СПОСОБ ПРАВКИ ЦИЛИНДРОВ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ Российский патент 1997 года по МПК B21D3/10 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к технологии правки плоским изгибом, и может быть использовано при изготовлении гидроцилиндров, корпусов и плунжеров глубинных штанговых насосов и других высокоточных длинномерных подвижно-сопрягаемых деталей нефтяного, химического и энергетического машиностроения.

Известен способ правки заготовок и деталей плоским изгибом, включающий установку и периодический упруго-пластический изгиб участков заготовки воздействием силой, приложенной между опорами, в сторону, противоположную исходной непрямолинейности, и расположенной в плоскости, проходящей через продольную ось цилиндра (1).

Недостатком известного способа является низкое качество изделий с малым ходовым зазором, собираемых из выправленных деталей, что связано с невозможностью учитывать при правке требования работоспособности готовых изделий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является принятый за прототип способ правки заготовок, включающий определение отклонения фактической формы заготовки от заданной и величины коррекции, непрерывное формоизменение заготовки и завершение процесса после достижения за счет остаточной деформации заданной формы заготовки (2).

В известном изобретении в области упругой деформации путем измерения усилия и перемещения определяют параметры, характеризующие величину упругой деформации, используемые при последующем деформировании заготовки для определения обратного пружинения и величины остаточной деформации, сохраняющейся после снятия с заготовки нагрузки. Применительно к правке длинномерных осесимметричных заготовок и деталей под заданной формой понимается прямолинейная либо наиболее близкая к ней.

Недостатком известного, принятого за прототип, способа правки является низкое качество изделий с малым ходовым зазором, изготовленных из правленных деталей, так как задаваемая для правки форма заготовки не учитывает требований работоспособности сопрягаемых длинномерных подвижных деталей.

Задачей разработки предложенного способа правки является получение технического результата, заключающегося в снижении деформаций и усилий в паре подвижно-сопряженных прецизионных длинномерных деталей за счет использования при выборе технологического режима правки условий обеспечения работоспособности готового изделия.

Указанный результат достигается тем, что в способе правки, включающем установку и периодически выполняемые определение отклонения фактической формы участка цилиндра от прямолинейной и величины коррекции и упруго-пластический изгиб участка заготовки воздействием силой, приложенной между опорами, в сторону противоположную исходной непрямолинейности, и расположенной в плоскости, проходящей через продольную ось цилиндра, опоры для правки устанавливают между собой на расстоянии, равном длине плунжера насоса, измеряют отклонение от прямолинейности оси выправляемого участка цилиндра, упруго-пластический изгиб проводят до достижения в средней части выправляемого участка пластического прогиба, зависящего от значения исходного отклонения от прямолинейности в средней части выправляемого участка цилиндра и номинального значения диаметрального зазора в сопряжении цилиндр-плунжер, перемещают цилиндр вдоль оси на половину расстояния между опорами и правят следующий участок цилиндра, причем необходимую величину пластического прогиба в средней части выправляемого участка цилиндра определяют из соотношений:
,
,
где
S_o начальное значение отклонения оси выправляемого участка цилиндра от прямолинейности в средней его части;
S_пл пластический изгиб средней части выправляемого участка цилиндра;
S S_o S_пл отклонение оси от прямолинейности в средней части цилиндра после правки;
Z номинальное значение диаметрального зазора в сопряжении цилиндр-плунжер,
а при
S_o ≅ Z и S_o 7Z
данный участок цилиндра правке не подвергают (S_пл 0, S S_o).

На фиг. 1 показано изменение непрямолинейности детали при правке; на фиг. 2 сопряжение деталей с тремя точками контакта поверхностей; на фиг. 3 - сопряжение с контактом в четырех точках и прямолинейными в результате совместных деформаций одним или двумя промежуточными участками деталей; на фиг. 4 сопряжение с пятью точками контакта; на фиг. 5 сопряжение с семью точками контакта и прямолинейными в результате совместных деформаций двумя средними участками деталей; на фиг. 6 предложенная область параметров правки (заштриховано).

Стрелками на фиг. 2-5 показаны контактные силы, действующие на цилиндр со стороны плунжера.

Осуществляют данный способ следующим образом.

Устанавливают цилиндр 1 на опоры 2 и 3 для правки. Расстояние между опорами равно длине плунжера 4. Вращая деталь 1 вокруг продольной оси, измеряют отклонение действительной оси выправляемого участка (между опорами 2 и 3) детали в средней его части. Измерения выполняют с использование датчиков линейного перемещения (на фиг. не показаны) по наружной или внутренней поверхности цилиндра и какого-либо известного способа измерений. Вычисляют соотношение измеренной непрямолинейности и величины номинального диаметрального зазора в сопряжении цилиндр плунжер последняя величина предварительно определяется по технической документации. При значении полученного соотношения до 1 или свыше 7 правка данного участка цилиндра не производится: в первом случае она не нужна, во втором неэффективна.

