Opotřebení je složitý proces omezující spolehlivost a životnost strojů a jejich částí. Při hodnocení odolnosti proti opotřebení nebo pro stanovení příčin nízké životnosti a spolehlivosti strojů je nutná komplexní spolupráce mezi materiálovým odborníkem, konstruktérem, technologem a uživatelem.
Při rozboru opotřebení se hodnotí především faktory, které jsou v daných podmínkách rozhodující (materiál a jeho vlastnosti, kvalita a vlastnosti povrchu, vlastnosti a podmínky prostředí). Podle ČSN 01 5050 je opotřebení rozděleno do šesti skupin: adhezívní, abrazívní, erozívní, kavitační, únavové a vibrační. Při provozu strojních zařízení se obvykle tato opotřebení kombinují nebo přechází jeden typ opotřebení v jiný (např. adhezívní opotřebení přechází v abrazívní, jestliže volné částice se stanou vlivem plastické deformace tvrdšími než je základní materiál). Průběh a intenzita opotřebení je ovlivňována spolupůsobením chemických účinků za vzniku koroze na povrchu materiálu.
Plužní čepel je jednou z nejvíce namáhaných součástí orebního tělesa i celého pluhu. Musí splňovat jednak poměrně značné pevnostní požadavky a houževnatost, jednak vysokou odolnost proti opotřebení otěrem půdního abraziva. Hlavní příčinou nadměrného opotřebení plužních čepelí jsou tvrdé částice obsažené v půdě (křemičitý písek, kamení). Intenzita abrazívního opotřebení je závislá především na velikosti, tvaru a tvrdosti částic. Typ půdy a její utužení, klimatické podmínky a zejména vlhkost půdy, výrazně ovlivňují pracovní podmínky při orbě.
Obvykle vlhkost příznivě snižuje orební odpor. S rostoucí vlhkostí se však urychlují korozní procesy, které tak přispívají ke zrychlení abrazívního účinku tvrdých částic. Na splnění základních požadavků kladených na orbu má vliv především tvar a záběr plužního tělesa, hloubka a rychlost orby a další faktory.
Zkoumání tohoto problému obsahuje hledání vhodných typů materiálu a vhodného tvaru nástroje podle půdních podmínek s návazností na optimalizaci výměn opotřebovaných nebo poškozených plužních čepelí. Opotřebené a poškozené čepele je nutné na pluhu vyměnit. Demontované čepele pak mohou být renovovány. Cílem renovace je obnovení tvaru, obnovení ostrosti a zvýšení trvanlivosti. Rovněž při renovaci je třeba řešit volbu materiálu a technologický způsob renovace, jako např. vykování, přivaření náhradního břitu, navaření opotřebené vrstvy, zpevnění povrchové vrstvy místním povrchovým kalením nebo tvrdokovy aj. Z těchto důvodů vznikají vysoké náklady na obnovení provozu strojů výměnou čepelí opotřebovaných za nové případně čepele renovované. Proto jsou vyvíjeny nové tvary čepelí, aplikují se nové a odolnější materiály a nové technologie zpracování půdy. To vše má velký význam ekonomický z hlediska úspory materiálu, snížení energetické náročnosti a celkových nákladů na orbu půdy.
V současné době jsou v České republice používány plužní čepele tuzemské i z dovozu vyrobené z kované a lité oceli. Zkoušky vyhodnocující odolnost proti opotřebení stanovují pořadí uplatnění plužních čepelí v závislosti na půdních podmínkách.
Laboratorní zkoušky opotřebení
Odolnost proti opotřebení plužních čepelí lze zkoušet za provozu při orbě v půdních podmínkách nebo v laboratorních podmínkách na tribometru. Provozní zkoušky umožňují sledovat opotřebení čepele jako celku, probíhají přímo na zemědělském stroji a při podmínkách daných půdou a klimatickými podmínkami. Průběh a výsledek zkoušky je ovlivněn proměnlivostí půdních a klimatických podmínek (složení půdy, její vlhkost a utužení, srážky v průběhu orby a prokluz kol traktoru). Z toho plyne obtížnost přesné opakovatelnosti zkoušky a jejich porovnání. Zkoušky jsou nákladné a zdlouhavé.
Naproti tomu laboratorní zkoušky zahrnují zkoušky plužních čepelí nebo vzorků čepelí v půdním kanálu nebo na tribometru. Výhodou těchto zkoušek je možnost volby půdního prostředí, modelování jeho složek, je možné sledovat vliv vlhkosti a utužení na intenzitu opotřebení. Výhodou je obvykle nízká cena a opakovatelnost zkoušky.
Jelikož na katedře materiálu a strojírenské technologie ČZU v Praze jsou dlouhodobě prováděny laboratorní zkoušky odolnosti proti opotřebení kovových materiálů, byla zvolena tato metoda i pro materiály plužních čepelí. V návaznosti na předcházející etapu provozních zkoušek opotřebení plužních čepelí, byly realizovány laboratorní zkoušky na tribometru s brusným plátnem. Tyto zkoušky však nedefinují zemědělskou půdu jako volné abrazivo. Proto pro zkoušky opotřebení volným abrazivem bylo využito speciální tribometrické zařízení, tzv. „agrotribometr“, na kterém byly prováděny zkoušky opotřebení vzorků oceli s návary ve volném abrazivu křemičitého písku a korundu.
