开沟刀耐磨损性实验研究

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林果业已成为我国现代化大农业的主流产业，其快速发展也是实现地方经济社会可持续发展的需要。

灌溉与追肥在果树的生产管理中起到至关重要的作用 ，其合理与否不但可以缩小果树大小年的产量差 ，还可以提高果树产量和果品质量以及经济效益。

为了满足果树生产发展的需要，课题组设计了3GK-300型组合刀式果园开沟机，并且已经进入到小批量生产阶段。但是通过试用和用户调查发现，由于果园环境复杂，地下有小石块和树根等，开沟机的性能方面还存在不足之处，特别是开沟刀的使用寿命方面还有待于进-步提高。

本文结合表面工程技术，采用反应氮弧熔覆技术在开沟刀关键工作表面刀刃部分熔覆-层高耐磨性的金属陶瓷涂层，以提高开沟刀的耐摩擦磨损性能，从而增强开沟刀的使用寿命，进而整体提高开沟机的工作性能。

1 开沟刀切削阻力计算开沟机工作原理图如图 1所示。3GK-300型组合刀式果园开沟机基本参数：配套动力为 14.7kW；开沟宽度为B300ram；开沟深度为H：400ram；前进速度为Vo：120m/h；链条线速度为 VL2m/s；开沟链与收稿 日期 ：2Ol2-03-21基金项目：国家苹果产业技术体系果园机械岗专项(CARS-28)作者简介：李杰银(1986-)，男，河北廊坊人，硕士研究生，(E-mail)li。

通讯作者 ：刘俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，博士生导师，(E-mail)linjf###hebau.edu.en。

水平方向的夹角为 45。；刀节距为 Lc203.2mm；刀片宽度为 b 60mm。

Fig.1 Working principle of ditching machine依据农业机械设计手册关于链式开沟机工作部件基本参数的选择与计算得出了开沟刀切削土壤的阻力 F [ ：3GK-300型开沟机选用 C型刀，如图 2所示，为 √l，L '/o 2VLVoCOS， (1)求得开沟刀切削土壤 的绝对速度为 vo2.024m/s。

链刀绝对速度向量倾角卢按式(2)计算得卢44.28。，即t (2)由式(3)计算得开沟刀的切削厚度63.592mm，则有6L。sin( - ) (3)· 196·2013年 3月 农 机 化 研 究 第 3期作用在每把刀上的切土阻力为F It (bcKz。 )(10.2561gVL) (4)式中 ， -前苏联道路科学研究所坚实度计冲击值，如表 1所示；K-加工土壤的困难程度系数 (Pa)，如表 2所示；z -根据链刀的切削条件而定的封闭的侧切削数 ，自由切削Z。0；半封闭切削 Z l；封闭切削 Z 2，3GK-300型开沟机为封闭式切削，取 Z 2；K -侧刀切削土壤的比例系数(N/m)，如表2所示；- 切削角影响系数，如表 3所示。

图 2 开沟刀模型Fig.2 Model of trenching shovel表 1 和 的值Table 1 Value of I andf沙壤土壤 土重壤土黏 土22x10 23x1021xl0 32x1043×1018×l01310 ～12.8x1011.210 ～15.1xl018x1012.3×lO表3 和K的值Table 3 Value of and Ky20 O.85 40 1.2625 0.87 50 2.133O O.9O 55 2.6835 1.0o由式(4)查表计算得F 258.2N。

如图2所示，为开沟刀模型图，用于切削土壤的工作部分是刀的两个上刀刃，根据开沟刀实际尺寸计算得用于切削土壤刀刃面积为 S680ram ，则刀刃单位面积所受阻力为 F0.38N/mm 。

2 开沟刀的试验对比研究2.1 试验设备选择选用 HRS-2M高速往复摩擦磨损试验机进行开沟刀摩擦磨损试验。该设备适用于材料和零部件表面的摩擦磨损性能的测试，载荷范围宽、滑动速度可调，通过计算机准确地检测材料的摩擦系数、磨痕深度、表面轮廓和耐磨性，有针对性地对材料或零部件的表面处理特性做出评估。

2.2 试验样品的制备试验样品用-把使用后磨损废弃的开沟刀制备，在开沟刀上切割下面积相同的两个虚，分别编号为A，B。采用材料表面工程技术，制备金属陶瓷涂层制备方法 J，对试验样品进行处理。

