Исследование усталостной прочности резьбовых соединений винтовых забойных двигателей на стенде УП-200М

DHM thread connections fatigue strength study at UP-200m test stand

Yu. Korotaev, A. Korotaev, N. Myalitsin, «VNIIBT-Drilling Tools» Ltd

Созданный в ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» стенд УП-200М позволяет надежно и достоверно определить усталостную прочность при изгибе различных по конфигурации деталей винтовых забойных двигателей.

UP-200M test stand designed by VNIIBT-Drilling Tools Ltd. ensures secure and reliable fatigue strength measurement at DHM’s various-configuration parts bending.

Появление новых технологий бурения и капитального ремонта скважин, а также использование современных моментоемких долот привело к необходимости увеличения мощности забойного привода. В условиях растущих глубин скважин, высоких давлений, форсированных режимов бурения резко возросли требования к прочности и долговечности резьбовых соединений гидравлических забойных двигателей (ГЗД). Вопросы повышения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений ГЗД весьма актуальны, особенно для винтовых забойных двигателей (ВЗД), из-за больших крутящих и изгибающих моментов, действующих на них. В связи с этим важнейшей задачей является повышение усталостной прочности резьбовых соединений ВЗД, так как именно из-за недостаточной усталостной прочности в большинстве случаев происходят преждевременное разрушение резьбового соединения и отказ двигателя в работе.

Физико-механические свойства металла, упрочняющая технология, обработка, наличие различных концентраторов напряжений и разгрузочных элементов в значительной степени влияют на усталостную прочность деталей. Возможность оценить это влияние имеет исключительное значение при конструировании новых и совершенствовании существующих машин.

Одним из наиболее надежных и достоверных способов определения усталостной прочности при изгибе различных по конфигурации деталей является непосредственные испытания их в натурную величину. Для этих целей в ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» в 2012 г. был введен в эксплуатацию стенд УП-200М, созданный на базе стенда УП-200 НПО «Буровая техника». В конце 2012 г. были начаты работы по исследованию усталостной прочности натурных образцов резьбовых соединений ВЗД.

Работа стенда УП-200М основана на использовании эффекта динамического усиления колебаний нагружающих масс, возбуждаемых инерционным вибратором. Принятая система нагружения образца в сравнении с другими способами дает машине ряд преимуществ: привод малой мощности, малые габариты, простота устройства, бесшумность, надежность и стабильность в эксплуатации. Во время испытания образец и закрепленные по его концам нагружающие массы, выполненные в форме прямоугольных параллелепипедов, представляют собой свободную колебательную систему, установленную на пружинах. Нагружение (деформация) образца осуществляется инерционными силами масс, которые непрерывно колеблются от упругих сил образца. Эти колебания поддерживаются действием возмущающей силы вибратора. При этом амплитуда колебаний зависит от отношения частоты собственных колебаний системы к частоте возмущающей силы. Из-за близости этих частот образец при испытании нагружается значительным по величине переменным моментом при малой затрате мощности [1].
Рис. 1. Общий вид модернизированного стенда УП-200М
Стенд УП-200М для испытаний образцов резьбовых соединений на усталостную выносливость (рис. 1) состоит из основания 1 со стойкой 2 и колебательной системы. Колебательная система включает испытываемый образец 3, две близкие по весу траверсы 4, 5 и пружины 6. Концы испытываемого образца 3 закрепляются в траверсах 4, 5 при помощи планок подвижных 10, болтов стяжных 11, гаек 12 с втулками 13 и клиньев 14 с гайками клина 15. Траверсы 4 и 5 установлены на пружинах 6, расположенных на основании 1. На стойке 2 основания 1 установлен электродвигатель 7, который при помощи вала гибкого 8 и эксцентрика 9 соединен с одной из траверс.

