Износ и коррозия сельскохозяйственных машин - РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства»
БелАгроМех
    BE EN RU
ТИПОГРАФИЯ
+375 17 272-57-29
Пн-Чт: 8.30-17.30, Пт 8:30-16:15, Обед 13.00-13.45
+375 17 272-02-91
    BE EN RU

Износ и коррозия сельскохозяйственных машин

В  Республиканском унитарном предприятии  «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства» подготовлена и издана монография «Износ и коррозия деталей сельскохозяйственных машин».
Монография написана коллективом авторов под общей редакцией академика НАН Беларуси и РАСХН М.М. Севернева по материалам исследований изнашивающих способностей сельскохозяйственных сред.

В книге 11 глав, в которых обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований по изнашивающей способности и коррозионной активности сред, типичных для работы сельскохозяйственных машин. Рассматриваются вопросы износостойкости и коррозионной стойкости материалов, закономерности износа деталей сельскохозяйственных машин и излагается методика расчета их на долговечность. Даются рекомендации по повышению срока службы машин.

В 1-й главе
 «Свойства почв и механизм абразивного изнашивания деталей машин» рассмотрены вопросы контактирования и перемещения абразивных частиц по плоским двухгранным и трехгранным клиньям.
Характер и интенсивность износа деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин зависят от физико-механических свойств почвы. Так, на песчаной почве детали изнашиваются по толщине, на глинистой и суглинистой – по ширине. При этом на песчаной почве изнашиваются в 8–10 раз быстрее, чем на глинистой.
Дифференцированный подбор материала и разработка конструкции деталей рабочих органов повышенной долговечности требуют детальной классификации почв по их изнашивающей способности.
Изнашивающая способность почвы проявляется при взаимодействии с ней движущегося твердого тела и является одной из ее физико-механических характеристик. Для определения величины изнашивающей способности почв введено понятие коэффициента т (отношение интенсивности износа детали данной почвой к интенсивности износа той же детали эталонной абразивной средой при одних и тех же условиях)
За эталонную абразивную среду принят чистый кварцевый песок с размером частиц 0,25–0,3 мм и влажностью W = 0¸2%. Большинство почв в естественном состоянии содержит наибольшее количество песчинок такого размера. Принятие однородной абразивной среды за эталон не только позволяет судить об относительной изнашивающей способности почв, но и во многом облегчает проведение исследований износостойкости деталей в лабораторных условиях.
Изнашивание образцов в кварцевом песке подчиняется тем же закономерностям, что и в натуральных почвах.
При повышении давления на поверхности трения интенсивность изнашивания возрастает прямо пропорционально, при увеличении влажности – уменьшается. Исследования показывают, что происходит изнашивание в кварцевом песке с размером частиц d = 0,25¸0,3 мм вследствие микрорезания или царапающего действия частиц, контактируемых с поверхностью трения.

Во 2-й главе  «Закономерности абразивного изнашивания» представлены материалы по зависимости износа от размеров абразивных частиц.
Величина коэффициента изнашивающей способности изменяется в больших пределах и зависит от размера абразивных частиц и их влажности.  Приведена классификация почв Беларуси по механическому составу, в основу которой положено содержание глинистых частиц. Почвы разделены на     31 разновидность и объединены в восемь основных типов: песчаная, легкая супесь, тяжелая супесь, легкий суглинок, средний суглинок, тяжелый суглинок, глинистая, тяжелоглинистая.
Коэффициенты изнашивающей способности определены для всех типов почв при влажности 15%. На границе двух смежных почв они определялись для 4 фракций: 1) с максимальным содержанием песчаных частиц; 2) с минимальным содержанием песчаных частиц; 3) с максимальным содержанием песчаных частиц и заменой 10% песчаных частиц на 10% гравия размером 3–4 мм;4) с минимальным содержанием песчаных частиц и заменой 10% песчаных частиц на 10% гравия размером 3–4 мм.
В зависимости от фракционного состава почвы могут быть разделены на 3 категории.
Первая объединяет почвы с коэффициентом изнашивающей способности 1,3–3,0. С увеличением содержания глинистых частиц коэффициент изнашивающей способности резко уменьшается. Износ деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин происходит в основном по толщине.
Во вторую входят почвы с коэффициентом изнашивающей способности 0,5–1,3. Он незначительно изменяется с увеличением содержания глинистых частиц. Детали рабочих органов почвообрабатывающих машин изнашиваются в основном по ширине. Однако при наличии крупных фракций износ происходит одновременно как по ширине, так и по толщине детали.
К третьей категории относятся почвы, обладающие малой изнашивающей способностью, с коэффициентом изнашивающей способности       0,37–0,65. С увеличением глинистых частиц в этих почвах он изменяется незначительно. Износ деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин, как правило, происходит по ширине.

