Обеспечение соосности резьбосварных соединений буровых алмазных долот на основе структурно упоряд о ченной сборки
На правах рукописи
БОРИСОВ Михаил Анатольевич
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СООСНОСТИ РЕЗЬБОСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
БУРОВЫХ АЛМАЗНЫХ ДОЛОТ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО
УПОРЯДОЧЕННОЙ СБОРКИ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара 2008
Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ГОУ ВПО) «Самарский государственный технический университет» и в Открытом акционерном обществе (ОАО) «Волгабурмаш», г. Самара.
Научный руководитель: кандидат технических наук
ЖУРАВЛЕВ Андрей Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Ланщиков Александр Васильевич
кандидат технических наук, доцент
Шуваев Вячеслав Георгиевич
Ведущая организация: ОАО «Уралбурмаш», Свердловская обл., п. Верхние Серги.
Защита состоится « 3 » октября 2008 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.02 в ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус № 6, ауд. 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».
Автореферат разослан «__ » _____________ 2008 г.
Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный гербовой печатью, по адресу:
443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.02.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д212.217.02 А.Ф. Денисенко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В конструкциях тяжелонагруженных изделий значительную долю составляют неподвижные неразъемные соединения. К таким изделиям относятся буровые алмазные долота, включающие резьбосварные соединения.
Буровые алмазные долота используются для наклонно-направленного бурения на глубинах 3000…5000 м. Параметрами эффективной работы долота являются следующие эксплуатационные показатели: долговечность породоразрушающих зубков, механическая скорость бурения, проходка, управляемость процесса бурения. От этих показателей зависит стоимость бурения скважины. Эффективность работы бурового алмазного долота существенно зависит от соосности режущей и ниппельной частей долота. Согласно существующим техническим условиям при сборке долот необходимо обеспечить соосность корпуса и ниппеля в пределах заданного допуска 0°326.
Статистический анализ показал, что существующая технология сборки резьбосварных соединений буровых алмазных долот не позволяет стабильно достигать требуемой соосности. До 34% собранных алмазных буровых долот по методу неполной взаимозаменяемости имеют отклонения от соосности, превышающие заданный допуск. Если отклонение от соосности превышает допустимую величину, то необходимо вводить дополнительные операции, что приводит к увеличению себестоимости изготовления долот и негативно отражается на их качестве.
Задача обеспечения соосности характерна как для отечественного (ОАО “Волгабурмаш”, НПО ”Буринтех”), так и для зарубежного производства буровых алмазных долот (”Security DBS”, “ Hughes Christensen ”, ”Varel ”, ”Smith Bits ” и др.). Но отсутствуют исследования, посвященные обеспечению соосности неразъемных неподвижных резьбосварных соединений.
Так как метод неполной взаимозаменяемости, применяемый в отечественном и зарубежном долотостроении, является трудозатратным, то необходимо перейти на технологию сборки по методу регулировки. Для реализации этого метода необходимо иметь технологические связи функциональной размерной цепи при сборке резьбосварных соединений. Для установления таких связей перспективно использование методики структурно упорядоченной сборки.
Актуальность работы подтверждается также тем, что в настоящее время не достаточно освещен в технической литературе метод регулировки по методике структурно упорядоченной сборки.
Работа выполнена в рамках тематического плана Самарского государственного технического университета по заданию Федерального агентства по образованию на 2006 – 2009 гг. по теме «Разработка теоретических основ структурно упорядоченной сборки тяжело нагруженных изделий машиностроения», номер государственной регистрации НИР 01200606882.
Цель работы. Разработать технологию структурно упорядоченной сборки резьбосварных соединений буровых алмазных долот, обеспечивающую требуемую соосность на основе управления параметрами сборочного процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
• Выявить функциональные связи между параметрами: моментом затяжки резьбы, углом доворота резьбы, числом прихваток, структурой расположения прихваток, началом и направлением сварного шва и отклонениями от соосности.
• Исследовать влияния на отклонения от соосности сборки внешних воздействий: силового фактора на резьботорцовое соединение и теплового фактора на резьбосварное соединение. Выбрать рациональные стратегии сборки с учетом структурной составляющей и разработать расчетные модели, связывающие отклонения от соосности с величиной внешних воздействий.
• Разработать модели взаимодействия бурового алмазного долота с разрушаемой породой, переменным параметром которой является отклонение от соосности. Изучить влияние отклонения от соосности резьбосварных соединений на управляемость долот при бурении.
• Разработать и внедрить в производство технологии для выполнения структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот, включая выбор рациональных параметров технологических переходов сборки резьботорцового и резьбосварного соединений. Произвести оценки эффективности технологии структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот при промысловых испытаниях.
Научная новизна. Предложены научно обоснованные технологические решения по обеспечению заданной величины отклонения от соосности резьбосварных соединений. На основе декомпозиции сборочного процесса резьботорцового и резьбосварного соединений показаны технологические связи сборочных переходов с отклонениями от соосности.
Установлены функциональные зависимости отклонений от соосности собираемых изделий от силового и теплового факторов. Получена расчетная модель, позволяющая выбирать конструктивные и технологические параметры сборочного процесса с учетом требуемой соосности резьбосварного соединения.
Раскрыт характер взаимодействия буровых алмазных долот с породой, позволяющий оценить влияние отклонения от соосности на управляемость долота.
Достоверность результатов обеспечена применением современных компьютерных средств численного моделирования и анализа.
