Введение к работе
Актуальность темы. В конструкциях тяжелонагруженных изделий значительную долю составляют неподвижные неразъемные соединения. К таким изделиям относятся буровые алмазные долота, включающие резьбосварные соединения.
Буровые алмазные долота используются для наклонно-направленного бурения на глубинах 3000…5000 м. Параметрами эффективной работы долота являются следующие эксплуатационные показатели: долговечность породоразрушающих зубков, механическая скорость бурения, проходка, управляемость процесса бурения. От этих показателей зависит стоимость бурения скважины. Эффективность работы бурового алмазного долота существенно зависит от соосности режущей и ниппельной частей долота. Согласно существующим техническим условиям при сборке долот необходимо обеспечить соосность корпуса и ниппеля в пределах заданного допуска 0326.
Статистический анализ показал, что существующая технология сборки резьбосварных соединений буровых алмазных долот не позволяет стабильно достигать требуемой соосности. До 34% собранных алмазных буровых долот по методу неполной взаимозаменяемости имеют отклонения от соосности, превышающие заданный допуск. Если отклонение от соосности превышает допустимую величину, то необходимо вводить дополнительные операции, что приводит к увеличению себестоимости изготовления долот и негативно отражается на их качестве.
Задача обеспечения соосности характерна как для отечественного (ОАО “Волгабурмаш”, НПО ”Буринтех”), так и для зарубежного производства буровых алмазных долот (”Security DBS”, “ Hughes Christensen ”, ”Varel ”, ”Smith Bits ” и др.). Но отсутствуют исследования, посвященные обеспечению соосности неразъемных неподвижных резьбосварных соединений.
Так как метод неполной взаимозаменяемости, применяемый в отечественном и зарубежном долотостроении, является трудозатратным, то необходимо перейти на технологию сборки по методу регулировки. Для реализации этого метода необходимо иметь технологические связи функциональной размерной цепи при сборке резьбосварных соединений. Для установления таких связей перспективно использование методики структурно упорядоченной сборки.
Актуальность работы подтверждается также тем, что в настоящее время не достаточно освещен в технической литературе метод регулировки по методике структурно упорядоченной сборки.
Работа выполнена в рамках тематического плана Самарского государственного технического университета по заданию Федерального агентства по образованию на 2006 – 2009 гг. по теме «Разработка теоретических основ структурно упорядоченной сборки тяжело нагруженных изделий машиностроения», номер государственной регистрации НИР 01200606882.
Цель работы. Разработать технологию структурно упорядоченной сборки резьбосварных соединений буровых алмазных долот, обеспечивающую требуемую соосность на основе управления параметрами сборочного процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Выявить функциональные связи между параметрами: моментом затяжки резьбы, углом доворота резьбы, числом прихваток, структурой расположения прихваток, началом и направлением сварного шва и отклонениями от соосности.
Исследовать влияния на отклонения от соосности сборки внешних воздействий: силового фактора на резьботорцовое соединение и теплового фактора на резьбосварное соединение. Выбрать рациональные стратегии сборки с учетом структурной составляющей и разработать расчетные модели, связывающие отклонения от соосности с величиной внешних воздействий.
Разработать модели взаимодействия бурового алмазного долота с разрушаемой породой, переменным параметром которой является отклонение от соосности. Изучить влияние отклонения от соосности резьбосварных соединений на управляемость долот при бурении.
Разработать и внедрить в производство технологии для выполнения структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот, включая выбор рациональных параметров технологических переходов сборки резьботорцового и резьбосварного соединений. Произвести оценки эффективности технологии структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот при промысловых испытаниях.
Научная новизна. Предложены научно обоснованные технологические решения по обеспечению заданной величины отклонения от соосности резьбосварных соединений. На основе декомпозиции сборочного процесса резьботорцового и резьбосварного соединений показаны технологические связи сборочных переходов с отклонениями от соосности.
Установлены функциональные зависимости отклонений от соосности собираемых изделий от силового и теплового факторов. Получена расчетная модель, позволяющая выбирать конструктивные и технологические параметры сборочного процесса с учетом требуемой соосности резьбосварного соединения.
