Система и способ для охлаждения ленточно-колодочного тормоза

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок. Охлаждающие узлы системы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде колец, боковые поверхности которых разделены термоизоляцией, сверху кольца попарно соединены металлическими пластинами-перемычками различной ширины, опирающимися на металлические диски, а снизу кольца выступают над внутренней поверхностью шкива и их торцы соединены попарно теплопроводящими пластинами с оребрением со смещением на полшага, считая от внутренних поверхностей реборд. В кольцах и металлических дисках выполнены сквозные отверстия, через которые они надеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд, а вторая реборда при этом крепится к цилиндрическим штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива. При этом кольца состоят из двух полуколец, разделенных поперечной изоляцией, образуя таким образом два независимых контура термобатарей. Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза заключается в том, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, причем термобатареи, входящие в группу деталей первого полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности широкими пластинами-перемычками, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термобатареи, входящие в группу деталей второго полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности узкими пластинами - перемычками, работают в режиме термоэлектрохолодильника, при этом последние термоэлементы батарей, работающих в режиме термоэлектрогенератора, подсоединены последовательно с термоэлементами батарей, работающих в режиме термоэлектрохолодильника, для увеличения силы тока, вырабатываемого термоэлектрогенераторами для питания термоэлектрохолодильников. Техническим результатом является повышение долговечности пар трения ленточно-колодочного тормоза путем целенаправленного интенсивного их охлаждения. 2 н. и 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

 

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

Известно устройство и способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза. Устройство содержит охлаждающие узлы, расположенные на набегающей и сбегающей ветвях тормозной ленты с фрикционными накладками. Устройство содержит также тепловую трубу, расположенную по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности и связанную с упомянутыми охлаждающими узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов. Последние выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте [1, аналог]. Способ охлаждения фрикционных узлов тормоза состоит в том, что на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока для термоэлектрохолодильников [1, аналог]. Данное устройство и способ имеют тот недостаток, что эффективными они являются только при взаимодействии пар трения ленточно-колодочного тормоза.

Известно токосъемное устройство, в котором на валик посажены медные кольца с теплоизоляцией между ними. Кольца взаимодействуют с графитными щетками. Последние прижатые к кольцам с помощью цилиндрических пружин. Медные и теплоизолированные кольца вместе со щетками и пружинами помещены в корпус. К медным кольцам и графитным щеткам присоединены проводки. При закрепленном корпусе и вращении валика с медными кольцами в контакте пары "кольцо-щетка" при нагревании появляется градиент температуры по длине элементов, что обусловливает возникновение электрического тока, который отводится в цепь [2, прототип]. Однако токосъемное устройство имеет тот недостаток, что в нем принудительно не охлаждаются пары трения.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:

- с увеличением теплонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза наблюдается повышение эффективности охлаждения за счет резкого роста удельной электрической проводимости полукольцевых термоэлементов;

- возможность управления тепловой нагруженностью полуободов тормозного шкива ленточно-колодочного тормоза за счет использования термоэлектрогенераторов (во втором полуободе шкива) в интенсификационном процессе охлаждения;

- достигается регулирование снижения теплонагруженности пар трения тормоза за счет последовательного подключения термоэлементов батарей, работающих в режиме термоэлектрогенераторов, к термоэлементам батарей, работающих в режиме термоэлектрохолодильников для увеличения силы тока, вырабатываемого термоэлектрогенераторами для питания термоэлектрохолодильников, в результате чего обеспечивается почти одинаковая теплонагруженность полуободов шкива;

- применение для отвода теплоты с холодных спаев термоэлектрогенераторов и горячих спаев термоэлектрохолодильников не только теплопроводящих пластин с оребрением, но и интенсивного естественного охлаждения за счет вращения обода тормозного шкива;

- возможность использования полукольцевых термобатарей в любых климатических условиях;

- повышается ресурс пар трения.

