Рогаль О. В., Тарас І. П., Роп’як Л. Я.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ КОНІЧНИХ НАРІЗЕЙ

Для з’єднання елементів бурильного обладнання та інструментів, які експлуатуються в екстремальних умовах, використовують конічні нарізі. Застосування таких нарізей обумовлено тим, що вони забезпечують герметичність з’єднань і дозволяють передавати великі крутні моменти та осьові сили. Обстеження деталей з конічними нарізями показали, що вони виходять з ладу внаслідок втомного руйнування по западині нарізі, а також зношування бокових поверхонь профілю нарізі. Тому для підвищення техніко-економічних показників роботи нарізевих з’єднань застосовують конструкторські, технологічні та експлуатаційні методи.

Перспективним методом підвищення корозійно-втомної міцності та зносостійкості робочих поверхонь нарізей є технологічний. Зокрема, поверхневе пластичне деформування із використанням ролика, який вільно або примусово обертається. За конструкцією ролики поділяють на гладкі [1] та із деформуючими виступами [2].

Кут профілю гладкого ролика вибирають дещо меншим від кута профілю конічної нарізі, а його радіус заокруглення приймають рівним радіусу заокруглення западини нарізі. Застосування такого ролика забезпечує зміцнення тільки западини нарізі.

Кут профілю ролика із деформуючими виступами приймають рівним куту профілю конічної нарізі, а радіус заокруглення його виступів рівним радіусу заокруглення западини нарізі. Застосування такого ролика забезпечує одночасне зміцнення западини та бокових поверхонь профілю конічної нарізі. Однак в науково-технічній та патентній літературі практично відсутні відомості щодо розташування деформуючих виступів на тілі ролика. Для їх раціонального вибору необхідно дослідити геометричні параметри конічних нарізей.

Мета роботи – визначення геометричних параметрів конічних нарізей, які необхідні для конструювання роликів із деформуючими виступами для одночасного зміцнення западин і бокових поверхонь профілю цих нарізей.

Щоб отримати вихідні дані для розробки інструментів для зміцнення западин і бокових поверхонь профілю необхідно розглянути конічні нарізі не тільки як гвинтові лінії, але і як поверхні гелікоїдів та отримати залежності для розрахунку їх геометричних параметрів.

Для з’єднань бурильних, обсадних, насосно-компресорних труб та доліт використовують кілька типів конічних нарізей.

Розглянемо два типи конічних нарізей з трикутним профілем, які різняться нахилом профілю. Для першого – бісектриса кута профілю перпендикулярна до осі конуса. Прикладом такої нарізі є конічна замкова нарізь для елементів бурильних колон за ГОСТ Р 50864–96. Подібний профіль конічної нарізі передбачений NTP (рис. а). Для другого бісектриса кута профілю перпендикулярна до твірної конуса (швейцарська різьба) (рис. б).

Відомими параметрами є крок p нарізі, кут нахилу нарізі φ та кут профілю нарізі β, який для конічної замкової нарізі рівний 60˚ (наприклад, за ГОСТ Р 50864–96), або 55˚ (наприклад, за DIN 2999 BSPT).

Розглянемо профіль конічної нарізі. Бокові поверхні нарізей утворюються двома гелікоїдами, саме їх перетин і дає гвинтову лінію впадин і гвинтову лінію виступів. Визначимо за рахунок яких параметрів ці лінії утворюються конічними (рис. а, б).

Розглянемо нарізь за ГОСТ Р 50864–96 (рис. а). Вона утворена гелікоїдами з твірними (AB) та (BC), симетрично нахиленими відносно площини, перпендикулярної до осі обертання поверхонь на кут α/2, а значить – 90 + α/2 та 90 – α/2.

а б

Рис. – Схеми конічних нарізей: а – за ГОСТ Р 50864–96; б – швейцарська

Гелікоїд, утворений твірною (AB), має крок |DC|. Провівши прості перетворення, одержимо

. (1)

А гелікоїд, утворений твірною (BC), має крок |FC| (рис. а). Провівши подібні розрахунки і перетворення одержимо

. (2)

Саме різниця кроків гелікоїдів і робить конічними гвинтові лінії виступів і впадин для нарізей, бісектриса кута профілю яких перпендикулярна до осі конуса.

Ще одна особливість конічної нарізі така, що впадина не знаходиться на половині кроку нарізі, тобто точка I не є серединою відрізка |EC|. Розглянемо як точка I ділить крок p (рис. а).

Розглянувши відповідні трикутники і провівши перетворення одержимо залежності:

; (3)

та

. (4)

Розглянемо нарізь, для якої бісектриса кута профілю перпендикулярна до твірної конуса (рис. б).

Поверхня конічної нарізі утворена двома гелікоїдами з твірними (OR) і (OP). З прямокутного трикутника OKM видно, що KMO = 90 – φ, а значить кут нахилу гелікоїда з твірною (OP) – KLO = 90 – φ + α/2, для гелікоїда з твірною (OR) – KNO = 90 – φ – α/2.

Визначимо кроки цих гелікоїдів. Остаточна формула для розрахунку кроку гелікоїда з твірною (OR)

. (5)

Для гелікоїда з твірною (OP) крок визначається відрізком PQ (рис. б)

. (6)

Для цього виду нарізі впадина знаходиться не на середині кроку. Розглянемо як точка H ділить крок PT на відрізки PH і HT (рис. б) і остаточно одержимо тригонометричні формули:

; (7)

. (8)

Отримані залежності (1) – (8) дозволяють розрахувати вихідні дані, які використовуються при проектуванні геометричних параметрів різальних та деформуючих інструментів, призначених для виготовлення і зміцнення конічних нарізей у площині, яка проходить через вісь симетрії деталі.

Висновок. Встановлено на основі аналізу геометрії конічних нарізей, що їх западини розміщуються не симетрично відносно нарізевої поверхні, а гелікоїди, що утворюють нарізь мають різні кроки (на відміну від циліндричної нарізі), що і спричиняє утворення конуса. Отримані геометричні параметри конічних нарізей доцільно використовувати як при розробці та удосконаленні конструкції інструментів для механічної обробки нарізей, так і для поверхневого пластичного деформування, які забезпечать підвищення точності виготовлення різьб та їх експлуатаційних властивостей.

Список використаної літератури

1. Щербюк Н. Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойних двигателей / Н. Д. Щербюк, Н. В. Якубовский. – М.: Недра, 1974. – 256 с.

2. А. с. 1516206 СССР. МКИ В21Н 3/04. Инструмент для упрочнения профилей / В. Я. Белоусов, И. Ю. Гладий, З. Д. Василечко, И. М. Стоцкий, Л. Я. Ропяк, Я. В. Билусяк, М. Н. Микитюк; Заявитель ИФИНГ. – № 4379539/31-27; заявл. 13.11.87; опубл. 23.10.89. Бюл. № 39. – 3 с.