УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ

Полезная модель относится к области ультразвуковой обработки материалов, предназначена для ультразвуковой обработки резьбы и может быть использована, в частности, для восстановления и упрочнения резьбовых элементов бывших в эксплуатации труб и муфт, например, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб, муфт, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых элементов новых труб, муфт, трубных заготовок.
Известно устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее ультразвуковую колебательную систему, включающую магнитострикционный преобразователь, трансформатор колебательной скорости, волновод и инструмент, размещенный на его выходном участке, причем волновод выполнен сменным трубчатым, а рабочий инструмент расположен на четвертьволновом его участке и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу, со спиральными пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания резьбы (патент РФ №2270744).
Устройство позволяет осуществлять обработку с высокой производительностью, поскольку инструмент выполнен ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, т.е. обработка принципиально может осуществляться одновременно по всей поверхности, что обеспечивает высокий класс формообразования. Недостатком устройства является его низкий коэффициент полезного действия.
Известно также устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее электроакустический преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №34106). Тип преобразователя в формуле полезной модели по патенту РФ №34106 не указывается, однако в описании упоминается об использовании только магнитострикционного преобразователя.
Использование в составе устройства магнитострикционного преобразователя приводит к повышению энергоемкости процесса обработки резьбы, причиной чему является то, что сначала электрическая энергия преобразуется в магнитную, а затем магнитная энергия преобразуется в механическую, которая создает звуковую волну. Вследствие энергетических потерь за счет нагревания обмотки и эффекта магнитного гистерезиса, эффективность магнитных систем обычно не превышает 50%. Генераторы, даже при условии хорошей настройки, в основном, имеют эффективность не более 70%. А это означает, что энергия, затрачиваемая на выполнение полезной функции, используется с эффективностью не более 40%. При этом особенно важным является то, что устройства для ультразвукового восстановления и упрочнения резьбы труб и муфт являются весьма энергоемкими. Кроме того, магнитострикционные преобразователи имеют большие массогабариты, что, в свою очередь, увеличивает массогабариты всей инструментальной головки устройства (преобразователь + инструмент) и, как следствие, снижает точность самоориентирования инструмента по оси обрабатываемой резьбы, что отрицательно сказывается на точности обработки резьбы труб и муфт.
Однако магнитострикционные преобразователи считаются более надежными, чем пьезоэлектрические, в связи с растрескиванием материала пьезоэлектрического элемента вплоть до его разрушения, причиной которого является перегрев в локальных зонах фактической площади контакта торцов пьезоэлектрических элементов, блоков и волноводных звеньев колебательной системы ультразвуковой головки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известное устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, выполненный составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, а также инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №79479).
Недостатком известного устройства-прототипа является его низкая производительность и низкая эксплуатационная надежность.
Технической задачей полезной модели являлось создание устройства, лишенного указанных недостатков.
Технический результат полезной модели заключается в повышении производительности и эксплуатационной надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой обработки резьбы, содержащем пьезоэлектрический преобразователь, выполненный составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, пьезоэлектрический преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью, имеющей постоянную электрической прочности не ниже 0,6 МВ/см, не менее чем до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента.
Кожух может быть выполнен в форме непроточного бачка с водомерным стеклом в одной из стенок или с прозрачной трубкой в наливном или сливном патрубке, как средством визуального контроля уровня жидкости. При этом охлаждение стенок кожуха снаружи может быть естественным воздушным, душированием их жидкостью, например смазочно-охлаждающей, или с принудительным обдувом посредством вентилятора.
В качестве диэлектрической жидкости, заполняющей охватывающий преобразователь кожух, имеющей электрическую прочность не ниже 0,6 МВ/см, могут быть использованы, например, масла с высоким напряжением электрического пробоя, такие как силиконовое или трансформаторное.
Пьезоэлектрический элемент может быть выполнен тонкостенным, в частности, в виде полого цилиндра, кольца, в виде пластины, например, имеющей форму диска.
