Компьютерное моделирование контактного взаимодействия ролика с резьбой

Пермская компания нефтяного машиностроения Пермский НИПУ, г. Пермь, Россия

В машиностроении резьбы нашли широкое применение в различных конструкциях, а повышенные эксплуатационные требования к ним требуют от конструкторов совершенствования существующего профиля или разработки новых резьб. Есть иной подход в решении задачи повышения надежности резьб это – упрочнение уже имеющейся резьбы [1, 2]. На сегодня известны несколько методов упрочнения резьб, однако отсутствуют практические рекомендации и технологии их упрочнения. Актуальность этого направления можно рассмотреть на примере замковой резьбы бурильной трубы. Так в процессе бурения скважин используются трубы, одной из основных причин отказа которых является разрушение резьбового соединения «ниппель-муфта».

Теоретическое исследование влияния параметров технологического процесса обкатки резьбовой поверхности бурильных труб на формирование основных характеристик упрочненного поверхностного слоя: величину остаточных напряжений, микротвердость и шероховатость, является актуальным [3, 4].

Для этого разработаны физические и математические модели для расчета параметров упрочняющей обработки впадины резьбы. Модели позволяют на этапе проектирования определить технологические параметры упрочняющей обработки впадины резьбы, эффективность обработки, величину остаточных напряжений и микротвердости [5, 6]. В программных комплексах ANSYS и ABAQUS были определены поля остаточных напряжений, формируемых при обкатке резьбы роликом. В рамках численных расчетов рассмотрены две модели в статической и динамической постановке [7]. По итогам расчетов, с использованием статического подхода были получены графические зависимости пластических деформаций, возникающих в резьбе от прикладываемых нагрузок и диаметра ролика. По результатам численных расчетов подобран радиус при вершине ролика. Для получения приближенного решения поставленной ниже задачи был использован программный комплекс ABAQUS, использующий традиционный для механики деформируемого твердого тела метод конечных элементов. В частности в силу существенной нелинейности задачи был использован модуль Abaqus/Explicit. Ролик имел диаметр Dr = 24,75 мм, радиус профиля Rr = 1,025 мм и угол рабочей стороны θ=250. С точки зрения механики деформируемого твердого тела задача моделирования процесса обкатки резьбы относится к трехмерным нестационарным контактным задачам упругопластического деформирования. Сложная геометрия моделируемых тел исключает возможность использования аналитических методов для решения подобной задачи. Для описания исследуемой области конечными элементами была построена конечно-элементная сетка состоящая из 44232 элементов С3D8R и 39593 узлов [8]. В результате проведенного численного эксперимента по определению напряжений после обкатки роликом резьбовой поверхности бурильной трубы определена интенсивность напряжений. Область пластического деформирования чуть больше пятна контакта и распространяется на 2,5-3 мм в глубину. Однако приповерхностные слои материала дна впадины резьбы испытывают значительное упрочнение (наклеп). Особенно непосредственно под пятном контакта на глубину менее 1 мм.

Анализ результатов моделирования с использованием динамического подхода показал, что в процессе обкатки резьбы роликом в приповерхностных слоях материала межвитковой впадины резьбы формируются области сжимающих напряжений, что приводит к упрочнению этого слоя и препятствует возникновению микротрещин. Полученные данные можно применить и для иных резьб, изготавливаемых в машиностроениии.