В 3-й и 4-й главах представлены факторы, влияющие на износ деталей почвообрабатывающих машин и увеличение долговечности лемеха и отвала плуга.
Механический состав и состояние почвы влияют не только на интенсивность износа, но и на его характер. Особенно это видно на примере износа лемехов, лап культиваторов и дисковых борон. На тяжелых суглинистых и глинистых почвах лезвие и полевой обрез лемеха затупляются и принимают овальную форму. На песчаных и супесчаных почвах он изнашивается достаточно интенсивно как по толщине, так и по ширине. Лезвие при этом сохраняет свою остроту, но на тыльной стороне его создается резко выраженная затылочная фаска, на лицевой  – глубокая лучевидная канавка; носок по профилю закругляется
Неравномерный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин обусловлен, прежде всего, разным удельным давлением почвы на поверхность рабочего органа в различных ее точках, а также зависит от скорости скольжения и ускорения контактирующих частиц.
Результаты проведенных исследований показывают, что изнашивание металла в абразивной среде зависит от множества факторов, комплексно связанных между собой. Так, при уменьшении влажности почвы увеличиваются ее твердость и интенсивность изнашивания, что приводит к увеличению давления на рабочую поверхность деталей и скорости скольжения частиц в активной зоне.
Сложность процесса изнашивания деталей сельскохозяйственных машин обусловлена непрерывно меняющимися силами по поверхности трения, неоднородностью абразивной среды как по механическому, так и по химическому составу, сложностью динамики процессов контактирования и перемещения частиц абразива. При этом следует учесть, что процесс разрушения поверхности трения происходит вследствие микрорезания как при однократном, так и при многократном воздействии абразивных частиц.

В главе 5 рассматриваются пылимость почв и изнашивающая способность воздушно-абразивной среды.
Изучена пылимость почв в зависимости от скорости воздушного потока. В качестве объекта исследований были взяты образцы восьми почвенных пород в воздушно-сухом состоянии и при различной влажности (рыхлый и связный песок, рыхлая супесь и связная, суглинки легкий, средний и тяжелый, легкая глина). Исследования проводились на специально сконструированной экспериментальной установке, представляющей собой разновидность аэродинамической трубы всасывающего типа. Подготовленный к исследованию и насыпанный на загрузочную платформу образец почвы продувался воздушным потоком, создаваемым вентилятором, с заданной скоростью (от   1 до 10 м/сек). При этом часть почвы уносилась. Количество унесенной почвы определялось путем взвешивания остатка образца после его продувки воздухом. Вес унесенной почвы, отнесенный к площади обдува образцов, определял количественные показатели пылимости.
Падение интенсивности износа с увеличением запыленностивоздуха у смазываемых цепей объясняется тем, что у них абразив накапливается в слое смазки до полного насыщения ее. Скорость износа цепей тоже изменяется по мере накопления абразива в смазке. При полном насыщении и количество абразива в смазке изменяется незначительно, и скорость изнашивания деталей почти не изменяется.
Скорость износа деталей передач в зависимости от размера пылеватых частиц имеет степенную зависимость с показателем степени х < 1 для мелкой пыли с размером частиц до 0,10 мми х > 1  – для пылей более 0,10 мм.
Износ деталей мелкой пылью у смазываемых цепей оказался выше, чем у несмазываемых.
Изучалось влияние смазки на скорость изнашивания деталей открытых передач в воздушно-абразивной среде. В качестве смазки взято веретенное масло, которое подавалось на исследуемые детали передач капельным способом по одной капле в 4 мин.
Исследования про–водились на пылях всех исследуемых почв при запыленности 1 г/м3, скорости цепи 3 м/сек и удельном давлении в шарнирах цепи 100 кГ/см2.
Степень влияния смазки на износ в воздушно-абразивной среде выражена коэффициентом влияния смазки на износ. Видно, что величина снижения интенсивности износа зависит от физико-механических свойств пыли, дисперсного и минералогического состава. Пыль песчаных и супесчаных почв имеет более крупные размеры частиц по сравнению с глинистой и суглинистой пылью, поэтому влияние смазки на износ в пыли этих почв оказывается меньше.

