УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЛИННОМЕРНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК B24B39/00 B21D3/12 B21D11/14 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к оборудованию для поверхностного упрочнения длинномерных изделий типа насосных штанг, и может быть использовано в металлургической, машиностроительной отраслях промышленности, ведущих изготовление длинномерных изделий.

Известно устройство для упрочнения длинномерных изделий, содержащее станину с закрепленным на ней силовым гидроцилиндром, установленные на продольной оси станины на противоположных ее концах две головки с зажимными губками для крепления концов изделия, при этом одна из головок через зажимные губки связана со штоком силового гидроцилиндра и установлена с возможностью поступательного перемещения вдоль станины (авт. св. СССР N 854497, кл. B 21 D 3/12, 1979) [1]
Использование данного устройства позволяет осуществлять дозированное пластическое удлинение длинномерного изделия растяжения, в результате чего происходит поверхностное упрочнение изделия. Наибольшая усталостная прочность материала изделия обеспечивается при величине остаточного удлинения в 5 10 (Баграмов Р.А. Раскин А.М. Упрочнение насосных штанг направленным наклепом // Сб. Новости нефтяной техники. Машиностроение, N 3, 1956) [2]
Однако пластическая деформация насосных штанг с величиной остаточного удлинения 5 10 при последующем продольном нагружении их при использовании в механизированной нефтедобыче может привести к нарушению однородности структуры металла, например, к образованию сужений в теле насосной штанги, что снижает усталостную прочность материала насосной штанги и может привести к аварийной ситуации в скважине.

Известное устройство для упрочнения длинномерного материала содержит станину и закрепленные на ней две головки с зажимными элементами для крепления концов обрабатываемой заготовки. Одна головка в устройстве смонтирована с возможностью вращения совместно с обрабатываемой заготовкой относительно ее продольной оси от привода через понижающий редуктор и муфту. Другая головка в устройстве с зажимным элементом для второго конца обрабатываемой заготовки неподвижно закреплена на станине (патент Великобритании N 1113308, кл. B 21 D 11/14, публ. 1968) [3]
Известное устройство осуществляет пластическую деформацию заготовки скручиванием, создавая тем самым в поверхностном слое заготовки наклеп для упрочнения длинномерного материала.

При скручивании обрабатываемого материала происходит поворот поперечных сечений относительно смежных сечений. Для упрочнения длинномерной заготовки скручиванием необходимо произвести двадцать и более поворотов (например: для стали марок 40У и 20ХН эффект упрочнения достигается при повороте поперечных сечений на 56,5^o и 104,5^o на ед. длины в см).

Однако жесткое закрепление одного из концов обрабатываемого материала позволяет осуществлять только пластическую деформацию заготовки скручиванием, что не обеспечивает требуемую усталостную прочность длинномерного материала, в частности, насосных штанг, работающих в условиях знакопеременного циклического нагружения в процессе глубинно-насосной добычи жидкости. Это объясняется тем, что обрабатываемая заготовка имеет большую длину (длина насосной штанги 8 9 м, и обеспечить прямолинейность перед кручением такой заготовки (без приложения растягивающей нагрузки) невозможно. Как следствие напряжения в металле при скручивании будут распределяться как по длине, так и сечению заготовки неравномерно, поэтому в теле длинномерной заготовки возникают участки со структурной микронеоднородностью. Как следствие не обеспечивается одинаковая по величине усталостная прочность по всей длине заготовки, что может привести к аварийной ситуации, при последующей эксплуатации.

Цель изобретения повышение усталостной прочности длинномерного материала равномерно по всей длине заготовки за счет создания наклепа и остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое обрабатываемой заготовки.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для упрочнения длинномерного материала, содержащем станину, закрепленные на станине две головки с зажимными элементами для крепления концов обрабатываемой заготовки, при этом одна головка смонтирована с возможностью вращения совместно с обрабатываемой заготовкой относительно ее продольной оси, новым является то, что оно дополнительно снабжено силовым гидроцилиндром и осевым ограничителем поворота конца заготовки, закрепленного во второй головке, осевой ограничитель поворота выполнен в виде платформы, установленной в направляющих, жестко закрепленных на станине параллельно продольной оси обрабатываемой заготовки, при этом платформа осевого ограничителя поворота жестко связана с установленной на ней второй головкой и со штоком силового гидроцилиндра.

На чертеже представлено устройство для упрочнения длинномерных изделий.

