Электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки Российский патент 2022 года по МПК B23H3/04 B23H9/00 

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, применяемых в винтовых героторных гидравлических двигателях для бурения нефтяных скважин.

Статоры с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) повышают ресурс и надежность винтовых героторных гидравлических двигателей, используются для увеличения крутящего момента на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимой осевой нагрузки за счет увеличения перепада давления в режиме максимальной мощности, обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых камер между зубьями ротора и обкладки статора.

Известны винтовые героторные гидравлические двигатели компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US), имеющие статоры с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), (парк более 1000 ед.), которые более 10 лет надежно работают в скважинах на территории России и за рубежом, например, RU 2300617, RU 2321767, RU 2321768, RU 2361997, RU 2373364, RU 2652724, RU 2652725, RU 2689014, RU 2723595, RU 2745677.

Основные преимущества статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall):

- повышается нагрузочная способность статора, снижаются гистерезисные потери в обкладке, повышаются энергетические характеристики и тормозной момент двигательной секции, что исключает вероятность торможения двигателя при изменении нагрузки и повышает управляемость бурения;

- снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, натяг в соединении ротор-обкладка статора меньше зависит от температуры и деструкции ("разбухания") эластомера, обеспечиваются высокие энергетические характеристики двигателя в увеличенном интервале глубины скважины, температуры и буровых растворов на нефтяной основе;

- улучшенные энергетические характеристики двигателя позволяют эффективно использовать его с долотами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) с поликристаллическими алмазами;

- за счет меньшей толщины эластомера при отрыве кусков обкладки не происходит закупорки промывочных отверстий долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ (Журнал "Бурение и нефть", 11/2014, стр. 56÷59).

Известна установка для электрохимического фрезерования необработанной внутренней поверхности осевого отверстия трубчатой заготовки, содержащая устройство для удерживания заготовки, электрод, включающий множество смежных зубьев по окружности с канавками между ними, простирающихся между аксиально противоположными передним и задним его краями, устройство для перемещения электрода через отверстие заготовки между ближним и дальним краями заготовки, устройство для подключения заготовки и электрода в качестве анода и катода соответственно, устройство для направления электролита через отверстие для обволакивания электрода, электрохимической обработки необработанного отверстия и формирования винтового отверстия за задним краем электрода, и устройство для уплотнения заднего края электрода к заготовке для герметизации от потока электролита, предназначенного для изоляции электролита в необработанном отверстии при прохождении электрода через заготовку (US 6413407 В1, 02.07.2002).

В известной установке уплотнительное устройство для герметизации потока электролита прикреплено к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, включает устройство для направления жидкости за задним краем электрода с уплотнительным модулем, предназначенным для отделения жидкости от электролита, при этом уплотнительный модуль включает заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, направляющие зубья для уплотнения винтового отверстия больше зубьев электрода, а также включает наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между зубьями, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними, зубья электрода и направляющая расположены спирально по окружности для электрохимической обработки спиральных зубьев, а зубья наружной направляющей расположены по спирали для вращения в винтовом отверстии при перемещении электрода вдоль оси через заготовку.

В известной установке электрод выполнен полым в передней части для направления электролита через него, включает винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода и подогнанную по размеру для герметизации винтового отверстия во время электрохимической обработки, и винтовую переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода и подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия, передняя и задняя направляющие поддерживают винтовой электрод аксиально между ними для центрирования внутри заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью заготовки.

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Недостатки известного электрода объясняются неполной возможностью улучшения теплоотвода, предотвращения протекания токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, повышения точности центрирования электрода, а также недостаточной эффективностью уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Прокачка электролита с металлическим шламом осуществляется из межэлектродного промежутка через радиальные отверстия внутрь электрода, что не обеспечивает эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита, не предотвращает короткие замыкания.

Недостатком известного электрода является также высокая стоимость изготовления множества винтовых уплотнительных устройств каждого типа (числа зубьев) и размера (контурного диаметра), включающих заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, при этом направляющие зубья больше зубьев электрода для уплотнения винтового отверстия, а также включающих наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между собой, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время электрохимического фрезерования необработанной внутренней поверхности осевого отверстия трубчатой заготовки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 25 вольт, при этом поток электролита, прокачиваемого против направления движения электрода, подающегося в межэлектродный промежуток и проходящего далее через отверстия электрода, не обеспечивает улучшения теплоотвода, что увеличивает вероятность потери устойчивости и возникновения неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода, используемого в качестве катода.

Недостатком известного электрода является также недостаточная эффективность защиты от коротких замыканий и механических повреждений, что объясняется тем, что электрод, закрепленный на приводной штанге (длиной до 6500 мм), вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения устройства уплотнения заднего края электрода в винтовом отверстии заготовки происходит потеря устойчивости приводной штанги, разрушение электрической изоляции и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается ресурс электрода и повышение точности обработки, а также возможность уменьшения расхода электроэнергии.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что процесс электрохимической обработки в известной установке предназначен для получения гладкого винтового зубчатого профиля внутренней поверхности в необработанном отверстии трубчатой заготовки, при этом для предотвращения ухудшения шероховатости обработанной поверхности при дальнейшем воздействии электролита после создания канала нужных размеров, задняя внутренняя направляющая, присоединенная к заднему краю электрода, образует уплотнение за электродом, а вода или другая жидкость затем прокачивается под давлением за задней направляющей электрода для обеспечения промывки оставшегося электролита.

Для достижения гладкой поверхности винтового зубчатого профиля в осевом отверстии трубчатой заготовки, увеличено время окончательной обработки внутренней стенки трубчатой заготовки в отдельной камере под действием электролита, вследствие этого в указанной отдельной камере имеются неизолированные поверхности, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, что не позволяет уменьшить расход электроэнергии и увеличить производительность обработки, изображено на фиг. 2, 3, 5 патента US 6413407.