Цель изобретения - повышение долговечности пар трения ленточно-колодочного тормоза путем целенаправленного интенсивного их охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде колец, боковые стороны которых разделены теплоизоляцией, а сверху кольца попарно соединены металлическими пластинами-перемычками различной ширины и опираются на металлические диски, а снизу кольца выступают над внутренней поверхностью шкива и их торцы соединены попарно теплопроводящими пластинами с оребрением со смещением на полшага, считая от внутренних поверхностей реборд; в кольцах и дисках выполнены сквозные отверстия, через которые они одеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченными в тело одной из реборд, а вторая реборда при этом крепится к штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива.

При этом кольца-термоэлементы состоят из двух полуколец, разделенных теплоизоляцией, образуя таким образом два независимых контура термобатарей.

Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза заключается в том, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термобатареи, входящие в состав деталей первого полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности широкими пластинами-перемычками, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термобатареи, входящие в состав деталей второго полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности узкими пластинами-перемычками, работают в режиме термоэлектрохолодильника и при этом последние термоэлементы батарей, работающих в режиме термоэлектрогенератора, подсоединены последовательно к термоэлементам батарей, работающих в режиме термоэлектрохолодильников для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока для питания термоэлектрохолодильников.

На фиг.1 изображен общий вид ленточно-колодочного тормоза с системой охлаждения; на фиг.2 - вид А на фрикционные узлы в рабочем состоянии; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на которой показан поперечный разрез фрикционных узлов с системой охлаждения; на фиг.4 показаны полукольца-термоэлементы с термоизоляцией между ними; на фиг.5 показана термобатарея-термогенератор; на фиг.6 - термобатарея-термохолодильник.

Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения пар трения содержит разборный тормозной шкив 1, имеющего собственно обод 2 с рабочей 3 и нерабочей 4 поверхностями, а также левую 5 и правую 6 реборды. Шкив 1 расположен на подъемном валу 7 лебедки. С рабочей поверхностью 3 обода 2 шкива 1 взаимодействуют при торможениях рабочие поверхности 8 фрикционных накладок 9. Последние крепятся с помощью усиков 10 к тормозной ленте 11, имеющей набегающую (а) и сбегающую (б) ветви. Сбегающая ветвь (б) тормозной ленты 11 с помощью винтовых стержней 12 крепится к опоре 13. При этом набегающая ветвь (а) тормозной ленты 11 прикреплена к рычагу управления 14.

Обод 2 тормозного шкива 1 состоит из набора полупроводниковых колец 15 и 16, состоящих из полуколец 17, которые между собой разделены поперечными теплоизоляторами 18, соединяющими и разделяющими полукольца 17, которые имеют одинаковый тип проводимости. Полукольца 17, входящие в состав колец 15 и 16, и составляют термобатареи. Предпоследние имеют электронную (n-типа) проводимость. Кольца 15 и 16 от тела левой 5 и правой 6 реборд теплоизолированы кольцевой прокладкой 19. Такие же прокладки установлены между полупроводниковыми кольцами 15 и 16 и стальными кольцами 20. При этом теплоизоляционные 19 и стальные 20 кольца имеют одинаковый диаметр как на рабочей 3, так и нерабочей 4 поверхности обода 2 шкива 1. В тех местах на рабочей поверхности 3 обода 2, где кольца (термоэлементы) 15 и 16 соединены между собой пластинами-перемычками 21, теплоизоляционные 19 и стальные 20 кольца имеют диаметр меньший на величину толщины пластины-перемычки 21. В то же время кольца (термоэлементы) 15 и 16 со стороны нерабочей поверхности 4 обода 2 имеют меньший диаметр, чем термоизоляционные 19 и стальные 20 кольца. Благодаря этому торцы колец (термоэлементов) 15 и 16 соединены попарно со смещением на полшага, считая от внутренних поверхностей реборд 5 и 6, с теплоотводящими пластинами 22, имеющими оребрение 23. Кольца (термоэлементы) 15 и 16, термоизоляционные 19 и стальные 20 имеют на своих боковых поверхностях сквозные отверстия 24, с помощью которых вся система колец одевается на теплоизоляционные цилиндрические штыри 25, которые завинчены в левую реборду 5. Со стороны правой реборды 6 вся система колец стягивается с помощью резьбового соединения 26, гайки 27 которого утоплены в наружных впадинах 28 реборды 6 шкива 1.

