Analysis of technical quality control of agricultural engineering small-scale mechanization means of 0,2 tractive class

Abstract

Technical level of design elements of small-scale mechanization means that determines the quality of agricultural engineering machines is investigated.

Full Text

Основные компоненты конструкции СММ, определяющие технический уровень качества: моторная установка (дизель), силовая передача, ходовая система и органы управления. При всем разнообразии конструкций СММ можно выделить машины, отличающиеся расположением основных компонентов в зависимости от их функционального назначения [1]. В некоторых СММ дизель устанавливается консольно, коленчатый вал соосен с ведущим валом трансмиссии и перпендикулярен оси ведущих колес. В других СММ дизель может быть установлен на специальном кронштейне и связан с трансмиссией клиноременной передачей, выполняющей также роль муфты сцепления. Высокое расположение дизеля предопределяет использование таких СММ главным образом на равнинных участках. Третий вариант может состоять из двух быстро соединяемых частей - моторной установки с штангами управления, основным узлом которой служит дизель с вертикальным расположением коленчатого вала, и нескольких типов трансмиссий с ходовой частью. Дизель, установленный в передней части СММ, соединяется с механической шестеренчатой коробкой передач (КП) с помощью сухой конической муфты сцепления, машина снабжается задними валами отбора мощности (ВОМ). Штанги управления могут быть развернуты на 180º и имеют регулировку высоты рукояток. Автоматическая остановка дизеля осуществляется при отпускании рукоятки на штанге управления. При этом трос управления связан с выключателем, установленным в первичной цепи системы зажигания, или с регулятором частоты вращения коленчатого вала дизеля. Пуск двигателей осуществляется шнуром, наматываемым на шкив коленчатого вала, или пусковым устройством с убирающимся шнуром. Для облегчения пуска применяется автоматический декомпрессор [2]. КП имеет три передачи переднего хода и одну заднего, снабжена реверсом. В корпусе ползунов управления КП и ВОМ имеется предохранительное устройство, делающее невозможным одновременное включение заднего хода и ВОМ. Главная передача выполнена в виде червячной пары. На полуосях установлены шариковые муфты, предназначенные для раздельного отключения ведущих колес от червячного колеса. Конструкция трансмиссии таких СММ может быть разработана без механизмов реверса и отключения колес, а для передвижения с выключенным двигателем вал ведущих колес отключается от червячного колеса с помощью кулачковой муфты. СММ такой конструкции могут агрегатироваться с фронтальными ножевой и роторной косилками, роторным снегоочистителем и щеткой, вследствие чего штанги управления на этих машинах не разворачиваются. Дизель расположен сзади по ходу движения, а в передней части находится ВОМ. На основании агротехнических требований не исключена возможность разработки трансмиссии СММ без реверса, третьей передачи и механизмов отключения ведущих колес. Такие СММ рассчитаны на мощность дизеля до 5,8 кВт (8 л.с.). На всех конструкциях СММ должны быть полностью унифицированы зубчатые венцы шестерен, корпуса трансмиссии и ползунов КП. КП разрабатываемых СММ могут иметь четыре передачи переднего хода и две заднего. Главные передачи снабжаются блокируемыми дифференциалами. На СММ устанавливаются шины размером 5-12 или 5-15 см. Эти СММ могут иметь значительную массу - примерно 240 кг (без учета массы колес). Их эксплуатация предусматривается в диапазоне мощности до 10,3 кВт (14 л.с.). КП СММ для более тяжелых с.-х. работ должна иметь пять передач переднего хода и две заднего. СММ этой конструкции снабжаются блокируемыми дифференциалами с ручным управлением, имеют два ВОМ: верхний синхронизирован со всеми передачами, нижний независимый и имеет две частоты вращения. Обе конструкции снабжаются тормозными механизмами. Размер шин 6,5-15 см, масса СММ с фрезой может составлять более 340 кг. Для более мощных СММ с дизелем до 13,2 кВт (18 л.