Автоматизированная система ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот и оценки качества соединений

Лаптев В.А., Шуваев В.Г.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗАПРЕССОВКИ ЗУБКОВ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЙ

В настоящем сообщении приводится пример автоматизированной системы, созданной в СамГТУ с помощью которой проводятся исследования по ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков с одновременной диагностикой показателей качества формируемого соединения.

В настоящее время одной из актуальных задач повышения эффективности и долговечности буровых долот является обеспечение надежного крепления породоразрушающих элементов, в качестве которых применяют твердосплавные зубки, запрессовываемые в отверстия на корпусе шарошки. Известно, что отклонения величин натягов от номинальных значений приводят к преждевременному разрушению буровых долот и существенному снижению эффективности бурения. Это происходит из-за образования трещин в теле шарошки на венцах и на межвенцовом пространстве в зонах запрессовки зубков в отверстия. Особенно часто такие трещины возникают на шарошках долот малого диаметра. Возникающие вначале при запрессовке микротрещины при сотнях тысяч повторяющихся закономерных нагрузок от нуля до максимума при воздействии зубков на породу, постепенно переходят в макротрещины, ведущие к разрушению шарошек и авариям на буровых.

Вместе с тем, контактные связи, формируемые при запрессовке зубков, определяют с одной стороны силовые и точностные параметры самого технологического процесса соединения деталей, а с другой -эксплуатационные показатели собранных шарошек. Управление процессом сборки и технический контроль формируемых соединений традиционно осуществляют путем измерения сил и моментов, прикладываемых к деталям и координат их относительного перемещения в процессе соединения. Основную сложность в организацию управления процессом запрессовки вносят технологические и сборочные погрешности, к которым относят отклонения размеров, формы и шероховатость поверхностей собираемых деталей, неточности взаимного расположения узлов на позиции сборки, нарушение условий сборки, неточности функционирования сборочного оборудования и т.д. Проведенные в СамГТУ и ОАО "Волгабурмаш" экспериментальные исследования позволили построить конечно-элементные модели, дающие оценку нагруженно-сти и напряженно-деформированного состояния отдельных элементов долота - твердосплавных зубков, стенок шарошек в зависимости от величины диаметров зубков, шага их размещения на венцах, величины натяга при запрессовке зубков [1-2]. Эти исследования показали, что запас прочности шарошек, в тело которых запрессованы ряды зубков, минимальный.

Одним из путей повышения запаса прочности шарошек является снижение суммарных напряжений в ее теле, возникающих при запрессовке от усилий радиальных боковых (следствие натяга) и от осевого усилия, необходимого для преодоления сопротивления трения при продвижении зубков со стороны стенок отверстий.

Величина натяга при запрессовке зубков в отверстия на венцах шарошки достаточно оптимизирована многолетней практикой, как с точки зрения надежности закрепления во время бурения (не менее 0,06 мм), так и с точки зрения минимизации напряжений в теле шарошки, возникающих при запрессовке (не более 0,11 мм). В связи с этим возникла задача повышения прочности шарошек за счет снижения осевого усилия запрессовки.

В число таких перспективных направлений повышения прочности входят технологии сборки, основанные на комбинированном воздействии нескольких видов энергии, в том числе энергии ультразвуковых (УЗ) колебаний. Использование УЗ колебаний малой амплитуды позволяет интенсифицировать сборочный процесс, что обусловлено рядом специфических особенностей воздействия УЗ, к числу которых относятся значительное снижение сил сопротивления при запрессовке, самоцентрирование зубков, повышение эксплуатационных характеристик соединений путем направленного воздействия на формируемые характеристики контактирующих поверхностей, а также возможность механизации и автоматизации технологического процесса [3]. При направленном введении в зону контактирования деталей дополнительной УЗ энергии происходит интенсивное разрушение окисных пленок и образование вследствие этого в зоне трения ювенильных поверхностей и физического контакта. Одновременно в зависимости от направления колебаний в узлах схватывания возникают пропорциональные амплитуде колебаний циклические или сдвиговые напряжения и деформации, способствующие усталостному разрушению интерметаллических связей и уменьшению сил трения. При одном и том же усилии УЗ колебания позволяют получать большую абсолютную деформацию, чем при обычном нагружении, а эквивалентные деформации достигаются при значительно меньших усилиях деформирования. Введение УЗ колебаний сопровождается уменьшением нагрузок на технологическое прессовое оборудование и снижением энергозатрат при улучшении несущей способности соединений.

