Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы и результатов ранее выполненных исследований 10
1.1 Особенности конструкций рабочих органов, анализ факторов влияющих на их долговечность и характеристику винтового забойного двигателя 10
1.2 Анализ технологии изготовления роторов 19
1.3 Анализ технологии изготовления статоров 23
1.4 Постановка задачи исследований 31
2 Исследования и разработка конструкции и технологии изготовления облегченных роторов и армированных статоров ВЗД 33
2.1 Исследование и разработка конструкций и технологии изготовления облегченных роторов 33
2.2 Исследование и разработка конструкции и технологии изготовления армированных статоров с использованием тонкостенных винтовых оболочек 42
2.3 Исследование и разработка конструкции пресс-формы для изготовления армированных статоров 55
3 Теоретические исследования процесса формообразования тонкостенной винтовой оболочки жидкостью высокого давления на винтовом формообразующем сердечнике 62
3.1 Разработка компьютерной модели для исследования процесса формообразования тонкостенных винтовых оболочек 62
3.2 Исследование формообразования тонкостенной винтовой оболочки и влияния погрешностей заготовки на точность профиля 73
3.3 Разработка методики проектирования секций рабочих органов с облегченными роторами и армированными статорами 84
4. Экспериментальные еиследования яроцессс формообразования тонкостенной винтовой оболочки жидкостью высокого давления на винтовом формообразующем сердечнике 91
4.1 Исследования и разработка конструкции универсальной установки высокого давления 91
4.2 Исследования процесса формообразования и влияния погрешностей изготовления трубной заготовки на точность профиля винтовых оболочек 101
4.3 Разработка и совершенствование конструкции пресс-штампов для изготовления тонкостенных винтовых оболочек 110
5 Испытания новых секций рабочих органов и внедрение результатов исследований 111
5.1 Результаты стендовых и промысловых испытаний двигателей с облегченными роторами 111
5.2 Результаты стендовых и промысловых испытания секций рабочих органов с армированными статорами 111
5.3 Экономическая эффективность и внедрение результатов работы 132
Основные выводы и результаты диссертационной работы 131
Список литературы 131
- Анализ технологии изготовления статоров
- Исследование и разработка конструкции и технологии изготовления армированных статоров с использованием тонкостенных винтовых оболочек
- Исследование формообразования тонкостенной винтовой оболочки и влияния погрешностей заготовки на точность профиля
- Результаты стендовых и промысловых испытания секций рабочих органов с армированными статорами
Введение к работе
Актуальность темы. Винтовые забойные двигатели (ВЗД), созданные во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ) и его Пермском филиале, в настоящее время широко используются в нашей стране и за рубежом для бурения и капитального ремонта скважин.
Основным узлом (рабочим органом) ВЗД является многозаходный героторный механизм, который представляет собой цилиндрическую планетарную зубчатую передачу внутреннего зацепления, включающую резинометаллический статор и металлический ротор с разницей в числах их зубьев равной единице.
Одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик ВЗД является использование для производства статоров и роторов тонкостенных стальных винтовых оболочек. Применение таких оболочек для армирования зубьев резинометаллического статора позволяет повысить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и эксплуатационные характеристики героторного механизма. Использование оболочек для изготовления облегченного ротора позволяет снизить массу ротора, уменьшить динамику поперечных колебаний и нагрузки на резиновые зубья статора и повысить срок службы героторного механизма.
Однако, возможные конструкции и технология изготовления облегченных роторов и армированных статоров с использованием тонкостенных стальных винтовых оболочек были недостаточно изучены, что сдерживало их внедрение в ВЗД.
Цель работы: Повышение эксплуатационных характеристик винтовых забойных двигателей за счет разработки и использования новых конструкций и технологии изготовления многозаходных героторных механизмов с облегченными роторами и армированными статорами.
Задачи исследований
1. Разработать новые конструкции и технологию изготовления героторных механизмов винтовых забойных двигателей с использованием тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями для изготовления облегченного ротора и армированного статора. Разработать методику заливки армированных статоров резиновой смесью, обеспечивающую равномерную толщину резины по профилю зубьев статора.
2. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями. Численным методом исследовать напряжения и деформацию винтовых оболочек при заданных физико-механических свойствах металла, установить факторы, влияющие на точность профиля зубьев оболочки, разработать методику расчета профиля зубьев формующего сердечника.