с.) КП разрабатываются уже с шестью передачами переднего хода (диапазон рабочих скоростей 1,1-19,7 км/ч) и тремя заднего. Такие СММ имеют три ВОМ: верхний с тремя и нижний с двумя величинами частоты вращения - независимые, средний - синхронизированный со всеми передачами. СММ снабжены тормозными механизмами, действующими раздельно на оба ведущих колеса. Размер шин 6,5-15 или 6-16 см. Масса СММ с почвенной фрезой и шинами может составлять не менее 450 кг. Некоторые проектируемые СММ с мощностью дизеля до 11,7 кВт (16 л.с.) могут быть снабжены блокируемым дифференциалом, причем на наиболее тяжелых СММ могут применяться дифференциалы с автоматической блокировкой. Могут быть разработаны конструкции СММ с раздельными на каждое колесо тормозными механизмами с механическим приводом. В СММ массой до 300 кг могут применяться блокируемые дифференциалы, действующие раздельно на ведущие колеса, два ВОМ (синхронный и независимый) и электрические стартеры. Нужно отметить, что установка электростартеров предусмотрена даже для дизелей 5,8 кВт (8 л.с.). На разрабатываемых СММ с мощностью двигателя 13,2 кВт (18 л.с.) и массой до 300 кг может быть установлен третий независимый ВОМ с тремя различными частотами вращения хвостовика. Для разработки семейства СММ и их компонентов в техническом задании необходимо реализовать следующие конструкционные условия для обеспечения качества этих машин [3]: - применяется широкая гамма дизелей мощностью от 2,2 до 13,2 кВт (3-18 л.с.); - на СММ с дизелями мощностью до 5,8 кВт (8 л.с.) предусматривается установка дизелей с учетом компоновочной схемы по желанию потребителя; - СММ мощностью 7,3 кВт (10 л.с.) должны иметь по два-три ВОМ, один из которых синхронизирован со всеми передачами КП; - на СММ мощностью до 13,2 кВт (18 л.с.) применяются исключительно дизели; - двигатель запускается электростартером (при этом предусматривается возможность пуска двигателя шнуром) с использованием аккумуляторной батареи или от сети переменного тока; - применяются КП с большим количеством передач как переднего, так и заднего хода (до девяти передач переднего хода и трех заднего) с обеспечением диапазона скоростей движения от 0,7 до 15 км/ч; - на СММ до 13,2 кВт (18 л.с.) широко применяются блокируемые и самоблокируемые дифференциалы; - применяются тормозные механизмы, действующие раздельно на оба ведущих колеса СММ с массой от 85 кг; - для использования на различных с.-х. работах СММ комплектуются шинами нескольких размеров в соответствии с агротехническими требованиями; - ходовая часть маломощных СММ до 1,6 кВт (2 л.с.) может выполняться одноколесной; - при работе на небольших земельных участках широко применяются электроприводные СММ. Основные конструкционно-технологические показатели технического уровня и качества проектируемых СММ агроинженерии класса тяги менее 0,2 приведены в табл. 1. Таблица 1 Конструкционно-технологические показатели технического уровня и качества СММ класса тяги менее 0,2 Мощность дизеля, кВт (л.с.) Масса, кг Количество передач вперед/назад Тормоз Размер шин, см ВОМ, мин-1 Сцепление Дифференциал Система пуска Скорость, км/ч 4,4 (6) 95 3/1 С независимым приводом на каждое колесо 5-12 Независимый, 800 Многодисковое Блокируемый Шнур 1-12 5,2 (7) 105 6-12 5,8 (8) 115 5/2 4-10 Независимый, 960 Шнур или стартер 7,4 (10) 105 4/1 с реверсом 4-8; 4-10 Синхронизированный и независимый, 600-900 Двухдисковое сухое 0,85-9 8,8 (12) 135 3/2 5-10 Независимый, 1000 Многодисковое 0,7-13 9,5 (13) 205 4/2 4-8; 4-12; 5-12; 5-15 Независимый, 500-3000 Однодисковое сухое Стартер 1,5-12 10,3 (14) 200 4/1 с реверсом 5-14 + металлическое колесо Синхронизированный и независимый, 500-800 Двухдисковое сухое С автоматической блокировкой 5-14 11,7 (16) 250 6/2 с реверсом 6,5-15 1,5-15 13,2 (18) 300 4/1 с реверсом Для стабилизации качества СММ в эксплуатационных условиях ведущую роль играют материалы компонентов, износостойкость и прочность которых - определяющие факторы конкурентоспособности