Ispitivanje mehaničkih osobina noževa freze
Amel Karić
Rezime:
Cilj ovog seminarskog rada je analiziranje problematike
ispitivanja noževa traktorske freze, stoga ćemo se bazirati na
analiziranju osobina koje materijal mora posjedovati da bi
zadovoljio zahtjeve proizvodnje i upotrebe. Najprije ćemo obraditi
ispitivanja noževa sa stanovišta upotrebe, gdje ćemo se osvrnuti na
zahtjeve tvrdoće, zatezne čvrstoće i žilavosti. Karakteristike
obradljivosti se mogu direktno zaključiti na osnovu podataka već
spomenutih ispitivanja. Nakon toga ćemo analizirati uticaj
ispitivanja na kvalitet i ekonomsku isplativost proizvoda.
Ključne riječi: freza, nož, poljoprivreda, ispitivanje,
trošenje, tvrdoća, mehaničke osobine, obradljivost, žilavost
1. Uvod
1.1 Princip rada i primjena noževa freze
Freza je poljoprivredna mašina koja se koristi za obradu zemlje
nakon oranja. Svrha freze jeste usitnjavanje krupnijih komada
zemlje kako bi se obezbijedili uslovi za sjetvu i rast biljaka,
naročito biljaka sa podzemnim plodom (gomolj/krtola). Freza koristi
snagu traktora ili motokultivatora koju preuzima preko kardana i
dalje prenosnim i reduktorskim sklopom prenosi do noževa. Noževi
freze su postavljeni na vratilo i njihov broj i raspored variraju u
širokom dijapazonu i zavise isključivo od proizvođača.
Slika 1. Standardna IMT freza [1]
Brzina i kapacitet frezanja zavisi od veličine freze i snage
pogona. U proizvodnji se susreću freze različitih veličina zavisno
od uslova obrade zemljišta, pa tako postoje freze velikih
kapaciteta i dimenzija namijenjene za obradu velikih i ravnih
parcela. Primjer takve je dat na slici 2.
Slika 2. Freze velikih kapaciteta [2][3]
Takođe postoje i freze namijenjene za manje poljoprivredne
površine, bašte, plastenike i sl. One su manjih dimenzija,
zahtijevaju manju snagu i omogućavaju veoma precizno upravljanje.
Primjer takve je dat na sljedećoj slici.
Slika 3. Motokultivator freza [4]
1.2 Cilj ispitivanja
Ispitivanja noževa freze vrše se sa tri osnovna cilja, smanjiti
troškove proizvodnje, povećati radni vijek i obezbijediti sigurnost
radnika. Troškovi proizvodnje se mogu znatno smanjiti upotrebom
odgovarajućih materijala koji su pogodni za obradu deformisanjem,
stepen obradivosti se određuje ispitivanjem deformisanjem. Radni
vijek noža moguće je povećati korištenjem materijala sa visokom
tvrodoćom, što podrazumijeva i dobru otpornost na trošenje i
habanje. Sigurnost radnika može biti ugrožena ukoliko dođe do loma
noža jer se noževi obrću velikim brzinama i mogu da ugroze život
radnika ako dođe do otkaza. Sigurnost se može obezbjediti
ispitivanjem materijala na zatezanje i udarnu žilavost. Sve
navedeno porebno je ispitati i analizirati kako bi postigli
najbolje rješenje koje će zadovoljiti sve naše zahtjeve.
2 Ispitivanje tvrdoće
Tvrdoća je osobina materijala da se opire prodiranju drugog
tijela u njegovu strukturu. Ispitivanje tvrdoće potrebno je
izvršiti prije bilo kakve obrade materijala kako bi znali koji
materijal je potrebno koristiti za obradu. Uvijek alat mora biti
više tvrdoće od obratka. Postoji više načina mjerenja tvrdoće od
kojih su najpoznatitije metode po Brinellu, Vickersu, Rockwelu i
Shoreu.
2.1 Tvrdoća po Brinellu
To je prva široko prihvaćena i standardizirana metoda
ispitivanja tvrdoće. Ispitivanje se vrši zakaljenom čeličnom
kuglicom koja se utiskuje u ispitivanu površinu. Kuglica je
najčešće promjera 10mm i težine 29N. Ako se ispituju tvrđi
materijali ona se koristi wolframova kuglica umjesto čelične.
Tvrdoća se dobije kao odnos primijenjene sile, prečnika kuglice i
prečnika udubljenja u materijalu. Ta zavisnost je data sljedećim
izrazom:
Slika 4. Otisak kuglice na površini [5]
Glavne prednosti ove metode su:
· jednostavnost izvođenja ispitivanja jer nije potrebno posebno
pripremanje površine, dovoljno je grubo brušenje
· jednostavno mjerenje veličine otiska
Nedostaci su:
· zavisnost otiska od intenziteta sile, potrebne su veće sile za
tvrđe materijale
· nije moguće ispitivati jako tvrde materijale
· veliki otisak koji znatno narušava izgled površine
2.2 Tvrdoća po Rockwellu
Metoda po Rockwellu je najčešće korištena metoda ispitivanja
tvrdoće. Odlikuje se svojom jednostavnošću i brzinom primjene.