Регистрация параметров испытаний натурных образцов резьбовых соединений производится при помощи информационно-измерительной системы стенда УП-200М, которая включает тензорезисторы, тензостанцию и компьютер [2]. Тензорезисторы 21 и 22 приклеиваются на наружную поверхность испытываемого образца 3, в плоскости наибольших напряжений. Тензорезистор 21 устанавливается в наиболее опасном сечении резьбовой части испытываемого образца 3, тензорезистор 22 устанавливается перед началом резьбовой части испытываемого образца 3. Закрепленные на испытываемом образце 3 тензорезисторы 21 и 22 подключаются к тензостанции 23, которая соединяется с компьютером 24 (рис. 2). Тензостанция является средством измерения параметров электрического сигнала и генерации сигналов синусоидальной формы, а также реализует функции измерительных приборов – генератора, вольтметра постоянного и переменного тока.
Рис. 2. Схема подключения тензорезисторов
После установки тензорезисторов производится подготовка программного обеспечения и измерительной аппаратуры стенда УП-200М к проведению тарировки тензорезисторов.

Тарировка тензорезисторов производится с помощью тарировочного устройства, которое состоит из вилок штанги 16, гаек 17, втулок 18, пальцев 19 и динамометра 20. При помощи гайки 17 образец нагружается требуемым изгибающим моментом (рис. 1).

Изгибающий момент Мизг, Н·м вычисляется по формуле:

Мизг = L·F, (1)

где: L – расстояние (плечо) между осевыми линиями образца и тарировочного устройства, м;

F – усилие стягивания траверс 4 и 5 (контролируется по динамометру 20), Н.

После тарировки тензорезисторов динамометр снимается со стенда.

При работе стенда вращение от вала электродвигателя 7 через гибкий вал 8 передается на эксцентрик 9. При вращении эксцентрика 9 возникают колебательные движения траверс 4 и 5 относительно друг друга. На испытуемом образце 3 создается знакопеременный изгибающий момент в горизонтальной плоскости. При испытаниях на усталостную прочность амплитуда напряжений в испытываемом образце 3 поддерживается постоянной. При увеличении оборотов электродвигателя увеличиваются частота и амплитуда колебаний, благодаря чему возрастают напряжения в испытываемом образце 3, при уменьшении оборотов электродвигателя 7 частота и амплитуда колебаний уменьшается, при этом уменьшаются напряжения в испытываемом образце 3. Амплитуда напряжений, количество циклов нагружения, частота колебаний траверс и частота оборотов электродвигателя регистрируются и показываются на дисплее компьютера 24 в течение всего времени испытаний (рис. 3).
Рис. 3. Вид рабочего окна измерительной системы стенда УП-200М при проведении испытания
Во время испытаний нагрузка на образец периодически контролируется по показаниям вольтметра переменного тока. При необходимости нагрузка регулируется изменением числа оборотов электродвигателя стенда. При разрушении образца возрастает амплитуда колебаний траверс 4 и 5, что вызывает срабатывание концевого выключателя стенда. При раскреплении образца автоматика отключает стенд.

В ООО «ВНИИБТ–Буровой инструмент» разработана «Методика испытаний резьбовых соединений на усталостную выносливость на стенде УП?200М», с использованием которой проводятся испытания образцов. В 2013 г. на стенде УП-200М проведены сравнительные испытания на усталостную выносливость натурных образцов резьбового соединения РКТ154х6,35х1:9,6, упрочненного различными способами.

Для проведения испытаний на усталостную выносливость всего было изготовлено по 15 натурных образцов ниппелей и муфт резьбового соединения РКТ154х6,35х1:9,6:
  • 3 образца без упрочнения резьбы;
  • 4 образца с обработкой впадины резьбы муфт и ниппелей поверхностно-пластическим упрочнением с применением оснастки для использования на универсальных станках (вариант А);
  • 4 образца с обработкой впадины резьбы муфт и ниппелей поверхностно-пластическим упрочнением с применением специального стенда (вариант Б);
  • 4 образца с упрочнением резьбы муфт и ниппелей дробеструйной обработкой (вариант В).
Все образцы имели одинаковые геометрические параметры, отклонение по резьбовым натягам составляло не более 8%, отклонение по физико-механическим свойствам материала образцов не превышало 5%. Свинчивание всех образцов производилось на механическом ключе К10 с фиксацией момента свинчивания, разброс значений которого не превышал 3%.