3. Установить зависимость геометрических параметров трубной заготовки оболочки для статора и ротора с геометрическими параметрами формующего сердечника и параметрами зацепления многозаходного винтового героторного механизма. Разработать методику расчета толщины стенки трубной заготовки для винтовой оболочки ротора и армированного статора.
4. Разработать универсальную камеру высокого давления и пресс-штампы для изготовления оболочек, используемых для изготовления облегченных роторов и армированных статоров, пресс-форму статора.
5. Изготовить опытные образцы облегченных роторов и армированных статоров ВЗД, провести стендовые и промысловые испытания ВЗД с экспериментальными рабочими органами.
Научная новизна
1. С использованием компьютерного моделирования разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной винтовой оболочки с учетом физико-механических свойств материала трубной заготовки.
2. Определена взаимосвязь геометрических параметров трубной заготовки с геометрическими параметрами формообразующего сердечника и параметрами зацепления героторного механизма.
3. Установлено, что точность профиля зубьев оболочки в большей степени зависит от остаточной деформации по высоте зубьев винтовой оболочки и несоосности наружного и внутреннего диаметров трубной заготовки.
4. Разработана методика расчета профиля зубьев формующего сердечника, позволяющая повысить точность профиля зубьев облегченных роторов.
Практическая значимость и реализация работы
1. Разработаны методика проектирования и новые конструкции облегченных роторов и армированных статоров с использованием тонкостенных стальных винтовых оболочек (патенты РФ №№ 2187615, 51082, 58592, 2351730), а также пресс-форма для заливки армированных статоров резиновой смесью, обеспечивающая равномерную толщину резины по профилю зубьев статора (патент РФ №105615).
2. Разработан способ калибровки тонкостенных труб, технология обточки наружной поверхности трубной заготовки оболочки ротора для обеспечения заданного натяга в зацеплении героторного механизма.
3. Использование облегченных роторов позволило повысить долговечность рабочих органов ВЗД на 50% и снизить их себестоимость, а использование армированных статоров позволило увеличить крутящий момент и мощность ВЗД более чем в полтора раза при одинаковой длине рабочих органов по сравнению с серийно выпускаемыми двигателями и повысить технико-экономические показатели бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин.
4. Разработаны, изготовлены и введены в эксплуатацию универсальная установка высокого давления и пресс-штампы для изготовления тонкостенных винтовых оболочек.
5. Результаты исследований использованы в конструкторской и технологической документации на ВЗД диаметром 88, 95, 106, 178 и 195 мм при их серийном производстве.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях научно-технического совета ООО «ВНИИБТ–Буровой инструмент» (г. Пермь, 2004-2011г.г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело - 2010» (г. Пермь, 2010 г.), на 1 Международной научно-практической конференции «Молодые ученые Прикамья-2011» (г. Пермь, 2011 г.), на семинарах кафедры «Технология машиностроения» ПГТУ (г. Пермь, 2010-2011гг.) на совместном заседании кафедр «Конструирования машин и сопротивления материалов», «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», ПГТУ (г. Пермь 2011 г.), на заседаниях Ученого совета ОАО НПО «Буровая техника» (г. Москва, 2010-2011 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 6 патентов РФ на изобретения и полезные модели, 6 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 111 наименований. Работа изложена на 148 страницах, включая 11 таблиц и 52 рисунка.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Гусману А.М., д.т.н. Балденко Д.Ф., к.т.н. Кочневу А.М., к.ф-м.н. Левиной А.Б. за ценные советы, конструктивные замечания и помощь при работе над диссертацией. Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Ю.А. Коротаеву.
Анализ технологии изготовления статоров
Весьма перспективным способом повышения крутящего момента двигателя является армирование зубьев статора, которое заключатся в изготовлении корпуса статора с внутренними металлическими зубьями с последующим их обрезиниванием (рис. 1.2, г, д, е). Это позволяет увеличить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и повысить мощностные характеристики двигателя более чем в 1,5 раза без увеличения его длины. Кроме того, повыщается долговечность зубьев статора за счет лучщего теплоотвода и увеличения усталостной выносливости зубьев.
