту, наносят ее на упрочняемые поверхности и высушивают до отверждения, после чего производят КВДУ с формированием композитного покрытия, осуществляют контроль полученного покрытия, а также консервацию и упаковку упрочненной детали.

 

Рис. 1. Структурная схема разработанной ресурсосберегающей технологии КВДУ стрельчатых лап почвообрабатывающих машин

 

Зачистку рабочей части лап рационально выполнять с использованием угловых шлифовальных машин. Многокомпонентную пасту для КВДУ приготавливают механическим смешением следующих компонентов: стальной порошок ПГ-ФБХ6-2 (матрица) – 60 % по массе, карбид бора – 30 % по массе, криолит – 10 % по массе – и наносят слоем толщиной 1,8…2,0 мм на упрочняемую поверхность, после чего высушивают до отверждения. Данное соотношение компонентов пасты является наиболее рациональным и определено с учетом предварительно проведенных лабораторных исследований, а также комплекса эксплуатационных испытаний [5, 10]. КВДУ осуществляют на следующих режимах: сила тока – 70…80 А, частота вибрации угольного электрода – 25 Гц, амплитуда вибрации электрода – 1,1 мм. При КВДУ также целесообразно применение вспомогательных приспособлений, позволяющих осуществлять дополнительное охлаждение лапы при ее упрочнении. Вибрация электрода при КВДУ позволяет в среднем на 25 % снизить нагрев лапы при ее упрочнении. Толщина сформированного упрочняющего композитного покрытия составляет 0,9…1,0 мм, а его твердость – 70…72 HRC. Контроль покрытия осуществляют визуально и с помощью лупы 10^х.

На рис. 2 представлены стрельчатые лапы, упрочненные с использованием разработанной ресурсосберегающей технологии.

 

Рис. 2. Стрельчатые лапы культиватора КПС-4Г (а) и посевного комплекса John Deere 730 (б), упрочненные КВДУ с использованием разработанной рациональной ресурсосберегающей технологии

 

Разработанная технология позволяет не только упрочнять стрельчатые лапы в состоянии поставки (новые), но и восстанавливать лапы, достигшие предельного состояния в результате их эксплуатации. В этом случае перед КВДУ производят компенсацию износа лапы за счет приваривания к ее рабочей поверхности компенсирующего элемента.

Результаты производственных сравнительных испытаний стрельчатых лап, упрочненных КВДУ, и в состоянии поставки, для различных почвообрабатывающих машин показали, что после КВДУ ресурс лап возрастает в среднем в 2,2…2,5 раза. Использование разработанной технологии также актуально и с позиций импортозамещения. Новизна предлагаемой технологии подтверждена несколькими патентами РФ на изобретения.

Окончательную оценку целесообразности использования КВДУ для упрочнения стрельчатых лап может дать расчет экономической эффективности разработанной технологии. Расчет экономической эффективности выполнен на примере стрельчатых лап культиваторов типа КШУ, выпускаемых Грязинским культиваторным заводом, т.к. они в настоящее время широко используются при обработке почвы на различных сельскохозяйственных предприятиях.

Экономическую эффективность разработанной технологии КВДУ стрельчатых лап можно определить, воспользовавшись следующим соотношением:

${\text{Э}}_{\text{У}}=\left(\frac{{\text{Ц}}_{\text{Н}}-{\text{C}}_{\text{ОСТ}}^{\text{Н}}}{{\text{Р}}_{\text{Н}}}-\frac{{\text{Ц}}_{\text{У}}-{\text{С}}_{\text{ОСТ}}^{\text{У}}}{{\text{Р}}_{\text{У}}}\right){\text{Р}}_{\text{У}}\cdot N_{\text{Г}}$, руб., (1)

где Ц_Н, Ц_У – цена новой и упрочненной КВДУ лапы, руб.; Р_Н, Р_У – ресурс новой и упрочненной КВДУ лапы, га; ${\text{C}}_{\text{ОСТ}}^{\text{Н}}$, ${\text{C}}_{\text{ОСТ}}^{\text{У}}$ − стоимость остаточная новых и упрочненных КВДУ лап, руб.; N_Г – годовой объем упрочняемых КВДУ лап, шт.

Цену упрочненной КВДУ стрельчатой лапы определяют по формуле:

Ц_У = Ц_Н + С_У, руб., (2)

где С_У – себестоимость упрочнения лапы, руб.