Koristi se za ispitivanje skoro svih vrsta materijala, izuzetak su
materijali koji daju rezultate koji variraju u širokom dijapazonu i
materijali kod kojih je dubina otiska prevelika. Princip rada ove
metode zasniva se na dvostrukom djelovanju opterećenja. Prvo
opterećenje (predopterećenje) se nanosi preko dijamantskog vrha i
služi za otklanjanje uticaja stanja površine. Nakon toga se nanosi
dodatno opterećenje koje se zadržava određeno vrijeme kako bi se
omogućilo tečenje materijala. Tvrdoća se dobija u zavisnosti od
dubine otiska.
Slika 5. Oblici mjernog elementa [7]
Ispitivanje se vrši dijamantnom kupom sa vršnim uglom od 120°
ili zakaljenom čeličnom kuglicom. Ovo ispitivanje spada u skupinu
statičkih ispitivanja jer se sila nanosi postepeno.
2.3 Tvrdoća po Vickersu
Ovu metodu ispitivanja razvila je kompanija Vickers Ltd i ona
predstavlja zamjenu za Brinellovu metodu. Ispitivanje se vrši
dijamantskom piramidom sa vršnim uglom 136°. Otisak na materijalu
je kvadratnog oblika, ali zbog nesavršenosti ispitivanja česta su
odstupanja od kvadratnog oblika, pa se pri mjerenju površine otiska
mjere obje dijagonale i uzima srednja vrijednost. Tvrdoća se dobije
iz odnosa primjenjene sile i površine otiska.
Slika 6. Utiskivač i otisak Vickersovog ispitivanja [8]
Princip rada je sličan Brinellovom ispitivanju, ali su kod ove
metode otklonjena značajna ograničenja Brinellovog ispitivanja.
Primjenom dijamantnog vrha moguće je ispitivati i vrlo tvrde
materijale, tvrdoća ne zavisi od sile pritiska, ostavlja mali
otisak, pa ne ugrožava strukturu površine i moguće je ispitivati
gotove proizvode. Glavni nedostaci su primjena sila u širokom
dijapazonu intenziteta, debljina uzorka mora biti barem 8 puta veća
od dubine otiska i nanošenje sile traje relativno dugo. Za mjerenje
površine otiska koriste se mjerni mikroskopi što je znatno
kompleksije u odnosu na Brinellovu metodu gdje je otisak moguće
izmjeriti pomičnim mjerilom. Takođe, priprema površine je znatno
kompleksnija jer zahtjeva pored brušenja i poliranje.
2.4 Tvrdoća po Shoreu
Ovom metodom tvrdoća se mjeri principom elastičnog odskoka.
Šipka ili drugi element tačno definisane geometrije se pošta da
slobodno pada na uzorak. Tvrdoća se mjeri na osnovu odskoka mjernog
elementa nakon udara. Što je veći odskok to je materijal tvđi i
manja količina energije sa udarnog elementa prelazi na uzorak, tj.
manje su deformacije. Mekši materijali daju manji odskok. Skala
tvrdoće se kreće od 0 gdje se udarni element potpuno zaustavlja u
uzorku, bez odskoka, do 100 gdje se udarni element potpuno odbija,
bez imalo utiskivanja. Najčešće se koristi za mjerenje tvrdoće
plastike, gume i drugih polimera.
Slika 7. Tvrdoća po Shoreu i oblici utiskivača [9]
2.5 Novije metode mjerenja tvrdoće [6]
Novije metode mjerenja tvdoće se zasnivaju na već navedenim
metodama ali sa znatnim unapređenjima u brzini obavljanja mjerenja,
mobilnosti i preciznosti. Od novijih metoda značajno je
spomenuti:
Ultrazvučnom kontaktnom impedancijom (eng. Ultrasonic Contact
Impedance ili kraće UCI)
Ova metoda je vrlo slična Vickersovoj metodi, sa razlikom što se
kod ove metode umjesto metalne šipke kao tijelo utiskivača koriste
piezoelektrični pretvarači koji električne signale pretvaraju u
mehaničke oscilacije. Na vrhu se nalazi dijamant koji pri mjerenju
oscilira u rezonantnom području od oko 70 kHz. Tvrdoća se mjeri kao
pomak rezonantnog područja, gdje se veći pomak veže za mekše
materijale, a manji za tvrđe materijale.