При увеличенной жесткости винтовой зуб статора имеет значительно меньшие перемещения под действием перепада давления промывочной жидкости в рабочих камерах героторного механизма и воздействием ротора, сохраняя при этом контактное взаимодействие рабочих органов. Уменьшаются утечки рабочей жидкости из камер высокого давления в камеры низкого давления. За счет снижения объемных потерь новая конструкция статора позволяет увеличить межвитковый перепад давления промывочной жидкости в рабочих камерах статора при его работе.
При увеличении перепада давления в статоре возрастает крутящий момент на выходном валу двигателя. Таким образом, на характерных режимах работы ВЗД (режим максимального КПД, режим максимальной мощности, режим максимального момента) двигатель с армированным статором имеет увеличенный крутящий момент по сравнению с двигателем со стандартным статором при одинаковой длине, за счет уменьшения объемных потерь.
При уменьшении объемных потерь в героторном механизме появляется возможность использовать меньший натяг в зацеплении, что должно снизить износ поверхностей скольжения ротора и статора, уменьшить механические потери на трение в механизме, а также уменьшить давление запуска двигателя [102].
Отсутствие или значительное уменьшение протоков промывочной жидкости из рабочих камер двигателя, образованных винтовыми поверхностями ротора и статора, уменьшает падение оборотов ротора при возрастающем тормозном моменте на него или, другими словами, улучшает нагрузочную характеристику героторного механизма. Получением роторот из вонктстенных труб методом пластического деформирования в специальных пресс-штампах (гидроштамповки).
Прокатка роторов винтовых забойных двигателей впервые была осуществлена на Бердичевском заводе «Прогресс» (г. Бердичев, Украина) в середине 80-х годов. На прокатном стане завода «Прогресс» зубья ротора формировались тремя зубчатыми валками диаметром 300 мм, оси которых располагались параллельно оси ротора. Поверхность валков выполнялась сопряженной с поверхностью ротора. Заготовка ротора при прокатке нагревалась до температуры 1100-1150С, необходимой для пластической деформации в специальном индукторе, непосредственно перед формированием зубьев.
При прокатке роторов обеспечивается высокая твердость поверхности зубьев и высокое качество поверхности зубьев, малое время обработки зубьев по сравнению с зубофрезерованием.
Недостатком способа прокатки была невысокая точность и нестабильность геометрических параметров, а также сложность и большая трудоемкость освоения прокатки новых типоразмеров роторов.
Широкое распространение при производстве роторов винтовых забойных двигателей, как в нашей стране, так и за рубежом получил метод нарезания зубьев с использованием зуборезного инструмента.
Нарезание зубьев роторов винтовых забойных двигателей выполняется фасонными червячными фрезами [32, 34, 35] или дисковыми фрезами на станках с ЧПУ.
При нарезании зубьев роторов на станках с ЧПУ в качестве режущего инструмента применяется твердосплавная симметричная угловая дисковая фреза с углом профиля 20-30 и радиусом закругления на вершине 3-Ю мм. Фреза устанавливается на оправке фрезерной головки и ей сообщается главное движение резания. Согласованное вращение заготовки ротора и перемещение дисковой фрезы в направлении перпендикулярном к оси ротора и вдоль оси ротора обеспечивается программой станка с ЧПУ. Нарезания зубьев роторов на станках с ЧПУ является более универсальным по сравнению с нарезанием зубьев роторов червячными фрезами по методу обката, так как одной дисковой фрезой можно нарезать зубья роторов с разным числом зубьев, высотой, профилем и углом наклона зубьев, что значительно упрощает освоение производства новых типов винтовых двигателей. Этот способ получил широкое распространение за рубежом. В нашей стране этот способ стал широко осваиваться компаниями нефтяного машиностроения с 2005 года.
После фрезерования зубьев роторов на станках с ЧПУ дисковой фрезой шероховатость поверхности составляет Ra 6,3-12,5, поэтому зубья роторов полируются абразивной лентой на специальных станках.
Основным недостатком перечисленных выше способов формообразования зубьев ротора является большая масса ротора. Как показывает опыт изготовления ВЗД в ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», массу ротора можно кратно уменьшить за счет использования тонкостенных стальных оболочек, получаемых методом пластического деформирования жидкостью высокого давления (гидроштамповки).
