СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК B23P15/14 C25D5/34 

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к роторам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости, а также в винтовых гидромашинах общего назначения (насосах и моторах).

Известен способ изготовления ротора винтового забойного двигателя, при котором номинальный (расчетный) профиль винтовых зубьев в торцевом сечении получается путем формообразования посредством зубообработки червячной фрезой без нанесения износостойкого покрытия (см. Гусман М.Т. и др. "Винтовые забойные двигатели для бурения скважин", М., Недра, 1981, стр.125-126).

Недостатком указанного способа является то, что зубья ротора имеют недостаточную долговечность вследствие низкой твердости и быстро изнашиваются, что снижает долговечность двигателя в целом.

Известен способ изготовления ротора винтового забойного двигателя, при котором номинальный профиль винтовых зубьев ротора в торцевом сечении образуется путем формообразования посредством нарезания их червячной фрезой, а затем производится нанесение на винтовые зубья износостойкого покрытия, например, хромового (см. статью В.А. Шулепова и Ю.А. Коротаева "Методы чистовой зубообработки роторов винтовых гидродвигателей" в книге Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении, Пермь, 1998, стр.196). Это позволяет повысить твердость поверхности и износостойкость зубьев ротора, что, в свою очередь, повышает долговечность ротора, а также двигателя в целом. В настоящее время по такому способу изготавливаются роторы винтовых забойных двигателей, серийно выпускаемые заводами СНГ.

Недостатком указанного способа является то, что толщина износостойкого покрытия имеет непостоянную величину (минимальное значение во впадинах зубьев и максимальное - на выступах). Поэтому профиль винтовых зубьев ротора после нанесения износостойкого покрытия отличается (не совпадает) от номинального профиля. Из-за непостоянной толщины износостойкого покрытия по профилю винтовых зубьев ротора возникают погрешности в зацеплении, что приводит к износу ротора, потере натяга в зацеплении ротора со статором двигателя, утечкам промывочной жидкости и, в конечном счете, к снижению долговечности двигателя.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известного способа, увеличение долговечности ротора винтового забойного двигателя за счет повышения точности профиля зубьев ротора.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления ротора винтового забойного двигателя, при котором осуществляют формообразование профиля винтовых зубьев и нанесение износостойкого покрытия, формообразование винтовых зубьев осуществляют с получением промежуточного профиля зубьев в торцевом сечении в соответствии с выражениями:
x₀ = x-λsinν и y₀ = y-λcosν,
где х, у - координаты номинального профиля ротора, ν - угол наклона касательной к номинальному профилю ротора, λ - отклонение профиля ротора от номинального по нормали к нему, которое увеличивают от впадины к выступу винтовых зубьев ротора, а нанесение износостойкого покрытия осуществляют с получением номинального профиля.

Кроме того, отклонение λ профиля ротора от номинального по нормали к нему рассчитывают по формуле:

где δ - полярный угол номинального профиля ротора;
z - число зубьев ротора;
λ_a - толщина износостойкого покрытия на вершинах зубьев;
λ_f - толщина износостойкого покрытия во впадинах зубьев;
λ_s - толщина износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев по середине их высоты.

Еще одним отличием является то, что толщину λ_f износостойкого покрытия во впадинах зубьев выбирают в пределах (0,2÷0,3)λ_a.
Следующим отличием является то, что толщина λ_s износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев по середине их высоты выбирают в пределах (0,05÷0,75)λ_a.
Выполнение формообразования профиля винтовых зубьев ротора по указанным выражениям с нахождением x_о и у_о с изменением номинального профиля на величину λ и корректировкой профиля с учетом коэффициента неравномерности к позволяет получить такой профиль в торцевом сечении перед нанесением износостойкого покрытия, что после нанесения износостойкого покрытия ротор получает номинальный профиль (соответствующий расчетному), что повышает точность профиля зубьев ротора и долговечность двигателя в целом.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3 схематическими изображениями ротора винтового забойного двигателя, изготавливаемого в соответствии с предложенным способом.

На фиг.1 приведен общий вид ротора;
на фиг.2 - поперечное сечение ротора по линии А-А фиг.1;
на фиг.3 - в увеличенном масштабе торцовый номинальный профиль винтовых зубьев ротора и торцовый профиль зубьев до нанесения износостойкого покрытия; износостойкое покрытие изображено не в масштабе для лучшего понимания.

Изготавливаемый ротор винтового забойного двигателя содержит наружные винтовые зубья 1, имеющие выступы 2 и впадины 3 (фиг.1, 2).

Способ изготовления ротора винтового забойного двигателя включает формообразование винтовых зубьев 1 с получением промежуточного профиля 4 и нанесение износостойкого покрытия 5 с получением номинального (окончательного) профиля 6. Формообразование винтовых зубьев 1 ротора с получением промежуточного профиля 4 осуществляют перед нанесением износостойкого покрытия 5 посредством нарезания промежуточного профиля 4 зубьев 1 червячной фрезой. При этом промежуточный профиль 4 отличается от номинального профиля 6 на величину λ, измеряемую по нормали к профилю 6. Формообразование профиля 4 винтовых зубьев 1 в торцевом сечении перед нанесением износостойкого покрытия 5 осуществляется в соответствии с выражениями (фиг.3):
x₀ = x-λsinν
y₀ = y-λcosν,
где х, у - координаты номинального профиля 6 ротора;
ν - угол наклона касательной к номинальному профилю 6 ротора по отношению к оси X;
λ - отклонение промежуточного профиля ротора 4 от номинального профиля 6 по нормали к нему.

