Воронежский государственный университет
Рис. 1. Интерфейс пользователя
Рис. 2. Результаты вычислений
УДК 658.562
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ПОДЗЕМНОГО НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Г.А. Сухочев, Д.М. Небольсин
Задачу технологического обеспечения равномерности и сплошности поверхностной обработки предлагается созданием стабильного контактного давления гранулированной рабочей среды по профилю обрабатываемой поверхности. Предложены компоновочные решения по созданию специализированных средств технологического оснащения, обосновано использование комбинированной струйно-динамической обработки микрошариками.
Подземное скважинное нефтегазовое оборудование работает при комплексном воздействии нестабильных динамических нагрузок, повышенных температур, агрессивной газожидкостной среды, содержащей соединения водорода, также на проточных поверхностях в местах концентрации загрязнений откладываются парафины, газовый конденсат и песок. В такой агрессивной среде наибольшим воздействиям подвержены детали проточной части (корпуса, стволы, переводники). При этом оборудование должно быть стационарно-съемным и ремонтопригодным в условиях мастерских. От надежности и долговечности деталей подземного нефтегазового оборудования зависит работа комплекса в целом, так как при выходе данного оборудования из строя наносится непоправимый ущерб экологии, теряются колоссальные денежные средства.
Одним из препятствий в достижении и поддержании, в процессе эксплуатации, заданных показателей качества является присутствие технологически наследованного трещиноватого слоя внутренних поверхностей длинномерных деталей. Анализ предварительных исследований показывает зависимость эксплуатационных показателей от двух основных факторов [1]:
механических свойств и характеристик уплотнения материала в зоне концентратора напряжений;
проницаемость поверхностного слоя для химически активных веществ.
В подобных случаях повышение долговечности и безотказности подземного нефтегазового оборудования решается как конструктивными, так и технологическими методами. В качестве конструктивных методов для повышения долговечности и безотказности подземного нефтегазового оборудования применяется защитное покрытие, материалы с высокими механическими свойствами, специальные виды присоединительных резьб, соответствующих стандартам API и ISO 9000. Защитное покрытие, по технологическим причинам, не всегда получается с требуемым качеством из-за труднодоступности зоны покрытия в глубоких отверстиях (рис. 1), и это не приводит к ощутимому повышению ресурса работы таких деталей.
Рис.
1. Типовая деталь «поршень» с внутренними
и наружными рабочими поверхностями.
Покрытие поверхностей Ж, И на расстояния
L,
L1
соответственно X9…18
тв. После покрытия – полировать
.
Допускается покрытие остальных
поверхностей, кроме резьб. На покрытии
не допускаются царапины, задиры.
Технологические методы реализуется за счет использованиея прогрессивных методов нанесения покрытий, а также технологическим обеспечением стабильной системы геометрических и физико-механических параметров состояния поверхностного слоя, определяющих их эксплуатационные свойства. Необходимо оптимизировать процессы поверхностной обработки таким образом, чтобы наследованные концентраторы напряжений устранялись, либо исключалась возможность их дальнейшего развития в процессе эксплуатации. Следовательно, должна обеспечиваться адгезия покрытий с основным материалом и их минимальная проницаемость для агрессивных сред в процессе эксплуатации. В ряде случае применение отделочно-упрочняющей комбинированной обработки позволяет обойтись даже без защитного покрытия [1]. Так, в работе [2] отмечено положительное влияние струйной упрочняющей обработки микрошариками до и после нанесения защитного покрытия.
Для равномерной обработки поверхности были предложены компоновочные решения по созданию специализированных средств технологического оснащения для стабилизации режимов струйно-динамической обработки микрошариками [3]. На рис. 2 представлен вариант конструкции установки, которая содержит рабочую камеру 1 с бункером 2, смонтированный в этой камере струйный аппарат эжекторного типа 3, сообщенный с источником и трубопроводом 4 для всасывания микрошариков 5.