Себестоимость С_У упрочнения стрельчатой лапы складывается из затрат на заработную плату ЗП производственных рабочих, ремонтные материалы С_М, изношенную деталь С_ИЗ и расходов ОПТ, связанных с организацией производства, т.е.:

С_У = ЗП + С_М +С_ИЗ + ОПТ, руб. (3)

Заработную плату производственных рабочих можно определить из соотношения:

$\begin{array}{c}\text{ЗП=}\left(\frac{{\text{Т}}_{{\text{Н}}_{\text{1}}}\cdot {\text{С}}_{{\text{Р}}_{\text{1}}}}{\text{60}}\text{+}\frac{{\text{Т}}_{{\text{Н}}_{\text{2}}}\cdot {\text{С}}_{{\text{Р}}_{\text{2}}}}{\text{60}}\text{+}\mathrm{...}\text{+}\frac{{\text{Т}}_{{\text{Н}}_{\text{i}}}\cdot {\text{С}}_{{\text{Р}}_{\text{i}}}}{\text{60}}\right)\times \\ \times {\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}K}}_{\text{П}}\end{array}$, руб. (4)

где Т_Н1, Т_Н2, … , Т_Нi − нормы времени на выполнение операций технологического процесса упрочнения в расчете на одну стрельчатую лапу, мин.; C_P1, C_P2, …, C_Pi, − часовые тарифные ставки соответствующих разрядов на выполнение операций технологического процесса упрочнения, руб.; К_П – коэффициент, учитывающий премиальную доплату, дополнительную плату рабочих и отчисления в фонды социального страхования; по рекомендациям [13, 14] его можно принять равным 1,9. Тогда:

$\begin{array}{c}\text{ЗП}=(\frac{\mathrm{4,7}\cdot 100}{60}+\frac{\mathrm{13,1}\cdot 115}{60}+\frac{\mathrm{2,6}\cdot 110}{60}+\frac{\mathrm{9,0}\cdot 110}{60}+\\ +\frac{\mathrm{14,4}\cdot 160}{60}+\frac{\mathrm{1,5}\cdot 130}{60})\cdot \mathrm{1,9}=\mathrm{182,1}\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}руб.}\end{array}$

При КВДУ стрельчатых лап используются следующие ремонтные материалы: компоненты многокомпонентной пасты (матрица, карбид бора, криолит), клей ПВА, угольные электроды. Затраты на данные материалы С_М, определенные нами в результате предварительно проведенных исследований с учетом норм их расхода, в расчете на одну стрельчатую лапу составляют 123,9 руб.

Стоимость изношенной стрельчатой лапы С_ИЗ обычно определяют по цене металлолома с учетом ее массы. Таким образом, стоимость изношенной стрельчатой лапы составит 24,5 руб.

Расходы ОПУ, связанные с организацией производства, по рекомендациям работ [13, 14] можно принять в размере 200 % от заработной платы ЗП производственных рабочих. Таким образом, данные расходы для нашего случая составят 364,2 руб.

Тогда себестоимость упрочнения стрельчатой лапы составит:

${\text{С}}_{\text{У}}=\mathrm{182,1}+\mathrm{123,9}+\mathrm{24,5}+\mathrm{364,2}=\mathrm{694,7}$ руб.

Тогда цена упрочненной КВДУ стрельчатой лапы составит:

${\text{Ц}}_{\text{У}}=700+\mathrm{694,7}=\mathrm{1394,7}$ руб.

Таким образом, экономическая эффективность разработанной технологии упрочнения стрельчатых лап с использованием КВДУ в расчете на одну лапу составит:

${\text{Э}}_{\text{У}}=\left(\frac{700-\mathrm{24,5}}{34}-\frac{\mathrm{1394,7}-\mathrm{24,5}}{83}\right)83=\mathrm{279,5}\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}руб.}$

Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии КВДУ в расчете на принятую программу упрочнения (10 культиваторов КШУ-12Н, по 43 стрельчатых лапы на каждом) будет равна:

${\text{Э}}_{\text{У}}=\mathrm{279,5}\cdot 430=120191$ руб.

При упрочнении большего количества стрельчатых лап экономическая эффективность разработанной технологии будет еще более значительной.

Выводы

Проведенный расчет экономической эффективности разработанной технологии КВДУ стрельчатых лап почвообрабатывающих машин показал, что данная технология экономически целесообразна и может быть рекомендована к внедрению в производство. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения технологии составит 120191 руб. при упрочнении 430 лап культиваторов КШУ-12Н.

About the authors

Nikolay V. Titov

Orel State Agrarian University

Email: ogau@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Orel

Alexander V. Kolomeychenko

Central research and development automobile and engine institute NAMI

Email: kolom_sasha@inbox.ru

DSc in Engineering

Russian Federation, Moscow

Victor V. Vinogradov

Orel State Agrarian University

Email: ogau@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Orel

Alla S. Kolomeychenko

College of Railroad and Urban Transportation

Author for correspondence.
Email: alla.kolomeychenko@mail.ru

PhD in Economics

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files