Pro zkoušky čepelí ve volném půdním abrazivu byl agrotribometr upraven a otestován (obr. 1). Zařízení má po úpravách kruhové koryto z pozinkovaného plechu tvaru mezikruží pro uložení vrstvy půdy. Vnější průměr koryta je 500 mm, vnitřní průměr 300 mm, výška vnitřní stěny je 80 mm, výška vnější stěny je 140 mm.
Zkušební vzorky byly vyrobeny oddělením z plužních čepelí na rozbrušovacím zařízení Metasecar, které je určené k odběru vzorků pro metalografické hodnocení materiálů. Oběhové čerpadlo zajišťuje intenzívní přívod chladicí emulze do prostoru řezu, čímž je zabezpečena stabilita pevnosti a struktury materiálu. Vzorky byly dále upravovány na rozměr broušením a frézováním. Původní vzorek ve tvaru klínu byl určen pro zkoušku simulující rozrušování vrstvy půdy v korytu, které se otáčelo proti klínu. Klín upevněný držákem v ose koryta bylo možné natáčet na zvolený úhel. Tato zkouška však nevykázala objektivní výsledky, jelikož při hmotnostní vlhkosti půdy až 19 % (obvyklá vlhkost půdy při odběru na pozemku v podzimním období), došlo po dráze 2 km k nalepování půdy na plochy vzorku a následně se tvořily půdní kuličky. Opotřebení bylo velmi nízké.
Teprve až při vysušení půdy na 3 % hmotnostní vlhkosti byl tento efekt odstraněn. Avšak opotřebení se projevovalo pouze u spodní části vzorku. Proto byl použit držák vzorku (obr. 2) ze zkoušek návarů (autor Doc. Ing. Milan Brožek – ČZU Praha) s možností náklonu vzorku v rozmezí = 0 až 30 k rovině abraziva (půdnímu povrchu). Výkyvné uložení upínacího zařízení bylo konstrukčně upraveno zpevněním ramen, aby nedocházelo ke chvění během zkoušky.
Zatěžování vzorku bylo prováděno soustavou výměnných závaží a experimentálně stanoveno pro mezní opotřebení půdních částic závaží 800 g. Pro tuto zkoušku byly vyrobeny vzorky o rozměru 25 x 50 mm. Takto byly vyrobeny vzorky plužních čepelí tuzemských z lité vysokopevnostní oceli VPH (označené mat. 1) a čepelí zahraničních z ekvivalentní české uhlíkové oceli 12 042 (označené mat. 2). Na přesný rozměr byly vzorky broušeny na plocho a hrany sraženy. Vzorky vyrobené z oceli 11 370 byly zařazeny do zkoušky jako porovnávací etalony.
V prostoru koryta s volně loženou půdou (písčitá s 9 % jílnatých částic a hmotnostní vlhkosti 3 %) bylo prováděno v průběhu zkoušky rovnání povrchu půdy pomocí ocelových hrabiček uložených na pevném závěsu. Následně na dalším závěsu změnou úhlu ocelové desky k půdnímu povrchu byl regulován stupeň utužení půdy v korytu. Zkouška byla zahájena až po urovnání povrchu a utužení půdy. Obvodová rychlost v ose vzorku byla 1,05 m.s-1, zařízení bylo vybaveno počítadlem otáček. Náklon vzorku byl stanoven na 4. Zkouška odolnosti proti opotřebení každého materiálu byla opakována třikrát. Před zkouškou byla pro každý vzorek provedena nová náplň půdy v korytu a vzorek zvážen na 0,00001 g. Během zkoušky byl vzorek opláchnut perchloretylenem a zvážen vždy po dráze 2 km až do 20 km.
Výsledky zkoušky byly zaznamenávány do tabulky a hodnoty hmotnostních úbytků byly vyneseny do grafu (graf 1). Vypočtené hodnoty poměrného opotřebení POabr (%) zkoušených materiálů vzhledem k etalonovému materiálu (11 370 je POabr = 100 %) byly POabr (mat. 1) = 56,79 % a POabr (mat. 2) = 68,09 % vyneseny do sloupcového grafu (graf 2). Z výsledků zkoušek je patrné, že nejvyšší odolnost proti opotřebení prokázala litá vysokopevnostní ocel, ocel 12 042 prokázala vyšší poměrné opotřebení o 11,3 %. V porovnání s provozními zkouškami, kdy nebyl prokázán výrazný rozdíl v opotřebení obou materiálů, se projevily nedostatky změn půdních a klimatických podmínek během orby. Pro komplexní hodnocení materiálů je třeba se laboratorními zkouškami dále zabývat a sledovat závislosti na vlhkosti půdy, její utužení a úhlu náklonu vzorku.