Глава 6 «Жидкостно-абразивный износ деталей» посвящена закономерностям этого вида изнашивания.
Основными показателями условий гидроабразивного изнашивания являются скорость, концентрация, масса и абразивная способность частиц, угол их встречи с изнашивающей поверхностью (угол атаки), разупрочняющие и коррозийные свойства жидкости.
Эти показатели для различных деталей сельскохозяйственных машин колеблются в широких пределах. Применительно к гидравлическим системам и машинам для орошения и химической защиты растений концентрация сравнительно мелких абразивных частиц достигает 0,1% по весу, угол их атаки близок к нулю, а скорость, оцениваемая по скорости потока жидкости, достигает 30–75 м/сек и более. Детали машин по водоснабжению работают в гидропотоке значительно меньшей скорости (0,2–5 м/сек) с концентрацией сравнительно более крупных абразивных частиц в пределах 0,1–1,0 %. Такие же скорости потока характеризуют условия изнашивания деталей ряда других машин. Однако концентрация абразивных частиц может быть значительно большей. Для моек корнеклубнеплодов она равна 1–25%, а для машин по гидромеханизации – 30–60 %.
Минералогический состав и абразивные свойства частиц, изнашивающих детали сельскохозяйственных машин, в большинстве случаев примерно одинаковы. Это главным образом компоненты почвы, основной абразивной составляющей которой является кварцевый песок. Гидропоток может обладать как малой химической активностью (минеральное масло гидравлических систем), так и сравнительно большой (вода, водные растворы гербицидов и др.). Кроме химической агрессивности, жидкость обладает и разупрочняющими свойствами, усиливающими изнашивающее действие абразивных частиц.

В главе 7 «Коррозионная активность сельскохозяйственных сред» рассматриваются закономерности коррозии в минеральных и органических удобрениях, в консервантах на основе водорастворимых карболовых кислот.
На основании результатов исследований составлен ряд коррозионной активности различных сред.
В агрессивных сельскохозяйственных средах происходит электрохимическая коррозия металлов.  При попадании на них влаги образуются соответствующие кислоты, которые определяют коррозионные процессы. При наличии примесей в металле (углерод, цементит, шлак и др.) коррозия стальных образцов в коррозионно-активных средах обусловливается работой микроскопически малых гальванических цепей, где электродами являются железо (анод) и примеси (катод). При  этом железо анодно окисляется и переходит в раствор. Коррозия в сенаже и органических удобрениях определяется присутствием органических кислот и кислорода воздуха.
Значительное влияние на интенсивность коррозионных процессов оказывает содержание влаги. С повышением влажности удобрений увеличивается степень их диссоциации и электрохимически активная площадь находящегося в них металла. При этом происходит более интенсивная диффузия ионов железа от анодных участков, что ведет к увеличению скорости коррозии. Но при дальнейшем повышении влажности несколько замедляется скорость коррозии вследствие уменьшения протока воздуха к поверхности металла, максимум скорости коррозии в органических удобрениях наблюдается при влажности 65…80, в минеральных – при 10..30%.
На основании результатов исследований составлен ряд коррозионной активности различных сред.
Исследования показали, что в наиболее агрессивных средах (при коррозии в отсутствии пассивации) сталь обыкновенного качества Ст.3 корродирует меньше качественных конструкционных сталей 35, 45, 50 вследствие большого содержания углерода (катод) в последних.
При коррозии в навозе и экскрементах свиней, компостах наблюдается явление пассивации,  а стали с большим содержанием углерода (35, 45, 50) пассивируются быстрее, поэтому и корродируют меньше стали Ст.3 .
Нержавеющие стали lХ13,  lХl8Н9Т и алюминий показали хорошую коррозионную стойкость во всех минеральных удобрениях, кроме сильвинита и нитрофоски. При коррозии в этих удобрениях были отмечены значительные коррозионные поражения в виде глубоких питтингов.

Глава 8 «Коррозионно-механическое изнашивание материалов деталей сельскохозяйственных машин». В этой главе рассматриваются совместные процессы трения и коррозии при изнашивании металлов в коррозионно-активных средах, приводится износостойкость конструкционных сталей.

Вопросы изнашивания занимают одно из центральных мест в общей проблеме надежности сельскохозяйственной техники, работающей в коррозионно-активных средах. Изнашивание рабочих органов в этих средах можно назвать коррозионно-механическим, так как оно происходит при наличии электрохимической коррозии. По ГОСТу 16429–70 коррозионно-механическое изнашивание определяется как изнашивание при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Развитие процессов этого вида изнашивания определяется не только механическими свойствами пленок вторичных структур, но и физико-химическими изменениями, происходящими на сопряженных поверхностях в результате адсорбции и окисления.
При эксплуатации сельскохозяйственных машин обязательно возникают остановки, во время которых при наличии химически активных веществ интенсивно протекают коррозионные процессы на изнашиваемой поверхности, что приводит к увеличению общего износа деталей. Поэтому исследования изнашивающей способности коррозионно-активных сельскохозяйственных сред необходимо проводить при трении с остановками.
Изнашивающая способность минеральных удобрений характеризуется соответствующим коэффициентом, равным отношению скоростей изнашивания в данном и эталонном удобрениях. В качестве эталонного удобрения принята мочевина, интенсивность изнашивания в которой наименьшая.
Коэффициенты изнашивающей способности при трении с остановками в химически активных удобрениях выше, чем при непрерывном изнашивании. Обратное явление наблюдается при изнашивании в фосфоритной муке, обладающей низкой коррозионной активностью и значительной абразивной способностью, поэтому коррозионно-механического изнашивания здесь нет.
При трении металла в коррозионно-активных сельскохозяйственных средах образуются и изнашиваются непрочные вторичные структуры, поэтому износостойкость конструкционных сталей здесь весьма низкая
Износостойкость не является абсолютной характеристикой материала, а зависит от условий изнашивания.
Показано, что износостойкость стали обыкновенного качества Ст.3  выше качественных конструкционных 45…50 в удобрениях высокой коррозионной активности (аммиачная селитра, сульфат аммония). Это объясняется большим содержанием углерода в сталях 45 и 50, вследствие чего пленки вторичных структур образуются и разрушаются быстрее.
Анализируя результаты исследований износостойкости сталей в коррозионно-активных сельскохозяйственных средах, можно сделать вывод, что при изнашивании в средах высокой химической активности  скорость процесса определяется главным образом условиями образования и прочностью вторичных структур. Износостойкость в этом случае находится в прямой зависимости от коррозионной стойкости. В средах с весьма высокой абразивной способностью износостойкость сталей обусловливается главным образом их структурой.