Исследование и разработка конструкции и технологии изготовления армированных статоров с использованием тонкостенных винтовых оболочек
Преимуществом облегченных тонкостенных роторов, по сравнению с фрезерованными, является значительно меньшая масса и, как следствие, меньшее влияние центробежных сил ротора на зубья статора и узлы ВЗД за счет снижения инерционных нагрузок, а также увеличенный коэффициент полезного действия (КПД) и долговечность рабочих органов. На изготовление тонкостенного ротора уходит в 3-4 раза меньше металла, а трудоемкость процесса холодного деформирования ротора на простом, недорогом оборудовании в 8-Ю раз меньше, чем трудоемкость зубофрезерования роторов червячными или дисковыми фрезами на специализированных дорогих станках. Преимуществами этого способа являются безотходность процесса, снижение трудоемкости, улучшение качества поверхности ротора за счёт сохранения исходной шероховатости трубной заготовки, полученной шлифовкой или полировкой.
Однако конструкция и технология изготовления облегченных роторов была исследована недостаточно, а при их производстве не обеспечивалась требуемая точность профиля зубьев. Применяемое оборудование не позволяло изготавливать винтовые оболочки различного диаметра. Формующие сердечники быстро выходили из строя из-за низкой износостойкости зубьев. Все это сдерживало внедрение новых конструкций ВЗД с облегченными роторами
Качество поверхности ротора оказывает большое влияние на долговечность статора, так как зубчатые поверхности статора и ротора постоянно контактируют друг с другом.
Ротор должен иметь высокую твердость зубьев, гладкую полированную поверхность и быть стойким к коррозии. В зависимости от условий эксплуатации зубья ротора упрочняются хромовым покрытием или твердым сплавом. Иногда упрочняющее покрытие может отсутствовать
Дефекты поверхности, разрушение упрочняющего покрытия, ржавчина способствуют интенсивному износу зубьев статора, а разрушение хромированного покрытия может привести к катастрофическому разрушению статора.
В основу технологического процесса изготовления серийных статоров принят метод литьевого прессования в закрытых пресс-формах на модернизированном прессе К-03 и специальной литьевой машине «Desma» (Германия) Перед заливкой статора его внутренняя поверхность подготавливается под обрезинивание. В подготовку поверхности входят операции по обезжириванию, дробеструйной обработке, нанесению клея и сушке (рис. 1.5) Хранение остовов реак
Подготовленный к обрезиниванию корпус статора собирается с пресс-формой, производится заливка статора и вулканизация, после чего пресс-форму охлаждают и разбирают.
Многолетний опыт изготовления ВЗД показывает, что увеличение длины рабочих органов для повышения энергетических характеристик исрока служвы рабочих органов ВЗД, в первую очередь, зависит от достигнутого уровня технологии изготовления статора. Чем длинней статор, тем больше технологических проблем возникает при его изготовлении.
Для заливки длинномерных статоров необходимо использовать специальную резину с улучшенными литьевыми свойствами, специальные пресс-формы, обеспечивающие прямолинейность оси канала статора и т.д. Это приводит к повышению себестоимости изготовления статора.
Двигатели с армированными статорами за счет повышенной изгибной жесткости резиновых зубьев развивают мощность и момент в 1,5 - 2,0 раза выше по сравнению с обычными двигателями при одинаковых длинах рабочих органов, что очень важно при использовании их для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Исследованиями и производством армированных статоров занимаются многие зарубежные и российские компании: «Baker Hughes», «Drilex», «Halliburton», «Robbins and Myers», «Lilin», OOO «Фирма «Радиус-Сервис», ОАО «Пермнефтемашремонт» и другие.
Фирма «Baker Hughes» имеет патент на корпус статора, внутренние зубья которого изготовлены методом обжатия трубной заготовки на винтовой оправке [94]. Суть способа состоит в том, что внутрь толстостенной заготовки устанавливается профильная оправка, а на наружную стенку трубной заготовки по всему периметру действует давление от прокатных валиков (рисунок 1.6, а). После обжатия оправка извлекается из полученного корпуса на прессе.
Недостаток данного способа заключается в том, что для изготовления такого корпуса требуется очень дорогостоящее и энергоемкое оборудование. При изготовлении корпуса статора таким методом необходимо ставить многократные эксперименты для определения точности винтового шага, т.к. имеет место эффект неравномерного «пружинения» заготовки в продольном направлении из-за действия остаточных напряжении в заготовке.