Преобразователь может включать прокладки, в том числе, содержащие токоподводящие элементы, выполненные из фольги, как правило, мягкого металла, (например, в виде шайб с лепестками), расположенные между пьезоэлектрическими элементами или между ними и накладками. Это увеличивает фактическую площадь контакта, улучшает теплоотвод, чем позволяет снизить энергонапряженность зон контакта, скорость «старения» и поверхностного растрескивания пьезоэлектрического элемента и дополнительно повысить долговечность работы преобразователя.
Преобразователь включает, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, которая, выполненная из пьезоэлекрически пассивного материала (например, металла), позволяет скорректировать резонансную частоту преобразователя в соответствии с требованиями к диапазону рабочих ультразвуковых частот установки.
По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (излучающая, расположенная с соответствующей стороны от пьезоэлектрика, и/или отражающая, расположенная с противоположной стороны) может быть выполнена содержащей крепежный элемент, например, в виде внутренней резьбы.
По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (отражающая и/или излучающая) может содержать центральный осевой армирующий болт.
В случае необходимости улучшения согласования преобразователя с нагрузкой функцию согласующего устройства может выполнить дополнительно включаемый в состав устройства концентратор, волновод или сам инструмент (цельный или составной), выполненный, как соответственно неоднородный волновод.
Соединение отдельных частей составного (композитного) преобразователя между собой может осуществляться различно: склеиванием; центральным осевым скреплением (например, с использованием армирующего болта); посредством фланцевого крепления пьезоэлектрика между блоками-накладками, снабженными фланцами; скреплением пьезоэлектрика и блоков-накладок их стяжкой системой резьбовых шпилек через посредство скрепленных с блоками волноводных звеньев с узловыми поясками, где шпильки опираются на узловые пояски; соединением, подобным последнему, но со стяжкой узловых поясков между собой посредством резьбовой втулки, например, типа «Боуден»; возможны варианты сборки с комбинированием различных упомянутых типов соединения.
Соединение инструмента с преобразователем может также осуществляться различно, например: стяжкой узловых поясков, пайкой, резьбовым соединением и т.п.
Источником высокочастотного электропитания в предлагаемом устройстве может служить генератор, например, типа серийного УЗУ-0,25. Согласование акустических сопротивлений элементов устройства, в случае необходимости, осуществляется с помощью вариации линейных размеров блоков-накладок, роль которых, в частности, могут выполнять, как указано выше, функциональные детали устройства (инструмент, волновод-концентратор, резонансный опорный изолятор или другие крепежные детали).
Энергетические потери в пьезоэлектрических материалах, причиной которых служит внутреннее трение и нагрев от диэлектрических потерь, обычно составляют менее 5%. Это означает, что 95% энергии, подаваемой к преобразователю, используется для выполнения полезной функции. Современные генераторы, которые используются в устройствах с пьезоэлектрическими преобразователями, имеют эффективность порядка 75%, что обеспечивает эффективность энергопотребления всей системы в 70% и выше.
Материалом пьезоэлектрического элемента, предпочтительно, является пьезокерамика типа ЦТС-19 и ей подобные.
Работа пьезоэлектрика в условиях дробного контакта и высокого локализованного разогрева (как это имеет место в ультразвуковых установках по упрочнению и восстановлению резьбы) приводит к снижению электроакустических свойств материала и прочности самого пьезоэлектрического элемента вплоть до его разрушения. В связи с этим теплоотвод от пьезоэлектрического элемента является, при прочих равных условиях, определяющим его долговечность, а следовательно, надежность работы всего устройства.
За счет наличия «пленок» жидкости улучшается контакт торцов пьезоэлектрических элементов, блоков-накладок и волноводных звеньев колебательной системы ультразвуковой головки, т.к. реализуется, так называемый, «звукокапиллярный эффект» - жидкость сама транспортируется (за счет активированных сил молекулярного сцепления) в труднодоступные пустоты зоны контакта. При этом теплоотводом, повышенным за счет теплопроводности жидкости на 3 порядка по сравнению с газонаполненными полостями, практически исключается местный перегрев, опасный растрескиванием материала пьезоэлектрического элемента. Это действует как в локальных зонах фактической площади контакта торцов пьезоэлектрических элементов между собой, так и в контактах их с блоками-накладками или с волноводными звеньями колебательной системы ультразвуковой головки. Кроме того, присутствие иммерсионной жидкости, как известно, уменьшает переходной акустический импеданс, увеличивается передаваемая от источника акустическая мощность, и, в конечном итоге, производительность обработки.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний устройств для ультразвуковой обработки резьбы на примере восстановления бывших в эксплуатации труб насосно-компрессорных с гладкими концами Г-73 x5 Д ГОСТ Р 52203-2004. Испытания проводились при амплитуде ультразвуковых колебаний 5±2 мкм, частоте 18±2 кГц, что не исчерпывает возможных диапазонов параметров процесса.