Результаты проверки адекватности модели, построенной в программе ANSYS, хорошо согласовываются с экспериментальными данными метода магнитной памяти металла по величине остаточных напряжений в зоне прихватки, и имеют расхождение 9%.
Методы исследования. Были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования изменения соосности при сборке.
Теоретические исследования проведены с применением математических моделей. Анализ изменения соосности резьботорцового соединения проводился с помощью численного моделирования в системе MathCAD. Изучение влияния сварочных воздействий на соосность соединяемых деталей проводилось с помощью метода конечных элементов на моделях, разработанных в программе ANSYS. Влияние точности сборки алмазного долота на его эксплуатационные характеристики при бурении исследовалось на математической модели построенной с помощью вычислительного пакета ADAMS.
Экспериментальные исследования включали промысловые испытания. Для неразрушающего контроля остаточных напряжений использован метод магнитной памяти металлов.
Практическая ценность. На основе полученных закономерностей разработаны алгоритмы упорядоченного формирования резьбосварного соединений, обеспечивающие заданную величину отклонения от соосности сборки буровых алмазных долот.
Разработаны, апробированы и определены области эффективного применения в производстве технологии структурно упорядоченной сборки по двум стратегиям направленного поиска (для серийного производства) и слепого поиска (для единичного производства) на основе выбора рациональных технологических параметров.
Определена область рационального применения разработанной технологии структурно упорядоченной сборки тяжелонагруженных изделий, в конструкциях которых применяются резьбосварные соединения.
Разработана сборочная оснастка для реализации необходимого угла доворота резьботорцевого соединения при стягивании торцов деталей буровых алмазных долот.
Разработана и внедрена технологическая инструкция по применению структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот на действующем производстве ОАО «Волгабурмаш».
Основные положения, выносимые на защиту. Способ регулировки соосности резьбосварных соединений на базе системного подхода, рассмотренный как функции множества взаимосвязанных регулируемых воздействий процесса сборки.
Декомпозиция операций сборки резьботорцового и резьбосварного соединений, выявившая основные технологические связи между параметрами сборки и отклонения от соосности собираемых деталей на каждом переходе.
Цикловые изменения положения осей сопрягаемых деталей резьбосварного соединений под действием силовых и тепловых воздействий.
Модель управляемости бурового алмазного долота, имеющего отклонения от соосности.
Алгоритмы и методики построения технологических операций структурно упорядоченной сборки, обеспечивающие требуемую соосность осесимметричных резьботорцевого и резьбосварного соединений тяжелонагруженных изделий методом регулировки.
Результаты внедрения технологии структурно упорядоченной сборки в производство бурового инструмента и в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 4-х международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Современные проблемы машиностроения" (г. Томск, 2006г.); “Высокие технологии в машиностроении” (г. Самара, 2006г.); “Наука и образование 2007” (г. Мурманск, 2007г.); “Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы” (г. Сызрань, 2007г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на научно-техническом совете ОАО «Волгабурмаш» протокол № 2 от 21 марта 2008г. и на объединенном заседании кафедр «Технология машиностроения», «Автоматизация технологических процессов в машиностроении», «Автомобили и станочные комплексы» и «Инструментальные системы и сервис автомобилей» протокол № 11 от 17 июня 2008г.
Личный вклад автора состоит в проведении теоретических исследований влияния силовых и тепловых факторов на качество сборки резьбосварных соединений, а также экспериментальных исследований соосности при сборке резьбовых и сварных соединений, по результатам которых автором разработана инструкция технологических приемов упорядоченной технологии сборки под сварку и сварки алмазных буровых долот.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и пяти приложений. Объем диссертации 154 страницы, включая 68 рисунков и 24 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность и своевременность темы диссертационной работы, определены её научная новизна и практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена аналитическому обзору существующих технологий сборки неподвижных неразъемных соединений тяжелонагруженных изделий машиностроения.
Решение проблемы повышения эксплуатационных характеристик изделий, содержащих неподвижные неразъемные соединения, неразрывно связано с совершенствованием технологий управления качеством их сборки с использованием системного подхода.
Существенный вклад в повышение эффективности сборочных процессов внесли профессора Б.С. Балакшин, В.П. Бобров, А.Г. Герасимов, А.А. Гусев, Ю.З. Житников, Б.Л. Штриков, М.П. Новиков и др. Основы теории геометрической точности сборки подвижных и неподвижных разъемных и неразъемных соединений заложили Б.М. Базров, Н.А. Бородачев, Н.Г. Бруевич, П.И. Буловский, А.Н. Гаврилов, А.М. Дальский, Ф.И. Демин, П.В. Дунин-Барковский, В.В. Непомилуев, А.П. Соколовский, И.К. Рыльцев, А.И. Якушев, А.В. Ланщиков и др. ученые. В целом, проведенный анализ литературных источников показал, что процессы сборки РС соединений, обеспечивающие стабильное достижение соосности, мало изучены.
На основе анализа литературных источников выполнена систематизация существующих типов сборки по степени упорядоченности размерных связей соединений, что позволило выявить недостающие связи соосности резьбосварных (РС) соединений осесимметричных деталей, необходимые для построения структурно упорядоченной сборки (СУС) по методу регулировки на основе принципа различимой конструктивной симметрии (см. табл. 1). Метод регулировки предполагает три вида воздействий на собираемое соединение: размерная регулировка, структурная регулировка и направленная регулировка. При размерной регулировке необходимая величина замыкающего звена размерной цепи обеспечивается за счет изменения размерных связей. При структурной регулировке необходимая величина замыкающего звена обеспечивается за счет структуры изменения теплового поля.