В соответствии с разработанной методикой испытания на усталостную прочность проводились в 3 этапа. На первом этапе при изгибающем моменте 3500 кг·м испытания проводились до достижения 3 млн циклов. На втором этапе изгибающий момент увеличивался до 4500 кг·м и испытания проводились при 1 млн циклов. На третьем этапе изгибающий момент увеличивался до 5000 кг·м и испытания проводились при 1 млн циклов. Если по окончании 3-го этапа образец не разрушался, испытания прекращались.
Рис. 4. Диаграмма результатов испытаний на усталостную прочность натурных образцов резьбового соединения РКТ154х6,35х1:9,6, упрочненного различными способами
Проведенные испытания показали, что упрочнение поверхности резьбы позволяет существенно повысить усталостную выносливость резьбового соединения (рис. 4):
  • циклическая выносливость образцов с резьбой без упрочения в среднем по трем образцам составила 458 226;
  • циклическая выносливость образцов с резьбой, упрочненной по варианту А, по трем образцам оказалась в 3,1 раза выше циклической выносливости образцов c резьбой без упрочнения. Среднее значение циклической выносливости составило 1 433 704 циклов. Испытания четвертого образца завершились на 2-м этапе при достижении общего числа циклов 3,7 млн. Результаты испытаний четвертого образца не учитывались при составлении диаграммы, представленной на рис. 4.
  • циклическая выносливость образцов с резьбой, упрочненной по варианту Б, по трем образцам оказалась в 3,2 раза выше циклической выносливости образцов c резьбой без упрочнения. Среднее значение циклической выносливости составило 1 454 471 циклов. Испытания четвертого образца завершились на 3-м этапе при достижении общего числа циклов 4,6 млн. Результаты испытаний 4-ого образца также не учитывались при составлении диаграммы, представленной на рис. 4.
  • циклическая выносливость образцов с резьбой, упрочненной по варианту В, оказалась в 2,4 раза выше циклической выносливости образцов c резьбой без упрочнения. Среднее значение циклической выносливости по 4-м образцам составило 1 091 184 циклов. Полученные результаты испытаний подтвердили теорию, что упрочненное резьбовое соединение способно работать при значительно более высоких динамических нагрузках.
В настоящее время испытания на стенде УП-200М продолжаются. Проведены исследования образцов резьбовых соединений, изготовленных из различных видов заготовок. Проверяется влияние конструктивных разгрузочных элементов на усталостную прочность, проводится оценка влияния резьбового натяга. В плане – работы по исследованию влияния профиля резьбы.

Литература

  1. Андренко В.М. Машина для испытаний на усталость крупных образцов. Исследование прочности машиностроительных материалов / Труды ЦНИИТМАШ, 1963. №40. С. 104 – 111.
  2. Голдобин Д.А., Коротаев А.Ю., Коротаев Ю.А., Мялицин Н.Ю. Стенд для испытаний образцов резьбовых соединений на усталостную выносливость. / Положительное решение от 14.01.2014 по заявке № 2013141741 на полезную модель.
  3. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. М.: Недра,1974. С. 90 – 95.

References

  1. V.M. Andrenko. Machine for fatigue testing of big samples. Strength survey of machine-building materials. TsNIITMash works, 1963, № 40, Pp. 104-111.
  2. D.A. Goldobin, A.Yu. Korotaev, Yu.A. Korotaev, N.Yu. Myalitsin.Fatigue endurance-strength test stand of thread connections’ samples. / -Positive resolution on January 14, 2014 as per application №2013141741 for useful model
  3. N.D. Shcherbyuk, N.V. Yakubovsky. Thread connections of oil grade pipes and bottom-hole motors. М.: Bowels,1974. Pp. 90-95.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Коротаев Ю.А.

    Коротаев Ю.А.

    д.т.н., академик РАЕН, главный научный сотрудник

    ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент»

    Коротаев А.Ю.

    руководитель группы резьбовых соединений

    ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент»

    Мялицин Н.Ю.

    Мялицин Н.Ю.

    главный конструктор

    ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»

    Просмотров статьи: 5806

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru