Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок. Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением содержит тормозной шкив, тормозную ленту, фрикционные накладки, соединенные между собой в бандаж и посаженные с натягом на рабочую поверхность тормозного шкива, охлаждающее устройство и привод. В каждую накладку в ее среднюю часть по высоте заформированы упругие выпуклые пластины с одинаковой толщиной и на их концах, расположенных в кольцевых пазах реборд, но в зазоре между торцами накладок и внутренними поверхностями реборд пластины выполнены с утолщением, имеющим отверстия, в которые установлены упругие канаты, соединяющие накладки между собой. При этом обод шкива в своей средней части разделен с помощью теплоизоляционной прокладки, выполненной в виде кольца с отверстиями, на две части. Внутренняя поверхность первой части обода выполнена матовой и является теплоизлучающей при передаче теплоты, а вторая его часть выполнена из материала с большим коэффициентом теплопроводности и является теплопоглощающей. Две части тормозного шкива соединены между собой с помощью пустотелых шпилек, расположенных по ширине шкива в два ряда по его периметру и выполненных в виде тепловой трубы. Техническим результатом является снижение теплонагруженности верхней части тормозного шкива за счет применения сложного теплообмена, что позволяет существенно повысить эксплуатационные параметры тормоза и ресурс фрикционных накладок, находящихся непосредственно на рабочей поверхности его шкива. 5 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.

Известен ленточно-колодочный тормоз, в котором фрикционные накладки установлены по периметру шкива и соединены между собой, что позволяет рабочим поверхностям накладок быть посаженными с натягом на рабочую поверхность шкива. При торможении тормозная лента охватывает внешние поверхности фрикционных накладок и таким образом осуществляется остановка тормозного шкива [аналог, а.с. 576455, М. кл. F 16 D 49/08 за 1977 г.].

Недостатком данного тормоза является то, что посадка с натягом фрикционных накладок на рабочую поверхность тормозного шкива является нерегулируемой и неуправляемой.

Известен ленточно-колодочный тормоз с охлаждением, в котором охлаждающее устройство выполнено в виде тепловых трубок, установленных в кольцевом зазоре по ширине обода ступицы в выполненных в последних продольных пазах и соединенных между собой в своей средней части трубопроводами по периметру фрикционного обода [прототип, а.с. 1649160 A1, 5 F 16 D 65/80 за 1991 г.].

Данное техническое решение имеет тот недостаток, что не обеспечивается интенсивный отвод теплоты тепловыми трубками от рабочей поверхности шкива в связи с его большой массой.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенный тормоз имеет следующие отличительные признаки:

- достигается регулирование посадки фрикционных накладок с натягом на рабочую поверхность тормозного шкива благодаря первоначальной их компановке по секторам, а затем в бандаж;

- интенсифицируется охлаждение рабочей части обода тормозного шкива из-за его разделения на две составляющие путем применения эффекта тепловой трубы и улучшенного радиационного теплообмена от матовой поверхности;

- обеспечивается интенсивный отвод теплоты от второй части обода тормозного шкива, выполненного из материала с большим коэффициентом теплопроводности, кондуктивным теплообменом во фланец барабана лебедки;

- достигается вынужденное конвективное охлаждение участков тепловых труб, проходящих через зазор между частями обода тормозного шкива;

- повышается эффективность действия внутренних фрикционных узлов тормоза и ресурс его фрикционных накладок за счет существенного снижения теплонагруженности рабочей части тормозного шкива.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности действия двухступенчатого тормоза и ресурса фрикционных накладок путем интенсивного охлаждения его внутренних фрикционных узлов.