и стоимости СММ на международном рынке [4]. Мировая тенденция совершенствования конструкционных материалов для СММ и в частности для их двигателей заключается в экономном легировании или микролегировании простых недефицитных сплавов такими элементами, как ванадий, титан, молибден, наобий и другие редкие металлы, а также азот и бор [4]. Кроме того, в связи с большим объемом механической обработки компонентов СММ сплавы должны обладать хорошей обрабатываемостью резанием, для чего в них в небольших количествах вводят селен и кальций. В этом направлении ранее создан научный задел по разработке таких сплавов, как селен- и кальцийсодержащие стали АЦ45ГРФ(Е) для коленчатых валов, АЦ40ХАФ и АЦ40Х2АФ для шатунов, 55Х20Г9АН4 для клапанов, 30Х3НФ, 45ХН2МФА для крышек шатунов, клапанов, ответственных болтов, шестерен, кулачковых муфт, дисков. Эти стали обеспечивают как минимум на 25-30% большую статическую и усталостную прочность и лучшую обрабатываемость резанием по сравнению со сталью 45Х. Одно из основных преимуществ указанных сталей состоит в том, что они позволяют получать необходимый комплекс физико-механических свойств непосредственно в процессе контролируемого охлаждения после окончания штамповки. Таким образом, появляется возможность отказаться от традиционной окончательной термической обработки компонентов СММ и тем самым на 10-20% снизить их себестоимость, что повлияет на стоимость СММ в целом. Наиболее распространенным и доступным методом упрочнения компонентов дизеля остается закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Несмотря на повышение себестоимости, также получили широкое применение такие методы упрочнения основных деталей дизелей СММ, как азотирование, газотермическое напыление и лазерная закалка. Основное направление повышения износостойкости компонентов дизелей СММ - разработка сталеалюминиевых вкладышей и втулок. С целью повышения долговечности чугунных компонентов, т.е. улучшения качества чугуна, для блок-картеров необходимо и целесообразно использовать микролегирование бор- и титаносодержащими присадками, а также литые коленчатые валы из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. Испытания подтвердили техническое преимущество микролегированных гильзовых чугунов. Серый чугун и чугун с вермикулярным графитом - важнейшие конструкционные материалы для производства компонентов СММ [5]. Для ответственных крепежей опробована и рекомендована малоуглеродистая борсодержащая сталь 1712Р, которая позволяет применять современную технологию формообразования на холодновысадочных автоматах. Для клапанов дизелей СММ применима менее дефицитная сталь 55Х18Г9АН4 (ЭП303). Целесообразно использовать сварные клапаны, где дефицитные сплавы могут быть употреблены только на тарелку клапана. Разработана технология упрочнения резьбовых головок шатунных болтов из стали 40ХН2МА, повышающая стойкость резьбонакатанного компонента в 3-5 раз по сравнению с применяемой в настоящее время. Поршневые пальцы целесообразно изготавливать из высокоуглеродистой стали типа У8, ШХ06, исключив при этом из технологического цикла такую дорогостоящую и длительную операцию, как цементация, что также может привести к снижению стоимости СММ. Высокий экономический и технический эффект будет получен от внедрения безникелевого высокоуглеродистого сплава для седел клапанов, относящегося к классу нимоников, что позволит обеспечить моторесурс компонентов до конца эксплуатации. Хороший результат дает использование диффузионных покрытий на основе бора для стальных подшипников скольжения взамен бронзовых, что в перспективе позволит перейти на безвтулочные пары трения и существенно снизить механические потери и себестоимость компонентов [2]. В табл. 2 показано, из каких материалов должны изготавливаться основные компоненты дизеля СММ и какие методы упрочнения используются для повышения износостойкости и прочности этих компонентов. Таблица 2 Основные конструкторско-технологические мероприятия по повышению износостойкости и прочности компонентов