- Таблица 1
Систематизация сборочных процессов резьбосварных соединений
| Наименование соединений | Резьботорцовое соединение | Резьбосварное соединение | |||||||
| № перехода | 1 | 2 | 3 | 4 | |||||
| Этап | Предварительный | Окончательный | Предварительный | Окончательный | |||||
| Основной параметр сборки | Момент затяжки резьбы | Плотность торцевого стыка | Положение и число прихваток | Направление обхода стыка при сварке | |||||
| Метод | Учет параметра | Метод | Учет параметра | Метод | Учет параметра | Метод | Учет параметра | ||
| Тип сборки | Неупорядо-ченная сборка (НС) | полной взаимо-заменяемости | Нет | полной взаимо-заменяемости | Нет | полной взаимо-заменяемости | Нет | полной взаимо-заменяемости | Нет |
| Частично упорядочен-ная сборка 1 рода (ЧУС1) | непол-ной и группо-вой взаимо-заменяемости | Да | размер-ной регули-ровки | Нет | струк-турной регули-ровки | Да | размер-ной регули-ровки | Нет | |
| Частично упорядочен-ная сборка 2 рода (ЧУС2) | полной взаимо-заменяемости | Нет | полной взаимо-заменяемости | Нет | струк-турной регули-ровки | Да | полной взаимо-заменяемости | Да | |
| Структурно-упорядочен-ная сборка (СУС) | размер-ной регули-ровки | Да | размер-ной регули-ровки | Да | струк-турной регули-ровки | Да | направ-ленной регули-ровки | Да | |
Для организации системы управления технологическим процессом сборки под сварку и сварки РС соединений необходимо установить качественные и количественные взаимосвязи между отклонениями от соосности и параметрами функционирования буровых алмазных долот (БАД). Однако в настоящее время отсутствуют системные теоретические и экспериментальные исследования функциональных взаимосвязей параметров сборочного процесса неподвижных неразъемных соединений с эксплуатационными характеристиками БАД. В опубликованных работах не учтено совместное влияние геометрического, силового и теплового факторов на отклонение от соосности.
Вторая глава посвящена анализу технологических связей при выполнении СУС РС соединений методом регулировки, а также исследованию влияния силового фактора на соосность резьботорцового (РТ) соединений БАД (см. рис. 1).
Р и с.1. Буровое алмазное долото
Показано, что процессом совмещения осей корпуса и ниппеля следует управлять на каждой сборочной операции.
Первая операция – сборка РТ соединения включает два перехода: предварительную затяжку резьбы до касания торцов и последующее стягивание торцов, обеспечивая плотность контакта в торцовом соединении и предварительную соосность РТ соединения.
Вторая операция - сборка РС соединения включает два перехода и завершает исследуемый процесс сборки, что обеспечивает окончательное значение отклонения от соосности. Отклонение от соосности РС соединений обусловлено погрешностями предыдущих переходов, а также погрешностями, возникающими непосредственно в процессе выполнения прихваток и сварки вследствие неравномерного нагрева и появления обратимых и необратимых тепловых деформаций в стыке.
Показаны несовершенства существующей сварки РС соединений алмазных долот, производимой по следующим переходам: 1) фиксация деталей выполнением трех прихваток, равномерно расположенных по окружности (периметру стыка); 2) окончательная сварка стыка. При этом переходы выполняются без учета их технологических взаимосвязей, а также без управления технологическими параметрами, направленными на достижение требуемой соосности соединяемых деталей. В результате не учитывается влияние на отклонение от соосности собранного изделия таких важных параметров, как положение осей соединяемых элементов по окончанию сборки РТ соединения, расположение и число прихваток, а также место начала и направления сварного шва. Перечисленные недостатки существующей технологии приводят к большому разбросу значений отклонений от соосности соединяемых деталей.
Для этого необходимо выявить закономерности изменения отклонения от соосности соединяемых деталей от внешних воздействий. Установлено, что природа этих воздействий различна. При сборке РТ соединения преобладает механическое воздействие для затяжки резьбы и стягивание торцов (силовой фактор), при сборке РС соединения преобладают тепловые воздействия, искажающие предварительную ориентацию деталей прихватками и последующую сварку стыка (тепловой фактор). Независимо от природы и характера воздействий, каждое из них вносит свой вклад в деформацию соединения. Необходимо определить направление и величину этих деформаций после каждого сборочного воздействия. Для этого необходимо определить изменение положения осей соединяемых деталей и корректировать его за счет каждого сборочного воздействия. Таким образом, отдельные воздействия перестают быть взаимно независимыми и выстраиваются в упорядоченную систему, подчиненную единой цели - стабильному обеспечению заданной соосности БАД. Разработка технологии СУС РТ и РС соединений начинается с задачи декомпозиции, которая приведена на рис. 2.
На основе анализа технологических связей СУС получено выражение влияния факторов
, 
, 
, (1)
где 
– отклонение от соосности; 
- номер операции; 
- номер перехода; 
- множество регулируемых воздействий СУС; 
- множество реакций на сборочные воздействия; 
- момент затяжки резьбы; – угол поворота резьбы; 
- число прихваток; 
- структура расположения прихваток; 
– угол сектора с максимальным значением соосности; 
- начало сварного шва; 
- направление обхода сварного шва; 
– объемы зазоров торцового соединения; 
.- остаточные напряжения.