Поставленная цель достигается тем, что в каждую фрикционную накладку в ее среднюю часть по высоте заформованы упругие выпуклые пластины с одинаковой толщиной и на их концах, расположенных в кольцевых пазах реборд, но в зазоре между торцами накладок и внутренними поверхностями реборд пластины выполнены с утолщением, имеющим отверстия, в которые установлены упругие канаты, соединяющие накладки между собой. При этом обод шкива в своей средней части разделен с помощью теплоизоляционной прокладки, выполненной в виде кольца с отверстиями, на две части. Внутренняя поверхность первой части выполнена матовой и является теплоизлучающей при передаче теплоты, а вторая часть - из материала с большим коэффициентом теплопроводности и является теплопоглощающей. Две части тормозного шкива соединены между собой с помощью пустотелых шпилек, расположенных по ширине шкива в два ряда по его периметру и выполненных в виде тепловой трубы.

На фиг.1 показан общий вид двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза с охлаждением; на фиг.2 представлен вид А на внешние и внутренние фрикционные узлы тормоза; фиг.3 показан вид Б - устройство для обеспечения натяга участков каната, соединяющего накладки; на фиг.4 проиллюстрирован продольный разрез по В-В тормоза; на фиг.5 показано положение тепловых труб при повороте тормозного шкива на угол π/2.

Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз содержит тормозной шкив 1 с углублением, расположенным между ребордами 2, в которых на внутренних их поверхностях выполнены кольцевые пазы 3. В последние установлены концы выпуклых упругих пластин 4, которые заформированы во фрикционные накладки 5, имеющие внешнюю 6 и внутреннюю 7 рабочие поверхности. В зазоре между внутренними поверхностями реборд 2 и торцами накладок 5 пластины 4 имеют утолщения 8, в которых выполнены сквозные отверстия 9. В отверстия 9 пластин 4, принадлежащих стыкующим накладкам 5 между секторами, нарезана резьба 10. Накладки 5 соединены в сектора между собой участками канатов 11, а посадка с натягом их внутренних рабочих поверхностей 7 на рабочую поверхность 12 шкива 1 обеспечивается с помощью завинчивания неподвижной гайки 13, а вместе с ней и конца участка каната 11, выполненного в виде тела болта 14. Таким образом образуется на рабочей поверхности 12 тормозного шкива 1 бандаж из фрикционных накладок 5. Тормозной шкив 1 состоит из двух частей, т.е. верхней 15 и нижней 16, так как толстостенный обод тормозного шкива 1 аккумулирует больше теплоты при уменьшенном росте его температуры, имеет медленное вынужденное конвективное и радиационное охлаждение. При этом указанные части обода шкива 1 разделены между собой с помощью теплоизоляционной прокладки, выполненной в виде кольца 17 с отверстиями 18 по его периметру. Поверхность 19, примыкающая к кольцу 17 выполнена матовой. Нижняя часть 16 шкива 1 имеет выступ 20, который с помощью болтового соединения 21 крепится к фланцу 22 барабана 23 лебедки. Нижняя часть 16 шкива 1 выполнена из материала, имеющего большой коэффициент теплопроводности, например из меди. Верхняя 15 и нижняя 16 части тормозного шкива 1 крепятся по его периметру шпильками 24, выполненными в виде тепловых трубок. Последние выполнены из теплопроводного материала, например стали, заполнены на ¹/₂ объема теплоносителем, например метиловым спиртом, вакуумированы и герметизированы. Каждая тепловая трубка 24 имеет зоны испарения 25 и конденсации 26. Тормозной шкив 1 посажен на подъемный вал 27. Тормозная лента 28, имеющая набегающую (а) и сбегающую (б) ветви, связана с одного конца с опорой 29, а с другого - с рычагом управления 30 тормозного шкива 1. Теплота, генерируемая на внутренних парах трения, а также от нагретой верхней части 15 тормозного шкива 1 через стенки тепловых трубок 24 передается теплоносителю и нагревает его в зоне испарения 25, где он превращается в пар. При попадании теплоносителя в газообразной фазе в зону конденсации 26 он конденсируется. В дальнейшем за счет создания перепада давлений между зонами испарения 25 и конденсации 26, а также под действием капиллярных сил теплоноситель из зоны испарения 25 поступает в зону конденсации 26. Возврат жидкого теплоносителя из зоны конденсации 26 в зону испарения 25 осуществляется центробежными силами, возникающими при вращении шкива 1. Для этого рассмотрим характерные положения тепловой трубки 24 при повороте тормозного шкива 1 на угол π/2.