Устройство подачи рабочей среды через трубопровод 4 в струйный аппарат вы полнено в виде крыльчатки 6, связанной с приводом 7 с помощью цепной передачи 8. Эта крыльчатка выполнена в виде конусного приемного бункера, сообщенного с бункером рабочей камеры выпускным патрубком 9. Радиальные каналы крыльчатки сообщены с одной стороны с патрубком 9 (через осевое отверстие приемного бункера), а с другой стороны через отверстие 10 с полостью ступицы крыльчатки, присоединенной к полому валу 11 привода вращения крыльчатки. Обрабатываемая деталь 12 установлена в камере на валу 13 с возможностью вращения от привода 14. В бункер 2 рабочей камеры 1 засыпают необходимое количество гранулированной рабочей среды 5, которая по патрубку 9 размещается в нижерасположенные участки полостей каналов крыльчатки 6.
Процесс обработки начинают включением привода 14, подачей сжатого воздуха в струйный аппарат 3 и включением привода 7 вращения крыльчатки. При этом во всасывающем трубопроводе 4 и полости вала 11 создается разрежение воздуха, а за счет вращения крыльчатки 6 стенками ее каналов осуществляется круговое перемещение рабочей среды 5.
Рис. 2. Схема установки с устройством для стабилизации режимов упрочнения
Таким образом через вышерасположенные отверстия 10 в ступице крыльчатки осуществляется дозированная подача рабочей среды в полость ступицы, затем, через полый вал 11, всасывающий трубопровод и струйный аппарат – на поверхность обрабатываемой детали 12. После окончания обработки отключаются приводы 7 и 14, прекращается подача сжатого воздуха. Рабочая среда перемещается в исходное положение в полость крыльчатки 6. Дозирующая крыльчатка в данном случае исключает возможность значительного временного изменения плотности потока рабочей среды и обеспечивает стабильность процесса упрочнения в технологически доступных местах межлопаточного канала. Предложенное решение по конструкции установки для струйнодинамической отделочно-упрочняющей обработки деталей обеспечивает дистанционную подачу рабочей среды в струйный аппарат эжекторного типа, что снижает энергопотребление на 10…15% и повышает надежность устройства. Для интенсификации процесса и исключения явления шаржирования обрабатываемой поверхности материалом микрошариков предлагается ввести в конструкцию установки дополнительные устройства для наложения на деталь тока низкого напряжения и смачивания токопроводящей жидкостью [1].
Литература
1. Сухочев Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. – М.: «Машиностроение», 2004. – 287 с.
2. Гореликов В. Н. Упрочнение винтовых поверхностей фасонных деталей комбинированной обработкой / В. Н. Гореликов, С.Н. Коденцев, Е.Г. Сухочева // Заготовительные производства в машиностроении. – 2007. – № 4. – С. 38–42.
3. Пат. 2008183 Российская Федерация, МКИ3 С15 В 24 С 5/06. Установка для струйно-динамической отделочно-упрочняющей обработки деталей / А.В. Левченко, Г.А. Сухочев // Открытия. Изобретения. – 1994. – №4.
Воронежский государственный технический университет
УДК 627.9.047
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ КЛАССИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ
А.В, Кузовкин, Э.А. Азаренков, А.А. Савин
В статье рассмотрены принципы классификации сложнопрофильных поверхностей деталей, обрабатываемых с помощью многокомпонентных рабочих сред
Авторами ведутся исследования, направленные на разработку способа размерной комбинированной обработки с применением твердого токопроводящего наполнителя. Целью создания такого способа является получение возможности размерного локального формообразования поверхностей сложной формы с гарантированным обеспечением характеристик качества и, как следствие, повышение эксплуатационных свойств изделия. Ранее часть сложнопрофильных деталей обработке с удалением припуска не подвергалась, либо такая обработка осуществлялась путем применения ручных операций. Сложная геометрия обрабатываемого профиля не позволяла вести обработку традиционными режущими инструментами и цельными электродами-инструментами (ЭИ). Авторами работ /1, 2/ были предприняты попытки создания технологических процессов размерного удаления припусков с поверхностей сложной формы, однако они были направлены на решение узкоспециализированных задач, не дающих общих технологических методик и рекомендаций.