Отклонение λ увеличивается от впадины 3 к выступу 2 винтовых зубьев 1 ротора и рассчитывается по уравнению:

где δ - полярный угол номинального профиля 6 ротора; δ =arctg(у/х);
z - число зубьев ротора;
λ_a - толщина износостойкого покрытия 5 на выступах 2 зубьев 1;
λ_f - толщина износостойкого покрытия 5 во впадинах 3 зубьев 1;
λ_s - толщина износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев по середине их высоты.

Обычно для ротора винтового забойного двигателя толщину λ_a износостойкого покрытия на выступах 2 зубьев 1 назначают в пределах 0,2÷0,25 мм. Меньшая толщина, чем 0,2 мм, приводит к снижению запаса на износ, а большую величину, чем 0,25 мм, получить технологически сложно.

На основе практических экспериментов по отработке технологии нанесения износостойкого покрытия на ротор винтового забойного двигателя толщину λ_f износостойкого покрытия 5 во впадинах 3 зубьев 1 выбирают в пределах (0,2÷0,3)λ_a.
Толщина λ_s износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев на основе экспериментов принимается в пределах (0,05÷0,75)λ_a.
Нижнее значение толщины λ_s износостойкого покрытия на боковых сторонах назначают у роторов с числом зубьев z=5 и более. Верхнее значение толщины λ_s = 0,25λ_a назначают при числах зубьев ротора z<5.

Пример. Изготавливался ротор наружным диаметром 125 мм, число зубьев 9, высота зубьев 9,8 мм, промежуточный профиль выполнялся методом зубофрезерования червячной фрезой и рассчитывался по вышеуказанным формулам. Промежуточный профиль ротора отличался от номинального по выступам зубьев на 0,2 мм, по впадинам зубьев на 0,05 мм, а по середине боковых сторон зубьев на 0,08 мм. На ротор с промежуточным профилем зубьев наносилось износостойкое хромовое покрытие. Получен ротор с номинальным профилем хромированного ротора, который заложен в расчетах.

За счет выполнения откорректированного профиля на роторе до нанесения износостойкого покрытия обеспечивается номинальный профиль ротора с износостойким покрытием, повышается точность в зацеплении, уменьшаются утечки промывочной жидкости, что повышает долговечность двигателя.

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к роторам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может найти применение для добычи нефти и газа. Осуществляют формообразование профиля винтовых зубьев с получением промежуточного профиля зубьев в торцевом сечении в соответствии с выражениями x_o= x-λsinν и y_o= y-λcosν, где х, у - координаты номинального профиля ротора; ν - угол наклона касательной к номинальному профилю ротора; λ - отклонение профиля ротора от номинального по нормали к нему, которое увеличивают от впадины к выступу винтовых зубьев ротора. И наносят износостойкое покрытие с получением номинального профиля. Отклонение λ профиля ротора от номинального по нормали к нему рассчитывают по формуле λ = (0,5(λ_a+λ_f))(1+coszδ)-λ_f+(λ_s-0,5(λ_a+λ_f))sin²zδ, где δ - полярный угол номинального профиля ротopa; z - число зубьев ротора; λ_a- толщина износостойкого покрытия на вершинах зубьев; λ_f- толщина износостойкого покрытия во впадинах зубьев; λ_s- толщина износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев посередине их высоты. За счет выполнения откорректированного профиля на роторе обеспечивается номинальный профиль износостойким покрытием, повышается точность в зацеплении, уменьшаются утечки промывочной жидкости, что повышает долговечность двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления ротора винтового забойного двигателя, при котором осуществляют формообразование профиля винтовых зубьев и нанесение износостойкого покрытия, отличающийся тем, что формообразование винтовых зубьев осуществляют с получением промежуточного профиля зубьев в торцевом сечении в соответствии с выражениями
x_o = x-λsinν,
y_o = y-λcosν,
где х, у - координаты номинального профиля ротора;
ν - угол наклона касательной к номинальному профилю ротора;
λ - отклонение профиля ротора от номинального по нормали к нему, которое увеличивают от впадины к выступу винтовых зубьев ротора,
а нанесение износостойкого покрытия осуществляют с получением номинального профиля. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отклонение λ профиля ротора от номинального по нормали к нему рассчитывают по формуле
λ = (0,5(λ_a+λ_f))(1+coszδ)-λ_f+(λ_s-0,5(λ_a+λ_f))sin²zδ,
где δ - полярный угол номинального профиля ротора;
z - число зубьев ротора;
λ_a - толщина износостойкого покрытия на вершинах зубьев;
λ_f - толщина износостойкого покрытия во впадинах зубьев;
λ_s - толщина износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев посередине их высоты. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщину λ_f износостойкого покрытия во впадинах зубьев выбирают в пределах (0,2-0,3)λ_a.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что толщину λ_s износостойкого покрытия на боковых сторонах зубьев посередине их высоты выбирают в пределах (0,05-0,75)λ_a.