Положение А тепловой трубки 24 характеризуется тем, что в зоне испарения 25 находится теплоноситель, который, нагреваясь, испаряется и в виде пара попадает в зону конденсации 26, где конденсируется и по внутренней поверхности трубки возвращается в зону испарения 25. При этом наличие инерционного ускорения способствует более быстрому попаданию испаряющегося теплоносителя из зоны испарения 25 в зону конденсации 26. При таком положении тепловой трубки 24 центробежные силы действуют радиально, т.е. перпендикулярно ее оси.

Положение Б характеризуется тем, что осуществляется поворот тепловой трубки 24 на угол π/2 и она занимает горизонтальное положение. При этом полный объем тепловой трубки 24 поделен на два объема, один из которых занимает зона испарения 25, а второй - зона конденсации 26. При этом наблюдается некоторое увеличение объема зоны конденсации 26. При таком положении тепловой трубки 24 центробежные силы действуют параллельно ее оси, обеспечивая перемещение конденсата в ее объеме, находящегося в нижней части 16 тормозного шкива 1.

Положение В тепловой трубки 24 характеризуется тем, что из зоны испарения 25 теплоноситель полностью попадает в зону конденсации 26, а центробежные силы способствуют его удержанию в ней на непродолжительный промежуток времени. При таком положении тепловой трубки 24 центробежные силы действуют перпендикулярно ее оси.

Положение Г ничем не отличается от положения Б, поскольку оно является его зеркальным отображением.

Смена положений тепловых трубок 24 относительно тормозного шкива 1 вызывает различные по величине центробежные силы, действующие на теплоноситель и способствующие при этом его циркуляции в их объемах в двух фазах - газообразной и жидкой, и, как следствие, интенсифицирует отвод теплоты от верхней части 15 шкива 1 к его нижней части 16. Наличие жидкой фазы в тепловых трубках 24 из-за большого градиента температур между 15 и нижней 16 частью тормозного шкива 1 обеспечивает смачивание зоны испарения 25, т.е. предотвращает ее пересыхание.

При вращении тормозного шкива 1 воздух, попадающий через отверстия 18 в кольцо 17, интенсивно омывает тепловые трубки 24 в зазоре между верхней 15 и нижней 16 его частями, способствуя тем самым их охлаждению.

Кроме тепловых трубок 24, в процессах интенсификации охлаждения принимают участие поверхность 19 верхней части 15 обода, от которой теплота излучением передается поверхности нижней части 16 тормозного шкива. При этом поверхность 19 выполнена матовой и коэффициент излучения теплоты [18,02 кДж/(м²·°С)] от нее в три раза больше, чем от рабочей поверхности 12 шкива 1. Последняя почти вся перекрыта фрикционными накладками 5 и в процессе радиационного теплообмена играет незначительную роль.

Таким образом, не только тепловыми трубками 24, являющимися теплопередающими устройствами испарительно-конденсационного принципа действия, но и радиационным теплообменом обеспечивается интенсивный отвод теплоты от верхней 15 и нижней 16 части тормозного шкива 1.

Ленточно-колодочный тормоз с охлаждением работает следующим образом.

При данной конструкции тормоза режим торможения включает в себя три стадии.

Первая (начальная), когда при нажатии на приводной рычаг 30, рабочая поверхность тормозной ленты 28 взаимодействует с внешними рабочими поверхностями 6 фрикционных накладок 5, вращающихся с замедлением вместе с тормозным шкивом 1. Это возможно, пока F₁>F₂ (соответственно силы трения во внутренних и внешних парах трения тормоза). Эта стадия торможения составляет по времени 1/5-1/6 от времени третьей стадии торможения.