Р и с. 2. Декомпозиция технологических связей структурно
упорядоченной сборки:
СУС – структурно упорядоченная сборка; РТ, РС – резьботорцевое и резьбосварное соединение соответственно; Р, Т – резьбовое и торцовое соединения; Пр, СВ – прихватки и сварка по периметру; З – завинчивание; П – плотность прилегания стыка; М – маркировка местоположения прихваток; Н – направления обхода сварного шва; 1-4 – номера переходов
Предварительное стягивание двух деталей посредством резьбы сопровождается значительными случайными отклонениями осей соединяемых деталей. Эти отклонения имеют тенденцию к уменьшению с ростом момента затяжки 
.
Поэтому на данном этапе важно обосновать выбор такого минимального момента затяжки, при котором флуктуации осевых отклонений становятся пренебрежительно малыми. Для этого был проведен анализ динамики изменения положения осей детали в процессе затяжки резьбы. Система дифференциальных уравнений Н.Н. Баутина описывает характер изменения отклонения от соосности в процессе затяжки резьбы.
Анализ показал, что предварительное стягивание двух деталей посредством резьбы (Р) сопровождается значительными случайными отклонениями осей соединяемых деталей. Эти отклонения имеют тенденцию к уменьшению с момента затяжки 
. Поэтому на данном этапе важно обосновать выбор такого минимального момента затяжки, при котором флуктуации осевых отклонений становятся пренебрежительно малыми. Применительно к резьбовому соединению корпуса и ниппеля алмазных долот стабилизация составляющей траектории перемещения оси корпуса происходит при достижении момента на ключе 
10 Нм. Поэтому достижение данного момента было принято в качестве критерия окончания первого перехода – предварительной затяжки резьбового соединения. В производственных условиях для затяжки резьбы с заданным моментом использовался динамометрический ключ КД 100-10.
При стягивании торцов происходит увеличение момента предварительной затяжки резьбы, что приводит к уплотнению торцов и соответственно уменьшению зазоров в торцовом соединении. При этом отклонение от соосности зависит от двух переменных (2). Поиск оптимального значения момента затяжки резьбы выполняется в пошаговом режиме. На каждом шаге поочередно выполняется ступенчатое приращение момента 
, измерение отклонения от соосности и оценка объема зазора в торцовом соединении
, (2)
где 
– номер, соответствующий шагу увеличения момента затяжки.
При этом оптимальный момент 
обеспечивается минимальным отклонением от соосности. 
.
Исследования показали, что увеличение крутящего момента в РТ соединении от 10 до 40 Нм уменьшает отклонения от соосности соединяемых деталей на 0,4 мм. В дальнейшем значение отклонения от соосности начинает расти, что приводит к уменьшению плотности торцового соединения. При ручной сборке оптимальный крутящий момент 
на динамометрическом ключе при затяжке резьбы определяют путем пошагового увеличения его до тех пор, пока значение отклонения от соосности сопрягаемых деталей на достигнутом шаге 
не превысит значение, полученное на предыдущем шаге 
, т.е. при выполнении условий
(3)
После выявления минимума отклонения от соосности в зависимости от момента затяжки выполняется разборка РТ соединения, затем следует окончательная затяжка с найденным оптимальным крутящим моментом 
. Качество окончательной сборки РТ соединения оценивается минимальным значением отклонения от соосности и максимальной величиной плотности торцового соединения. Алгоритм метода регулировки РТ соединения по методике СУС заключается в следующем: участок стыка (с полярным углом ), на котором было выявлено минимальное отклонение от соосности, помечают меткой, которая впоследствии будет определять положение первой прихватки. Такой алгоритм, когда значение 
и номер шага j, при котором оно достигается, заранее не известны, соответствует стратегии «слепого» поиска упорядоченной сборки РТ соединения.
Пример численных значений параметров сборки РТ соединения, выполненной согласно вышеописанной стратегии, приведен в табл. 2 (темным цветом выделены найденные оптимальные параметры).
Таблица 2
Результаты стратегии «слепого» поиска при выполнении РТ соединения
Момент затяжки на ключе  , Нм | Объем торцового зазора,  мм3 | Отклонения от соосности  , мм |
| 10 | 210 | 0,9 |
| 20 | 189 | 0,7 |
| 30 | 135 | 0,6 |
| 40 | 110 | 0,5 |
| 50 | 89 | 0,75 |
К достоинству стратегии “слепого” поиска относится минимальная трудоемкость выполнения операции сборки РТ соединения.
Вместе с эмпирическим поиском оптимальных параметров сборки РТ соединений рассмотрена стратегия направленного поиска (прогнозирования) рационального положения сопрягаемых деталей, основанная на разработанной модели, связывающей отклонение от соосности с геометрическими и механическими характеристиками соединения, а также углом поворота резьбы, после касания торцов. На основе данной стратегии предложена новая технология частично упорядоченной сборки первого рода РТ соединений (ЧУС1).