Известны также способы изготовления цельных корпусов статоров с внутренними зубьями методами фрезерования, а также электрохимическим способом (рисунок 1.6, б) [89].
При изготовлении внутреннего профиля статора электрохимическим способом заготовка статора помещается в электролит. Далее внутрь заготовки вводится специальная штанга с насадкой, которой сообщается согласованное осевое перемещение с вращением.
Армирование зубьев статора может быть осуществлено с использованием простых деталей. Арматурой может являться металлический пруток (рисунок 1.6, в). Данная конструкция запатентована фирмой «Go-Anker» [91]. Арматура может располагаться по всей винтовой части рабочих органов или на нижней половине её длины, где необходимо повыщение жесткости зубьев. Существенным недостатком этого способа является большая сложность закрепления прутков внутри корпуса статора с обеспечением необходимых параметров винтовых зубьев.
По патенту ООО «Фирма «Радиус-Сервис» [81] остов статора может быть составным: из корпуса и вставных статорных гильз, соединенных сваркой (рисунок 1.7, а). Цилиндрические гильзы с внутренней стороны имеют винтовые зубья.
Исследование формообразования тонкостенной винтовой оболочки и влияния погрешностей заготовки на точность профиля
Для обеспечения разбираемости пресс-штампа необходимо винтовые зубья сердечника обрабатывать специальными противозадирными смазками. При этом смазка остается на внутренней поверхности оболочки после разборки. Для изготовления роторов наличие смазки на внутренней поверхности оболочки не влияет на качество изделия, а наличие смазки на внутренней поверхности арматуры статора, подлежащей обрезиниванию, не допустимо. После изготовления винтовой оболочки статора ее внутреннюю поверхность необходимо обезжирить.
Применение металле и графитсодержащих противозадирных смазок для обработки винтовой поверхности пресс-штампа приводит к тому, что при больших давлениях штамповки частички металла и графита внедряются в поверхность оболочки. Эти включения впоследствии очень трудно удаляются даже химическими растворителями. Присутствие в металлосодержащих смазках меди и графита и внедрение их частиц в поверхность оболочки препятствуют качественному приклеиванию резины.
Для смазки сердечников пресс-штампа для изготовления винтовых оболочек статоров были опробованы водорастворимые смазки «Синерс-М» и «Синерс-МФ» производства ФГУП «НИИполимеров». Результаты применения водорастворимых смазок дали положительные результаты. Смазка «Синерс-МФ» обладает выраженными противозадирными и антифрикционными свойствами. Поэтому в настоящее время работы по изготовлению винтовых оболочек для статоров ВЗД осуществляются с применением этой смазки. в связи с тем, что поверхность оболочки имеет сложную форму, затруднен процесс ее очистки от основных частиц смазки, В связи с этим был предложен способ очистки внутренней поверхности оболочки при помощи струи горячей воды, выходящей под большим давлением из сопла. Суть способа состоит в том, что на шланг высокого давления одевается насадка, имеющая вращающееся кольцо с боковым отверстием - соплом. Другим концом шланг присоединяется к компрессору, подающему горячую воду под высоким давлением. Шланг с насадкой помещаются внутрь оболочки, компрессор включается. Вода, выходящая с большой скоростью из сопла, приводит во вращение кольцо насадки, при этом струей воды обрабатывается весь периметр оболочки. Насадку при помощи шланга перемещают от одного конца оболочки к другому и обратно. Происходит полная очистка внутренней поверхности оболочки от остатков смазки.
После водоструйной обработки оболочка направляется на электрохимическое обезжиривание, которое производится в вертикальной ванне при температуре раствора электролита 70-80С, плотности тока 5-10 А/даГ, напряжении 6В. Сначала проводится обработка анодным током в течение 3 минут, затем катодным в течение 5 минут. После обезжиривания оболочка промывается в горячей воде в вертикальной ванне, затем сушится в шахтной печи в течение 10 минут при температуре 100-150С,
Качество обезжиривания проверяется осмотром внутренней поверхности оболочки в проходящем сквозь нее свете. Поверхность должна иметь серый цвет одинаковой интенсивности по всей длине оболочки. При соприкосновении с внутренней поверхностью фильтрованной бумаги, на бумаге не должно оставаться жирных пятен.
После обезжиривания винтовая поверхность оболочки устанавливается в корпус статора и закрепляется. Предложено несколько способов закрепления оболочки внутри корпуса статора. Одним из способов является установка в корпус статора конических втулок, которые малым диаметром конуса входят внутрь цилиндрических участков оболочки. Втулки зажимаются по торцам резьбовыми переводниками, тем самым закрепляют винтовую оболочку [83]. Однако, как показано выше, самым простым способом закрепления оболочки внутри корпуса статора оказался метод электросварки.
После закрепления оболочки в корпусе статора выполняются операции по дробеструйной обработке внутренней его поверхности и нанесению клея. Подробно этот метод описан в источниках [35, 42]. Особенностью дробеструйной обработки внутренней винтовой поверхности является то, что корпус статора необходимо вращать в сторону, противоположную направлению винтовой линии с целью самоудаления дроби.
Исследование и разработка конструкции пресс-формы ДЛЯ изготовления армированных статоров
Особенностью заливки армированных корпусов статоров резиновой смесью является следующее: 1. Необходимо очень точно фиксировать положение сердечника пресс-формы относительно внутреннего профиля винтовой арматуры для обеспечения равномерной толщины резиновых зубьев статора. 2. При установке сердечника пресс-формы внутрь корпуса статора необходимо, чтобы поверхность сердечника не соприкасалась с винтовой поверхностью арматуры статора, на которую нанесен клей. При соприкосновении сердечника с арматурой статора клеевой состав может попасть на поверхность сердечника, что не допустимо, так как при вулканизации произойдет приклеивание резины к сердечнику пресс-формы, а при разборке статора, в месте приклеивания резины, может произойти вырыв зубьев.
Результаты стендовых и промысловых испытания секций рабочих органов с армированными статорами
В результате экспериментальных исследований выявлено следующее: - в связи с ограничением камеры высокого давления по максимально допустимому давлению, равному 270 МПа, не удалось выявить максимальное давление формообразования оболочки ВЗД диаметром 195 мм с параметрами Lc/L0 = 1,03, в некоторых экспериментах на поверхности оболочки было выявлено разрушение металла (трещины) из стали 20, вызванное чрезмерными напряжениями и деформациями. - линия теоретического профиля наружной поверхности не является эквидистантой профиля сердечника пресс-штампа. Высота зубьев оболочки меньше высоты зубьев сердечника пресс-штампа, о чем свидетельствует зазор между внутренней поверхностью впадины ротора и впадиной сердечника пресс-штампа, так называемая величина пружинения. Эта величина для оболочки ротора ВЗД диаметром 106 мм с заходностью 5/6 и высотой зубьев 9 мм составляет 0,25 мм. Для ротора ВЗД диаметром 88 мм с заходностью 5/6, высотой зубьев 7 мм зазор между внутренней поверхностью впадины ротора и впадиной сердечника пресс-штампа составляет 0,2 мм. Для оболочки статора ВЗД диаметром 95 мм с числом зубьев z=6 и высотой зубьев h=7 величина пружинения составляет 0,2 мм; - толщина стенки оболочки в торцовом сечении не меняется.
Следовательно, для расчета профиля сердечника пресс-штампа необходимо толщину стенки в торцевом принимать как величину постоянную, а внутренний профиль ротора рассматривать заданной кривой, эквидистантной наружному профилю ротора.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при отношении периметра торцового профиля сердечника пресс-штампа к длине описанной окружности Zc/Lo l,01 необходимо увеличивать давление штамповки. Увеличение давления штамповки более 270 МПа не желательно так как камера высокого давления значительно увеличивается в размерах. Кроме того увеличиваются контактные давления на сердечник пресс-штампа, что вызывает его интенсивный износ. При величине L/L0 от 0,98 до 1,00 условия формообразования самые благоприятные. При этих параметрах давление штамповки составляет 250-270 МПа, а величина «пружинения» составляет 0,02-0,03 от высоты зубьев винтовой оболочки.