СММ Компоненты СММ Конструкционные материалы Методы упрочнения Шатун Стали АЦ40ХАФ, АЦ12ХН3А ТВЧ Коленчатый вал Сталь АЦ45ГРФ(Е) Химико-термическая обработка (нанесение пасты), штамповка, закалка шеек ТВЧ с вращением, газотермическое упрочнение, нанесение бронзовых покрытий на шейки Блок-картер Серый чугун СЧ20 Использование низколегированного чугуна, лазерное упрочнение отверстий под вкладыши коренных подшипников, газотермическое упрочнение постелей под вкладыши коренных подшипников Распределительный вал Стали 45, 45С Химико-термическая обработка (нанесение пасты на поверхность шеек), газотермическое упрочнение шеек, лазерная закалка рабочих поверхностей кулачков, нанесение электроосажденных сплавов железа Поршень Алюминиевый сплав ВКЖЛС-2 АЛ-25 Плазменный переплав с легированием, нирезистовая вставка под кольцо, антифрикционное покрытие для упрочнения юбки поршня Цилиндр Серый чугун СЧ20 Применение легированного чугуна и износостойких электроосажденных многокомпонентных сплавов железа Головка цилиндра Лазерная закалка с легированием Впускной клапан Стали АЦ45Х14Н14В2М, 40Х10С2М Наплавка ЭП616 фаски клапана, закалка торца стержня ТВЧ Выпускной клапан Стали АЦ40ХН2МА, 40Х10С2М Наплавка фаски клапана с таллилом, закалка торца стержня ТВЧ Седла впускного и выпускного клапанов Специальный чугун Разработка конструкции монолитной головки Гильза цилиндра Применение электроосажденных многокомпонентных покрытий, защитное хромовое покрытие наружной поверхности, газотермическое напыление изнашиваемой поверхности, нитроцементация рабочей поверхности Поршневой палец Сталь ЭИ69 12ХН3А Замена материала на сталь ШХ15 и лазерная закалка Толкатель Сталь 20Х Наплавка торца специальным чугуном Большую помощь могут оказать научные разработки по внедрению новых физико-механических и химических свойств структуры конструкционных сплавов, которые могут существенно снизить металлоемкость, повысить их надежность и долговечность. Для привлечения молодых специалистов к решению перечисленных вопросов академическая и университетская наука АПК должна быть оснащена универсальным высокопроизводительным оборудованием с высокой степенью автоматизации для газотермических методов напыления и наплавки, лазерной закалки, электроннолучевых и других современных методов упрочнения изнашиваемых поверхностей компонентов СММ. Для опытно-экспериментальной научной базы АПК целесообразно привлекать научно-преподавательский и студенческий потенциал к проведению научно-исследовательских работ по использованию нетрадиционных материалов, в т.ч. керамики и композитов, для изготовления компонентов СММ и испытанию машин в полигонных условиях. Это позволит на заключительном этапе технологии производства опытного образца или экспериментальной партии дать оценку СММ с определенным уровнем унификации и качества, что может послужить аналогом массового серийного производства СММ. Следующее направление научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, обеспечивающее технический уровень, качество и конкурентоспособность СММ и влияющее на стоимость машин, - выбор геометрических параметров компонентов, т.е. то, какой метод будет реализован в определении посадок в узлах конструкции. Выбор посадок производится одним из трех методов. Метод прецедентов (аналогов) предполагает выбор по аналогии с посадкой в надежно работающем узле. Сложность метода заключается в оценке и сопоставлении условий работы посадки в проектируемом узле и аналоге. Метод подобия представляет собой развитие метода прецедентов. Посадки выбираются на основании рекомендаций отраслевых технических документов и литературных источников. Недостаток метода - отсутствие точных количественных оценок условий работы сопряжений. Расчетный метод - наиболее обоснованный метод выбора посадок. Посадки рассчитываются на основании полуэмпирических зависимостей. Однако формулы не всегда учитывают сложный характер физических явлений, происходящих в сопряжении. В любом случае новые опытные образцы СММ перед запуском в серийное