Особенности технологии гидроштамповки зубчатых оболочек для роторов и статоров винтовых двигателей и насосов

УДК 622.24.054.32; 621.7

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОШТАМПОВКИ ЗУБЧАТЫХ ОБОЛОЧЕК ДЛЯ РОТОРОВ И СТАТОРОВ ВИНТОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И НАСОСОВ

Ю.А. Коротаев, Д.А. Голдобин, А.Н. Алпатов

Рассмотрены преимущества использования тонкостенных зубчатых оболочек для изготовления облегченных роторов и армированных статоров винтовых забойных двигателей и винтовых насосов. Описана технология гидроштамповки, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса гидроштамповки. Определено максимальное давление полного формообразования зубчатой оболочки, напряжения и деформации, взаимосвязь параметров трубной заготовки с параметрами формообразующего сердечника.

Ключевые слова: гидроштамповка, деформация, зубчатая оболочка, ротор, статор, технология, расчет, профиль зубьев.

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) служат для бурения нефтяных и газовых скважин, а винтовые насосы (ВН) для перекачки газожидкостных смесей различного спектра вязкости. Силовым органом двигателей и насосов является секция рабочих органов, состоящая из ротора и статора. Ротор выполняется металлическим с наружными винтовыми зубьями, а статор - резинометаллическим с внутренними зубьями, выполненными из резины. Количество зубьев резинометаллического статора на единицу больше количества зубьев ротора (рис. 1, а).

Одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик и долговечности ВЗД и ВН является использование в конструкции рабочих органов тонкостенных стальных зубчатых оболочек

[1, 2, 3, 4].

Использование зубчатых оболочек для изготовления облегченного ротора (рис. 1, б) позволяет снизить массу ротора, уменьшить динамику поперечных колебаний, нагрузки на резиновые зубья статора и повысить срок службы рабочих органов. Вращение ротора в статоре осуществляется планетарно, вследствие чего на статор двигателя действуют поперечные низкочастотные колебания большой силы. Эти силы вызваны центробежной силой Fц ротора, вращающегося вокруг оси статора. Для двигателя габарита 106 мм частота колебаний составляет 12,5 Гц, поперечные силы для цельного ротора длиной 3 м составляют более 1600 Н.

Эти нагрузки приводят к быстрому износу деталей двигателя, особенно зубьев статора, а также могут оказать негативное влияние на обсадную колонну скважины. Для уменьшения влияния поперечных сил от вращения ротора, его выполняют максимально облегченным [2, 3].

а б в

Рис. 1. Торцовое сечение секций рабочих органов винтового забойного

двигателя и винтового насоса: а - стандартный статор со стандартным ротором; б - стандартный статор с облегченным ротором; в - армированный статор с облегченным ротором

Применение зубчатых оболочек для армирования зубьев резинометаллического статора (рис. 1, б) позволяет повысить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и улучшить отвод тепла от зубьев статора, возникающего в результате деформации резины. Двигатели с армированными статорами отличаются улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Заливка армированного статора резиновой смесью осуществляется на специальной пресс-форме. Пресс-форма устроена таким образом, чтобы обеспечивать правильную ориентацию профилей зубьев статора и пресс-формы с целью обеспечения равномерной толщины резины по профилю зубьев оболочки армированного статора.

Секции рабочих органов может включать одновременно армированный статор и облегченный ротор (рис. 1, в).

Стальная зубчатая оболочка изготавливается методом гидроштамповки [1, 2, 3, 4]. Суть способа гидроштамповки состоит в следующем. Внутрь тонкостенной цилиндрической трубы (заготовки) 2 (рис. 2) помещают профильный винтовой сердечник 1. Собранную конструкцию (пресс-штамп), герметично уплотненную по торцам, устанавливают в специальную камеру высокого давления. Затем внутрь камеры закачивается жидкость (масло) под большим давлением. Под действием давления Р жидкости цилиндрическая оболочка превращается в винтовую оболочку 3. После сброса давления пресс-штамп извлекают из камеры высокого давления, а затем на специальном прессе вытягивают сердечник из оболочки.

Камера высокого давления и ее резьбы при проектировании рассчитываются на прочность. Корпус камеры подвергается расчету на действие внутреннего давления до 300 МПа, а резьбы рассчитываются на выдержи-

вание осевой силы, возникающей от действия внутреннего давления. Эти силы могут достигать 2000 кН.