Глава 9 «Технологические методы увеличения ресурса деталей сельскохозяйственных машин». В этой главе рассматривается влияние минеральных удобрений и климатических факторов на коррозионную стойкость и износ модифицированного полиэтиленового покрытия.
Для улучшения защитных свойств полимерных покрытий в коррозионно-активных средах необходимо применять добавки различных ингредиентов (пластификаторы, стабилизаторы, наполнители и т.д.).
Покрытия из смесей полимеров нередко имеют многие ценные свойства, не присущие индивидуальным пленкообразователям. Так,  при исследовании в аммиачной селитре защитная способность покрытий из композиции поливинилбутираля с 10% (по массе) полиэтилена в 2,5 раза выше поливинилбутираля и в 2,0 раза – полиэтилена. Улучшение защитных свойств поливинилбутиральных покрытий достигается также при применении порошковых композиций с 10% полиамидов и композицией с 30% поливинилхлорида.
Защитные свойства покрытий на основе термопластов (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт) в два-три раза улучшаются путем их комбинации с эпоксидными олигомерами. С другой стороны, модификация эпоксидных олигомеров полиэтиленом, полиамидами и плавкими фторопластами придает покрытиям повышенную гибкость, ударную прочность и стойкость при механической обработке.
Проведены эксплуатационные испытания лопаток разбрасывающих дисков разбрасывателя минеральных удобрений lРМГ-4, упрочненных термодиффузионным хромированием. После 760 ч работы (внесено 7 220 т удобрений) износ лопаток не зафиксирован.
Важный резерв повышения срока службы сельскохозяйственных машин, работающих в коррозионно-активных средах – консервация на период хранения.
Лучшую защитную способность показали тонкопленочные ингибированные жидкие смазки НГ-204У, НГ-21Б, НГ-222. Пластичные смази  ПВК и ЦИАТИМ защищают металлическую поверхность несколько хуже, так как обладают низкой полярностью и имеют низкие водовытесняющие свойства, поэтому они не могут использоваться для консервации мокрых поверхностей.

Глава 10 «Эксплуатационные методы повышения срока службы сельскохозяйственных машин».
При ремонте сельскохозяйственных машин подготовка ржавых металлических поверхностей под окраску – очень трудоемкий и трудноосуществимый технологический процесс, особенно для таких крупногабаритных узлов, как бункера, кузова, рамы, кронштейны и т.д.
Представляет практический интерес окраска по слою ржавчины, предварительно обработанной преобразователями. Результаты исследований показали, что модификаторы ржавчины позволяют значительно увеличить срок службы лакокрасочных покрытий в среде минеральных удобрений.
Обработка прокорродированной поверхности металла преобразователями ржавчины приводит к превращению гидратов закиси и окиси железа в нерастворимые фосфаты, сульфаты и комплексные соединения.
Таким образом, модифицированные продукты коррозии обладают защитными свойствами и являются хорошо подготовленной поверхностью для нанесения лакокрасочных покрытий.

Глава 11 «Базовое условие повышения научно-технического прогресса». В этой главе рассматривается закон непрерывности развития научно-технического уровня производства, который вытекает из причинно-следственной связи между производством и экономикой. Приводится организационная основа повышения эффективности машин и технологий.

Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся конструированием, изготовлением, а также эксплуатацией и ремонтом сельскохозяйственных машин. Для преподавателей и студентов вузов.

Заказать книгу можно в Республиканском унитарном предприятии «Издательский дом «Беларуская навука» по адресу:
220141, г. Минск, ул. Скорины, 40,
отдел маркетинга, тел. (017) 263–50–98; 263–23–27.
Цена книги в мягком переплете 51300 белорусских рублей с НДС.