Разработка теоретических основ и реализация структурно упорядоченной сборки буровых долот (26.10.2009)

Автор: Журавлев Андрей Николаевич

где mр – масса роликов в зоне, кг; ? – круговая частота вращения ролика, мин-1; Аз – параметр, характеризующий суммарный зазор в различных зонах опоры, мм; ?1,2 – фазовые углы смещения роликов относительно шарошки и цапфы, радиан.

После подстановки численных значений в уравнение (6) и решения его относительно полярных углов, соответствующих различным зонам, с использованием программы Mathcad, получены значения параметра Z для всех зон соединения. Установлено, что в зоне натягов параметр Z имеет величину 1,007587, в зоне зазоров – 0,992438; в зоне переходных состояний – 1,278736. Полученные значения указывают на изменение характера контактных взаимодействий роликов в различных зонах.

Для объяснения физической сущности контактного взаимодействия роликов найдено решение несобственного интеграла функции параметра Z и построены графики импульсов сил их качения в зонах натягов, переходных состояний и зазоров соответственно рис. 7.

Р и с. 7. Графики импульсов сил качения роликов:

а - в зоне натягов; б – в зоне переходных состояний; в – в зоне зазоров

Как видно из графиков, в зоне зазоров (рис. 7 в) наблюдаются наименьшие разрывы функции, что говорит о плотности прилегания роликов в данной зоне и наибольшей вероятности их заклинивания по сравнению с другими двумя зонами.

Для оценки достоверности полученных результатов выполнено их качественное сравнение с результатами моделирования процесса взаимодействия роликов в опоре, полученными на основе теории упаковок. В качестве исходной модели, определяющей плотность упаковки роликов, использована зависимость

– плотность упаковки роликов в зоне опоры.

, имеем

Решение уравнения (8) производилось в программе Mathcad, результаты представлены на рис. 8.

– зона зазоров

Р и с. 9. Заклинивание шести плотноприлегающих роликов в зоне зазоров

Как видно из рис. 8. наибольшая плотность упаковок соответствует зоне зазоров, что свидетельствует о более интенсивном силовом взаимодействии роликов с шарошкой и цапфой в этой зоне и наибольшей вероятности появления катастрофических форм контактного взаимодействия, например, заклинивания. При сравнении плотностей упаковки, рассчитанных с помощью волновой функции Бете и по модели, полученной из теории упаковки, получены качественно однородные результаты. В пользу этих результатов говорит и тот факт, что зона зазоров является характерной областью заклинивания роликов при эксплуатации трехшарошечных буровых долот, как это видно на рис. 9.

!действия в различных зонах опоры может быть решена путем СУС. Для этого процессы взаимодействия деталей в двухрядной роликовой опоре смоделированы в виде системы уравнений. Решение системы уравнений представлено в виде фазовых траекторий центров симметрии роликов рис. 10 с использованием программы Mathcad на примере опоры долота 215,9МЗ-ГВ для двух вариантов m-структуры: (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)… и (Dmax, Dsr, Dmin,)…/ (dmax, dsr, dmin,)….

Р и с. 10. Фазовые траектории центров роликов во взаимосвязанном контуре Б:

а - параметры сборки с m-структурой (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)…

=0,28 мм (внутренний контур А2)

Как видно из полученных графиков суммарные амплитуды фазовых траекторий центров роликов для m-структур (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)… и (Dmax, Dsr, Dmin,)…/ (dmax, dsr, dmin,)… различаются на порядок и составляют соответственно 2,6 мм и 0,26 мм. С ростом амплитуды колебаний фазовых траекторий снижается устойчивость работы роликовой опоры. Таким образом установлено, что структура расположения роликов является важным фактором в управлении качеством собранного узла. Из множества вариантов m-структур роликов в комплектах следует производить поиск наиболее рационального варианта, который будет приводить к самому устойчивому процессу взаимодействия деталей во всех зонах роликовой опоры, а следовательно и к максимальным значением ресурса трехшарошечного бурового долота. Этот вариант m-структуры обеспечит рациональные зазоры в подвижном соединении.

Таким образом, полученные качественные и количественные характеристики процессов контактных взаимодействий роликов по зонам в роликовых опорах позволили сформулировать критерии выбора рациональных структурных параметров СУС.

В пятой главе рассмотрено применение методологии СУС к разработке методики сборки разъемных и неразъемных неподвижных соединений алмазных буровых долот.

Алмазные буровые долота имеют осесимметричную конструкцию и состоят из резьботорцовых (РТ) соединений с последующим их преобразованием в резьбосварные (РС) соединения по периметру цилиндрических поверхностей корпуса (породоразрушающей части) и ниппеля (хвостовой части). Указанные неподвижные неразъемные РС и разъемные РТ соединения должны обеспечивать минимальные погрешности взаимного расположения сопрягаемых деталей. Экспериментальные исследования показали, что основным технологическим показателем качества сборки алмазных буровых долот, определяющим эксплуатационные характеристики изделий, является отклонение от соосности корпуса и ниппеля, на величину которого при сборке влияет множество случайных факторов, среди которых доминируют упругопластические и тепловые деформации в торцовых стыках соединяемых деталей.