Минимальное отклонение от соосности является функцией двух параметров 
и определяет качество окончательной затяжки РТ соединения. Методика СУС РТ соединения заключается в определении оптимального угла поворота корпуса относительно ниппеля, при котором отклонение от соосности осей будет минимальным. Для этого была выведена зависимость по определению отклонения от соосности РТ соединения (4), в которой учитываются механические и геометрические характеристики Р и РТ соединения, а также силовые параметры сборки
, (4)
где 
– отклонение от соосности РТ соединения, мм; – полярный угол поворота подвижной детали, град.; Ср, Ст – жесткость соответственно резьбового и торцового соединений, Н/мм; Q – окружная сила затяжки РТ соединения, Н; J – момент инерции подвижной сборочной компоненты, Нмм2; R – радиус торцовой поверхности, м; r – шаг резьбы, мм; 
– объем зазора в торцовом сопряжении, мм3.
Решение (4) позволило определить минимальное отклонения от соосности сопрягаемых деталей при определенных переменных параметрах, r, R, P, V.
На рис. 3 проиллюстрирован результат решения (4), выполненный с использованием программы MathCAD.
Р и с. 3. Расчетное положение оси РТ соединения, точки 1,2,3,4,5,6,7, характеризуют величину отклонения от соосности в зависимости от углового положения деталей:
Типоразмер F13 соответствует начальным и граничным условиям; Ср=1944 Н/мм; Ст=11112 Н/мм; Р= 96 Н; J=5,875х104 Нмм2; R=35 мм; r=2 мм; V=119 мм3
Результаты расчета представлены в табл. 3, где темным цветом выделен найденный оптимальный угол opt =154,5 град., соответствующий минимальному отклонению от соосности корпуса и ниппеля.
Таблица 3
Расчетные данные величины отклонения от соосности осей РТ соединения (мм)
| Исходные параметры F13 | Отклонение от соосности  | ||||||||
| Переменные параметры | |||||||||
| Угол, град. | Шаг резьбы r, мм | Радиус торцевого контакта R, мм | Сила затяжки резьбы P, Н | Объем зазор в торцевом соединении V, мм3 | |||||
| 2,5 | 1,5 | 40 | 30 | 100 | 50 | 130 | 110 | ||
| 0,482 | 51,5 | 0,482 | 0,483 | 0,483 | 0,515 | 0,482 | 0,481 | 0,497 | 0,466 |
| 0,804 | 103 | 0,803 | 0,804 | 0,804 | 0,827 | 0,804 | 0,803 | 0,815 | 0,791 |
| 0,142 | 154,5 | 0,142 | 0,142 | 0,142 | 0,154 | 0,142 | 0,141 | 0,147 | 0,136 |
| 0,331 | 205 | 0,331 | 0,332 | 0,332 | 0,358 | 0,332 | 0,33 | 0,343 | 0,319 |
| 0,653 | 256,5 | 0,652 | 0,654 | 0,654 | 0,685 | 0,653 | 0,652 | 0,668 | 0,636 |
| 0,904 | 307 | 0,904 | 0,904 | 0,904 | 0,918 | 0,904 | 0,903 | 0,91 | 0,896 |
| 0,219 | 358,5 | 0,219 | 0,219 | 0,219 | 0,238 | 0,219 | 0,218 | 0,227 | 0,21 |
| 0,482 | 51,5 | 0,482 | 0,483 | 0,483 | 0,515 | 0,482 | 0,481 | 0,497 | 0,466 |
Метод регулировки по методике СУС РТ соединения позволяет уменьшить отклонения от соосности по сравнению со сборкой по методу неполной взаимозаменяемости.
Для снижения трудоемкости разработана сборочная оснастка для реализации стратегии направленного поиска оптимального положения осей сопрягаемых деталей.
На основе стратегии слепого поиска разработана и внедрена в производство методика сборки РТ соединений буровых алмазных долот. Соосность соединяемых деталей косвенно оценивалась по показаниям их радиального биения с помощью специальной измерительной установки, которая состоит из плиты, магнитной стойки и индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм. В плите имеется посадочное отверстие, в которое устанавливается ниппель с посадкой 80 
.
Третья глава посвящена определению связей между соосностью и тепловыми деформациями в РС соединении при выполнении прихваток и сварки.
Результаты экспериментального исследования влияния тепловых деформаций при выполнении сварки на отклонение от соосности корпуса и ниппеля БАД показаны на диаграмме (см. рис. 4). Отклонение от соосности после выполнения сварки оценивались по объему выборки из 10 комплектов. Видно, что после сварки отклонение от соосности может возрастать более чем в три раза (долото №13). Установлено, что в партии из 30 собранных изделий двадцать одно (т.е. 66%), удовлетворяют требованию соосности, а остальные 34% собранных изделий отправляются на доработку. Такая статистика указывает на необходимость управления процессом сборки долот на всех этапах, включая завершающие.
Р и с. 4. Диаграмма отклонения от соосности РТ и РС соединений алмазных долот при неупорядоченной сборке: 
- до сварки, 
- после сварки
С целью выявления методов управления соосностью сборки на этапе подготовки РТ соединений к сварке были проведены экспериментальные и теоретические исследования закономерности изменения отклонения от соосности РС соединений под действием интенсивной тепловой энергии, сообщаемой локальному участку стыка в процессе выполнения прихваток.
Возможность регулировки пространственного отклонений осей деталей РС соединений методом направленного приложения тепловых деформаций моделировалась на конечно-элементной модели, построенной с использованием программы ANSYS. Исследование модели показало, что в результате выполнения прихватки после остывания деталей корпус наклоняется относительно ниппеля в сторону прихватки (см. рис. 5).