Раскрыт характер взаимодействия буровых алмазных долот с породой, позволяющий оценить влияние отклонения от соосности на управляемость долота.
Достоверность результатов обеспечена применением современных компьютерных средств численного моделирования и анализа.
Результаты проверки адекватности модели, построенной в программе ANSYS, хорошо согласовываются с экспериментальными данными метода магнитной памяти металла по величине остаточных напряжений в зоне прихватки, и имеют расхождение 9%.
Методы исследования. Были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования изменения соосности при сборке.
Теоретические исследования проведены с применением математических моделей. Анализ изменения соосности резьботорцового соединения проводился с помощью численного моделирования в системе MathCAD. Изучение влияния сварочных воздействий на соосность соединяемых деталей проводилось с помощью метода конечных элементов на моделях, разработанных в программе ANSYS. Влияние точности сборки алмазного долота на его эксплуатационные характеристики при бурении исследовалось на математической модели построенной с помощью вычислительного пакета ADAMS.
Экспериментальные исследования включали промысловые испытания. Для неразрушающего контроля остаточных напряжений использован метод магнитной памяти металлов.
Практическая ценность. На основе полученных закономерностей разработаны алгоритмы упорядоченного формирования резьбосварного соединений, обеспечивающие заданную величину отклонения от соосности сборки буровых алмазных долот.
Разработаны, апробированы и определены области эффективного применения в производстве технологии структурно упорядоченной сборки по двум стратегиям направленного поиска (для серийного производства) и слепого поиска (для единичного производства) на основе выбора рациональных технологических параметров.
Определена область рационального применения разработанной технологии структурно упорядоченной сборки тяжелонагруженных изделий, в конструкциях которых применяются резьбосварные соединения.
Разработана сборочная оснастка для реализации необходимого угла доворота резьботорцевого соединения при стягивании торцов деталей буровых алмазных долот.
Разработана и внедрена технологическая инструкция по применению структурно упорядоченной сборки буровых алмазных долот на действующем производстве ОАО «Волгабурмаш».
Основные положения, выносимые на защиту. Способ регулировки соосности резьбосварных соединений на базе системного подхода, рассмотренный как функции множества взаимосвязанных регулируемых воздействий процесса сборки.
Декомпозиция операций сборки резьботорцового и резьбосварного соединений, выявившая основные технологические связи между параметрами сборки и отклонения от соосности собираемых деталей на каждом переходе.
Цикловые изменения положения осей сопрягаемых деталей резьбосварного соединений под действием силовых и тепловых воздействий.
Модель управляемости бурового алмазного долота, имеющего отклонения от соосности.
Алгоритмы и методики построения технологических операций структурно упорядоченной сборки, обеспечивающие требуемую соосность осесимметричных резьботорцевого и резьбосварного соединений тяжелонагруженных изделий методом регулировки.
Результаты внедрения технологии структурно упорядоченной сборки в производство бурового инструмента и в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 4-х международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Современные проблемы машиностроения" (г. Томск, 2006г.); “Высокие технологии в машиностроении” (г. Самара, 2006г.); “Наука и образование 2007” (г. Мурманск, 2007г.); “Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы” (г. Сызрань, 2007г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на научно-техническом совете ОАО «Волгабурмаш» протокол № 2 от 21 марта 2008г. и на объединенном заседании кафедр «Технология машиностроения», «Автоматизация технологических процессов в машиностроении», «Автомобили и станочные комплексы» и «Инструментальные системы и сервис автомобилей» протокол № 11 от 17 июня 2008г.
Личный вклад автора состоит в проведении теоретических исследований влияния силовых и тепловых факторов на качество сборки резьбосварных соединений, а также экспериментальных исследований соосности при сборке резьбовых и сварных соединений, по результатам которых автором разработана инструкция технологических приемов упорядоченной технологии сборки под сварку и сварки алмазных буровых долот.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и пяти приложений. Объем диссертации 154 страницы, включая 68 рисунков и 24 таблицы.