Применяемая до настоящего времени технология НС алмазных буровых долот, состоит из двух основных операций. На первой операции производится сборка РТ соединения, которая соединяет корпус и ниппель долота по метрической резьбе в упор их торцовых дисковых поверхностей. На второй - производится сборка под сварку РС соединения, после чего собираемые детали окончательно фиксируются электродуговой сваркой. Методика НС неразъемных соединений алмазных буровых долот в большинстве случаев не обеспечивает требуемую точность взаимного расположения поверхностей соединяемых деталей, т.к. не учитывает влияние доминирующих случайных факторов на их соосность. Для решения проблемы обеспечения требуемых показателей качества алмазных буровых долот предложено усовершенствовать сборочный процесс, с использованием разработанной методологии СУС. Для этого произведена контурная P - декомпозиция РС соединений алмазных буровых долот, представленная на рис. 11. Как видно из рис. 11 в результате Р – декомпозиции в конструкции алмазных буровых долот выделены три контура: внутренний АР (резьбовое соединение); взаимосвязанный БРТ (РТ соединение); внешний ВРС (РС соединение).

Р и с. 11. Контурная декомпозиция (Р-декомпозиция) неподвижных соединений

алмазных буровых долот с описанием контурных связей:

1 – корпус; 2 – ниппель; S – площадь контакта торцового соединения

При свинчивании корпуса и ниппеля алмазного бурового долота до момента касания торцов действует внутренний контур АР, который не обеспечивает соосность деталей, а служит преимущественно для анализа качества изготовления отдельных деталей соединения. После касания торцов вступает в работу взаимосвязанный контур БРТ (см. рис. 11, п.1), свойства которого позволяют вносить в процесс сборки управляющие воздействия по обеспечению качества соединения. Для этого проведены исследования влияния технологических факторов на свойства данного контура.

, а при превышении момента определенной величины отклонение от соосности соединяемых деталей начинает расти. Поэтому для направленного регулирования положения осей РТ соединений алмазных буровых долот разработаны две стратегии СУС, основанные на поиске таких технологических параметров, при которых достигается минимальное отклонение от соосности ниппеля и корпуса.

и оценивается объем зазора V в торцовом соединении. В результате выявляется эмпирическая зависимость

– номер шага увеличения момента затяжки.

, т.е. при выполнении условий

Изменение момента затяжки Мкл приводит к изменению плотности прилегания деталей по периметру соединения и перераспределению зон натягов и зазоров в стыке. Для анализа изменения угловых размеров этих зон в соединении при увеличении момента затяжки Мкл выполнена F – декомпозиция неподвижного РТ соединения с использованием метода отпечатков, результаты которой представлены на рис. 12.

Как видно из рис. 12 с увеличением момента затяжки происходит уменьшение зоны зазоров и увеличение зоны натягов (см. рис. 11, п.2).

. Качество окончательной сборки РТ соединения оценивается минимальным значением отклонения от соосности и максимальной величиной плотности торцового соединения.

В отличие от рассмотренной стратегии слепого поиска, основанной на эмпирической оценке рациональных параметров сборки РТ соединений, стратегия направленного поиска основана на прогнозировании рационального положения сопрягаемых деталей с использованием расчетной модели, связывающей отклонение от соосности с геометрическими и механическими характеристиками соединения, а также с углом поворота одной из деталей соединения относительно другой, после касания торцов. Стратегия направленного поиска является более прогрессивной для достижения требуемой точности соединения в условиях серийного производства.

, (11)

– объем зазора в торцовом сопряжении, мм3.

Разработанная модель (11) позволяет при заданных конструктивных параметрах соединения (r, RТ) проводить автоматизированный поиск условий затяжки резьбы ((, Pок, V), при которых в процессе сборки будет достигнуто минимальное отклонение от соосности сопрягаемых деталей. Пример решения данной задачи для соединения М60(2 с использованием программы MathCAD проиллюстрирован на рис. 13. Для данного соединения установлено, что рациональный угол поворота корпуса составляет (рац =98,1 град. (точка №4), который обеспечивает минимальное отклонение от соосности соединяемых деталей (=0,131 мм.

Р и с. 13. Расчетное положение оси корпуса в РТ соединении:

точки 1,2,3,4,5,6,7,8,9 характеризуют величину отклонения от соосности в зависимости от угла поворота корпуса; типоразмер F13 соответствует следующим начальным условиям: Ср=1944 Н/мм; Ст=11112 Н/мм; Рок= 96 Н; J=5,875х104 Нмм2; RТ=35 мм; r=2 мм; V=119 мм3

Исследования показали, что методика СУС неподвижных разъемных РТ соединений по вышеописанным стратегиям позволяет на 30% уменьшить отклонения от соосности по сравнению с методикой НС, основанной на методе полной взаимозаменяемости.


загрузка...