СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫМИ НАГРУЗКАМИ НА ВЕТВЯХ ТОРМОЗНОЙ ЛЕНТЫ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ
METHOD FOR CONTROL OF SPECIFIC LOADS IN STRANDS OF BRAKE BELT OF BELT-BLOCK BRAKE OF DRAW WORKS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен ленточно-колодочный тормоз, в котором использованы тормозные ленты с равномерным шагом установки на них фрикционных накладок. Равномерное расположение фрикционных накладок по дуге обхвата при неравномерном распределении усилий натяжения тормозной ленты, а также неравномерном распределении нормального усилия на рабочие поверхности фрикционных накладок и, как следствие, удельных нагрузок при взаимодействии пар трения приводит к тому, что наиболее слабое звено пары, т.е. рабочие поверхности фрикционных накладок, имеют неравномерный износ. При этом на набегающей ветви ленты они изнашиваются значительно быстрее, чем на сбегающей [1, аналог].
Для достижения некоторого выравнивания величин износов рабочих поверхностей фрикционных накладок, установленных на набегающей и сбегающей ветвях тормозной ленты, было предложено компановать накладки на ленте с неравномерным их размещением на дуге обхвата, увеличивая шаг установки накладок в направлении от набегающей ветви ленты до сбегающей. Основным принципом при определении величины шага между накладками является выравнивание удельных нагрузок на их поверхностях на двух ветвях. В этом случае материал накладок будет использоваться более рационально вследствие уменьшения того его количества, которое идет на выбраковку [2, прототип].
Основным недостатком данного способа является то, что он не дает ответа на вопрос, в каких границах изменения удельных нагрузок можно осуществлять разгрузку сбегающей ветви ленты тормоза, догружая при этом ее набегающую ветвь.
При аналитическом решении задачи компановки фрикционных накладок с переменным шагом на дуге обхвата тормозной ленты было установлено, что зазоры между накладками набегающей ветви ленты подчиняются закономерности арифметической прогрессии, а на сбегающей ветви - геометрической прогрессии [3, прототип]. Однако при таком способе компоновки фрикционных накладок на тормозной ленте ее набегающая ветвь будет иметь большую жесткость, чем сбегающая, что существенно скажется на эффективности действия тормоза.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- устанавливаются границы изменения удельных нагрузок на рабочих поверхностях фрикционных накладок в интервале дуг обхвата набегающей и сбегающей ветвей тормозной ленты для догрузки первой и разгрузки второй;
- существенно упрощается способ определения аналитическим путем зазоров между накладками по дуге обхвата тормозной ленты;
н
c
- увеличивается общая деформация набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты за счет увеличения зазора между накладками и, как следствие, будет большей разность S-S, т.е. сила трения на взаимодействующих поверхностях;
- обеспечивается поддержание постоянного зазора между рабочими поверхностями фрикционных накладок и рабочей поверхностью тормозного шкива за счет введения дополнительной подрессорной оттяжки на набегающей ветви тормозной ленты.
Целью настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных параметров фрикционных узлов ленточно-колодочных тормозов, а также увеличение ресурса накладок путем управления перераспределением удельных нагрузок между ветвями тормозной ленты за счет изменения на них площадей взаимодействия, т.е. количества накладок, имеющих между собой разные постоянные зазоры на каждой из ветвей ленты.
Поставленная цель достигается тем, что в зависимости от диаметра тормозного шкива и угла обхвата его рабочей поверхности в заданных фрикционных узлах определяют соотношения коэффициентов взаимного перекрытия, характеризуемых площадями перекрытия рабочих поверхностей накладок набегающей и сбегающей ветвей ленты рабочей поверхности тормозного шкива, которое равняется отношению удельных нагрузок, развивающихся на накладках ветвей, по значениям которого судят, насколько должно быть больше накладок на набегающей в сравнении со сбегающей ветвью ленты, после чего для определения постоянного шага между фрикционными накладками на каждой из ветвей ленты на ее концах устанавливают по накладке, а в ее средней части накладку, половины которой относятся к концу набегающей и началу сбегающей ветвей ленты, и после чего определяют дуги обхвата ветвей, являющихся равными, а затем из общей длины обхвата вычитают ширину накладок и полученную разность делят на количество зазоров между накладками набегающей и сбегающей ветвей ленты. В дальнейшем в зависимости от значения соотношения количества фрикционных накладок на набегающей и сбегающей ветвях ленты вводят дополнительную подрессорную оттяжку на ее набегающую ветвь для обеспечения постоянного зазора между парами трения тормоза.
