авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

Повышение долговечности буровых шарошечных долот на основе совершенствования технологии сборки и упрочне­ния шарошек с твердосплавными зубками

-- [ Страница 2 ] --

При исследовании влияния третьего фактора- величины натягов при запрессовке установлено, что изменение максимальных пластических деформаций носит линейный характер (рис. 1). Увеличение натягов от допускаемых в производстве минимального до максимального значения (от 0,06 до 0,144 мм) повышает пластические деформации от 0,0043 до 0,020 или более чем в 4,6 раза. Это свидетельствует о том, что наибольшие резервы по снижению НДС и повышению долговечности работы вооружения шарошек нужно искать именно в оптимизации величины допускаемого натяга.

Рис. 1. Изменение максимальных пластических деформаций пл

при увеличении натяга при запрессовке зубка с R=8мм

Исследования зависимости НДС шарошек от четвертого фактора- совместного действия натяга и величины внешнего нагружения на зубок Р от вертикальной нагрузки на долото выявили, что пластическая деформация пл от запрессовки зубка, после добавления к зубку внешней нагрузки, увеличивается в пределах 2027,5%.

Результаты расчетов пл по всем четырем факторам необходимо учитывать при проектировании новых долот.

Для повышения долговечности долот в соответствии с полученными результатами предложены: критерий трещиностойкости шарошек и новая технология селективной запрессовки зубков.

Предложена методика определения критерия трещиностойкости [тр]доп шарошек в зависимости от физико-механических свойств натуральных образцов материала шарошки и коэффициента трещинообразования тр, определяемого расчетным путем, учитывающего максимальные пластические деформации, возникающие одновременно и от запрессовки, и от внешней нагрузки, действующей на зубок на забое. С этой целью стандартные образцы, взятые от различных поступающих плавок сталей 14ХНЗМА, имеющих различные свойства, испытывались на растяжение, фиксировались предельные значения деформации образцов и соответствующие напряжения, а также определялись площади под диаграммой -. На рис. 2 показана типичная диаграмма растяжения (кривая 1). Для компьютерного анализа НДС вместо кривой 1 принята зависимость 2.

Предложено определять допустимый критерий трещиностойкости [тр]доп материала по свойствам натурных образцов из диаграммы - :

[тр]доп = SР / S0=[2(Е. b - b)]/(2Е. b - b)],



где Sе - часть площади под кривой - , равная удельной энергии упругих деформаций, Sе = b 2/2Е, Е- модуль упругости материала; SР - часть площади под кривой, равная удельной энергии пластических деформаций, SР = b ( b - b/Е)..

С учетом нагружения зубков внешними силами, величина расчетного коэффициента трещиностойкости тр определялась по формуле:

тр = [2 (Е· mах b)]/ (2Е· mах - b),

где mах – расчетные максимальные пластические деформации при КЭ -моделировании напряженно-деформированного состояния с учетом добавления нагрузки на зубок от внешних сил, воздействующих на зубок на забое, которые приводят к зарождению трещин. Соотношение величин [тр]доп тр позволяет прогнозировать отсутствие трещинообразования.

Для проверки этой гипотезы был проведены экспериментальные исследования трещиностойкости шарошек буровых долот 144,0СЗ-ГАУ-R203М.

Для каждой из 11 плавок сталей, взятых для производства указанных долот, были предварительно испытаны стандартные образцы на растяжение до разрушения. Были определены предельные значения деформаций из диаграммы - и критерий трещиностойкости. Затем проведены расчеты коэффициента тр с учетом максимальных пластических деформаций.

Проведены эксплуатационные испытания 11 партий опытных долот (по 58 шт в партии). Установлено, что только в 3 партиях долот обнаружены трещины в корпусе шарошек. При этом в каждой из этих партий наблюдалось соотношение [ тр]доп < тр.

Расчетные исследования НДС зубков и тела шарошек, практика отработки долот в бурении, показали, что средний натяг и с точки зрения надежного удержания зубков от вылета из отверстий во время бурения, и с точки зрения уменьшения возможности трещинообразования должен составлять = 0,11мм. Именно этот натяг необходимо обеспечивать при селекции размеров всех зубков и отверстий, и расчете минимальной и максимальной границ натяга.