Рис. 2. Торцовое сечение оболочки и сердечника пресс - штампа: а - до формообразования; б - после формообразования

Извлечение сердечника из оболочки осуществляется на специальном прессе. Сердечник с отштампованной заготовкой устанавливается на станину пресса. Заготовка через опорное кольцо упирается в основание пресса, а сердечник вытягивается из оболочки при помощи гидроцилиндра. Усилие вытяжки составляет от 200 до 1000 кН, в зависимости от типоразмера и длины заготовки.

Для облегчения извлечения сердечника из оболочки, а также для увеличения срока его службы, применяется технологическая водорастворимая смазка «Синерс-МФ» производства ФГУП «НИИполимеров». Эта смазка обладает повышенными противозадирными свойствами и легко смывается водой, оставляя поверхности сердечника и заготовки чистыми. Опыт применения смазки «Синерс-МФ» показал, что ее использование значительно снижает износ сердечника пресс-штампа в отличие от применения консистентных нефтеполимерных смазок.

Для повышения износостойкости и уменьшения контактного износа поверхность сердечника упрочняется ионным азотированием, что обеспечивает твердость поверхности сердечника 900-1000 НУ.

Для формования зубчатых оболочек используются стали, которые хорошо поддаются штамповке. Для гидроштамповки зубчатых оболочек армированных статоров применяются стали 10, 15, 20, у которых величина относительного удлинения составляет 25...30 %, а для гидроштамповки

зубчатых оболочек облегченных роторов применяется жаропрочная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, относительное удлинение которой достигает 50%.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования тонкостенной зубчатой оболочки жидкостью высокого давления на винтовом формообразующем сердечнике. Теоретические исследования выполнены на базе компьютерного моделирования. Расчет напряженно-деформированного состояния винтовой оболочки проведен методом конечных элементов и реализован в системе автоматизированного проектирования. При экспериментальных исследованиях проводилась гидроштамповка зубчатых оболочек, и изготавливались облегченные роторы и армированные статоры ВЗД.

В результате исследований установлено, что полная деформация заготовки происходит при давлении Р = 250.270 МПа при наименьшем растяжении или сжатии заготовки оболочки, если отношение периметра торцового профиля винтового сердечника Lc (см. рис. 2) к длине описанной окружности Lo находится в пределах 0,98.1,01. Увеличение отношения длины периметров торцового профиля сердечника пресс-штампа Lc к длине внутренней окружности заготовки Lo приводит к увеличению давления формообразования, а также к увеличению относительного удлинения заготовки.

При отношении Lc / Lo <0,98 наблюдается увеличение толщины стенки заготовки во впадине на 6.14 % при числе зубьев 2=4 и z=3 с высотой соответственно h=9 и h=12 мм с толщиной стенки t=5 мм.

При соотношении периметров выше 1,01 наблюдается повышенное давление формообразования (выше 270 МПа) и деформация заготовки выше 28%. Для нержавеющей стали величина деформации 28 % является допустимой, а для заготовок из стали 20 такая деформация является критической.

В результате теоретических исследований установлена зависимость напряжений, накопленной деформации и величины перемещения впадины оболочки от величины давления жидкости. Максимальные напряжения и деформации наблюдаются на боковой поверхности зубьев оболочки, а максимальные перемещения заготовки, которые определяют высоту зубьев оболочки, наблюдаются в средней части впадины.

В программном комплексе «ANSYS» общая картина напряжений в заготовке в процессе деформирования выглядят следующим образом. При внешнем давлении 50 МПа в заготовке возникают окружные сжимающие напряжения в среднем 40 МПа. Окружные напряжения растяжения присутствуют по вершинам формирующихся зубьев оболочки (от 50 до 250 МПа).

В области формирующейся впадины окружные напряжения по толщине оболочки изменяются от сжимающих к растягивающим, макси-

мальные по модулю окружные напряжения возникают в точках, наиболее удаленных от срединной поверхности оболочки. Фактически, механизм деформирования оболочки - трехточечный изгиб, где в узлах, принадлежащих срединной поверхности, окружные напряжения отсутствуют.

Растягивающие напряжения по вершинам зубьев увеличиваются в среднем до 500 МПа, а сжимающие по модулю увеличиваются до 600 МПа, во впадинах возникают меньшие напряжения, чем по вершинам зубьев - в среднем 395 МПа при внешнем давлении 250 МПа.

Наибольшие значения деформации металла возникают в области боковых сторон зуба. Пластическая деформация в этой зоне возникает при давлении 35 МПа для оболочек ВЗД с толщиной стенки 3,5 мм. Пластическая деформация после 220.230 МПа накапливается очень медленно, что обуславливается растяжением оболочки по всей толщине в области боковин зубьев за счет продавливания впадины.

