Файл: Щербюк, Н. Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей.pdf

ний на расстоянии 30 мм от упорного уступа в среднем на 15%. Сравнение осевых напряжений у упорного уступа ниппеля соеди­ нений указывает на преимущество соединений с направляющими поясками.

сг к г с /м м г

212

MK156x5,5x 1 :32 на внутренней поверхности ниппеля (перевод­ ника) и в канавке вдоль образующей конуса резьбы ниппеля, а также на наружной поверхности муфты (корпуса) после свинчива­

уменьшаются и переходят в напряжения растяжения.

Напряжения растяжения в опасном сечении ниппеля (плоскость F F ) уменьшаются примерно на 10%• Наличие силы Q' практиче­ ски не влияет на прочность резьбового соединения.

Исследование резьбы валов турбобуров

На валах турбобуров для закрепления роторов турбины приме­ няется цилиндрическая специальная усиленная и коническая резь­ ба с крупным шагом типа МУ и МК. В процессе эксплуатации имеют место случаи разрушения валов по резьбе. С целью упроч­ нения резьбового соединения внедрена обкатка впадин резьбы, в ряде конструкций введены зарезьбовые разгружающие канавки. Валы турбобуров изготовляют из легированных хромоникельмолибденовых сталей с пределом текучести после термообработки ^ 8 0 кгс/мм2. В большинстве случаев резьба нарезается на сплош­ ном сечении вала диаметром 80—90 мм. Жесткость вала превы­ шает жесткость деталей с внутренней резьбой. Учитывая конструк­ цию резьбового соединения, усталостную прочность вала можно повысить увеличением радиуса закругления впадины резьбы, а также путем обкатки и накатки резьбы.

Для определения влияния радиуса закругления впадины, на­ катки и угла профиля 30, 60 и 90° на повышение усталостной проч­ ности резьбы с крупным шагом проведены испытания на выносли­ вость при знакопеременном изгибе. Резьбу с шагом 6 и 7 мм, про­ филем 30, 60 и 90° нарезали и накатывали на образцах вала диаметром 80 мм, изготовленных из стали марки 40ХНМА со сле­ дующими механическими свойствами после термообработки: пре­ дел текучести 90ч -100 кгс/мм2, относительное удлинение 15ч-16%, относительное сужение 544-58 %, ударная вязкость 9 ч -10 кгсм/см2, твердость НВ 286ч-302. Накатку резьбы производили на установ­

ках ВНИИМЕТМАШ.

На рис. 101 представлены зависимости предела выносливости от радиуса закругления впадины для нарезанной резьбы и угла

213

профиля 30, 60 и 90° — для накатанной, а на рис. 102 — кривые вы­ носливости резьб. Из рис. 101 и 102 видно, что, несмотря на изме­ нение угла профиля с 30 на 60 и 90°, усталостная прочность наре­ занной резьбы не повысилась, так как она зависит только от радиуса закругления впадины, т. е. от радиуса надреза. Увеличе­ ние радиуса закругления впадины резьбы с 0,4 до 0,9 мм повы­ шает усталостную прочность на 60% , а с 0,6 до 0,9 мм — на 36% .

Усталостная прочность накатанной резьбы повышается с увели­ чением радиуса закругления впадины, а также благодаря измене­ нию угла профиля с 30 до 60 и 90°. Наибольший предел выносли­ вости 27,5 кгс/мм2 получен при испытании накатанной резьбы с радиусом закругления впадины 0,9 мм и углом профиля 90°, мень­ ший (на 16%) с углом профиля 60°. Причем, увеличение радиуса закругления впадины накатанной резьбы с углом профиля 60° по­ вышает усталостную прочность так же, как и нарезанной на 36%•

Применение накатанной резьбы 8 0 x 6 с углом профиля 60° и радиусом закругления впадины 0,9 мм по сравнению с нарезанной повышает предел выносливости на 122% (сталь марки 40ХНМА). Повышение усталостной прочности накатанной резьбы объясняется отсутствием перерезанных волокон металла, образующихся в ре­ зультате нарезания резьбы резьбообразующим режущим инстру­ ментом. Следовательно, наряду с увеличением радиуса закругле­ ния впадины, резкое повышение усталостной прочности резьбы может быть достигнуто применением накатанного профиля. При­ чем с увеличением радиуса закругления впадины резьбы эффек­ тивность применения накатанного профиля повышается. В процес­ се испытания на усталость резьбовых соединений валов турбобу­ ров, а не валов со свободной нарезкой пределы выносливости бу­ дут выше. В этом случае происходит перераспределение изгибаю­ щих напряжений между наружной и внутренней резьбой свинчен­ ного резьбового соединения.