На рисунке 1 показано взаимодействие силового прессового оборудования и системы возбуждения УЗ колебаний с формируемым соединением и приведены управляющие параметры процесса (для силового прессового оборудования это усилие запрессовки, для УЗ системы возбуждения колебаний это амплитуда, частота, фаза и схема введения колебаний), а также показаны выходные динамические характеристики формируемого соединения.

Для построения автоматизированной системы сбора и обработки данных кроме персонального компьютера необходимы датчики физических величин, интерфейсное устройство в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и программное обеспечение, позволяющее обрабатывать получаемую информацию, сохранять ее в требуемом виде и соответствующим образом интерпретировать [4].

усилие запрессовки Р~

амплитуда А  частота со . фаза ф . колебаний

классические характеристики 4

р=цц

силовое прессовое оборудование

блок ввода дополнительных колебательных воздействий

формируемое соединение

_ глубина 'запрессовки 1_

динамические характеристики резонансные (обобщенные) АФЧХ частные - декремент

добротность

коэффициент

динамичности

Рисунок 1. Схема ввода колебательных воздействий при ультразвуковой сборке.

Преобразование физических переменных в выходные электрические сигналы осуществляют измерительные преобразователи (датчики), однако данные обычно бывают представлены в аналоговой форме и прежде чем они вводятся в ЭВМ, данные должны преобразовываться в цифровую форму. Преобразование

обычно осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи.

Отметим, что важными параметрами, характеризующими процесс ультразвуковой запрессовки твердосплавных зубков шарошечных долот являются: усилие запрессовки, перемещение, поддержание резонансного режима ультразвукового инструмента.

В разработанной на кафедре автоматизации производств и управления транспортными системами автоматизированной системе для регистрации усилия запрессовки и линейного перемещения используются линейные резистивные датчики типа Duncan 9600 (Япония), отличающиеся простотой сопряжения с АЦП и компьютером. Диапазон перемещений датчика для измерения глубины запрессовки 0 - 52,3 мм, для измерения усилия по перемещению штока динамометра использовался датчик с диапазоном 0 - 12,7 мм. В качестве вибродатчиков, контролирующих резонансный режим, были использованы датчики типа KB-10 или KD-35 с пьезоэлектрической пластиной, работающей на изгиб. В автоматизированной системе использовался легкий датчик ускорений KB-10 служащий для виброизмерений при средних и высоких частотах резонанса. Благодаря своей высокой чувствительности и выгодной форме датчик обеспечивает раздельное определение различно направленных составляющих колебания.

Для сбора информации с внешних устройств использован 12 разрядный АЦП типа ЛА-2USB-12 (Россия), позволяющий подключать до 32 однополюсных каналов к порту USB компьютера. Были использованы каналы: для измерения усилия запрессовки (P), глубины запрессовки (L), амплитудно-частотной

характеристики формируемого соединения и параметров ультразвуковой колебательной системы.

Общая схема автоматизированной системы процесса ультразвуковой сборки с использованием датчиков, АЦП и персонального компьютера представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема автоматизированной системы сборки прессовых соединений

Здесь 1-магнитострикционный преобразователь с концентратором, 2-датчик перемещения (резистивного типа), 3-датчик усилия (динамометр с резистивным датчиком), 4-вибродатчик типа КБ-10 (^-

35), 5-прессовое соединение (зубок-образец, имитирующий шарошку), 6-пресс, 7-компьютер, УЗГ -ультразвуковой генератор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь (ЛА2иЗБ).

Исходя из эксплуатационных параметров соединения, определяют численные значения требуемых динамических характеристик и характер их изменения по координате движения деталей в процессе запрессовки. В процессе запрессовки к деталям прикладывают возмущающие силы и измеряют вибрации колебательной механической системы. Путем изменения частоты возмущающих сил добиваются резонанса и замеряют амплитуду вибрационного сигнала, по которой определяют добротность колебательной механической системы.