Недостатком известного электрода является также то, что гладкий винтовой зубчатый профиль внутренней поверхности в отверстии трубчатой заготовки, получаемый в результате электрохимической обработки, не обеспечивает требуемую адгезионную прочность "привулканизованной" (скрепленной при помощи вулканизации эластомера) затем обкладки из эластомера к профилю внутренней винтовой поверхности трубчатой заготовки.

Вследствие этого не обеспечиваются свойства материала в конструкции, по существу, усталостная выносливость эластомера при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ 426-77).

Известна установка для электрохимической обработки геликоидального зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали для изготовления статора винтового двигателя или насоса, включающая электрод зубчатой формы, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории таким образом, чтобы электрод мог электрохимическим методом обрабатывать геликоидальный зубчатый профиль внутренней поверхности трубчатой детали, а устройство для создания траектории потока и направления электролита в первоначальном пространстве между электродом и деталью выполнено таким образом, чтобы электропитание обеспечивало электрический ток через электролит на первоначальном пространстве между электродом и деталью, где траектория потока также включает в себя зону за электродом, в то время как электрод движется вдоль прямолинейной траектории, и электролит может использоваться для создания шероховатости на внутренней поверхности детали после обработки электродом, при этом электрод удерживается внутри детали в течение продолжительного времени для достижения шероховатости внутренней поверхности детали (US 7192260 В2, 20. 03. 2007).

Известная установка включает электрод для формирования винтовых зубьев в трубчатой детали, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории, электропитание, соединенное с электродом и имеющее соединение с трубчатой деталью, расположенной вдоль прямолинейной траектории и установленной таким образом, что электрод может проходить в осевом положении внутри трубчатой детали, посредством чего электропитание может обеспечивать электрический ток через электрод (катод) и деталь (анод), при этом траектория потока для направления электролита между электродом и деталью включает зону, обозначенную между частью приводной штанги и деталью за электродом, и включает электрический проводник, соединенный с электропитанием и воздействующий на зону, где электрический ток установлен через электролит внутри зоны между проводником и деталью, при этом содержит зону значительного размера в направлении прямолинейной траектории, причем электрический ток, проведенный в зону, может травить, и тем самым увеличивать шероховатость окончательно обработанной внутренней поверхности детали после обработки электродом, а электрод удерживается внутри трубчатой детали в течение продолжительного времени, достаточного для достижения шероховатости внутренней поверхности детали.

В известной установке электрод соединен с приводной штангой при помощи инструментального конуса, наружная поверхность которого имеет форму усеченного конуса и соединяется с внутренней поверхностью в форме усеченного конуса в приводной штанге и электроде, при этом пространство определяется уплотнением на приводной штанге, контактирующим с винтовыми каналами детали.

В известной установке часть приводной штанги покрыта изолирующей муфтой, а электрический проводник воздействует на зону между частью приводной штанги и деталью, которая является частью приводной штанги, не покрытой изолирующей муфтой.

В известной установке содержится, по меньшей мере, один канал для прохождения электролита мимо направляющей, созданный на наружной поверхности приводной штанги, между приводной штангой и деталью, при этом задняя направляющая образована для создания зоны, где электролит проходит между задней направляющей и приводной штангой для отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги, при этом задняя направляющая содержит множество каналов для прохождения электролита между задней направляющей и приводной штангой с целью отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги.

Отличием изобретения, выбранного в качестве прототипа, от аналога, описанного в патенте US 6413407 В1, является то, что для достижения шероховатости поверхности внутренней стенки трубы статора, увеличено время окончательной обработки внутренней стенки трубы под действием электролита, и тогда электрический ток может продолжать травление внутренней обработанной поверхности, посредством этого достигается шероховатость поверхности, что обеспечивает требуемую адгезионную прочность скрепленной обкладки из эластомера при помощи вулканизации эластомера к профилю внутренней поверхности трубчатой заготовки.

Электролит вводится через канал 42 в камеру на входе (приближенную к месту крепления) 44, изображено на фиг.7 патента US 7192260 В2.

Во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46, и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, где проходит приводная штанга, предпочтительное расположение канавок - параллельно друг другу с интервалами по окружности центрального отверстия задней направляющей детали 50, при этом поток электролита через эти канавки обеспечивает охлаждение зоны контакта электрода и приводной штанги, а электролит проходит затем через электрод 52 в направлении от входа к выходу, т.е. по направлению движения электрода мимо передней направляющей 80 и ниже длины необработанного отверстия 56 детали 46, в камеру, где электролит выпускается и отправляется на повторное использование, изображено на фиг. 9, 10 патента US 7192260 В2.

Камера 44 имеет внутренний диаметр в соответствии с размером обработанного профиля детали, чтобы удержать вес электрода, перед тем как задняя направляющая входит в деталь, при этом задняя направляющая 50 направляет поток электролита и удерживает вес электрода, установленного на приводной штанге 48, но она не выполняет функции уплотнения, электролит остается в положении за электродом во время процесса обработки, при этом изолирующая трубка 60 приводной штанги смещена в положение 62, чтобы открыть кольцевую площадь 64 приводной штанги достаточной длины, тогда электрический ток между направляющим стержнем и деталью будет оказывать травление окончательно обработанной внутренней стенки трубчатой детали, изображено на фиг. 7, 10 патента US 7192260 В2.

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки, например, максимального габарита трубчатой заготовки - длиной 7500 мм и наружным диаметром 260 мм, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Недостатки известного электрода объясняются неполной возможностью повышения эффективности теплообмена электрода, обеспечения изотермических условий с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, предотвращения протекания токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, повышения точности центрирования электрода, а также недостаточной эффективностью уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") электрода.