Если правка данного участка детали необходима, то по количественным соотношениям формулы изобретения определяют необходимую величину пластической деформации при правке и остаточное отклонение от прямолинейности в средней части участка детали. Поворачивают и устанавливают деталь на опорах в таком положении, чтобы стрела прогиба исходной непрямолинейности была направлена навстречу прикладываемого в дальнейшем усилия правки. В средней части выправляемого участка детали прикладывают усилие Q и непрерывно контролируют деформацию детали в сечении приложения усилия. Нагружение производят до достижения пластической (необратимой) деформацией расчетного значения. Пластическая деформация S_пл определяется по разности начальной непрямолинейности S_о и непрямолинейности S S_o-S_пл после снятия усилия правки.

После отказа от правки или завершения правки данного участка детали последнюю перемещают на опорах вдоль продольной оси (возможен эквивалентный конструктивный вариант, когда оборудование для правки перемещается вдоль детали) на шаг правки, равный половине расстояния L между опорами, и все процедуры повторяют.

В зависимости от соотношения начальной непрямолинейности подвергаемой правке детали и номинального диаметрального зазора в изготавливаемом сборочном узле (пара цилинд-плунжер) и от выбранного при правке соотношения пластической деформации и начальной непрямолинейности в дальнейшем реализуется одна из схем сопряжения, показанных на фиг. 2-5, или близкая к ним схема, учитывающая асимметричные составляющие непрямолинейности.

Разработанный способ правки встраивается в технологический процесс изготовления прецизионных подвижных соединений длинномерных деталей таким образом, что последующие технологические операции не изменяют заметно полученные размеры и продольный профиль деталей.

Пример 1. Для обоснования предложенного способа правки моделировали процесс на ППЭВМ. При анализе технологического процесса установлено, что результаты правки описываются тремя обобщенными параметрами: соотношением значений начальной непрямолинейности (отклонении от прямолинейности в средней части выправляемого участка детали) и номинального зазора Z в паре цилиндр-плунжер, отношением пластической деформации при правке к величине начальной непрямолинейности и параметром "p", характеризующим контактную нагрузку в собранном узле. Процедура вычисления двух первых параметра очевидна, параметр "p" рассчитывается по формулам.

где
D имеющая размерность линейной величины характеристика,
P сумма абсолютных значений контактных сил в сопряжении готовых деталей,
E, I модуль упругости материала и момент инерции сечения детали; индексы 1 и 2 соответствует цилиндру и плунжеру.

Для каждой пары значений S_o/Z и S_пл/S_o параметр p=D/S_o может быть определен, например, расчетом. При известных значениях Z, S_o и S_пл/S по значению p вычисляется значение D, а затем контактная нагрузка P по формуле P= D(EI)пр/L³.

В табл.1 приведены полученные соотношения между величиной зазора в сопряжении и остаточной непрямолинейностью выправленного участка цилиндра при относительно небольшой начальной непрямолинейности детали. В области параметров правки, при которых полученное соотношение меньше единицы, создается ходовое сопряжение без натяга, обеспечивающее высокую работоспособность изделия. Данные табл.2 показывают соотношения между указанными выше обобщенными характеристиками технологического процесса, адаптируемого к получению высококачественных изделий. Видно, что, как и следовало ожидать, относительное уменьшение зазора в сопряжении приводит к повышению контактной нагрузки, особенно существенному в области малых значений зазора. Влияние режима правки относительной величины компенсируемой правкой непрямолинейности детали неоднозначно и описывается экстремальной зависимостью: при некоторых промежуточных значениях параметра S_пл/S_о контактные усилия в паре цилиндр-плунжер минимальны. Эта зависимость иллюстрируется табл.3, в которой приведены относительные значения контактной нагрузки в сопряжении (нагрузка суммируется по абсолютной величине); за единицу принимается значение нагрузки, наименьшее при данном соотношении начальной непрямолинейности S_о и номинального зазора Z.

Анализ данных табл. 1-3 позволяет выделить область значений S_пл/S_о и S_о/Z, в которой ожидаемые значения контактной нагрузки ограничены по величине и по чувствительности к погрешностям параметра режима правки. Границы этой области приближенно описывается количественными соотношениями формулы изобретения. При этом принимается, как обычно встречается на практике, что составляющие отклонения от прямолинейности, имеющие длину волны, меньшую длины выпрямляемого участка, пренебрежимо малы по сравнению с измеряемым отклонением в середине участка.

