ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ НА ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

Полезная модель может быть использована для восстановления и упрочнения резьбы трубных изделий, преимущественно резьбы нефтепромысловых труб.
Инструмент для ультразвуковой обработки резьбы конструктивно входит в состав колебательной системы, которая состоит из ультразвукового преобразователя и волноводной системы, оконечной частью которой является инструмент. Все блоки должны удовлетворять определенным требованиям жесткого соединения и образования в сборе колебательной системы с заданными параметрами. Максимальная степень отбора акустической энергии от преобразователя реализуется в том случае, когда собственная частота всех элементов колебательной системы совпадает с частотой возбуждаемых колебаний, таким образом система работает в резонансном режиме. Определение размеров элементов колебательной системы, обеспечивающих ее работу в резонансном режиме осуществляется по расчетным формулам. Для обработки резьбы на трубных изделиях используются ультразвуковые колебания высокой мощности, но любой мощный источник ультразвука для того, чтобы он мог эффективно работать должен быть эффективно согласован с нагрузкой, в результате чего в нагрузку передаются колебания максимальной мощности при высоком коэффициенте полезного действия. Таким образом, обрабатываемая труба по отношению к колебательной системе является нагрузкой, а параметры и характеристики нагрузки в ходе обработки изменяют свойства колебательной системы относительно ее ненагруженного состояния. При проектировании волноводной системы необходимо учитывать изменение ее параметров в рабочем состоянии. Но в настоящее время не существует ни математического, ни физического аппарата для проектирования ультразвукового обрабатывающего инструмента с учетом влияния нагрузки на параметры колебательной системы.
На практике параметры инструмента для ультразвуковой обработки резьбы трубных изделий подбирают эмпирически.
Известен инструмент для ультразвуковой обработки трубных изделий (Патент РФ №2092291), имеющий трубчатую форму, на конечном
четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Преимуществом трубчатого волновода является то, что в процессе подбора существует возможность изменения размеров инструмента. Недостатком рассматриваемого инструмента является необходимость усложнения волноводной системы за счет введения дополнительного блока, к которому крепится трубчатый волновод, который не только усложняет волноводную систему, но и вносит потери. Вторым недостатком рассматриваемого волновода является неполная обработка профиля резьбы, поскольку резьбовые элементы обрабатываемой резьбы не полностью перекрываются резьбовыми элементами обрабатывающей.
Этот недостаток уменьшен в инструменте, защищенном патентом РФ №2271269, в котором резьба выполнена с отклонениями от нормированной, но ее профиль в большей степени перекрывает профиль обрабатываемой резьбы. Использование ненормированной резьбы усложняет изготовление инструмента.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому, является инструмент, используемый в устройстве для ультразвуковой обработки резьбы трубных изделий, защищенном патентом РФ №34106.
Инструмент выполнен в виде тела, имеющего цилиндрическую форму внешней поверхности, часть его выполнена полой и снабжена резьбой, ответной обрабатываемой, с пазами, пересекающими нитки резьбы, а закрытый торец снабжен отверстием с резьбой, предназначенным для соединения с волноводом.
Недостатком известного устройства является неполная обработка профиля резьбы и сложность эмпирического подбора параметров инструмента.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель - упрощение подбора параметров инструмента при условии более полной обработки профиля резьбы.
Поставленная задача решается за счет того, что заявляемый инструмент, также как и известный, выполнен в виде тела, имеющего цилиндрическую форму внешней поверхности, а часть его выполнена полой и снабжена резьбой, ответной обрабатываемой, с пазами, пересекающими нитки резьбы, а закрытый торец снабжен отверстием с резьбой, предназначенным
для соединения с волноводом. Но, в отличие от известного, в предлагаемом инструменте средний диаметр инструмента определяют из условия:  где l - длина полой части инструмента.
Технический результат, который достигается при использовании полезной модели, заключается в сокращении времени изготовления инструмента, поскольку отпадает необходимость подбора его параметров. Также техническим результатом является улучшение качества обработки резьбы. Он достигается за счет того, что параметры инструмента выбраны из условия обработки резьбы не продольными колебаниями, как это происходит во всех рассмотренных выше инструментах, а радиальными. Для достижения этого эффекта параметры инструмента удовлетворяют условию преобразования продольных ультразвуковых колебаний волноводной системы в радиальные.
Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы полезной модели характеризует инструмент для ультразвуковой обработки резьбы трубных изделий, в котором внешняя поверхность инструмента снабжена контактными элементами для поворотного ключа.
Наличие контактных элементов позволяет с помощью поворотного ключа надежно соединять инструмент с волноводной системой с помощью шпилечного соединения. Технический результат. который достигается при этом - уменьшение акустических потерь.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
фиг.1 - инструмент для ультразвуковой обработки резьбы труб.
Фиг.2 - модель инструмента, иллюстрирующая изменение его параметров во время работы.
Предлагаемый инструмент для ультразвуковой обработки трубных изделий выполнен в виде тела, внешняя поверхность 1 которого имеет цилиндрическую форму. Часть инструмента выполнена полой и снабжена резьбой 2 ответной обрабатываемой. Следует отметить, что длина полой части l, сама резьба и пазы 3 которые пересекают нитки резьбы, величины нормированные, которые не подлежат изменению. Величина отношения среднего диаметра инструмента к длине его полой части установлена с помощью средств компьютерного моделирования и проверена
экспериментально. Например, было установлено, что для трубы НКТ60 внешний диаметр равен 90 мм при частоте ультразвуковых колебаний 21 кГц, а для НКТ73 внешний диаметр равен 85. При этом инструмент обрабатывает трубу радиальными колебаниями.
На закрытом торце выполнено отверстие 4, снабженное резьбой предназначенное для шпилечного соединения инструмента с остальной частью волноводной системы. На внешней поверхности инструмента выполнены контактные элементы 5 для поворотного ключа. Они могут быть выполнены в виде лысок, а могут быть выполнены в виде углублений. Форма контактных элементов зависит от марки поворотного ключа. Задача поворотного ключа - обеспечить настолько крепкий прижим инструмента к волноводу, который не ослабевал бы даже под действием момента вращения, который возникает при обработке резьбы.
При обработке резьбы труба совершает вращательное перемещение относительно инструмента. При совмещении обрабатываемой резьбы трубы и резьбы инструмента происходит ее ультразвуковая обработка. Поскольку параметры инструмента обеспечивают преобразование продольных колебаний в радиальные, то обрабатывающий инструмент обжимает резьбу на трубе, при этом каждый элемент резьбы инструмента, воздействует одновременно на фронтальную и тыльную поверхность двух соседних витков обрабатываемой резьбы, т.е. во время соударения выступ обрабатывающей резьбы перекрывает впадину обрабатываемой резьбы.
Для наглядности механизма обработки резьбы радиальными колебаниями была создана модель и на фиг.2 показано изменение параметров инструмента во время работы.
Моделирование и эксперимент показывают, что большим достоинством инструмента является то, что его проектирование намного упростилось, а благодаря радиальным колебаниям обрабатывается одновременно весь профиль резьбы, т.е достигается высокое качество обработки.