Во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46, и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, что не обеспечивает изотермические условия с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, при этом металлический шлам накапливается между задней стенкой направляющей 80 и передним торцом электрода 52, что не обеспечивает эффективного уноса металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита, изображено на фиг. 9, 10 патента US 7192260 В2.

Недостатком известного электрода является также высокая стоимость изготовления множества винтовых уплотнительных устройств каждого типа (числа зубьев) и размера (контурного диаметра), включающих заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, при этом направляющие зубья больше зубьев электрода для уплотнения винтового отверстия, а также включающих наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между собой, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время обработки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 20 вольт, передача электрического тока с таким высоким значением между электродом и приводной штангой не обеспечивает надежной защиты от коротких замыканий электрода и обрабатываемой детали, а поток электролита 30, прокачиваемого в межэлектродный промежуток и проходящего через каналы 49 электрода 52 или через каналы 91 электрода 88, не обеспечивает эффективного охлаждения электрода и минимального градиента температуры в его стенках и на рабочей поверхности, увеличивает вероятность возникновения неизолированных поверхностей (частиц металлического шлама в электролите), через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается форма и размеры электрода, имеющего винтовую зубчатую форму наружной поверхности, не обеспечивается форма и размеры винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а также не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260 В2.

Недостаточная эффективность защиты электрода от механических повреждений и коротких замыканий объясняется также тем, что приводная штанга с закрепленным на ней электродом вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения уплотнительных элементов 86, 92 относительно геликоидального зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали происходит потеря устойчивости приводной штанги и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечиваются ресурс электрода, изображено 7, 9, 10 патента US 7192260 В2.

Известен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, а также содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, при этом передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор, выполненный из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода (RU 2586365 С1, 10.06.2016).

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения надежности и ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального (в России) габарита 260 мм, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Неполная возможность повышения надежности и ресурса электродного блока при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки и снижения расхода электроэнергии объясняется отсутствием плотного контакта по торцам токопроводящих деталей - электрода и оправки при затяжке болта на торце оправки вследствие того, что между электродом и оправкой размещен центратор из диэлектрического материала, при этом не предотвращается протекание токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, а также в зоне контакта электрода и оправки, при этом возникают короткие замыкания в зоне контакта электрода и оправки, а также в резьбовом соединении болта с оправкой и в резьбовом соединении оправки и приводной штанги, изображено на фиг.1, 2, 7 патента RU 2586365 С1.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, при этом электродный блок снабжен резьбовым модулем и внутренней втулкой, скрепленной с центратором из диэлектрического материала, выполненной из токопроводящего материала и установленной коаксиально на оправке, при этом край приводной штанги, направленный к электроду, выполнен с наружным центрирующим поясом, а оправка выполнена со сквозным центральным отверстием и внутренним центрирующим поясом и установлена коаксиально на центрирующем поясе приводной штанги, резьбовой модуль прикреплен к приводной штанге сквозь центральное отверстие оправки и имеет резьбовые элементы на открытом краю оправки с возможностью плотных контактов переднего торца электрода с задним торцом внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала, переднего торца внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала с упорным торцом оправки, и торцов оправки и приводной штанги, при этом со стороны контактирующего с задним торцом электрода торца задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, в плоскости каждой впадины между зубьями выполнена кавитационная каверна с возможностью образования собственных щелевых каналов для электролита, соединенных с выходом дополнительных каналов для электролита, образованных вкладышем из диэлектрического материала с поперечным сечением в форме двутаврового профиля, а стенка задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, имеет минимальную толщину в плоскости каждой впадины между зубьями (RU 2663789 С1, 09.08.2018).

Недостатками известного электродного блока для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), являются неполная возможность повышения его ресурса и надежности, повышения точности обработки и снижение расхода электроэнергии путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального (в России) габарита 260 мм.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального габарита 260 мм, составляет 200÷250 кг.

Недостатки известного электродного блока объясняются отсутствием задней направляющей для перемещения за электродом в винтовом отверстии, поддерживающей винтовой электрод на оправке аксиально для дополнительного ("двухопорного") центрирования электрода внутри трубчатой заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, а также неполная возможность создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов"), вследствие этого - неполная возможность повышения точности обработки, ресурса и надежности электродного блока при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а также снижения расхода электроэнергии.

Техническим результатом представленного в данном описании электродного блока для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) является повышении его ресурса и надежности, повышение точности обработки за счет выполнения в задней части экрана наружного пояса, имеющего круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, поддерживающего винтовой электрод на оправке аксиально для дополнительного центрирования электрода внутри трубчатой заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, а также за счет повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита из межэлектродного промежутка и кольцевой (кавитационной) камеры, образованной между передней и задней частями экрана, через множество каналов - впадин между зубьями винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, ограниченных наружным поясом в задней части экрана, в полость за винтовой задней направляющей при перемещении за электродом в винтовом отверстии трубчатой заготовки.

Другой технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности винтовых героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых статор выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости эластомера при знакопеременном изгибе с вращением, а также за счет повышения прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора.

Сущность технического результата, представленного в данном описании, заключается в том, что в электродном блоке для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащем электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащем оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, установленной на оправке, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного соединения необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, а также содержащем задний кожух из диэлектрического материала, коаксиально установленный на оправке, прикрепленный к экрану из диэлектрического материала, согласно изобретению винтовая задняя направляющая, прикрепленная к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, выполненная в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, содержащего в передней части экрана множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, в задней части экрана содержит наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, при этом между передней частью экрана, включающей множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, и задней частью экрана, включающей наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, образована кольцевая камера, ограниченная поверхностью винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, выполненная с возможностью направления текучей среды - электролита с металлическим шламом, через каналы, образованные упомянутым наружным поясом в задней части экрана и множеством впадин винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, в полость за винтовой задней направляющей.