Slika 8. Ultrazvučna UCI metoda [10]
Veličina otiska se ne mjeri optički, nego ultrazvučno
pomjeranjem rezonantnog područja i to traje svega par sekundi. Ovaj
uređaj omogućava mobilnost, jednostavnost i veliku brzinu
ispitivanja. Takođe moguće je mjeriti tvrdoće u veoma širokom
dijapazonu.
Metoda odskoka standardizirano prema ASTM A 956
Ova metoda se zasniva na mjerenju tvrdoće u zavisnosti od
gubitka energije mjernog tijela. Kao mjerno tijelo koristi se
kuglica od volframovog karbida koja se oprugom upucava na površinu
uzorka. Kuglica pri udaru gubi dio energije koji se pretvara u
energiju deformacije. Nakon udara kuglica se odbija i mjeri se
visina koju nakon toga dostigne ili brzina u karakterističnom
položaju. Uređaji koje nudi firma Krautkramer (DynaPOCKET, DynaMIC
i MIC 20) svoj rad baziraju na mjerenju brzine nakon udara. Unutar
mjerne kuglice se nalazi permanentni magnet koji prolaskom kroz
zavojnicu indukuje struju. Intenzitet indukovane struje
proporcionalan je brzini kuglice.
Slika 9. Princip rada metode odskoka [10]
Tvrdoća se dobija iz izraza :
Obzirom da se dobija tvrdoća u Leebovoj skali, potrebno je
izvršiti pretvaranje u druge češće korištene mjerne skale.
Pretvaranje se vrši na osnovu tablica gdje su podaci dobijeni
eksperimentalno.
Optička metoda gledanja kroz penetrator
(Through-indenter.viewing ili skraćeno TIV)
Ova metoda zasniva se na Vickersovom mjerenju tvrdoće, bitna
razlika je u tome što se ovom metodom prati cjelokupno
propragiranje otiska tokom utiskivanja utiskivača. Utiskivač je u
ovom slučaju providni dijamant kroz koji se gleda otisak. Otisak se
snima CCD kamerom koja digitalizira sliku. Prednost ove metode
jeste u tome da je moguće mjerenje tvrdoće vrlo tankih materijala i
premaza. Osim toga zbog cjelokupnog praćenja nastajanja otiska nije
potrebna kalibracija uređaja za svaki materijal pojedinačno. Ova
metoda se odlikuje svojom tačnošću, jednostavnošću i brzinom
izvođenja.
Slika 10. Interfejs softwera koji upravlja TIV ispitivanjem
[10]
3 Ispitivanje zatezanjem
Ispitivanje zatezanjem je osnova svih ispitivanja, ono nam
govori osnovne karakteristike materijala kao šo su zatezna
čvrstoća, granica tečenja, maksimalno izduženje i suženje,
omogućava nam proračun nekih karakteristika materijala kao što su
modul elastičnosti, Poasonov broj i sl. Ispitivanje se vrši na
kidalicama. To su najčešće hidraulični urađaji koji vrše
opterećenje epruvete na zatezanje, imaju dvije stezne glave između
kojih se umeće i steže epruveta. Epruveta je uzorak tačno
definisanih geometrijskih karakteristika, izvađen prosjecanjem ili
na druge načine. Izduženje epruvete se mjeri ekstenzometrom koji se
pričvršćuje za epruvetu tako da između njegovih krakova dolazi do
najvećih deformacija i otkaza materijala.
Slika 11. Epruveta za ispitivanje zatezanjem i dijagram
napon-deformacija [8]
Zatezna čvrstoća predstavlja napon pri kojem dolazi do loma
epruvete i dobija se iz odnosa maksimalne sile i početnog poprečnog
presjeka
Napon tečenja je napon pri kojem dolazi do prelaska iz zone
elastične deformacije u zonu plastične deformacije, tj. dolazi do
trajnih promjena. Za neke materijale veoma je teško utvrditi
granicu tečenja, pa se onda za napon tečenja uzima napon pri kome
dolazi do 0.2% trajnih deformacija.
Izduženje je veličina koja nam govori koliko se epruveta
izdužila u odnosu na početnu dužinu.
Materijali koji se koriste za izradu noževa freza moraju
najprije da imaju dovoljno visku vrijednost napona tečenja kako ne
bi došlo do deformacija ili otkaza pri naprezanju. Pošto se noževi
freze kreću velikom ugaonom brzinom udarajući i prolazeći kroz
zemlju, a nakon toga obilaze ostatak kružne putanje bez
opterećenja, možemo reći da su oni izloženi dinamičkom naprezanju.
Obzirom da se noževi kreću kružno u jednom smjeru, to je onda riječ
o čistom jednosmjernom dinamičkom naprezanju. Da bi se utvrdilo
opterećenje koje mogu podnijeti za date uslove rada potrebno je
izvršiti ispitivanje zamaranjem.