На фиг.1 показана кинематическая схема буровой лебедки; на фиг.2 - кинематическая схема ленточно-колодочного тормоза с постоянным шагом установки фрикционных накладок на дуге обхвата тормозной ленты; на фиг.3 - поперечный разрез фрикционного узла тормоза; на фиг.4, 5, 6 проиллюстрированы этапы компоновки накладок на дуге обхвата тормозной ленты и ее основные и дополнительные подрессорные оттяжки.
ш
н
c
p
Условные обозначения: R - радиус рабочей поверхности тормозного шкива; ω - угловая скорость вращения шкива; S, S - натяжение набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты; F - усилие, прикладываемое бурильщиком к рычагу управления тормозом; r - радиус кривошипа коленчатого вала.
Серийный ленточно-колодочный тормоз буровой лебедки содержит рычаг управления 1, тормозные ленты 2 с набегающей (I) и сбегающей (II) ветвями, на которых установлены фрикционные накладки 3 с постоянным шагом. Тормозные ленты 2 с накладками 3 посажены на тормозные шкивы 4 барабана 5. Тормозные ленты 2 со стороны набегающих ветвей (I) прикреплены к шатунным шейкам 6 и 7 коленчатого вала 8, а другим концом (со стороны сбегающей ветви (II) лент 2) - к балансиру 9. Управление тормозом буровой лебедки осуществляется также подачей сжатого воздуха через кран 10 бурильщика в пневматический цилиндр 11, шток которого соединен с одной из шеек коленчатого вала 8 тормоза. Величину давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре 11 и регулируют поворотом крана 10 бурильщика.
Серийные ленточно-колодочные тормоза буровой лебедки работают следующим образом. Перемещением рукоятки 1 осуществляется поворот коленчатого вала 10, в результате которого бурильщик затягивает тормозные ленты 2 с фрикционными накладками 3 и они садятся на тормозные шкивы 4. При этом почти все неподвижные накладки 3 тормозных лент 2 взаимодействуют с рабочей поверхностью вращающегося тормозного шкива 4. Полный цикл торможения завершается остановкой тормозных шкивов 4 с барабаном 5. При неравномерном изнашивании фрикционных накладок 3, установленных на лентах 2, балансир 11 в момент торможения несколько отклоняется от горизонтального положения 2, обеспечивая при этом равномерный и одновременный обхват ими тормозных шкивов 4. Благодаря шаровым шарнирам передача нагрузок от тормозных лент 2 к балансиру 9 при этом не изменяется. При этом по мере износа фрикционного материала каждая накладка будет смещаться в направлении сбегающего конца тормозной ленты 2.
H
C
При определении расчетным путем рационального количества фрикционных накладок 3, устанавливаемых с разным постоянным зазором на набегающей (I) и сбегающей (II) ветвях тормозной ленты, определяют коэффициент взаимного перекрытия контактирующих поверхностей отдельно для каждой из ее ветвей. Поскольку коэффициент взаимного перекрытия пропорционален произведению площадей контактирующих поверхностей трения, то отношение  равно отношению удельных нагрузок, возникающих на набегающей (I) (p) и сбегающей (II) (p) ветвях тормозной ленты. Таким образом, по величине отношения  можно определить, на сколько больше фрикционных накладок необходимо установить на набегающей ветви (I) ленты 2, чем на сбегающей (II).