Пример для зубка dзуб=12.789-0.013;

Nmin=dmin-Dmax=(12.789-0.013)-(12.67+0.025)=0.081мм;

Dо=12.67+0.025;Nmax=dmax-Dmin=12.789-12.67=0.119мм.

Алмазная шлифовка сотен тысяч труднообрабатываемых зубков очень сложна и трудоёмка. Для обеспечения этой узкой границы натягов, в технологию запрессовки зубков введены шесть групп селекции с уменьшением допуска на диаметр отверстия до +0,025 мм и допуска на диаметр зубка до -0,013мм. Введение этих границ натяга позволило решить технологическим путем сложную задачу – увеличить на 35% необходимый минимальный натяг, ранее допускаемый серийной технологией (с 0,06 мм до 0,081 мм,), гарантирующий отсутствие выпадения зубков из гнезд во время всего периода работы долота и, одновременно, снизить максимальную величину натяга на 21% ( с 0,144 до 0,119 мм), способствующую снижению трещинообразования.

Ужесточение допусков и наличие шести групп селекции позволяет добиться того, чтобы подавляющее большинство зубков запрессовывалось с постоянным натягом 0.11 мм, при котором величина наибольших пластических деформаций стала на 37% меньше, чем при максимальном натяге 0,144 мм, допускавшимся по серийной технологии. Это способствует значительному повышению прочности шарошек и долговечности долота.

В третьей главе представлено исследование процесса ультразвуковой (УЗ) запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки.

Для определения влияния ультразвуковых колебаний на параметры прессового соединения «зубок-корпус шарошки» проведены моделирование и аналитические исследование НДС, возникающего при запрессовке и выпрессовке зубков. Данные по выпрессовке необходимы для проведения расчетов. Для определения НДС при разных способах запрессовки твердосплавных зубков исследовались запрессовка и выпрессовка по двум вариантам: запрессовка без ультразвука и запрессовка с введением ультразвуковых колебаний в зону трения. Установлено, что при запрессовке зубков с УЗК расчетная картина НДС, полученная с применением пакета ANSYS, по сравнению с параметрами запрессовки без применения УЗК, изменяется в сторону снижения контактного давления до 16%. Кроме того, введение УЗК в процесс запрессовки позволяет снизить усилие запрессовки до 24% за счет изменения коэффициента трения покоя и движения.

Экспериментальные исследования проводились с применением новой компьютеризованной ультразвуковой установки для запрессовки твердосплавных зубков, разработанной на кафедре автоматизации технологических процессов СамГТУ В.В.Шуваевым и В.А.Папшевым совместно с автором. В этой установке объединена технология ультразвуковой запрессовки с вибрационной диагностикой, разработана схема для регулирования величины ультразвуковых колебаний и создания резонансной акустической системы подвода этих колебаний в зону деформации (рис.3).

Рис. 3. Схема запрессовки твердосплавных зубков в отверстия шарошки

(Патент №2357848 от 10.06.2009г.):1-силоизмерительный датчик; 2-шарошка;

3-зубок; 4- концентратор; 5- возбудитель пьезокерамический;

6- фиксатор; 7- шток цилиндра; 8- 9- датчики; 10- генератор; 11- датчики перемещения;

12- 13- усилители;14- 15- датчики частотные; ПК- персональный компьютер

Эффективное взаимодействие компонентов сборочного процесса (силового
прессового оборудования, колебательной ультразвуковой системы, соединяемых
деталей, вибродиагностической системы) осуществлялось устройством управления
в реальном времени.

В качестве лабораторных образцов для запрессовки использовались твердосплавные зубки различных диаметров. Поскольку отверстия в шарошках глухие и не позволяют экспериментировать с выпрессовкой зубков, шарошки имитировались плоскими дисками из долотной стали со сквозными отверстиями, позволяющими проводить запрессовку и выпрессовку зубков. Плоские диски проходили серийную химико-термическую обработку, как у шарошек. Сверху и снизу каждого отверстия маркировался его номер. Величина натяга каждого зубка была одинаковой (0,11±0,01). Были выбраны две группы зубков по номиналу диаметра(6,8-0,1 и 7,4-0,1). Глубина запрессовки и шероховатость стенок отверстий были постоянными. Для каждой группы выбранных по диаметру зубков натяг обеспечивался предложенным методом селекции. На каждом диске выполнялись по 28 отверстий одного из двух выбранных диаметров таким образом, чтобы расстояния между соседними отверстиями были заведомо больше максимальных, чем на шарошках, чтобы обеспечить минимальное влияние на НДС от запрессовки соседних зубков (не менее трех диаметров).