При числе зубьев оболочки г =4 и величиной Vo =0,96 полной проштамповки не происходит, во впадине оболочки образуются складки в виде волны (рисунок 4.10). Высота волны во впадине профиля оболочки, изготовленной из заготовки с наружным диаметром 70 мм и толщиной стенки 5 мм, составляет до 0,5 h2, диаметр оболочек по выступам был больше номинального на 0,5-1,5 мм. Увеличение толщины стенки оболочки в торцевом сечении не происходит. Постоянство толщины стенки оболочки в торцевом сечении свидетельствует о том, что процесс изготовления оболочек связан только с деформацией оболочки, при которой не происходит сжатия металла.
Проведены исследования по влиянию давления формообразования на высоту зубьев ротора. В таблице 4.2 приведены данные замеров высоты зубьев оболочек ВЗД, изготовленных на разных оптимизированных сердечниках в зависимости от величины давления.
Экспериментальными исследованиями выявлено, что в процессе деформирования происходит значительное упрочнение материала оболочек. Проведены замеры твердости оболочки до и после деформирования. Замер осуществлялся на вершине зуба (точка 1), по боковой поверхности вершины зуба (точка 2), по среднему диаметру (точка 3) и во впадине зубьев (точка 4). Результаты замеров твердости темплетов оболочек, изготовленных из стали 12Х18Н10Т приведены в таблице 4.3.
Замер твердости оболочек ВЗД Д-95Х и Д-195Х, изготовленных из стали 20 показал, что упрочнение при деформировании этой марки стали не происходит, в то время как оболочки, изготовленные из етали 12Х18Н10Т упрочняются до твердости 250НВ.
С целью выявления влияния разностенности трубной заготовки на точность формирования профиля винтовой оболочки проведены специальные экспериментальные исследования.
Для исследований была изготовлена экспериментальная оболочка ВЗД Д-95Х с несоосностью наружного и внутреннего диаметров, при этом минимальная толщина стенки tmin = 1 мм, а максимальная /тах = 5 мм. Результаты изготовления оболочки с разной толщиной стенки показаны на рисунке 4.11. В месте увеличенной толщины стенки не происходит полной формообразования профиля оболочки. Зазор между внутренней поверхностью оболочки и впадиной сердечника составил более 2 мм. В месте с наименьшей толщиной стенки было осуществлено полное формообразование, величина «пружинения» составила 0,2 мм
Как показано в предыдущих главах, для упрочнения наружной поверхности ротора применяют самый распространенный метод хромирования. Но этот способ упрочнения имеет недостаток, связанный с тем, что толщина хрома на выступах ротора больше толщины хрома во впадинах. Это связано со свойствами способа хромирования. Альтернативным методом упрочнения наружной поверхности ротора является способ ионного азотирования, с помощью которого можно получить поверхностный слой детали толщиной до 0,3 мм с твердостью до 1050 HV.
Однако упрочнение этим способом стандартных роторов, изготовленных из стали 20X13, не получило широкого распространения, так как существенно снижало коррозионную стойкость материала в буровых растворах.
Для выявления коррозионной стойкости покрытия, выполненного на материале тонкостенной винтовой оболочке ротора (сталь 12Х18Н10Т) проведены специальные опытные работы. Экспериментальный образец оболочки облегченного ротора и образец стандартного ротора, выполненного из стали 20X13, были упрочнены методом ионного азотирования. Образцы помещались на длительное время в буровой раствор. Опыты показали, что применение азотирования поверхности облегченных роторов, выполненных их стали 12Х18Н10Т существенно не снижает коррозионную стойкость поверхности ротора, в то время как азотирование роторов из стали 20X13 значительно снижает коррозионную стойкость поверхностного слоя ротора.
Таким образом, результаты натурной штамповки для г=5...7 имеют хорошую сходимость с результатами численных расчетов. Экспериментальными данными подтверждено, что точность профиля зубьев оболочки в большей степени зависит от остаточной деформации по высоте зубьев винтовой оболочки и несоосности наружного и внутреннего диаметров трубной заготовки.
Для обеспечения штампуемости оболочек и снижения энергозатрат при гидроштамповке необходимо, чтобы отношение периметра торцевого профиля сердечника пресс-штампа к длине описанной окружности было в пределах LT/LO = 0,98... 1,01. При LT/LO =0,96 полной проштамповки профиля не происходит.