Устройство для упрочнения длинномерного материала содержит станину 1, закрепленный на ней силовой гидроцилиндр 2 и две головки 3 и 4 с зажимными элементами 4 и 6 (соответственно) для крепления концов обрабатываемой заготовки насосной штанги 7. Шток 8 силового гидроцилиндра 2 связан с размещенной в направляющих 9 платформой осевого ограничителя 10 поворота конца заготовки, закрепленного в головке 3. Головка 3 в свою очередь, жестко закреплена на платформе осевого ограничителя 10 поворота, которая установлена в направляющих 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения совместно с головкой 3.

Другая головка 4 смонтирована с возможностью вращения совместно с обрабатываемой штангой 7 относительно ее продольной оси, для чего головка 4 через зубчатое колесо 11 связана с механизмом 12, обеспечивающим вращение штанги 7, и через муфту скольжения 13 связана со станиной 1. Головки 3 и 4 установлены на продольной оси станины 1 на противоположных ее концах.

Работает устройство следующим образом.

Заготовку насосной штанги 7 из накопителя подают на направляющие механизма загрузки 14 и съема 15 насосной штанги.

Под действием веса заготовки срабатывает механизм, обеспечивающий подачу рабочей жидкости во внутреннюю надпоршевую полость силового гидроцилиндра 2, шток 8 которого начинает перемещаться, в результате чего высаженные части заготовки штанги 7 перемещаются до контакта с зажимными элементами 5 и 6 головок 3 и 4. При осуществлении такого контакта рабочая жидкость начинает подаваться в подпоршневое пространство гидроцилиндра 2, после чего его шток 8 начинает поступательно перемещаться в противоположном направлении. Одновременно со штоком 8 начинают поступательное перемещение зажимные элементы 5 и 6, в результате чего высаженные концевые части заготовки штанги 7 жестко закрепляются в головках 3 и 4. (Перемещение зажимных элементов 5 и 6 осуществляется от двух гидроцилиндров 16 и 17, встроенных в головки 3 и 4. Управление их синхронизировано с перемещением штока 8 силового гидроцилиндра 2).

Двигающийся поступательно шток 8 гидроцилиндра 2 вызывает поступательное перемещение платформы осевого ограничителя 10 поворота с закрепленной на платформе головкой 3, и следовательно, жестко закрепленной в головках 3 и 4 заготовки насосной штанги 7. Под действием растягивающей нагрузки происходит упругая, а затем пластическая деформация насосной штанги 7.

При достижении заданного удлинения штанги 7 прекращают подачу рабочей жидкости во внутреннюю подпоршневую полость силового гидроцилиндра 2, и в работу включается механизм вращения 12 штанги 7. Момент вращения 12 передается через зубчатое колесо 11 и муфту скольжения 13 на головку 4, в результате чего происходит скручивание насосной штанги 7 относительно ее продольной оси. Скручивание тела штанги 7 достигается благодаря тому, что в головке 3 конец штанги закреплен жестко, а сама головка жестко связана с осевым ограничителем 10 поворота. При достижении заданного угла кручения насосной штанги 17 механизм вращения 12 отключается, штанга 7 высвобождается от крепления в головках 3 и 4 и при помощи механизма съема 15 штанга 7 подается в накопитель готовой продукции.

Устройство, обеспечивая пластическое деформирование длинномерного материала растяжением и кручением, создавая в поверхностном слое заготовки наклеп, и в подповерхностном слое остаточные сжимающие напряжения, что существенно повышает усталостную прочность заготовки, и, следовательно, эффективность упрочнения длинномерного материала.

Использование: обработка металлов давлением, в частности оборудования для поверхностного упрочнения длинномерного материала. Сущность изобретения: устройство содержит размещенные на станине две головки с зажимными элементами для концов обрабатываемой заготовки. Одна головка смонтирована на станине с возможностью вращения с обрабатываемой заготовкой относительно ее продольной оси. Устройство содержит гидроцилиндр и осевой ограничитель поворота конца заготовки, закрепленного во второй головке. Упомянутый ограничитель выполнен в виде платформы, установленной в направляющих, жестко закрепленных на станине параллельно продольной оси заготовки. Платформы жестко связана с установленной на ней второй головкой и со штоком силового гидроцилиндра. 1 ил.

Устройство для упрочнения длинномерного материала, содержащее размещенные на станине две головки с зажимными элементами для крепления концов обрабатываемой заготовки, при этом одна головка смонтирована с возможностью вращения совместно с обрабатываемой заготовкой относительно ее продольной оси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено силовым гидроцилиндром и осевым ограничителем поворота конца заготовки, закрепляемого во второй головке, при этом осевой ограничитель поворота выполнен в виде установленной в направляющих, жестко закрепленных на станине, параллельно продольной оси обрабатываемой заготовки, платформы, жестко связанной с установленной на ней второй головкой и штоком силового гидроцилиндра.