Пример 2. Анализируются прогнозные характеристики правки плунжерного насоса, собираемого из цилиндра с наружным номинальным диаметром 45 мм, внутренним 32 мм и плунжера длиной 1200 мм с наружным диаметром 32 мм и внутренним 22 мм. Материал деталей конструкционная сталь. Расчетный диаметральный зазор в сопряжении 0,06.0,10 мм.

Момент инерции поперечного сечения цилиндра равен 150000 мм⁴, плунжера 40000 мм⁴ мм. Номинальное значение зазора в сопряжении принимается равным 0,08 мм.

Результаты прогноза характеристики работоспособности плунжерного штангового насоса при различных режимах правки цилиндра приведены в табл. 4 (при непрямолинейности выправляемого участка цилиндра длиной 1200 мм до правки, равной 0,4 мм), в табл.5 (непрямолинейность 0,5 мм на 1200 мм длины) и в табл. 6 (непрямолинейность 0,6 мм). Плунжер считается практически прямолинейным.

В табл. 4-6 выделены области, соответствующие предложенному способу правки (границы определены по количественным соотношениям формулы изобретения) и области, соответствующие правке по способу, принятому за прототип с правкой до минимизации отклонения от прямолинейности в контролируемом сечении детали. Видно, что использование предложенного способа правки характеризуется значительным ( до 4.6 раз) снижением контактных нагрузок в изготавливаемых сборочных единицах. Из приведенных данных следует также, что при относительно больших значениях начальной непрямолинейности правка данного участка со снижением отклонения от прямолинейности в средней части неэффективна.

Приведенные данные иллюстрируют предложенный способ правки длинномерных деталей подвижных прецизионных соединений и подтверждают достижение технической задачи изобретения снижение совместных деформаций и контактных усилий в готовых изделиях, повышение качества правки и качества готовых изделий.

Сущность изобретения: способ правки включает установку цилиндра (Ц) на опоры (О), периодически выполняемые определения отклонения фактической формы участка Ц от прямолинейной и величины коррекции и упруго-пластический изгиб участка Ц воздействием силой, приложенной между О в сторону, противоположную исходной непрямолинейности, и расположенной в плоскости, проходящей через продольную ось Ц. Для правки О устанавливают между собой на расстоянии, равном длине плунжера насоса, и измеряют отклонение от прямолинейности оси выправляемого участка Ц. Упруго-пластический изгиб проводят до достижения в средней части выправляемого участка пластического прогиба, зависящего от значения исходного отклонения от прямолинейности в средней части выправляемого участка Ц и номинального значения диаметрального зазора в сопряжении Ц - плунжер. Затем перемещают Ц вдоль оси на половину расстояния между О и правят следующий участок Ц. Такая совокупность признаков обеспечивает снижение деформаций и усилий в паре Ц-плунжер за счет использования при выборе технологического режима правки условий обеспечения работоспособности подвижных сопряжений. 1 з.п.ф-лы, 6 ил., 6 табл.

1. Способ правки цилиндров плунжерных насосов, включающий установку цилиндра на опоры, определение отклонения фактической формы выправляемого участка цилиндра от прямолинейной и определение величины коррекции, упруго-пластический изгиб участка цилиндра силой, приложенной между опорами в сторону, противоположную направлению стрелы прогиба участка, расположенной в плоскости, проходящей через продольную ось цилиндра, и периодически выполняемые определения пластической деформации участка в сечении приложения силы до достижения расчетной величины пластического изгиба, отличающийся тем, что опоры устанавливают на расстоянии, равном длине плунжера насоса, при этом величину пластического изгиба участка в сечении приложения силы рассчитывают, исходя из величины начального значения отклонения фактической формы средней части выправляемого участка от прямолинейной и номинального значения диаметрального зазора в сопряжении "цилиндр-плунжер", а после достижения расчетной величины изгиба цилиндр перемещают по оси на половину расстояния между опорами и правят следующий его участок. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину пластического изгиба участка цилиндра определяют из соотношений

при Z < S_o ≅ 4Z
или

при 4Z < S_o ≅ 7Z,
где S_пл величина пластического изгиба участка в сечении приложения силы,
S_o начальное значение отклонения фактической формы средней части выправляемого участка от прямолинейной,
Z номинальное значение диаметрального зазора в сопряжении "цилиндр-плунжер",
а при S_o ≅ Z или S_o > 7Z данный участок правке не подвергают.