Р и с. 5. Отклонение оси симметрии корпуса относительно
ниппеля после выполнения прихватки
Наклон корпуса, образующийся после выполнения прихватки размером 
=6мм., происходит вследствие упругопластических деформаций стыка под влиянием напряжений возникающих в зоне прихватки. К примеру, ось корпуса для РТ соединения М60 х 2 изменяет свое положение, наклоняясь в сторону прихватки на длине 150 мм, максимальные перемещения составляют 0,2 мм., при увеличении размера прихватки 
=10 мм. перемещения корпуса составляют 0,3 мм.
Эксперименты показали, что сразу после выполнения прихватки возникает отклонение оси корпуса в направлении, противоположном месту прихватки, обусловленное локальным тепловым расширением материалов соединяемых деталей в нагретой зоне. При снижении температуры корпус начинает отклоняться в противоположном направлении, а после остывания корпус смещается в сторону прихватки.
Для оценки остаточных напряжений в зоне прихватки проведены теоретические исследования с помощью вышеописанной конечно-элементной модели в ANSYS, а также экспериментальная проверка с использованием метода магнитной памяти металла прихватки. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение. Величина остаточных напряжений в зоне прихватки, полученная с помощью метода магнитной памяти металла, составляет 57 МПа. Расчеты в программе ANSYS показали, что напряжения в зоне прихватки составляют 62-65 МПа.
Поскольку тепловые деформации в соединении всегда направляют свой вектор в сторону прихватки, это свойство было использовано для коррекции взаимного положения осей соединяемых деталей. При этом выбираются такие местоположения прихваток по периметру разделки кромок РС соединения, которые вызывают «желательные» отклонения корпуса, компенсирующие смещения осей соединяемых деталей, полученные на предыдущих переходах. С каждой новой, выполненной таким образом прихваткой осуществляется последовательное сближение осей ниппеля и корпуса. Таким образом, в процессе достижения требуемой соосности соединяемых деталей при выполнении сварки формируется определенная, индивидуальная для каждого собираемого изделия структура S местоположения прихваток. Эта структура является упорядоченной, поскольку местоположение каждой последующей прихватки определяется после оценки достигнутого эффекта при выполнении предшествующей прихватки. Данные соображения проиллюстрированы на рис. 6.
Р и с.6. Изменение положения оси резьбосварного соединения при упорядоченной сборке: 1 - после окончательной затяжки; 2 - после выполнения первой прихватки; 3 - после второй прихватки, точка 4 –после третьей прихватки;
5 - после выполнения сварки по периметру
С учетом вышесказанного алгоритм СУС содержит следующие этапы.
На этапе выполнения прихваток по периметру определяют участок с максимальным радиальным биением и диаметрально противоположно ему делают метку. Далее на месте установленной метки выполняют первую прихватку Пр1. Этот технологический прием изменяет величину и направление результирующего вектора упруго-пластической деформации соединения таким образом, что ось симметрии корпуса смещается в сторону оси симметрии ниппеля, обеспечивая соосность соединения. После выполнения первой прихватки повторяют измерение радиального биения сопрягаемых деталей и находят местоположение второй прихватки. Эти технологические приемы повторяются и для третьей прихватки.
Поскольку в процессе выполнения прихваток ось корпуса долота меняет свое положение по отношению к оси ниппеля, то для обеспечения достоверности оценки положения оси корпуса, исключающей влияние погрешности формы измеряемого профиля, использовалась фильтрация измеренных значений его соосности. Расчет положения оси корпуса относительно оси ниппеля в измеряемой плоскости перпендикулярной оси в процессе образования соединения с фильтрацией измеренных значений выполнялся по формулам И.Д. Гебеля:
(6)
где xc, yc – координаты проекции оси корпуса на торцовую плоскость ниппеля; ri,k – радиус вектор реального профиля смещения сопрягаемых деталей; 
- полярный угол радиуса вектора.
При сварке корпуса с ниппелем долота по окружности стыка выполняют следующие этапы. Измеряют радиальное биение корпуса после выполнения третьей прихватки и определяют зону максимального радиального отклонения. Диаметрально противоположно этой зоне ставят метку №1, обозначающую место начала сварного шва. Направление обхода периметра стыка выбирается с учетом значения радиальных биения соседних лопастей: из соседних значений выбирается максимальное отклонение и диаметрально противоположно ему ставится метка №2. Направление обхода сварки осуществляется из метки №1 в сторону метки №2. Таким образом, отклонение от соосности на окончательном переходе достигается методом регулировки.
Четвертая глава посвящена теоретико-экспериментальным исследованиям влияния качества структурно упорядоченной сборки на эксплуатационные характеристики БАД.
В результате сборки РС соединений возникают три вида отклонений от соосности: смещение, перекос или перекос осей со смещением. Экспериментальные исследования показали, что при сборке БАД наиболее распространенным видом погрешностей взаимного расположения осей является перекос осей со смещением. В связи с этим была поставлена задача оценки влияния смещения и перекоса со смещением осей соединяемых деталей на траекторию движения долот. Данная задача решалась методами имитационного моделирования и численного эксперимента.