Пластины-перемычки 21 являются горячим спаем термобатареи, а теплоотводящие пластины 22 с оребрением 23 - ее холодным спаем. Два других торца колец (термоэлементов) 15 и 16, находящиеся возле внутренних поверхностей реборд 5 и 6, соединены внешней электрической цепью 29.

Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза состоит в следующем. При торможении, когда рабочие поверхности 8 фрикционных накладок 9 взаимодействуют с рабочей поверхностью 3 обода 2 шкива 1, в результате чего температура пластин-перемычек 19 увеличивается по сравнению с температурой Т₀ холодных торцов колец 15 и 16 (Т>Т₀), тепловая энергия атомов горячего торца полупроводников возрастает. Эта энергия выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в полукольце кольца 15 на горячем торце появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном. Поэтому они переходят к холодному торцу, заряжая его отрицательно. По причине теплового движения атомов в полукольце кольца 16 некоторая часть электронов уноситься из горячей зоны. На их месте появляются свободные (незанятые) места-дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок как положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившееся места (дырки) могут электроны, имеющие близкие к дырке значения энергии. Но электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются новые дырки. Таким образом происходит перемещение дырок к холодному торцу полукольца 17 кольца 16, и оно заряжается положительно. При замыкании электрической цепи 27 в ней появляется электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором. При этом до начала торможения температура спаев термобатареи одинакова и равна температуре окружающей среды.

Если же наоборот по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (Т=Т₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг.6, то свободные электроны, находящиеся в полупроводниковом полукольце 17 кольца 15, приобретают направленное движение от спая а к спаю b, причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая а к спаю b сопровождается переносом энергии. На спае а электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию. На конце а, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки полупроводника, они отдают энергию указанному спаю. В связи с этим спай а охлаждается, а спай b нагревается. Причем скопление электронов на спае b способствует тому, что этот спай заряжается отрицательно, а спай а - положительно. В полукольце 17 кольца 16, обладающем дырочною проводимостью, направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая а' к спаю b'. Вследствие чего дырки ускоряются. Как отмечалось выше, образовавшиеся вакантные места могут занять электроны с уровнем энергии, близким энергии дырки. Поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается у спая b'. Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере передвижения от спая b' до спая а' вдоль ветви термоэлемента 17 кольца 16 энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение сопровождается за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего спай а' охлаждается. Скопление электронов на этом спае обуславливает его отрицательный заряд, при этом спай b' заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приведет к перепаду температур на ее спаях. На спае а' поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, на спае b' наблюдается выделение теплоты. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее конце получаем очень низкие температуры. Таким образом получили термобатареи-термохолодильники, но при этом полукольцо 17 кольца 15 с электронной проводимостью должно быть соединено с положительной клеммой источника постоянного электрического тока, а полукольцо 17 кольца 16 с дырочной проводимостью - с его отрицательной клеммой. При прохождении электрического тока спай а' охлаждается, а спай b' нагревается, т.е. еще до начала работы тормоза температура поверхности трения обода 2 тормозного шкива, в которые установлены термобатареи-термохолодильники, становится ниже температуры окружающей среды.

Таким образом, из всего вышеизложенного следует, что одни термобатареи полукольца половины обода тормозного шкива работают в режиме термоэлектрогенератора, а второй половины обода шкива - в режиме термоэлектрохолодильника. Наличие в ободе узких 21 и широких 22 пластин-перемычек, соединяющих термоэлементы 15 и 16, и контактирующих с поверхностями стальных дисков 20 способствует появлению градиентов температуры в них. Величины последних будут зависеть от того, под какую ветвь (а, б) тормозной ленты 11 в начальный момент торможения попадут части поверхностей стальных дисков 20 обода 2. Указанные градиенты вызывают дополнительный эффект по целенаправленной интенсификации естественного и принудительного охлаждения фрикционных узлов тормоза.