Задний кожух из диэлектрического материала, коаксиально установленный на оправке, выполнен с наружным поясом, имеющим круглую боковую поверхность, а задняя часть экрана из диэлектрического материала выполнена с внутренним поясом, имеющим круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с упомянутым наружным поясом заднего кожуха.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что винтовая задняя направляющая, прикрепленная к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, выполненная в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, содержащего в передней части экрана множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, в задней части экрана содержит наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, при этом между передней частью экрана, включающей множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, и задней частью экрана, включающей наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, образована кольцевая камера, ограниченная поверхностью винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, выполненная с возможностью направления текучей среды - электролита с металлическим шламом, через каналы, образованные упомянутым наружным поясом в задней части экрана и множеством впадин винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, в полость за винтовой задней направляющей, обеспечивает повышение ресурса и надежности, повышение точности обработки за счет выполнения в задней части экрана наружного пояса, имеющего круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки и поддерживающего винтовой электрод на оправке аксиально для дополнительного (двухопорного) центрирования электрода (вес электрода на оправке составляет, например, 45 кг) внутри трубчатой заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, а также за счет повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита из межэлектродного промежутка и кольцевой (кавитационной) камеры, образованной между передней и задней частями экрана, через множество каналов - впадин между зубьями винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, ограниченных наружным поясом в задней части экрана, в полость за винтовой задней направляющей для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") при перемещении за электродом в винтовом отверстии трубчатой заготовки.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом уменьшает потери давления потока электролита - хлорида натрия на водной основе (NaCl) под давлением в системе - 4,0 МПа и гидроабразивный "размыв" за счет выравнивания скоростей и давлений потока электролита между выходами чередующихся пазов на круглой боковой поверхности центратора и входами в камеры внутри каждого винтового зуба электрода, между входами в дополнительные камеры электрода, образованные вкладышами в форме двутаврового профиля, установленными в пазах между зубьями электрода, а также в кольцевой (кавитационной) камере, образованной в экране задней направляющей, выполненной с возможностью насосной подачи текучей среды - электролита, включающего металлический шлам, через множество проточных каналов - впадин между поверхностью винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, образованных наружным поясом в задней части экрана, в полость за задним краем винтовой задней направляющей, для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") при перемещении за электродом в винтовом отверстии трубчатой заготовки, обеспечивает изотермические условия с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, улучшает теплоотвод за счет создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") из межэлектродного промежутка, а также из упомянутой кольцевой (кавитационной) камеры.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом обеспечивает также повышение ресурса и надежности винтовых героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости эластомера при знакопеременном изгибе с вращением, а также за счет повышения прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, что предотвращает отслоение обкладки из эластомера на рабочей длине корпуса, а также растрескивание, отслоение и вырывы кусков обкладки из эластомера по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Вследствие этого повышаются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77), что предотвращает закупорку промывочного узла бурового долота, по существу, предотвращает основной отказ компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при бурении скважины по причине - "резина в долоте", при этом требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются существенные экономические преимущества заявляемой конструкции.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что задний кожух из диэлектрического материала, коаксиально установленный на оправке, выполнен с наружным поясом, имеющим круглую боковую поверхность, а задняя часть экрана из диэлектрического материала выполнена с внутренним поясом, имеющим круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с упомянутым наружным поясом заднего кожуха, повышает точность получаемой в результате электрохимической обработки формы и размеров винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки за счет повышения жесткости наружного центрирующего пояса в задней части экрана, поддерживающей электродный блок на оправке (вес электрода на оправке составляет, например, 45 кг) аксиально для дополнительного центрирования внутри трубчатой заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, повышает эффективность уноса и очистки металлического шлама потоком электролита из межэлектродного промежутка, а также из кольцевой (кавитационной) камеры экрана, выполненной с возможностью сообщения с множеством впадин между внутренними винтовыми зубьями в отверстии трубчатой заготовки, образованных упомянутым наружным центрирующим поясом в задней части экрана.

Ниже изображен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, предназначенной для изготовления статора с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), например, статора, опубликованного в патенте RU 2745677 С1, 25. 02. 2020.

На фиг. 1 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой, в процессе электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 2 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой.

На фиг. 3 изображен разрез А-А на фиг. 2 края приводной штанги, оправки и гильзы в месте крепления резьбового модуля к приводной штанге.

На фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 2 переднего края электрода с вкладышами в форме двутаврового профиля, установленными в канавках между винтовыми зубьями электрода.

На фиг. 5 изображен разрез В-В на фиг. 1 задней части экрана, наружный пояс экрана подвижно соединен с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 6 - изометрическое изображение электродного блока со стороны заднего края электрода.

На фиг. 7 - изометрическое изображение электродного блока со стороны переднего края электрода.

На фиг. 8 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой, при завершении электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 9 изображено поперечное сечение трубчатой заготовки (остова статора), получаемой после электрохимической обработки.

На фиг. 10 изображено поперечное сечение статора героторного гидравлического двигателя, в котором статор выполнен с винтовым зубчатым профилем и равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

