深松铲结构减阻设计及表面激光熔覆涂层耐磨性研究

作     者：李松泽 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：衣雪梅

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：深松铲 离散元法 减阻 激光熔覆 耐磨性 

摘      要：深松作业是一项重要的保护性耕作技术,在农业生产中被广泛应用。深松铲作为深松机具中的关键部件,在深松作业中受到土壤和植物根茎等阻力和摩擦磨损作用,致使牵引能耗增大、铲尖容易发生磨损失效,影响深松作业效率及质量,造成巨大的经济损失。因此,深松作业过程中的减阻降耗和增强铲尖耐磨性能是目前亟需解决的问题。本研究通过构建深松铲-土壤接触模型模拟深松铲在土壤中的受力状况进行结构减阻设计;采用激光熔覆在设计的减阻深松铲尖表面制备耐磨陶瓷涂层,以达到深松减阻和耐磨强化的目的。主要研究内容和结论如下:(1)构建深松铲-土壤接触模型。通过实验测定土壤质地、密度、含水率、内摩擦角等特性参数并构建土槽离散元模型以及深松铲-土壤接触模型;在以入土角23°、深松深度250～300 mm、深松速度0.83 m/s等参数下的深松作业模拟结果显示:深松深度为250 mm时减阻效果可达27.53%;在保证深松铲对土壤扰动小且破土效果好的基础上确定出最佳深松阻力,设计了具有后倾角5°的双棱深松铲。(2)制备激光熔覆Ni基AlO+Si C耐磨涂层。以65 Mn钢(深松铲材料)为熔覆基体,Ni62为自熔性合金粉末、AlO和Si C为增强相陶瓷粉末,通过激光熔覆在基体表面制备Ni基AlO+Si C耐磨涂层;探究熔覆工艺与涂层材料参数对涂层质量的影响规律,分析涂层截面显微硬度变化、表面宏观裂纹分布、熔覆界面元素扩散等,最终确定合适的工艺参数:激光功率1400 W,激光的扫描速度为10 mm/s;材料参数:铺粉厚度1.1 mm,陶瓷相含量4 wt%。(3)Ce O对耐磨涂层质量的改善。针对熔覆涂层存在的裂纹多的问题,分析激光熔覆涂层宏观裂纹产生原因,探究Ce O的添加对涂层裂纹的抑制作用。结果发现Ce O的添加可以促进复合涂层中硬质相的扩散;当Ce O含量为0.5 wt%时,熔覆区的晶粒尺寸显著变小,熔覆区元素的分布趋向均匀化,涂层显微硬度提高了22.76%。(4)摩擦磨损试验及土槽减阻试验。将0.5 wt%的Ce O添入Ni基AlO+Si C复合涂层后进行摩擦磨损试验和土槽减阻试验。摩擦磨损试验表明,Ce O改性后的复合涂层摩擦系数最小,涂层的主要磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损交替作用,且具有复合涂层的试样耐磨性提高4.4倍。;土槽试验表明,深松铲对土壤扰动的试验结果与仿真误差在17%以内,准确度高。