1)开沟刀试验样品以65Mn为基体，用砂纸打磨3个样品表面直至出现金属光泽，彻底清除表面的氧化皮和泥土油污。

3)将 B试件打磨清洗后的机体表面涂抹-层按照工艺要求配制的混合金属粉末，涂层厚度在 1-2mm，然后将涂好的试件先自然阴干再烘干。

4)依据工艺要对涂抹好涂层的 B试件进行反应氮弧熔覆，合成金属陶瓷涂层。

5)分别在 B样品刀刃上进行反应氮弧熔覆TiCN，然后用平面磨床将试样熔覆层磨光至 Ra1.6 m ]。

由于式样刀刃磨损，在 A样品刀身平整处选-虚，采用同样处理方法磨光至 Ra1.6p，m。

2.3 试验及数据分析· 197·2013年 3月 农 机 化 研 究 第 3期2.3.1 试验施加载荷确定用 HRS-2M高速往复摩擦磨损试验机进行试验时，需要给完成摩擦磨损关键部件的球头施加-个压力，这个压力要依据开沟刀进行开沟作业时切削土壤的实际阻力来填加。由上文算得刀刃单位面积所受阻力为 F0.38N/ram 。而用于摩擦磨损试验的为直径 3mm的球头，在施加压力的作用下，由于试件和球头的弹性变形，经计算得所应施加载荷为 34g，依据设备加载载荷范围，确定实验实际加载载荷为50g。

2.3.2 试验时间确定开沟刀的磨损失效时间直接影响到刀的使用寿命，因而摩擦磨损试验所进行的时间长短不但能反应出刀具材料摩擦磨损性能，也能体现出刀具的失效时间。本试验是针对开沟刀的耐磨损性能进行研究的，因而设计了-组对比试验：相同摩擦磨损时间内普通刀和熔覆金属陶瓷涂层刀的耐磨性能对比研究。

3GK-300型果 园开沟 机 的链条 总长 为 L 2.95m，每把刀在循环 l周内切削土壤的距离为 f0.565m，确定试验机对试件进行摩擦磨损的时间为t 2h，由式(5)计算得开沟机相对连续工作时间 T10.4h∩以发现，通过试验机进行试验 比在大田中用开沟机进行试验既缩短了试验周期，为用户减少了成本投入，提高了经济效益，又为试验单位节约了大量钢材和油料 。式(5)为 L (5)2.3.3 试验及数据采集分别将两试件装卡在 HSR-2M往复摩擦磨损实验机上在相同的实验条件下进行 2h的磨损实验，通过试验机系统软件检测得两试件的摩擦系数 65Mn为0.233，熔覆层的摩擦系数为 0.056。如图3所示为两组实验后在试验机中截取的两个对 比试件的磨痕深度曲线图，图3(a)为 65Mn试件的磨痕深度曲线图，图3(b)为进行反应氮弧熔覆金属陶瓷涂层试件的磨痕深度曲线图，同时将两组磨损的试验数据进行保存 ，来进-步对实验结果进行分析。

l广- - - 州 - -。- (b)图3 磨痕深度曲线Fig.3 Curve of weaE depth2.3.4 数据处理及分析由图3两组曲线可以看出，实验数据在开始和结束时比较不稳定，不宜用来做磨损的数据处理和分析。因此 ，在进行数据处理和分析时，各截取了两组实验相同时间内比较稳定的570组数据放在同-个数据表格中，进行对比分析。通过对数据的编辑可以得出以-组实验对比曲线，如图4所示。

。 -. . 7 I. 1 。 fI- J、Jl .. -fl l Jl I -。f1.1lIⅣ.1。Il l l.MV vIflIn从flf V l- 霜 量燃三 熬蓦窝嚣 l 嚣裳系莩 y 导孽善景姜基 董釜暑0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 2 l 1 1 1 1 0 O O O 2O1 3年 3月 农 机 化 研 究 第 3期寿命还减小了机组的工作阻力。

由图4两试件磨损深度对比曲线可以发现，在相同时间内65Mn的磨损量明显大于熔覆层。通过对数据表格 的处理，得 出 65Mn的平 均磨 痕深度为2.18pm，而熔覆金属陶瓷涂层试件的磨痕深度仅为0.75 m。由分析结果可以看出，经过反应氮弧熔覆TiCN开沟刀的耐磨性比65Mn增大了近3倍，在很大程度上提高了开沟刀的使用寿命。

3 结论用反应氮弧熔覆金属陶瓷涂层表面工程技术对开沟刀进行了工作表面处理，可以得到组织致密、硬度高、强韧性高和耐磨性好的的熔覆涂层 J。并且，通过实验进-步验证了金属陶瓷涂层在开沟刀具上应用的可行性，进而为以后利用表面工程技术对刀具进行处理，提高刀具的使用寿命，对磨损刀具的修复再利用，减少农机具的维修与维护费用准备了-定的理论基矗