Предлагаемый нами метод комбинированной размерной обработки с применением наполнителя может быть использован при обработке более широкого класса деталей, к которым относятся элементы турбонасосных агрегатов (ТНА), узлы для химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, детали общего машиностроения. Обрабатываемые поверхности в этом случае представляют собой каналы сложной формы с криволинейными осями, винтовые поверхности, узкие межлопаточные каналы ТНА и т.д. Примеры таких деталей приведены на рис. 1. Эти детали работают в условиях агрессивных сред, при интенсивных знакопеременных и тепловых нагрузках. Для классификации обрабатываемых поверхностей с применением наполнителя можно использовать принципы, принятые в традиционной размерной электрохимической обработке (ЭХО), указанные в частности в работах Ф.В. Седыкина, В.В., Бойцова и др. /3/. При этом классификация обрабатываемых поверхностей может быть проведена по различным признакам: кривизна обрабатываемой поверхности, используемый материал, точность и качество поверхностного слоя и т.д.
Рис. 1. Детали, обработку которых целесообразно проводить с использованием наполнителя
На рис. 2 представлен один из возможных вариантов классификации, когда детали сортируются по форме обрабатываемой поверхности, их взаимному расположению и доступности для цельного инструмента. Принятая классификация поверхностей, построенная "по двоичной системе", позволяет производить однозначную оценку возможности и целесообразности применения токопроводящего наполнителя для обработки определенного класса деталей. При этом детали сгруппированы по токопроводящим свойствам материала, массогабаритным показателям и конфигурации обрабатываемого профиля. Такой подход применительно к комбинированной обработке труднодоступных поверхностей с наполнителем отвечает задаче определения целесообразности обработки с наполнителем в силу своей однозначности и исключения появления ошибок на этапе принятия решения о разработке технологического процесса электрохимикомеханичеекой обработки (ЭХМО).
Рис. 2. Виды объектов обработки в зависимости от формы и характера взаимного расположения обрабатываемых поверхностей
Экспериментальные исследования и промышленное применение наполнителя для комбинированной обработки /4/ показали, что при его использовании создаются условия для улучшения качества поверхностного слоя и получения заданных физико-механических характеристик. Синтез электрохимического удаления припуска на обработку и механического воздействия гранул на поверхность детали дает возможность обрабатывать поверхности, удаленные от инструмента на десятки миллиметров, при этом параметр шероховатости равен Ra=0,4...0,6 мкм, степень наклепа составляет 15...20%, а точность профиля детали соответствует профилю заготовки.
Литература
1. А.с. 1085734 СССР, МКИ 53 0 В 23 Р 1/04. Способ электрохимической обработки/ А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев// Открытия. Изобретения. – 1984. - № 14.
2. А.с. 1191215 СССР. Способ размерной электрохимической обработки/ В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.П. Зорин, Э.Х Милушев// Бюллетень изобретений. – 1985. № 42.
3. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. – М.: Машиностроение, 1975. – 301 с.
4. Бондарь А.В. Повышение качества поверхности каналов комбинированной обработкой: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Воронеж, 1998. – 16 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 627.9.047
МЕТОДИКА ВЫБОРА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СРЕД ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ
А.В, Кузовкин, Э.А. Азаренков, А.А. Савин
В материалах представлены результаты, полученные авторами при разработке методики выбора многокомпонентных рабочих сред для комбинированной обработки
Особенностью электрохимикомеханической обработки (ЭХМО) является использование многокомпонентных рабочих сред в качестве формообразующего инструмента. Традиционно в качестве твердой компоненты для ЭХМО используются гранулы диаметром от 0,1 до 5 и более мм различной конфигурации и конструкции /1/. Кроме того, гранулы различаются по наличию или отсутствию у них абразивных свойств, по электропроводным свойствам материала, методу изготовления и т.п. На рис 1 представлена одна из возможных классификаций наполнителя для ЭХМО. Следует отметить, что при обработке наполнителем, изготовленным из нетокопроводящих материалов, удаление припуска с поверхности заготовки осуществляется за счет электрохимического воздействия струи электролита (струйный метод), а наполнитель играет роль механического дипассиватора поверхности. В качестве инструмента для ЭХМО широкое распространение получили гранулы из стали, чугуна, цветных сплавов, графита и графитовых композиций, а так же минералокерамики /2/. Последние не нашли широкого применения, так как их электропроводные свойства зависят от пространственной ориентации гранул в электромагнитном поле. Следовательно, необходимо использовать специальное гидравлическое оборудование, что существенно влияет на себестоимость обработки.