Все параметры, исходные данные и результаты процесса запрессовки выводились на дисплей компьютера и собирались в базу данных.

При варианте запрессовки с применением УЗК к соединяемым деталям прикладывали сборочные усилия и возбуждали в них упругие колебания, частоту которых изменяли в процессе запрессовки, обеспечивая резонанс собственных и возбуждаемых колебаний путём определения коэффициента динамичности.

Режимы, применяемые при запрессовке зубков с УЗК находились в следующих пределах:- амплитуда вертикальных колебаний А=155мкм; - частота собственных вертикальных колебаний системы «зубок-корпус шарошки» с=814,5кГц; - частота вынужденных колебаний в колебательной системе в = 18,920,3кГц; - скорость упругой волны в стали V=5,65,9км/сек; - натяг при запрессовке =0,100,11мм. Настройка частоты УЗ генератора в резонанс с нагрузкой производилось по максимуму показания «Ток входа» переключателем в пределах установленной величины тока (13 ампер), сначала в ручную, а после настройки – с помощью АПЦ ( автоматической подстройкой частоты».





В процессе запрессовки непрерывно с помощью силоизмерительного датчика
и датчика перемещения в компьютер поступала информация об усилии запрессовки и относительном осевом перемещении зубка. Одновременно, на протяжении всего сборочного процесса с помощью датчиков в персональный компьютер (ПК) поступала информация о частотных характеристиках формируемого соединения. С помощью специальных программ ПК непрерывно осуществлялся расчет и контроль коэффициента динамичности µ формируемого соединения до достижения им заданного значения. На этом процесс запрессовки завершался.

Результаты исследований с использованием автоматизированной системы
для технологии ультразвуковой сборки с различными условиями запрессовки вы-
явили следующее (рис.4).

Рис.4. Диаграммы среднеарифметических величин усилий запрессовки и

выпрессовки по четырем вариантам сборки: 1 - без УЗ и без смазки;

2 - со смазкой; 3-с УЗК; 4-с УЗК и со смазкой

При обычной среднеарифметическое отклонение профиля поверхности отверстия составляло Rа=0,19 мкм до запрессовки и Rа =0,08 мкм после запрессовки. Среднее усилие запрессовки на один зубок Fз1 = 34755 Н, усилие выпрессовки Fв1 = 44745 Н.

При запрессовке с введением УЗК Fз3 = 26715 Н (76,9%) и Fв3 =3999О Н (89,4%), отклонение профиля поверхности отверстия- с Rа=0,19 мкм до Rа=0,07 мкм. Наличие смазки во втором и четвертом вариантах не оказало существенного влияние на процесс запрессовки.

Сравнение усилий запрессовки и выпрессовки зубков с УЗК подтвердило результаты теоретических расчетов. Установлено, что Fз3 снизилось на 23,2%

Для определения внутренних напряжений в корпусе шарошки были проведены экспериментальные исследования напряжений с использованием эффекта Баркгаузена (ЭБ) в ферромагнетиках.

В основе этого метода используется скачкообразное изменение намагничиваемости ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например, напряжений или температуры. В процессе исследования использовался цифровой анализатор шумов Баркгаузена «Rollscan-200-1», наиболее подходящий для цеховых условий и предназначенный для контроля качества поверхностей и поиска дефектов, таких как шлифовальные прижоги и, особенно, изменение внутренних напряжений в ферритовых сталях.

Для экспериментов была отобрана партия шарошек долота 215,9 ТЗ-ГАУ-R590 в количестве 6 шт. В сборочном цехе были установлены приборы и проведены эксперименты по замерам напряжений непосредственно на поверхностях шарошек до запрессовки и затем после запрессовки твердосплавных зубков.