Существует прямая взаимосвязь между качеством запрессовки и величиной механической добротности колебательной механической системы. Эта взаимосвязь достаточно хорошо аналитически описана в теории механических колебаний, что позволяет реализовать предлагаемый способ запрессовки с высокой эффективностью [5].

На рисунке 3 представлена схема управления процессом ультразвуковой сборки, в которой используется диагностическая информация о параметрах формируемого соединения. Эффективное взаимодействие компонентов сборочного процесса (силового прессового оборудования, УЗ колебательной системы, соединяемых деталей, вибродиагностической системы) осуществляется устройством управления на основе получения в реальном времени оперативной информации, как о ходе технологического процесса, так и о динамических характеристиках формируемого соединения.

датчик вибраций

Рисунок 3. Схема управления запрессовкой зубков шарошек

Здесь: Др - датчик усилия; Дь - датчик перемещения (глубины запрессовки); Дв УЗ инструмента (концентратора); Дакс - пьезоэлектрический акселерометр.

Особенностью рассматриваемого метода диагностики является увеличение площади контактирования по мере запрессовки вала (зубка) во втулку (шарошку), что приводит к изменению жесткости и демпфирования соединения, и соответственно, резонансной частоты и добротности механической колебательной системы. Следовательно, алгоритм диагностики должен включать операции измерения текущей глубины запрессовки, резонансной частоты и фазовых характеристик (добротности, декремента затуха-

ния и т.д.). При рассмотрении задачи вибрационной диагностики как информационного процесса можно выделить три характерные составляющие:

• получение первичной диагностической информации с помощью преобразователей и приведение ее в форму, удобную, для дальнейшей обработки;

• обработка диагностической информации и представление результатов обработки в форме, пригодной для анализа и дальнейшего использования;

• использование полученной информации для целей управления и формирования решения о текущем состоянии диагностируемого объекта.

Реализация алгоритмов вибрационной диагностики и управления УЗ сборкой осуществлена на базе современных средств вычислительной и микропроцессорной техники, обеспечивающих ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми методами обработки.

Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований с использованием разработанной автоматизированной системы и технологии УЗ сборки прессовых соединений.

На рисунке 4 приведен характерный пример диаграммы процесса запрессовки зубков. Полученные диаграммы совместно с амплитудно-частотными характеристиками формируемого соединения являются основой для оценки эффективности технологического процесса запрессовки и качества сформированного соединения. Например, из них видно, что усилие запрессовки для данного характерного примера с использованием ультразвука снизилось на ~20 %.

вольты

а)

Г

1—

1

\ 2

у1 = 4,59 у2 = 4,02

Ь)

время

I

у1 = 4,59 у2 = 3,85

время

Рисунок 4. а) Диаграмма процесса запрессовки с ультразвуком. 1- график изменения усилия запрессовки, 2- график линейного перемещения. b) Диаграмма процесса запрессовки без ультразвука, 1-график изменения усилия запрессовки, 2- график линейного перемещения.

Таким образом, применение УЗ колебаний в процессе сборки позволило интенсифицировать процесс запрессовки, снизить усилие и повысить качество соединения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кремлев В.И. Исследование напряженного состояния шарошек буровых долот при запрессовке твердосплавных зубков.// Материалы Интернет-конференции "Высокие технологии в машиностроении",

2006.

2. Нассиф С.Н., Богомолов Р.М., Ибатуллин И.Д., Кремлев В.И. Стенд для испытаний твердосплавных зубков буровых долот на ударную вязкость.// Вестник СГАУ им. С.П. Королева. № 2, часть 2,

Самара 2 0 0 6.

3. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г. Контроль динамических показателей качества прессовых соединений при сборке с наложением ультразвуковых колебаний//Сборка в машиностроении, приборостроении, 2002, №4, С. 32-34

4. Гель П. Как превратить компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. - 2-е изд., испр.

- М.: ДМК, 1999. -144 с.

5. Шуваев В.Г. Формирование прессовых соединений гарантированного качества при ультразвуковой сборке//Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2004 г. №10. С.28-31.