Рис. 1. Классификация наполнителя для комбинированной ЭХМО
Задача выбора материала и размеров гранул является многокритериальной, когда в качестве критериев оптимизации выступают качество и физико-механическое состояние поверхностного слоя детали после обработки, требуемая точность и производительность процесса. К управляемым факторам процесса ЭХМО относятся величина межэлектродного промежутка (МЭП), скорость прокачки электролита, сила воздействия гранул на поверхность детали, при этом граничным условием является значение силы, при котором происходит разрушение наполнителя. Еще одним критерием для выбора характеристик гранул наполнителя является величина экономических затрат на их производство, эксплуатацию и утилизацию.
Существуют некоторые особенности выбора материала наполнителя в зависимости от обрабатываемого материала. Так при обработке деталей, изготовленных из жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей и сплавов применяется наполнитель в виде стальных шаров, в которых содержится до 20 % кремния или графита. Это связано с тем, что другие материалы, которые могут быть использованы для изготовления наполнителя (чугун, конструкционные стали и т.п.), обладают способностью внедряться в поверхность, создавая условия для коррозии деталей. Даже последующая промывка и покрытие поверхности эмалями не дают положительных результатов/3/ - эмаль "вскипает" по всей поверхности образца. Применение стали с 20 %-ым содержанием кремния или графита ни наполнитель ни деталь не коррозируют в процессе обработки, а последующая пассивация готовых деталей в 10 %-ом растворе азотной кислоты (HNO3) с хромпиком позволяет избежать коррозии в период всего срока службы изделия. Наполнитель для ЭХМО в этом случае изготавливается на специальных установках (рис. 2а), которые работают следующим образом. Расплавленную шихту для литья (смесь низко углеродистой стали и некоторого количества ферросилиция) подают в желоб 1, установленный под углом 30° к горизонту. Жидкий металл стекает с желоба и разбрызгивается водой и воздухом, которые подводятся по трубопроводам 2 и 3 соответственно. Образовавшиеся капли попадают в ванну с водой 4. Размер получаемых гранул регулируется давлением подводимых воздуха и воды. После отливки и просушки гранулы наполнителя сортируются по фракциям от 1 до 10 мм, каждая из которых применяется для определенного типоразмера деталей.
Для изготовления чугунных и стальных гранул, используемых для обработки деталей из конструкционных и низколегированных сталей, используется установка Ясногорского. Она позволяет изготавливать наполнитель из отходов производства, например стружки (рис. 2б).
При ЭХМО деталей, изготовленных из цветных металлов и сплавов, применение чугунного и стального наполнителя нецелесообразно. После обработки на поверхности таких деталей образуются очага коррозии из-за вкрапления частиц наполнителя в поверхностный слой. Так, после обработки деталей, выполненных из магниевых сплавов, и погружения их в жидкие среды (вода, растворы солей) происходит коррозирование с выделением водорода. Поэтому наибольший эффект можно получить при использовании гранул из алюминиевого сплава АЛ 10, Поверхность деталей, обработанная таким наполнителем, получается гладкой, блестящей и коррозионно-стойкой. Получают алюминиевые гранулы из стружки на установках, аналогичных изображенным на рис. 2.
а
б
Рис. 2. Установки получения гранул наполнителя, а) установка для получения наполнителя из шихты; б) установка Ясногорского: 1 – транспортер; 2 - бункер; 3 - электромагнитный барабан; 4 - ванна с охлаждающей жидкостью; 5 - электродвигатель; 6 - редуктор; 7 - патрубок подачи охлаждающей жидкости; 8 - бак; 9 - патрубок подачи жидкости в охладитель; 10 - стружка; 11 - отверстие для выхода дроби; 12 - желоб; 13 -транспортер подачи дроби; 14 - емкость для дроби.
Литература
1. Патент № 46-29435 (Япония). Способ электролтической обработки. Бюллетень патентных заявок Японии, 1971, серия 4, В.46, № 743.
2. Болдырев А.И., Кузовкин А.В. Рабочая среда для ЭХО с наполнителем// Сб. тезисов докладов межвузовской науч.-техн. конфер. "Теория и практика машиностроительного оборудования". Вып. 3. – Воронеж, ВГТУ, 1999. – С. 40 – 41.
3. Бахвалов Г.Т., Турковская А.В. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлуриздат, 1959. – 129 с.
Воронежский государственный технический университет