производство проходят целый ряд испытаний, по результатам которых отдельные посадки могут быть подкорректированы [5]. Квалификация конструктора, в частности, определяется и тем, потребовалась ли корректировка посадок в разработанном им узле [4]. Особенности и области применения посадок с зазором: - в сопряжении образуются зазоры (рис. а); - посадки применяются как в точных, так и в грубых квалитетах; - предназначены для подвижных сопряжений, например для подшипников скольжения, а также для неподвижных, например для обеспечения беспрепятственной сборки деталей, что особенно важно при автоматизации сборочных операций. Посадки Н/h - комбинированные. Наименьший зазор в посадках равен нулю. Они установлены во всем диапазоне точностей сопрягаемых размеров (с 4-го по 12-й квалитеты). В точных квалитетах они применяются как центрирующие, т.е. обеспечивают высокую степень совпадения центра вала с центром сопрягаемого с ним отверстия. Допускают медленное вращение и продольное перемещение, обычно используемое при настройках и регулировках. Посадка H7/h6 применяется в неподвижных соединениях при высоких требованиях к точности центрирования часто разбираемых компонентов (сменные зубчатые колеса на валах, центрирующие корпуса под подшипники качения, сменные втулки), а также некоторых подвижных соединений. Посадки H8/h7 и H8/h8 имеют примерно то же назначение, что и H7/h6, но характеризуются более широкими допусками, облегчающими изготовление компонентов. Посадки Н/h в более грубых квaлитетах (с 9-го по 12-й) предназначены для неподвижных и подвижных соединений малой точности. Применяются для посадки муфт, звездочек, шкивов на валы, неответственных шарниров, роликов и т.п. Н/g, G/h - посадки движения. Обладают минимальным по сравнению с другими гарантированным зазором. Устанавливаются только в точных квалитетах с 4-го по 7-й. Применяются для главных, обычно возвратно-поступательных перемещений, допускают медленное вращение при малых нагрузках. Посадки H6/g5, H7/g6 применяются в плунжерных и золотниковых парах топливных компонентов. Посадки H/f, F/h - ходовые. Характеризуются умеренным гарантированным зазором. Применяются для обеспечения свободного вращения в подшипниках скольжения общего назначения при легких и средних режимах работы и в опорах поступательного перемещения. Посадки Н7/f7, H8/f8 применяются в подшипниках скольжения КП, сопряжениях поршня с цилиндром и т.п. Посадки Н/е, E/h - легкоходовые. Обладают значительным гарантированным зазором. Применяются для свободного вращательного движения при повышенных режимах работы, а также для компенсации погpeшностей монтажа и деформаций, возникающих во время работы. Посадки H7/f8, Н8/е8 применяются для подшипников скольжения, коренных шеек коленчатых валов. Посадки H/d, D/h - широкоходовые. Характеризуются большим гарантированным зазором, позволяющим компенсировать значительные отклонения расположения сопрягаемых поверхностей и температурные деформации и обеспечить свободное перемещение компонентов или их регулировку и сборку. Посадки H8/d9, H9/d9 применяются для соединений при невысоких требованиях к точности, подшипников трансмиссионных валов, поршней в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Посадка H11/d11 применяется для крышек подшипников и распорных втулок в корпусах, шарниров и роликов на осях. Особенности и области применения переходных посадок: - в сопряжении могут получаться как зазоры, так и натяги (рис. б); - применяются только в точных квалитетах с 4-го по 8-й; - используются как центрирующие; - предназначены для неподвижных, но разъемных соединений, так как обеспечивают легкую сборку и разборку соединения; - как правило, требуют дополнительного крепления соединяемых деталей шпонками, штифтами, болтами и т.