Первый этап заключается в таком размещении фрикционных накладок по рабочей длине тормозной ленты, которое позволяет однозначно наметить границу ее набегающей и сбегающей ветвей. Согласно фиг.4 на концах тормозной ленты 2 устанавливаем фрикционные накладки (а) и (б), а также одну накладку (в) в ее средней части, половины которой относятся к концу набегающей (I) и началу сбегающей (II) ветвей ленты 2. Установка фрикционной накладки (в) в средней части ленты 2 связана с тем, что при замыкании тормоза рабочая поверхность именно этой накладки первой начнет взаимодействовать с рабочей поверхностью тормозного шкива 4.
Второй этап заключается в определении величины постоянного шага между торцами фрикционных накладок (а) и (б) на набегающей ветви (I) тормозной ленты 2. Сначала согласно фиг.5 определяют центральный угол  между торцами накладок (а) и (в). Для этого используют зависимость вида
ш
н
ш
н
1
где l - расстояние по дуге ленты 2 между торцами накладок (а) и (в); D - диаметр тормозной ленты (D=d+2h); d - диаметр тормозного шкива; h - толщина фрикционной накладки 3. В дальнейшем пользуются значением произведения ширины фрикционной накладки 3 на количество накладок (n), которые будут размещены на угле α. После чего от общей длины l набегающей ветви (I) ленты 2 отнимают длину, которую занимает намеченное количество накладок (n). Для распределения длины, которая осталась для постоянных зазоров между фрикционными накладками (а) для набегающей ветви ленты, используем зависимость вида
H
н
где l - длина набегающей ветви ленты; b - ширина фрикционной накладки (а). На этом второй этап заканчивается.
Третий этап заключается в определении величины постоянного шага между торцами фрикционных накладок (в) и (б) на сбегающей ветви (II) тормозной ленты, который определяется из формулы
C
где l- длина сбегающей ветви ленты с (m) накладками на ней.
1
2
Третий этап ничем существенным не отличается от второго этапа. Использовав зависимость (1), в которой α=α, а также выражение (3), в которое необходимо подставлять вместо n обозначение m (количество накладок на сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2). На этом третий этап завершается.
На фиг.7 проиллюстрирован пример компоновки накладок на дуге обхвата тормозной ленты и ее основные и дополнительная подрессорные оттяжки. В тормозной ленте 2 выполнены продольные прорези 12, в которые установлены крепежные усики 13, с помощью которых каждая накладка 3 установлена на ленте 2. При этом каждая накладка 3 на набегающей ветви (I) и сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2 ограничена с обеих ее торцов упорной планкой 14.
При этом величина постоянного зазора между фрикционными накладками (б) сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2 намного больше, нежели величина постоянного зазора между накладками (б) ее набегающей ветви (I).
В связи с тем, что весовая нагрузка на набегающую ветвь (I) тормозной ленты 2 увеличилась на величину отношения  для ее быстрого отвода от тормозного шкива 4, а также обеспечивая поддержания постоянного зазора между парами трения тормоза наряду с основными подрессорными оттяжками 15 применяют дополнительную 16.
Таким образом, для целенаправленного перераспределения удельных нагрузок между набегающей и сбегающей ветвями тормозной ленты с учетом ее эксплуатационной возможности необходимо правильно определить расчетным путем количество фрикционных накладок, приходящихся на набегающую и сбегающую ветви тормозной ленты, и установить величины постоянных зазоров между накладками.
Источники информации, принятые во внимание
1. Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.П. и др. Тормозные устройства (справочник). - М.: Машиностроение, 1985. - 308 с. (рис.3.18, стр.121) [аналог].
2. Злобин Б.А. Скоростная проводка скважин и резервы новой техники. - М.: Недра, 1977 - 309 с. (рис.100, стр.302) [прототип].
3. Вольченко Н.А. Динамика многопарных фрикционых узлов. - Ростов-на-Дону: Северо-Кавказский научный центр Высш. шк., 2005. - 238 с. (рис.6.7а, б, в, стр.206) [прототип].