За основу принят международно признанный критерий сравнения эффективности различных электрофизических технологий «удельная производительность» - часовая производительность на единицу мощности.
В контрольном примере 1 устройство содержит магнитострикционный преобразователь ПМС 15А-18 с последовательно присоединенным к нему собственным волноводом-концентратором (масса узла преобразователя 14 кг) и инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой.
В контрольном примере 2 устройство содержит воздушно-охлаждаемый (вентилятором) составной преобразователь (масса узла преобразователя около 1 кг) с одним пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде трубчатого цилиндра (Ф70; Ф50; Н60) из пьезокерамического материала ЦТС-19, с центральной армирующей шпилькой, стальной частотопонижающей накладкой на одном ее конце и непосредственно присоединенным к другому ее концу и к кольцевому торцу пьезоэлектрического элемента инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Инструмент одновременно выполняет функцию частотопонижающей накладки составного преобразователя и концентратора.
Частотопонижающее действие обеих накладок обеспечивает работу преобразователя на резонансной частоте, близкой к рабочей ультразвуковой частоте установки.
Пример 3 (по предлагаемой полезной модели) повторяет условия и оборудование контрольного примера 2, но пьезоэлектрический преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью (трансформаторным маслом) до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента. Кожух выполнен в виде непроточного бачка с прозрачным наливным патрубком как средством визуального контроля уровня жидкости.
Результаты исследования восстановленных резьбовых элементов показывают, что во всех 3-х примерах резьба после обработки соответствует нормативным значениям натяга по резьбовому и гладкому калибрам, а также достигается повышение микротвердости поверхности резьбы в 1,5-1,6 раза, что свидетельствует не только о восстановлении геометрии резьбы, но и о контактном упрочнении поверхностного слоя металла, в том числе, в результате образования наклепа.
Энергоемкость обработки устройствами по примерам 2 (контрольный пример по прототипу) и 3 (устройство по предлагаемой полезной модели) значительно ниже, чем по контрольному примеру 1. Однако при этом устройства по контрольным примерам 1 и 2 имеют более низкую производительность, а устройство по контрольному примеру 2 (по прототипу) и более низкую надежность.
Точность обработки резьбы по примерам 2 и 3 примерно одинакова и, в среднем, с учетом снижения дисперсии размеров, на 20% выше, чем в контрольном примере 1. Поскольку массогабариты пьезоэлектрического преобразователя значительно ниже массогабаритов магнитострикционного преобразователя, постольку значительно снижается момент инерции инструментальной головки и повышается точность самоориентирования инструмента, размещенного в пружинном плавающем подвесе, по оси вращающейся обрабатываемой резьбы, а с этим и точность обработки.
Таким образом, результаты примеров 1-3 свидетельствуют о том, что использование преобразователя, выполненного составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и одну частотопонижающую накладку, снабженного кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью не менее чем до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента, позволяет повысить производительность и эксплуатационную надежность работы устройства.
Таблица
Показатели
Пример 1к по аналогам
Пример 2к по прототипу
Пример 3
Мощность установки, кВт
4,26
0,77
0,77
Надежность работы при эксплуатации в течение 200 смен (при среднем потоке в 140 изношенных труб через установку за смену)
Без ремонта УЗ головки
2 замены УЗ головки, в т.ч. 2 замены пьезоэлемента и 2 замены в нем прокладок-лепестков токосъемных
Одна замена УЗ головки, в т.ч. 1 замена пьезоэлемента
Производительность, количество годных труб в смену
103
103
112
Исправляющая способность - доля труб, восстановленных до годности, %
74
71
80
Удельная производительность, количество годных труб/(кВт час)
3,02
16,23
18,1