Методика замеров была следующей. У каждого отверстия (14,29 и 11,08мм) (рис. 5 и 6) в межзубковые площадки устанавливался плоский датчик и записывались цифры условных единиц напряжения, высвечивающихся на дисплее.

Статистическая обработка экспериментальных значений в условных единицах напряжения показала, что до запрессовки они составили 11,6, после запрессовки-86,21 ед. Такой резкий рост количества условных единиц напряжений после запрессовки зубков (в 7,8 раза) свидетельствует о резком возрастании НДС в корпусе шарошки в результате запрессовки зубков.

Этот метод применялся также при определении напряжений в дисках. На двух дисках с запрессованными зубками 6,8. и 7,4 мм были проведены замеры вокруг зубков, запрессованных при обычной холодной запрессовке и зубков, запрессованных с применением УЗК. В первом случае величина условных единиц оказалась в пределах 7792, а во втором случае в пределах 5869. Понижение напряженного состояния корпуса диска при ультразвуковой запрессовке на 30% по сравнению с обычной холодной запрессовкой дополнительно подтверждает правильность выводов о том, что использование ультразвука при запрессовке зубков позволяет значительно снизить контактное давление в шарошке, а значит и возможность трещинообразования вокруг зубков.

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке технологии нанесения износостойких покрытий

При абразивном износе корпусов шарошек резко снижаются надёжность закрепления твердосплавных зубков за счет увеличения высоты выступания зубка над поверхностью шарошки. Для решения этой задачи проведены исследования природы износа корпуса шарошки, расчет сил, удерживающих зубки в гнездах шарошек. Для этих целей выбраны зубки 10x16; 12x17 и 14x20 мм. Разработана методика проведения расчетов уменьшения сил, потребных для удержания в отверстиях оголяющихся зубков, с интервалом наружного износа поверхности шарошек и темпа оголения зубков для последовательных расчетов через каждые 0,5 мм.

Данным расчетом установлено, что по мере уменьшения глубины запрессованной части хвостовика, уменьшение сил, удерживающих зубки, носит линейный характер.

При износе поверхности корпуса шарошки до 3 мм (обычно максимальный износ корпусов на практике) сила трения, удерживающая оголяющиеся зубки, различные по диаметру, снижается на 25-30%. При таком износе значительная часть зубков выпадает из гнёзд и долото выходит из строя. Кроме снижения удерживающего усилия при наружном износе шарошки увеличивается консольно выступающая часть зубка и, соответственно, момент вырывающих его усилий.

Для проведения исследований были изготовлены несколько опытных партий шарошек буровых долот 124,0МЗ-ГАУ-R498Б, подвергающихся при работе большому истиранию по наружной поверхности. На межзубковые и межвенцовые поверхности шарошек наносилось износостойкое покрытие WC/Со различной толщины в пределах -от 0,020,3 мм следующими методами: 1) высокоскоростным газотермическим (HVOF) на ООО «ТСЗП» (г. Москва), 2) детонационным в ИГиЛ (г. Новосибирск), 3) высокоскоростным детонационным в СамГТУ (г. Самара).

Проводилось определение основных качественных показателей (адгезии и износостойкости) для различных методов; изучение влияния дополнительной термической обработки на величину адгезии и материал шарошки, а также возможности использования промежуточного, более мягкого, подслоя под напыляемым слоем.

В работе установлено, что максимальную адгезию и минимальный износ показали покрытия, выполненные в СамГТУ на кафедре твердых химических веществ методом высокоскоростного детонационного низкотемпературного напыления. Анализировались вольфрамокобальтовые материалы с различным составом и от различных производителей (США, Германии и России) по показателям: процентному составу, размеру частиц, гранул, адгезии, когезии, микротвердости, фрикционному износу, коэффициентам сухого трения при запрессовке и со смазкой, абразивному и эрозионному изнашиванию. Наиболее подходящим по всем показателям для нанесения покрытия на наружные поверхности шарошек оказался отечественный сплав типа ВК12. Именно этот сплав выбран для дальнейших испытаний и производства напыления шарошек.



Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.