4 Ispitivanje dinamičke čvrstoće
Zamaranje je pojava postepenog razaranja materijala usljed
dugotrajnog dejstva periodično promjenjivih opterećenja. [7] Da bi
se dobili podaci o dinamičkoj izdržljivosti materijala potrebno je
epruvetu izložiti promjenjivom opterećenju sa N ciklusa promjena.
Pri ispitivanju se mijenja opterećenje i prati uticaj njegove
promjene na broj ciklusa koji materijal izdrži do loma. Dobijeni
rezultati se najlakše predstavljaju Velerovim dijagramom gdje je
apscisa broj ciklusa, a ordinata je napon opterećenja.
Slika 12. Dijagram zamaranja ili Velerov dijagram [11]
Konačna dinamička izdržljivost je napon koji dati materijal može
da izdrži za određeni broj ciklusa promjena, dok je trajna
dinamička izdržljivost napon koji materijal može da izdrži za
neograničen broj promjena.
Dijagram se može predstaviti i u logaritamskom obliku gdje se
dobiju nešto jasnije granice prelaza konačne i trajne dinamičke
izdržljivosti.
Slika 13. Logaritamski oblik Velerovog dijagrama [11]
5 Ispitivanje žilavosti materijala
Žilavost je osobina materijala da se pri naglom (udarnom)
opterećenju plastično deformiše prije nego dođe do loma. Nasuprot
žilavosti krhkost je osobina materijala da se pri udaru naglo lomi
bez deformacije. Žilavost se upoređuje i sa deformabilnošću, jer
daje podatke o tome koliko se dati materijal može oblikovati.
Ispitivanje žilavosti se vrši najčešće na Charpyjevom klatnu gdje
udar vrši teg na poluzi, a žilavost se mjeri energijom koju udarni
element izgubi pri udaru. Gubitak energije se mjeri razlikom
potencijalnih energija tega prije i poslije udara. Žilavost se
izražava u džulima ( J ) i predstavalja se sa oznakama KV ako je
korištena epruveta sa V zarezom i KU ukoliko se koristi epruveta sa
U zarezom. Epruveta je uzorak standardiziranih dimenzija na koji se
urezuje vještačka pukotina (inicijalna pukotina) i čija se
propagacija posmatra.
Slika 14. Šematski prikaz Šarpijevog klatna [9]
Na lomnu žilavost znatno utiče temperatura, pa su dvije
karakteristične temperature naročito interesantne za analizu.
Prijelazna temperatura ispitivanja je temperatura na kojoj
materijal prelazi iz područja izrazite duktilnosti u područje male
duktilnosti .
Temperatura nulte žilavosti je temperatura na kojoj materijal
gubi svoje duktilne osobine i ponaša se kao potpuno krt
materijal.
Na lomnu žilavost još znatno utiče i struktura materijala gdje
materijal sa sitnozrnastom strukturom ima veću žilavost nego sa
strukturom krupnijih zrna.
Zaključak:
Ispitivanje mehaničkih osobina materijala za primjenu na
mašinama za obradu zemlje je neophodno ukoliko želimo da naš
proizvod osigura sigurnost radnika, dug radni vijek i nisku cijenu.
Primjenom materijala optimalne tvrdoće možemo postići najbolji
omjer dugotrajnosti tj. otpornosti na habanje i tržišne cijene.
Određivanjem i usklađivanjem žilavosti materijala osiguravamo da će
naš proizvod biti siguran za upotrebu i da neće doći do loma pri
radu na kamenitom i tvrdom terenu kao i pri radu na niskim
temperaturama gdje materijal znatno gubi svojstva žilavosti. Za
korištenje proizvoda na duži vremenski period potrebno je osigurati
da on zadovoljava zahtjeve potrebne dinamičke izdržljivosti kako ne
bi došlo do loma usljed zamora materijala. Za sva navedena
ispitivanja potrebno je izdvojiti znatnu količinu novca, međutim
ukoliko ta ispitivanja uradimo kvalitetno i dobijene podatke
stručno analiziramo možemo postići kvalitet i cijenu proizvoda koji
će zadovoljiti kupce i nama osigurati tržišnu prednost u odnosu na
konkurenciju.
Literatura:
[1] http://poljoprivredni-centar.net/
[2] http://www.aph.nl
[3] http://www.baselier.com
[4] http://www.tillercultivator.net
[5] Wikipedia.com
[6] http://www.hardnesstesters.com
[7] http://www.vorax.hr
[8] http://www.twi.co.uk
[9] http://www.substech.com
[10] http://idef.hr/nova/aploads/files “Mobilno ispitivanje
tvrdoće” Dr Stefan Frank
[11] Standard JUS C.A4.035 izvor (http://omk.mas.bg.ac.rs/)
11