Вторая (переходная). При увеличении силы затяжки тормозной ленты 28 при торможении сила трения F₂ растет быстрее, чем F₁, и в какой-то момент времени будет достигнуто равенство F₁=F₂. Эта стадия торможения является характерной при переходе от взаимодействия рабочей поверхности тормозной ленты 28 с внешними рабочими поверхностями 6 накладок 5 к взаимодействию их внутренних рабочих поверхностей 7 с рабочей поверхностью 12 шкива 1. По продолжительности эта стадия является быстротечной.

Третья (заключительная), когда F₁<F₂. В этом случае происходит неодновременный срыв натяга между внутренними поверхностями 7 фрикционных накладок 5 и рабочей поверхностью 12 тормозного шкива 1. За период времени от срыва натяга первой до конца срыва натяга последней накладкой при росте силы затяжки тормозной ленты 28 бандажа происходит некоторое перемещение накладок 5 с помощью концов пластин 4 в кольцевых пазах 3 реборд 2 относительно тормозного шкива 1 и рабочих поверхностей набегающей (а) и сбегающей (б) ветвей тормозной ленты 28. В связи с тем, что соотношение S_Н/S_С≫1 (S_Н, S_С - натяжение набегающей и сбегающей ветвей ленты), то под сбегающей ветвью (а) тормозной ленты 28 торцы накладок 5 будут приближенными друг к другу, а под набегающей ветвью (а) тормозной ленты 28 будут удалены друг от друга. В первом случае это вызовет ослабление участков каната 11, а во втором случае - его растяжение. После срыва натяга последней накладкой 5 бандажа внешние рабочие поверхности 6 накладок 5 становятся почти неподвижными относительно рабочей поверхности ленты 28, а их внутренние поверхности 7 взаимодействуют с рабочей поверхностью 12 шкива 1. С этого момента тормоз работает как серийный.

В процессе торможения на трущихся поверхностях тормоза генерируется значительное количество теплоты, особенно на его внутренних парах трения, которое вызывает изменение физико-механических свойств в материалах фрикционных накладок 5 (выгорание связующего компонента) и рабочей поверхности 12.

В свою очередь, от последней через выступ 20 теплота передается кондуктивным теплообменом фланцу 22 барабана 23 лебедки.

Следовательно, снижение теплонагруженности верхней части тормозного шкива за счет применения сложного теплообмена позволяет существенно повысить эксплуатационные параметры тормоза и ресурс фрикционных накладок, находящихся непосредственно на рабочей поверхности его шкива.

1. Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением, содержащий тормозной шкив, тормозную ленту, фрикционные накладки, соединенные между собой в бандаж и посаженные с натягом на рабочую поверхность тормозного шкива, охлаждающее устройство и привод, отличающийся тем, что в каждую накладку в ее среднюю часть по высоте заформированы упругие выпуклые пластины с одинаковой толщиной и на их концах, расположенных в кольцевых пазах реборд, но в зазоре между торцами накладок и внутренними поверхностями реборд пластины выполнены с утолщением, имеющим отверстия, в которые установлены упругие канаты, соединяющие накладки между собой.

2. Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением по п.1, отличающийся тем, что обод шкива в своей средней части разделен с помощью теплоизоляционной прокладки, выполненной в виде кольца с отверстиями, на две части и при этом внутренняя поверхность первой части обода выполнена матовой и является теплоизлучающей при передаче теплоты, а вторая его часть выполнена из материала с большим коэффициентом теплопроводности и является теплопоглощающей.

3. Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением по п.2, отличающийся тем, что две части тормозного шкива соединены между собой с помощью пустотелых шпилек, расположенных по ширине шкива в два ряда по его периметру и выполненных в виде тепловой трубы.