Определение окружных a t и радиальных стпг напряжений

вдеталях конического резьбового соединения

Вусловиях закрепления конических резьбовых соединений с натягом распределение напряжений в сечении кругового кольца рассматривается по аналогии с трубами, находящимися под наруж­ ным или внутренним давлением, в соответствии с задачей Ляме (рис. 103). Задача Ляме не учитывает физической стороны явле­ ний: наличия отклонений от правильной геометрической формы,

дефектов, нарушающих равномерное распределение давлений; ше­ роховатостей на поверхности резьбы и т. д. Несмотря на это, за ­ дача Ляме с достаточной для практических целей точностью от­ ражает зависимость между деформациями (натягом) и давлениями на контактируемых резьбовых поверхностях.

215

Условно принимают, что контактирование происходит по сред­ нему диаметру резьбы. Определение напряжений необходимо про­ изводить в опасных сечениях ниппеля и муфты 1— 1 и 2—2

(рис. 104).

Радиальное давление от натяга определяется по формуле

Рис. 103. Распределение напряжений в сечении кругового кольца (муфты), посаженного на трубу (ниппель) с натягом.

Рис. 104. Схема для определения напряжений Ot и Or по формуле Ляме.

216

В сечении 2—2 напряжения определяют по приведенным фор­ мулам, только вместо Pi и D\ подставляют соответственно Я2 и D2. Наибольшие напряжения возникают на внутренних поверхностях муфты в сечении 1— 1 и ниппеля в сечении 2—2. Максимальное радиальное напряжение ог равно радиальному давлению с обрат­ ным знаком, т. е. ог= — Р\,2-

Если резьбовое соединение подвергается внутреннему давлению Ри то определение напряжений а / без учета радиальных давлений

Рх2 от натяга определяют:

унаружной поверхности

При наличии радиальных давлений от натяга Р\ и Я2 напряже­ ния в материале муфты повышаются, а в ниппеле понижаются. По теории наибольших касательных напряжений (в случае отсутст­ вия осевой силы, т. е. при сг2 = 0)

где Gi = Oi, а 0 з = а гн.

Результирующее (эквивалентное) напряжение у внутренней по­

217

Эквивалентные напряжения должны по возможности не превы­ шать предела текучести материала. Окружные напряжения, полу­ ченные экспериментальным путем, методом тензометрирования, отличаются от расчетных как по значению, так и распределением по длине свинчивания резьбового соединения.

На рис. 105 представлено распределение расчетных и экспери­ ментально определенных окружных напряжений при свинчивании резьбового соединения замка ЗШ -178 с резьбой 3-147X 6,35X 1 : 6. Расчетные напряжения определены по всей длине конуса и в диа­ пазоне резьбового соединения ЗШ-178 при осевом расчетном на­

ны окружные напряжения у наружной поверхности муфты Оцм) и у

б^ к гс/м м *

Рис. 105. Распределение расчетных окружных на­ пряжений С( по длине конического сопряжения, а также экспериментальных, полученных методом тензометрирования в соединении замка ЗШ-178.

J — расчетные на внутренней поверхности муфты; 2 — рас­ четные на наружной поверхности муфты; 3, 4 — экспери­ ментальные на наружной поверхности муфты; 5, 6 — экспериментальные на внутренней поверхности ниппеля; 7— расчетные на наружной поверхности ниппеля; 5— рас­ четные на внутренней поверхности ниппеля; 9 — расчет­

ные радиальные давления Р.

218

Г л а в а V

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2)резьбовыми гребенчатыми фрезами;

3)трубонарезными и муфтонарезными патронами с использо­ ванием круглых плашек.

В практике заводов нефтяного машиностроения, металлурги­ ческих и трубопрокатных все большее распространение получает метод многопроходного резьбонарезания с использованием специ­ альных профильных резьбовых резцов и гребенок с пластинками твердого сплава Т15К6. Этот метод вытесняет другой, еще приме­ няющийся — резьбофрезерование и использование трубонарезных

имуфтонарезных патронов.

Всвязи с усложнением условий бурения и эксплуатации нефтя­ ных и газовых скважин, повсеместного увеличения глубин, объем применения высокопрочных труб и замков повышается. С повыше­ нием прочности применяемых материалов резьбовые фрезы и круг­

лые плашки в трубо-муфтонарезных патронах, изготовляемые из быстрорежущей стали, не обеспечивают оптимальную стойкость. Например, при нарезании замковой резьбы на легированных, тер­ мически обработанных сталях твердостью НВ 262-^302, стойкость фрезы до переточки составляла 8— 10 концов и 80— 100 концов до полного использования. Для обеспечения шероховатости поверх­ ности резьбы 5— 6 класса необходимо производить резьбофрезеро­ вание в два прохода, что влечет за собой снижение производитель­ ности. Образование в месте врезания и выхода фрезы карманов способствует размыву резьбы в процессе эксплуатации. Трубона­ резными и муфтонарезными патронами нарезается трубная резьба

220