Электродный блок 1 для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 содержит электрод 5 (из латуни Л-63 ГОСТ 15527-70), имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 6, включающий винтовую заднюю направляющую 7, присоединенную к заднему краю (торцу) 8 электрода 5, для перемещения за ним в винтовом отверстии 2, и переднюю направляющую 9, прикрепленную к переднему краю (торцу) 10 электрода 5 с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием 3 трубчатой заготовки 4, а также содержит оправку 11 для установки на ней электрода 5, предназначенную для соединения с приводной штангой 12 для продвижения электрода 5 вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода 5 вокруг своей оси 13 параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного межэлектродного зазора 14 между зубьями 15 электрода 5 и винтовым зубчатым профилем 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 в межэлектродном промежутке 16, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Передняя направляющая 9 электрода 5 выполнена в виде гильзы 17 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), при этом гильза 17, установленная на оправке 11 и используемая в качестве передней направляющей 9 электрода 5, фиксируется относительно оправки 11 при помощи винтов 18, скрепленных с оправкой 11 с возможностью упора головок 19 винтов 18 в оправку 11 и обеспечения плотного контакта головок 19 винтов 18 с отверстиями 20 для головок 19 винтов 18 в гильзе 17, а отверстия 20 для головок 19 винтов 18 герметично закрыты с наружной поверхности 21 гильзы 17 заглушками 22 из диэлектрического материала, при этом гильза 17 снабжена каналами 23, 24 в оправке 11 и гильзе 17 соответственно, для направления электролита 25 в полость 26 внутри необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4 между торцом 27 гильзы 17 и передним краем 10 электрода 5, а также снабжена уплотнителями 28 из эластомера для герметизации гильзы 17 относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Электрод 5 образует внутри каждого винтового зуба 15 камеру 29 для электролита 25, в стенке каждого винтового зуба 15 электрода 5 выполнен ряд поперечных щелевых каналов 30 для направления электролита 25 в межэлектродный промежуток 16, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6, 7.

В пазах 31 между винтовыми зубьями 15 электрода 5 установлены вкладыши 32 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), число вкладышей 32 равно числу винтовых зубьев 15 электрода 5, в поперечном сечении каждый вкладыш 32 выполнен в форме двутаврового профиля, а ребро 33 двутаврового профиля расположено в радиальной плоскости, например, 34 относительно центральной продольной оси 13 электрода 5, и образует две смежные дополнительные камеры 35, 36 для электролита 25, разделенные ребром 33 двутаврового профиля, изображено на фиг. 1, 2, 4, 6, 7.

Входы 37, 38 каждой дополнительной камеры 35, 36 электрода 5, образованной вкладышами 32 из диэлектрического материала, а также входы 39 каждый камеры 29 внутри каждого винтового зуба 15 для электролита 25, расположены со стороны переднего края 10 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 4, 7.

Каждый торец 40, 41 полки 42 двутаврового профиля вкладыша 32, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью 43, 44 электрода 5 винтовой канал 45, 46 для направления электролита 25 в межэлектродный промежуток 16, изображено на фиг. 1, 2, 4, 6, 7.

Винтовая задняя направляющая 7 выполнена в виде зубчатого (калибрующего) диска 47 (из Латуни Л-63 ГОСТ 15527-70), контактирующего с задним торцом 8 электрода 5, и экрана 48 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-390463 37-04), скрепленных при помощи винтов 49 с задним торцом 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2.

На оправке 11 между передней частью 10 электрода 5 и задней частью 50 гильзы 17 установлен центратор 51, выполненный из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), имеющий круглую боковую поверхность 52, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, два торца 53 и 54, чередующиеся выступы 55 и пазы 56 на круглой боковой поверхности 52, выполненные с возможностью направления электролита 25 в камеры 29 внутри каждого винтового зуба 15 электрода 5 и дополнительные камеры 35, 36 электрода 5, образованные вкладышами 32, установленными в пазах 31 между зубьями 15 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 4, 6.

Центратор 51 из диэлектрического материала, расположенный на оправке 11 между передней частью 10 электрода 5 и задней частью 50 гильзы 17 из диэлектрического материала, снабжен втулкой 57 из токопроводящего материала (втулка бронзовая ГОСТ 613-79), край 58 приводной штанги 12, направленный к электроду 5, выполнен с наружным центрирующим поясом 59, а оправка 11 выполнена с центральным отверстием 60 и внутренним центрирующим поясом 61 и установлена коаксиально на центрирующем поясе 59 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2

Электродный блок 1 снабжен резьбовым модулем 62, выполненным в виде резьбовой шпильки 63 и гайки 64, скрепленных с приводной штангой 12 при помощи резьбы в приваренном к приводной штанге 12 вкладыше 65 с ребрами 66, а шпилька 63 расположена внутри отверстия 60 оправки 11, при этом электродный блок 1 содержит шайбу 67 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), имеющую наружную резьбу 68, а также содержит задний кожух 69 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04) имеющий внутреннюю резьбу 70, при этом задний кожух 69 закреплен на наружной резьбе 68 шайбы 67, коаксиально установлен на оправке 11 при помощи шайбы 67, плотно установленной на наружной поверхности 71 оправки 11, а шайба 67, экран 48, калибрующий диск 47, электрод 5, втулка 57 с торцом 72 в центраторе 51, закреплены на оправке 11 гайкой 73, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Винтовая задняя направляющая 7, прикрепленная к заднему краю (торцу) 8 электрода 5 для перемещения за ним в винтовом отверстии 2, выполненная в виде зубчатого (калибрующего) диска 47 (из Латуни Л-63 ГОСТ 15527-70), контактирующего с задним торцом 8 электрода 5, и экрана 48 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), скрепленных при помощи винтов 49 с задним краем (торцом) 8 электрода 5, содержащая в передней части 74 экрана 48 множество смежных винтовых зубьев 75 по окружности с канавками 76 между ними, в задней части 77 экрана 48 содержит наружный пояс 78, имеющий круглую боковую поверхность 79, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром 80 винтового зубчатого профиля 2 в обработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг.1, 2, 5, 6,7.

Между передней частью 74 экрана 48, включающей множество смежных винтовых зубьев 75 по окружности с канавками 76 между ними, и задней частью 77 экрана 48, включающей наружный пояс 78, имеющий круглую боковую поверхность 79, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром 80 винтового зубчатого профиля 2 в обработанном электрохимическим методом отверстии 3 трубчатой заготовки 4, образована кольцевая (кавитационная) камера 81, ограниченная поверхностью винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, выполненная с возможностью направления текучей среды 82 - электролита, содержащего металлический шлам, через множество каналов - впадин 83 между зубьями 84 винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, ограниченных наружным поясом 78 в задней части 77 экрана 48, в полость 85 за винтовой задней направляющей 7, изображено на фиг. 1, 2, 5, 6, 7.

Задний кожух 69 из диэлектрического материала, имеющий внутреннюю резьбу 70, закрепленный на наружной резьбе 68 шайбы 67, коаксиально установлен на оправке 11 при помощи шайбы 67, плотно установленной на наружной поверхности 71 оправки 11, а шайба 67, экран 48, калибрующий диск 47, электрод 5, втулка 57 с торцом 72 в центраторе 51, плотно контактируют между собой и закреплены на оправке 11 гайкой 73, при этом задний кожух 69 выполнен с наружным поясом 86, имеющим круглую боковую поверхность 87, а задняя часть 77 экрана 48 из диэлектрического материала выполнена с внутренним поясом 88, имеющим круглую боковую поверхность 89, с возможностью подвижного соединения с наружным поясом 86 заднего кожуха 69, при этом задняя часть 77 экрана 48 закреплена торцом 90 заднего кожуха 69, имеющего внутреннюю резьбу 70, на наружной резьбе 68 шайбы 67, закрепленной на оправке 11 гайкой 73, изображено на фиг. 1, 2, 5, 8.

Кроме того, на наружном центрирующем поясе 59 приводной штанги 12 установлена втулка 91 из диэлектрического материала, подогнанная по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, контактирующая задним торцом 92 с передним торцом 93 гильзы 17 из диэлектрического материала, при этом втулка 91 из диэлектрического материала, с центрирующим поясом 94, содержит уплотнители 95, 96, 97, для герметизации относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, приводной штанги 12 и переднего торца 93 гильзы 17 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2.

На приводной штанге 12, которая является проводником тока к электроду 5, установлен трубчатый экран 98 из диэлектрического материала, охватывающий наружную поверхность 99 приводной штанги 12, а в тупиковой полости 100 оправки 11 установлена втулка 101 из диэлектрического материала, направляющая поток электролита 25 через каналы 23 в оправке 11 и совмещенные каналы 24 в гильзе 17 в полость 26 внутри необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4 между торцом 27 гильзы 17 и передним краем 10 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки снабжен устройством 102 фиксации (шпоночным соединением) углового положения электрода 5 и внутренней втулки 57, скрепленной с центратором 51, относительно оправки 11, изображено на фиг. 1, 2, 4, 6, 7.

Кроме того, на фиг. 9 изображено поперечное сечение трубчатой заготовки 4 (остова статора), получаемой после электрохимической обработки, а на фиг. 10 изображено поперечное сечение статора героторного гидравлического двигателя, в котором статор выполнен с винтовым зубчатым профилем 2 и равномерной толщиной 103 обкладки 104 из эластомера (R-Wall).

Электродный блок используют в установке ЭХО (RU 2578895, RU 2710092), компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US), для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

Предварительно собирают электродный блок 1.

В пазы 31 (в форме трапеции) между винтовыми зубьями 15 электрода 5 устанавливают вкладыши 32 из диэлектрического материала, входы 37, 38 каждой дополнительной камеры 35, 36 электрода 5, образованной вкладышами 32 из диэлектрического материала, располагают со стороны переднего края 10 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 6, 7.

Винтовую заднюю направляющую 7, выполненную в виде зубчатого диска 47 и экрана 48 из диэлектрического материала, скрепляют при помощи винтов 49 с задним торцом 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2.

На оправку 11 устанавливают гильзу 17 из диэлектрического материала, используемую в качестве передней направляющей 9 электрода 5, совмещают каналы 23, 24 в гильзе 17 и оправке 11, фиксируют гильзу 17 относительно оправки 11 при помощи винтов 18, скрепляют винты 18 с оправкой 11 с возможностью упора головок 19 винтов 18 в оправку 11 и обеспечения плотного контакта головок 19 винтов 18 с отверстиями 20 для головок 19 винтов 18 в гильзе 17, отверстия 20 для головок 19 винтов 18 герметично закрывают с наружной поверхности гильзы 17 заглушками 22 из диэлектрического материала, устанавливают уплотнители 28 из эластомера в кольцевые канавки на наружной поверхности гильзы 17, изображено на фиг. 1, 2.

На оправку 11 устанавливают шпонку для обеспечения шпоночного соединения 102, устанавливают центратор 51 из диэлектрического материала, скрепленный с втулкой 57, и электродный блок 1, затем устанавливают шайбу 67 из диэлектрического материала и закрепляют при помощи гайки 73 на открытом краю оправки 11 для обеспечения плотных контактов переднего торца 10 электрода 5 с задним торцом 72 внутренней втулки 57 в центраторе 51, а также переднего торца 53 внутренней втулки 57 в центраторе 51 с упорным торцом 50 оправки 11, изображено на фиг. 1, 2.

Устанавливают кран-балкой трубчатую заготовку 4 в люнеты: ближний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики неподвижно скрепленного с рамой установки регулируемого люнета, а дальний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики скрепленного с рамой установки, перемещаемого на раме установки в продольном направлении, вдоль отверстия 3 трубчатой заготовки 4 второго люнета (не показано).

На приводной штанге 12 с трубчатым экраном 98 из диэлектрического материала, в резьбу внутри резьбового отверстия в цапфе 65 с ребрами 66, которая скреплена с краем 58 приводной штанги 12 при помощи сварки, заворачивают резьбовую шпильку 62 и затягивают резьбовую шпильку 62 (с шестигранником у основания резьбы) с цапфой 65 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Устанавливают приводную штангу 12 с экраном 98 из диэлектрического материала на собственные люнеты, скрепляют болтами фланец приводной штанги 12 с приводом вращения приводной штанги 12, установленном на суппорте, соединенном с приводом продольного перемещения суппорта (не показано).