В первом методе процесс бурения имитировался процессом врезного фрезерования отверстий в стальной заготовке призматической формы на станке с ЧПУ. Для этого использовалась концевая фреза с конфигурацией идентичной БАД. Фрезеровались два вида отверстий: при наличии смещения и перекоса инструмента в патроне, а также без погрешностей взаимного расположения осей шпинделя и фрезы при базировании по конусу Морзе. Качество управляемости инструмента оценивалось по отклонению фрезы от заданной траектории, которое определялось по величине смещения центра в верхней части отверстия относительно центра отверстия в нижней части заготовки. Исследования показали, что преобладающее влияние на увод инструмента и соответственно оси полученного отверстия оказывает перекос осей собираемых деталей. На порядок меньшее влияние оказывает смещение осей. Так, при смещении осей, равном 0,015 мм, смещение центров на длине 30 мм составляет 0,132 мм. Добавление перекоса в 
приводит к росту смещения центров почти на порядок, при этом диаметр обрабатываемого отверстия получается нестабильным.
Во втором методе оценка эффективности СУС и анализ влияния соосности БАД на его управляемость во время эксплуатации (способность двигаться по заданной траектории) выполнялись с использованием вычислительного пакета ADAMS. Для этого была разработана модель взаимодействия долота 215,9 мм с породой (см. рис. 7).
Р и с. 7. Схема взаимодействия бурового алмазного долота с породой
В результате численного моделирования получены траектории перемещений центра масс БАД с учетом отклонений от заданной траектории в заданном интервале времени, при этом угол перекоса оси корпуса относительно оси ниппеля для СУС долота выбран равным =0,01°, а для неупорядоченной сборки - = 0,06°. Анализ результатов моделирования показал, что долото, собранное по СУС, отклонилось от заданной траектории на 4 мм, тогда как другое долото, изготовленное по технологии неупорядоченной сборки, отклонилось на 27 мм. Таким образом, результаты моделирования подтвердили положительный эффект от внедрения СУС РС соединений, основанной на принципе различимой конструктивной симметрии.
На рис. 8 представлен график изменения величины увода долота в зависимости от угла перекоса осей, по которому видно, что увеличение перекоса в пределах допуска приводит к линейному росту величины увода. Увеличение перекоса свыше предельно допустимого значения приводит к резкому уводу долота от заданной траектории в несколько раз. Таким образом, результаты моделирования показали, что отклонения от соосности, полученные на этапе сборки алмазного долота, существенно влияют на его эксплуатационные показатели.
Р и с. 8. График зависимости увода бурового алмазного долота от перекоса осей
Адекватность полученной модели работы БАД проверяли сопоставлением расчетных данных, полученных при моделировании в программе Adams с результатами промысловых испытаний аналогичного долота в условиях Западной Сибири на Киняменском месторождении (долото эксплуатировалось в интервале бурения 1480-1940 м). При наклонно-направленном бурении за 10 м проходки фактическое отклонение оси долота в промысловых испытаниях составило 0,02 м, расчетное в программе ADAMS - 0,027 м. Таким образом, полученные в результате моделирования траектории качественно совпадают с траекториями долот при промысловых испытаниях, что подтверждает достоверность результатов моделирования в программном пакете ADAMS.
Пятая глава посвящена разработке СУС сборки РС соединений БАД.
Структура переходов, соответствующая стратегии направленного поиска при выполнении структурно упорядоченной сборки, показана на рис. 10.
Частично упорядоченная сборка ЧУС1 первой операции образования РТ соединения опытного долота 215,9 FD – 368 SМ – А 59 с учетом вышеизложенных исследований включает следующие переходы.
- Свинчивание корпуса с ниппелем вручную до упора в торец, затем поворот корпуса относительно ниппеля динамометрическим ключом с крутящим моментом 10 Нм.
- Контроль плотности прилегания торцевых поверхностей с помощью набора щупов (допуск на величину зазора составляет не более 0,05 мм).
- Контроль радиального биения корпуса долота с помощью специального приспособления. Сравнение фактического отклонения от соосности с допустимым значением. Если фактическое отклонение от соосности превышает допустимое на 30%, следует разборка РТ соединения и замена ниппеля (метод неполной взаимозаменяемости).
- Затягивание РТ соединения с крутящим моментом на 10 Нм больше предыдущего значения.
- Затяжка резьбы под сварку (по вариантам) с обеспечением соосности методом размерной регулировки.
- Стратегия слепого поиска СУС
Контроль текущего значения соосности РТ соединения под сварку. При выполнении условий (2), если отклонение от соосности уменьшилось, выполняется предыдущий прием. Если отклонение от соосности увеличилось, производится ослабление РТ соединения и затягивание корпуса с предыдущим значением крутящего момента.
Р и с. 10. Алгоритм сборки бурового алмазного долота
со стратегией направленного поиска стурктурно упорядоченной сборки.
- Стратегия направленного поиска СУС
Расчет оптимального полярного угла по модели (4) и поворот корпуса на этот угол.
- Измерение радиальных биения всех лопастей и определение лопасти с максимальным значением радиального отклонения. Постановка метки на диаметрально противоположной стороне от этой лопасти для обозначения местоположения первой прихватки (метод структурной регулировки).
- Выполнение первой прихватки сваркой по метке.
- Повтор п. 6 и 7 для выполнения второй и третьей прихваток. Установка прихваток на данном этапе - технологический прием для управления соосностью методом структурной регулировки.
- Измерение радиального биения корпуса и постановка метки №1, обозначающей место начала сварного шва в зоне, диаметрально противоположной участку с максимальным радиальным биением.
- Постановка метки № 2 в зоне, диаметрально противоположной соседней лопасти, имеющей максимальное радиальное отклонение.