В процессе деформирования оболочки происходит упрочнение материала заготовки. Исходя из билинейной диаграммы деформирования материала, в любом узле по значениям накопленной пластической деформаций можно определить новый предел текучести и твёрдость. Напряжение, достигнутое в каждой точке материала при давлении 250 МПа, является новым значением предела текучести. Как показывают расчеты, твердость металла распределена по профилю зуба не равномерно. Максимальное значение твердости материала оболочки ротора ВЗД диаметром 106 мм с высотой зубьев h=9 достигается на боковых сторонах зуба в месте наибольшей деформации оболочки и достигает для стали 12Х18Н10Т значения 200 НВ.

Точность геометрических параметров зубчатой оболочки полученной методом гидроштамповки зависит от точности размеров трубной заготовки, точности сердечника пресс-штампа и величины деформации оболочки после снятия давления жидкости и разборки пресс-штампа.

При изготовлении армированных статоров точность геометрических параметров зубчатых оболочек не имеет большого значения, так как после закрепления оболочки в корпусе статора происходит заливка статора резиновой смесью и вулканизация. Поэтому для получения заготовок зубчатых оболочек армированных статоров используются круг или обычные трубы.

К ротору предъявляются высокие требования по точности геометрических параметров. Допускаемые отклонения основных геометрических параметров следующие: профиля (± 0,1.0,15) мм, диаметров выступов и впадин - ± 0,1 мм, хода винтовой линии ± 0,5 мм. Поэтому технология изготовления зубчатых оболочек для облегченных роторов отличается от технологии изготовления зубчатых оболочек для армированных статоров. В качестве заготовок для облегченных роторов ВЗД в основном применяются калиброванные трубы повышенной точности. Для повышения точно-

сти внутренней поверхности трубы выполняется калибровка методом гидроштамповки на сердечнике круглого сечения. Благодаря этому способу устраняется эллипсность и непрямолинейность и обеспечивается высокая точность внутреннего диаметра. Чтобы обеспечить необходимый натяг в зацеплении облегченного ротора со статором, заготовка после калибровки обтачивается на требуемый размер и полируется. После этого заготовка снимается с круглого сердечника и производится гидроштамповка на винтовом сердечнике.

Установлено, что после снятия давления с заготовки, в связи с упругими свойствами материала для сталей типа 20 и 12Х18Н10Т, высота зуба заготовки уменьшается на величину упругой составляющей (пружине-ния), которая составляет (0,02... 0,03) И.

С целью получения на оболочке требуемой высоты зубьев винтовой сердечник проектируется с увеличенной высотой зубьев для компенсации упругой составляющей за счет учета дополнительных пластических деформаций оболочки при деформировании. Профиль формообразующего сердечника описывается кривой (рис. 3), учитывающей величину «пружи-нения» оболочки после снятия давления и рассчитывается по формулам:

ХСП = Хд1

УСП = Уд1

і + Kh

rf 1 - Гд1 И

/ _

И

sin V д1

COS V д1

где хСП, уСП - координаты профиля винтового сердечника, хд1, уд1, удь г^, гд1 - координаты и углы номинального профиля ротора, КН - величина «пружинения» оболочки после снятия давления, t - толщина стенки трубной заготовки оболочки.

В настоящее время роторы из тонкостенных гидроштампованных винтовых оболочек применяются в серийных двигателях Д1-88 и Д1-106. Двигатель Д-106.5/6.33 прошел промысловые испытания в Нижневартовском сервисном центре. Секции рабочих органов с гидроштампованными роторами показали свою работоспособность при бурении нефтяных скважин и пригодность для эксплуатации.

Успешно прошли промысловые испытания в объединении «Оренбургнефть» секции рабочих органов двигателя Д-95 со статором, армированным тонкостенной гидроштампованной винтовой оболочкой. Секция рабочих органов отработала без ремонта 585 часов.

Рис. 3. Схема для расчета профиля зубьев сердечника пресс-штампа:

1 - профиль ротора; 2 - профиль сердечника пресс-штампа

Опыт изготовления тонкостенных стальных винтовых оболочек в ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» показывает, что использование технологии гидроштамповки при производстве секций рабочих органов винтовых забойных двигателей позволяет значительно повысить их эффективность.

Список литературы

1. Кочнев А.М., Голдобин В.Б. Винтовой забойный двигатель с облегченным ротором // Нефт. хоз - во. 1989. №9. С. 14-16.

2. Коротаев Ю.А. Технологическое обеспечение долговечности многозаходных винтовых героторных механизмов гидравлических забойных двигателей. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003. 260 с.

3. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Фуфачев О.И. Повышение точности изготовления гидроштампованных облегченных роторов и энергетических характеристик винтовых забойных двигателей // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. 2010. № 2. С. 35-37.

4. Голдобин Д.А, Коротаев Ю.А., Плотников ВМ., Компьютерное моделирование процесса формообразования тонкостенных винтовых оболочек для роторов и статоров винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2012. №8 С. 4-8.

Коротаев Юрий Арсеньевич, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, vkorotaev@,integra. ru, Россия, Пермь, ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»,

Голдобин Дмитрий Анатольевич, канд. техн. наук, руководитель группы по мультифазным насосным установкам dgoldobina.integra. ru, Россия, Пермь, ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»,

Алпатов Алексей Николаевич, ведущий инженер, aalpatova.integra.ru, Россия, Пермь, ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»

PERCULIARITIES OF THE HYDRAULIC FORMING TECHNOLOGY FOR ROTOR AND STA TOR TOOTH COVERS OF POSITIVE DISPLACEMENT MOTORS

Yu. A. Korotaev, D.A. Goldobin, N.A. Alpatov

In the paper thick-walled tooth covers for easier rotor and reinforced stator of positive displacement motors and screw pumps production are considered. The technology of hydraulic forming is described, results of theoretical research and experimental tests of the hydraulic forming process are provided. The maximum pressure of tooth cover forming, stress-strain relation, relations between parameters of the tubing workpiece and parameters of the forming core are described.

Key words: hydraulic forming, strain, tooth cover, stator, technology, calculation, teeth profile.

Korotayev Yury Arsenyevich, doctor of technical sciences, chief researcher, ykorotaeva.integra.ru, Russia, Perm, JSC «VNIIBT-Burovoy instrument»,

Goldobin Dmitry Anatolyevich. candidate of technical sciences, head of group on the multiphase pump, dgoldobin@integra. ru, Russia, Perm, JSC «VNIIBT-Burovoy instrument»,

Alpatov Alexey Nikolaevich, leading engineer, alpatov@integra.ru, Russia, Perm, JSC «VNIIBT-Burovoy instrument»

УДК 621.9.06-52

ФРЕЗЕРОВАНИЕ ЗУБЬЕВ ВТУЛОК МУФТ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ МЕТОДОМ ОБКАТКИ

Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов, Л.Н. Феник, Е.С. Тарасова

Работа посвящена разработке технологического способа нарезания зубьев втулок муфт с пространственной геометрией методом обкатки на существующем серийном оборудовании стандартным режущим инструментом. Способ основывается на одновременном изменении межосевого расстояния между инструментом и заготовкой и сообщении заготовке дополнительного вращательного движения.

Ключевые слова: зубчатая муфта, инструмент, заготовка, способ, пространственная геометрия, относительные движения.

Современными способами повышения эксплуатационных свойств зубчатых муфт является реализация пространственного соединения между зубьями обоймы и втулки [1, 2]. В том числе и соединения обоймы с прямолинейной образующей и втулки с групповой пространственной геометрией на боковой поверхности зубьев, способные компенсировать изменяющиеся погрешности монтажа валов [3, 4, 5]. Структура любой пространственной геометрии зубьев, существенно отличается от структуры зубьев с прямолинейной или криволинейной образующей, так как предполагает непрерывное изменение толщины зуба, как по его длине, так и по его высоте [3, 4, 5]. Поэтому технологические способы нарезания зубчатых венцов зубчатых венцов с пространственной геометрией как правило основываются на соблюдении двух условий второго способа Оливье и подразумевают использование специального технологического оборудования и режущего инструмента, что не всегда оправдано в условиях того или иного производства [1, 6, 7]. При этом универсальное зуборезное оборудование, имеющиеся на предприятиях, может быть использовано для получения зубчатых венцов с геометриями приближенными к заданным пространственным. Способы нарезания зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес с модифицированными зубьями на существующем серийном оборудовании описаны в литературе [8, 9, 10, 11]. Они основаны на смещении инструмента - либо в радиальном, либо в тангенциальном, либо одновременно и в радиальном и тангенциальном направлениях относительно заготовки. Однако для их реализации на практике необходимо применение специального режущего инструмента. Данное обстоятельство обусловлено особенностями структуры пространственных геометрий и кинематикой относительных движений инструмента и заготовки в процессе нарезания зубчатого венца [12]. Имеющийся на предприятиях стандартный режущий инструмент может быть использован для нарезания зубчатых венцов с различного рода пространственными геометриями и в том числе для обработки зубьев втулок зубчатых муфт с геомет-