Ленточно-колодочный тормоз с системой и способом охлаждения работает следующим образом.

При нажатии на рычаг 14 происходит перемещение тормозной ленты 11 с фрикционными накладками 9 для взаимодействия с рабочей поверхностью 3 тормозного шкива 1. Первыми при этом взаимодействуют со шкивом 1 рабочие поверхности 8 накладок 9 набегающей ветви (а) тормозной ленты 11, а потом уже сбегающей ветви (б). При торможении температура широких пластин-перемычек 21 за счет трения скольжения повышается, вследствие чего на спаях термобатарей полукольца 17 появляется градиент температуры по длине термоэлементов 15 и 16, что обуславливает возникновение электрического тока, который отводится в цепь 29, подключенную параллельно источнику питания термобатарей. Этим достигается увеличение силы тока, подаваемого на ветви термоэлектрохолодильника. При этом с увеличением нагруженности пар трения фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза возрастает температура его поверхностей трения, рост которой с целью обеспечения регламентируемых эксплуатационных параметров тормоза необходимо ограничить. Интенсификация же данного вида охлаждения достигается увеличением силы тока, подаваемого на ветви термоэлектрохолодильника. Таким образом, чем больше нагружен тормоз, тем большая разность температур появляется на спаях термоэлектрогенераторов полукольца 17, тем большей силы ток они вырабатывают, который, суммируясь с током источника питания, способствует более глубокому охлаждению пар трения фрикционных узлов тормоза.

Отвод теплоты с холодных спаев термоэлектрогенератора и горячих спаев термоэлектрохолодильника осуществляется с помощью теплоотводящих пластин 22 с оребрением 23, которые все время охлаждаются естественным путем при вращении шкива 1.

Интенсивное охлаждение пар трения ленточно-колодочного тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить термические напряжения в стальных кольцах обода шкива, а также увеличить ресурс пар трения фрикционных узлов тормоза.

Источники информации

1. Патент на изобретение 2134368 (Россия), F 16 D 65/813, 1999, БИ №22 (аналог).

2. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989 -616 с. (слово "электромашинный генератор тока") (прототип).

1. Система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащая охлаждающие узлы, расположенные в ободе разборного тормозного шкива, тормозную ленту с фрикционными накладками, отличающаяся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде колец, боковые поверхности которых разделены теплоизоляцией, сверху кольца попарно соединены металлическими пластинами - перемычками различной ширины, опирающимися на металлические диски, а снизу кольца выступают над внутренней поверхностью шкива и их торцы соединены попарно теплоотводящими пластинами с оребрением со смещением на полшага, считая от внутренних поверхностей реборд, в кольцах и дисках выполнены сквозные отверстия, через которые они надеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд, вторая реборда при этом крепится к штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольца-термоэлементы состоят из двух полуколец, разделенных теплоизоляцией, образуя таким образом два независимых контура термобатарей.

3. Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащего тормозную ленту, включающую в себя набегающую и сбегающую ветви, тормозной шкив, в ободе которого расположены охлаждающие узлы, отличающийся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, причем термобатареи, входящие в группу деталей первого полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности широкими пластинами-перемычками, работают в режиме термоэлектрогенератора, а термобатареи, входящие в группу деталей второго полуобода и соединенные между собой на его рабочей поверхности узкими пластинами-перемычками, работают в режиме термоэлектрохолодильника, при этом последние термоэлементы батарей, работающих в режиме термоэлектрогенератора, подсоединены последовательно с термоэлементами батарей, работающих в режиме термоэлектрохолодильника, для увеличения силы тока, вырабатываемого термоэлектрогенераторами для питания термоэлектрохолодильников.