Включают привод продольного перемещения суппорта и вдвигают приводную штангу 12, снабженную трубчатым экраном 98 из диэлектрического материала и закрепленной резьбовой шпилькой 62 в отверстие 3 трубчатой заготовки 4, установленной в собственных люнетах, при этом край приводной штанги 12 располагают с "вылетом" из отверстия 3 трубчатой заготовки 4 таким образом, чтобы край экрана 98 на приводной штанге 12 располагался на дальнем от привода вращения приводной штанги 12 крае трубчатой заготовки 4, чтобы было удобно монтировать электродный блок 1 с оправкой 11 на краю 58 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2.

На центрирующий пояс 59 приводной штанги 12 устанавливают втулку 91 из диэлектрического материала, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, устанавливают уплотнители 95, 96, 97, для герметизации относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, приводной штанги 12 и переднего торца 93 гильзы 17 из диэлектрического материала, на резьбовую шпильку 62 устанавливают втулку 101 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2.

На приводную штангу 12 устанавливают шпонку для обеспечения шпоночного соединения 102, на наружный центрирующий пояс 59 приводной штанги 12 устанавливают оправку 11 по внутреннему центрирующему поясу 61, на оправку 11 устанавливают центратор 51 с втулкой 57, электрод 5 с задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого (калибрующего) диска 47 и экрана 48 из диэлектрического материала, скрепленных при помощи винтов 49 с задним торцом 8 электрода 5, устанавливают шайбу 67, закрепляют упомянутые сборочные модули - центратор 51 с втулкой 57, электрод 5 с задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого (калибрующего) диска 47 и экрана 48, при помощи гайки 73, затем скрепляют оправку 11 с приводной штангой 12 при помощи гайки 64 на открытом торце оправки 11, изображено на фиг. 1, 2.

На наружную поверхность 71 оправки 11 устанавливают шайбу 67, при этом шайбу 67, экран 48, калибрующий диск 47, электрод 5, втулку 57 с торцом 72 в центраторе 51 закрепляют на оправке 11 гайкой 73, изображено на фиг. 1, 2.

Задний кожух 69 из диэлектрического материала, имеющий внутреннюю резьбу 70, закрепляют на наружной резьбе 68 шайбы 67, установленной на наружной поверхности 71 оправки 11, при этом задний кожух 69, выполненный с наружным поясом 86, имеющим круглую боковую поверхность 87, а также задняя часть 77 экрана 48 из диэлектрического материала выполненная с внутренним поясом 88, имеющим круглую боковую поверхность 89, с возможностью подвижного соединения (скольжения) с наружным поясом 86 заднего кожуха 69, плотно устанавливают между собой при закручивании внутренней резьбы 70 заднего кожуха 48 на наружной резьбе шайбы 67, а торцом 90 заднего кожуха 48 закрепляют заднюю часть 77 экрана 48, изображено на фиг. 1, 2, 5, 8.

Перемещают вдоль направляющей рамы на второй край трубчатой заготовки 4 камеру для электролита 25, снабженную устройством для поддержания избыточного давления электролита 25 в межэлектродном промежутке 16, (не показано).

В начале электрохимической обработки приводная штанга 12 с экраном 98, которая является проводником тока к электроду 5, расположена внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4.

Электродный блок 1, скрепленный с приводной штангой 12, расположен в камере для электролита 25 (не показанной), а передняя направляющая 9 электрода 5, выполненная в виде гильзы 17 из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой 11, имеющей уплотнители 28 из эластомера, и втулки 91 из диэлектрического материала, размещенной на наружном центрирующем поясе 59 приводной штанги 12, имеющей уплотнители 95, 96, 97 для герметизации относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, приводной штанги 12 и переднего торца 93 гильзы 17, установлена в необработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2.

Присоединяют источник электрического тока, например, выпрямитель KRAFT 12000/24 (DE), для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и с токосъемником для подключения вращающейся приводной штанги 12 и электрода 5 в виде катода, через поток электролита 25 в межэлектродном промежутке 16, а также соединяют блок управления с электрическими выходными сигналами параметров установки с компьютером.

Включают блок управления, соединенный с компьютером, при этом автоматически включаются насосы, электрооборудование, источник электрического тока - выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, привод вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12, при этом сила технологического тока составляет 12000 А, напряжение составляет 24 В.

При помощи привода продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, и привода вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12, электрод 5, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 6, включающий винтовую заднюю направляющую 7, прикрепленную к заднему краю 8 электрода 5, и переднюю направляющую 9, прикрепленную к переднему краю 10 электрода 5 с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием 3 трубчатой заготовки 4, совершает продольное и вращательное движение, и образует винтовой зубчатый профиль внутренней поверхности 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2, 6, 7, 8, 9.

Электролит 25 в процессе электрохимической обработки циркулирует по гидравлической схеме: бак рабочий с электролитом 25, бак промежуточный с электролитом 25, бак промывки с электролитом 25, насосы, модули фильтров, а также арматура (теплообменники, фильтры, вентили, затворы дисковые, датчики давления, температуры, расхода, рукав высокого давления и гибкий рукав сливной) и устройства для регулирования параметров электролита, управляемых выходными сигналами блока управления, при этом максимальное давление электролита в системе - 4,0 МПа.

В электрохимическом процессе используют электролит 25 на основе хлорида натрия на водной основе (Na Cl), при осуществлении указанного процесса вода разлагается, а ионы ОН соединяются с ионами железа, образуя FOH, который выпадает в осадок и подвергается фильтрованию в модуле фильтров, концентрация электролита 18÷20%, температура электролита 40С°, водородный показатель электролита 7÷9 рН, максимально допустимое количество продуктов анодного растворения в электролите 50 г/л.