п. Посадки Н/js, Js/h - плотные. Вероятность получения натяга P(N) ≈ 0,5...5%, следовательно, в сопряжении образуются преимущественно зазоры. Обеспечивают легкую собираемость. Посадка H7/js6 применяется для сопряжения стаканов подшипников с корпусами, небольших шкивов и ручных маховичков с валами. Посадки H/k, K/h - напряженные. Вероятность получения натяга P(N) ≈ 24...68%, однако из-за влияния отклонений формы, особенно при большой длине соединения, зазоры в большинстве случаев не ощущаются. Обеспечивают хорошее центрирование. Сборка и разборка производятся без значительных усилий. Посадка H7/k6 широко применяется для сопряжения зубчатых колес, шкивов, маховиков, муфт с валами. Посадки H/m, M/h - тугие. Вероятность получения натяга P(N) ≈ 60...99,98%. Обладают высокой степенью центрирования. Сборка и разборка осуществляются при значительных усилиях. Разбираются, как правило, только при ремонте. Посадка H7/m6 применяется для сопряжения зубчатых колес, шкивов, маховиков, муфт с валами, установки тонкостенных втулок в корпуса, кулачков на распределительном валу. Посадки H/n, N/h - глухие. Вероятность получения натяга P(N) ≈ 88...100%. Обладают высокой степенью центрирования. Сборка и разборка осуществляются при значительных усилиях: применяются прессы. Разбираются, как правило, только при капитальном ремонте. Посадка H7/n6 применяется для сопряжения тяжелонагруженных зубчатых колес, муфт, кривошипов с валами, установки постоянных втулок в корпуса КП. Особенности и области применения посадок с натягом: - в сопряжении образуются только натяги (рис. в); - используются для передачи крутящих моментов и осевых сил без дополнительного крепления, а иногда для создания предварительно напряженного состояния у сопрягаемых компонентов; - предназначены для неподвижных и неразъемных соединений; относительная неподвижность обеспечивается силами трения, возникающими на контактирующих поверхностях вследствие их упругой деформации, создаваемой натягом при сборке соединения. Преимущество таких посадок заключается в отсутствии дополнительного крепления, что упрощает конфигурацию компонентов и их сборку. Посадки обеспечивают высокую нагрузочную способность сопряжения, которая резко возрастает с увеличением его диаметра. В то же время прочность и качество сопряжения зависят от материала сопрягаемых компонентов, шероховатостей их поверхностей, формы, способа сборки (сборка под прессом или способ термических деформаций) и т.п. Посадки H/p, P/h - легкопрессовые. Имеют минимальный гарантированный натяг. Обладают высокой степенью центрирования. Применяются, как правило, с дополнительным креплением. Посадка Н7/р6 применяется для сопряжения зубчатых колес, втулок, установочных колец с валами, установки тонкостенных втулок и колец в корпуса. Посадки H/r, H/s, H/t и R/h, S/h, T/h - средние прессовые. Применяются как с дополнительным креплением, так и без него. При сопряжении возникают, как правило, упругие деформации. Посадки H7/r6, H7/s6 применяются для сопряжения зубчатых и червячных колес с валами в условиях тяжелых ударных нагрузок с дополнительным креплением (для стандартных втулок подшипников скольжения предусмотрена посадка H7/r6). Посадки H/u, H/x, H/z и U/h - тяжелые прессовые. Предназначены для соединений, на которые воздействуют большие, в т.ч. и динамические нагрузки. Применяются, как правило, без дополнительного крепления соединяемых компонентов. В сопряжении возникают упруго-пластические деформации. Компоненты должны быть проверены на прочность. Посадки H7/u7, H8/u8 - наиболее распространенные из тяжелых. К материалам и технологическим методам упрочнения взаимофункциональных сопряжений пар компонентов СММ предъявляются следующие требования: - обеспечение геометрических форм и точностных характеристик сопряжения; - хорошая совместимость и технологичность; - способность противостоять контактному схватыванию и задиру при нормальных и повышенных температурах; - способность к наклепу (упрочнению) при пластической деформации трением; - способность к образованию твердых окисных пленок; - высокая прирабатываемость и минимально возможный коэффициент трения; - максимальная износостойкость и ремонтопригодность; - возможность автоматизации процесса упрочнения и восстановления компонентов сопряжения.