- Сварка стыка в направлении от метки №1 в сторону метки №2 (метод направленной регулировки).
- Повтор п. 9 и 10 до замыкания сварного шва.
С целью определения эффективности разработанной технологии сборки, были проведены промысловые испытания партии буровых алмазных долот в условиях Антиповско-Балыклейского месторождения Волгоградской области.
Согласно экспертной оценке, отмеченной в протоколе испытаний, опытные долота обладали высокой управляемостью, что позволило уменьшить затраты на поддержание необходимой траектории в условиях наклонно – направленного бурения. Подтвержденный экономический эффект от применения опытного алмазного долота, собранного по технологии структурно упорядоченной сборки, составил 89890,17 руб.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
- Разработана технология структурно упорядоченной сборки, которая позволяет на основе рационального выбора технологических параметров обеспечить требуемую соосность резьбосварных соединений.
- Выявлена функциональная связь между сборочными параметрами: моментом затяжки резьбы, углом доворота резьбы, числом прихваток, структурой расположения прихваток, началом и направлением сварного шва с отклонениями от соосности.
- Исследована взаимосвязь между моментом затяжки (углом доворота) и соосностью, позволившая существенно уменьшить отклонения от соосности резьботорцовых соединений по сравнению с неупорядоченной сборкой. Исследовано влияние механических и геометрических характеристик резьботорцовых соединений: шага резьбы, плотности стыка в торцовом соединении, радиуса торцового соединения и жесткости соединений на соосность, что позволяет учитывать эти параметры в процессе структурно упорядоченной сборки.
- Выявлена взаимосвязь влияния теплового фактора на отклонение от соосности резьботорцовых соединений со структурой расположения прихваток перед сваркой, началом и направлением обхода сварки и результирующим вектором тепловых деформаций. На основе выявленных взаимосвязей разработана методика выполнения резьбосварных соединений.
- Разработана модель взаимодействия бурового алмазного долота с разрушаемой породой и экспериментально обоснована совокупность численных и расчетных моделей, позволяющая оценить влияние технологических параметров структурно упорядоченной сборки на отклонение от соосности резьбосварных соединений буровых алмазных долот, а также соосности на траекторию движения долота в забое.
- Разработана и внедрена в производство ОАО «Волгабурмаш» новая технология структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот в виде технологической инструкции №25288.0007
- Результаты промысловых испытаний опытных алмазных буровых долот 215,9 FD–368 SМ–А 59, собранных в ОАО “Волгабурмаш” по новой технологии структурно упорядоченной сборки, проведенные на Антиповско-Балыклейском месторождении, показали, что средние показатели работы опытных долот по сравнению с серийными долотами выше по проходке и стойкости соответственно на 15% и 13%. Также опытные долота показали заметное улучшение управляемости при бурении наклонно направленных скважин по сравнению с алмазными долотами, собранными по серийной технологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ:
- Журавлев А.Н. Структурно упорядоченная сборка под сварку резьбовых соединений алмазных буровых долот / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Сборка в машиностроении, приборостроении. №7. 2007. C.18-23.
- Журавлев А.Н. Оценка качества структурно упорядоченной сборки под сварку резьбовых соединений / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Известия Томского политехнического университета. Т. 311. №2. 2007.- С. 27-30.
Публикации в других изданиях:
- Журавлев А.Н. Структурно упорядоченная сборка под сварку резьбового соединения буровых алмазных долот / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Мат. Интернет-конф. с межд. участ. “Высокие технологии в машиностроении”. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2006.- С.135-140.
- Журавлев А.Н. Оценка качества резьбового соединения бурового алмазного долота / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Сб. тр. III Международной науч.-техн. конф. «Современные проблемы машиностроения». – Томск: Томский политехн. ун-т, 2006.- C. 16-19.
- Журавлев А.Н. Структурно упорядоченная технология сборки буровых алмазных долот / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Межрегион. сб. науч. тр. “Процессы и оборудование металлургического производства”/Под ред. Железкова О.С. Вып. 7. - Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2006.- С. 106-113.
- Журавлев А.Н. Моделирование процесса сборки под сварку резьбового соединения бурового алмазного долот / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Электр. ресурс Межд. науч.-техн. конф. “Наука и образование-2007”.- Мурманск: Мурманский гос. техн. ун-т, 2007. - С. 131-134.
- Журавлев А.Н. Определение влияния температурного фактора на точность взаимного расположения деталей, собираемых посредством резьбы / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Сб. тр. науч.-техн. конф. «Высокие технологии в машиностроении». – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008.-С. 123-125.
- Рыльцев И.К. Обеспечение качества резьботорцовых соединений алмазных буровых долот на основе анализа силового фактора / Рыльцев И.К., Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Сб. тр. науч.-техн. конф. «Проблемы качества машин и их конкурентноспособности». – Брянск: Брянский гос. техн. ун-т, 2008.- С. 231-232.
- Журавлев А.Н. Оценка качества сборки резьбосварных соединений методом магнитной памяти металлаа / Журавлев А.Н., Борисов М.А. // Сб. тр. науч.-техн. конф. «Проблемы качества машин и их конкурентноспособности». – Брянск: Брянский гос. техн. ун-т, 2008.- С. 477-478.
Заказ №____Тираж 100 экз.
Отпечатано на ризографе.
Самарский государственный
технический университет.
Отдел типографии и оперативной полиграфии.
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