Скорость рабочей подачи электродного блока 1 (бесступенчатое регулирование) составляет 15÷45 мм/мин, частота вращения приводной штанги 12 (бесступенчатое регулирование) составляет 0÷0,75 об/мин.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля 2 в необработанной поверхности отверстия 3 трубчатой заготовки 4 для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), например, трубчатой заготовки 4 длиной 7500 мм максимального габарита 260 мм, составляет 200÷250 кг.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля таким образом, что винтовая задняя направляющая 7, прикрепленная к заднему краю 8 электрода 5 для перемещения за ним в винтовом отверстии 2, выполненная в виде зубчатого диска 47, контактирующего с задним торцом 8 электрода 5, и экрана 48 из диэлектрического материала, скрепленных при помощи винтов 49 с задним краем 8 электрода 5, содержащая в передней части 74 экрана 48 множество смежных винтовых зубьев 75 по окружности с канавками 76 между ними, в задней части 77 экрана 48 содержит наружный пояс 78, имеющий круглую боковую поверхность 79, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром 80 винтового зубчатого профиля 2 в обработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4, при этом между передней частью 74 экрана 48, включающей множество смежных винтовых зубьев 75 по окружности с канавками 76 между ними, и задней частью 77 экрана 48, включающей наружный пояс78, имеющий круглую боковую поверхность 79, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром 80 винтового зубчатого профиля 2 в обработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4, образована кольцевая камера 81, ограниченная поверхностью винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, выполненная с возможностью направления текучей среды 82 - электролита, содержащего металлический шлам, через множество каналов - впадин 83 между зубьями 84 винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, ограниченных наружным поясом 78 в задней части 77 экрана 48, в полость 85 за винтовой задней направляющей 7, обеспечивает надежный контроль межэлектродного зазора 14 в межэлектродном промежутке 16 за счет использования электронных датчиков давления, температуры и расхода электролита, а также блока управления с электрическими выходными сигналами параметров установки, соединенного с компьютером.

По истечении времени технологического процесса отключают блок управления, соединенный с компьютером, насосы, электрооборудование, источник электрического тока - выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, привод вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12.

Отключают токосъемник для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и токосъемник для подключения вращающейся приводной штанги 12 и электрода 5 в виде катода.

Для этого отводят две полумуфты токосъемника с колодками от неподвижной трубчатой заготовки 4, отсоединяют устройство для удерживания заготовки 4 в местах крепления его крепление с рамой, перемещают вдоль направляющей рамы камеру для электролита 25 вместе с устройством для удерживания заготовки 4, отворачивают задний кожух 69, отворачивают гайку 64 и снимают электродный блок 1, включающий оправку 11 с размещенными на ней гильзой 17, центратором 51, электродом 5 вместе с задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 47 и экрана 54, скрепленных при помощи винтов 55 с задним торцом 8 электрода 5, и размещают их в технологическом месте хранения.

Устанавливают технологические заглушки, производят промывку винтового зубчатого профиля внутренней поверхности 2 трубчатой заготовки 4 специальным раствором.

В настоящее время по технологии R-Wall изготавливаются статоры с длиной до 5500 мм в габаритах 98÷172 мм. Ведутся постоянные работы по внедрению новой номенклатуры статоров. Суммарная наработка на двигательные секции R-Wall на апрель 2017 г. составила 65 230 часов.

Максимальная наработка статора R-Wall без "перезаливки" эластомера составляет: для габарита 172 мм - 902 часа, для габарита 106 мм - 609 часов, для габарита 95 мм - 672 часа. (Журнал "Бурение и нефть", 06/2017, https://burneft.ru/archive/issues/2017-06/56).

Изобретение повышает ресурс и надежность электродного блока для электрохимической обработки, увеличивает точность обработки путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита в полость за винтовой задней направляющей для предотвращения коротких замыканий при перемещении за электродом в винтовом отверстии трубчатой заготовки.

Изобретение повышает также ресурс и надежность винтовых героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых статор выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости эластомера при знакопеременном изгибе с вращением, а также за счет повышения прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора.

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, применяемых в винтовых героторных гидравлических двигателях для бурения нефтяных скважин. Изобретение обеспечивает повышение ресурса и надежности электродного блока для электрохимической обработки. Также изобретение позволяет увеличить точность обработки путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита в полость за винтовой задней направляющей для предотвращения коротких замыканий при перемещении за электродом в винтовом отверстии трубчатой заготовки. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода с возможностью перемещения за ним в винтовом отверстии, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, установленной на оправке, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и имеет каналы для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного соединения с поверхностью необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода, и дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, а также содержащий задний кожух из диэлектрического материала, коаксиально установленный на оправке, прикрепленный к экрану из диэлектрического материала, отличающийся тем, что винтовая задняя направляющая, прикрепленная к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, содержащего в передней части экрана множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, причем в задней части экран содержит наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, с возможностью подвижного соединения с внутренним диаметром винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, при этом между передней частью экрана, включающей множество смежных винтовых зубьев по окружности с канавками между ними, и задней частью экрана, включающей наружный пояс, имеющий круглую боковую поверхность, образована кольцевая камера, ограниченная поверхностью винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, выполненная с возможностью направления текучей среды - электролита с металлическим шламом - через каналы, образованные упомянутым наружным поясом в задней части экрана и множеством впадин винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, в полость за винтовой задней направляющей.

2. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что задний кожух из диэлектрического материала, коаксиально установленный на оправке, выполнен с наружным поясом, имеющим круглую боковую поверхность, а задняя часть экрана из диэлектрического материала выполнена с внутренним поясом, имеющим круглую боковую поверхность, выполненную с возможностью подвижного соединения с упомянутым наружным поясом заднего кожуха.