КОМБИНИРОВАННЫЙ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ И ИНДУКТОРНЫЙ ТОРМОЗ
COMBINED BELT-SHOE AND INDUCTOR BRAKE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен индукторный тормоз, у которого ротор имеет форму цилиндрического зубчатого колеса, а статор имеет выполненную внутреннюю поверхность гладкой или с узкими продольными пазами. Во внутренней части статора расположена катушка возбуждения, которая подключается к источнику питания [1, аналог, Иогансон Р.А. Индукторные тормоза. М.-Л.: Энергия, 1966. - С.8, рис.2]. Данный тормоз имеет тот недостаток, что не может работать совместно с ленточно-колодочным тормозом.
Известен охлаждаемый ленточно-колодочный тормоз, в котором часть тормозного барабана в виде вспомогательного шкива выполнена из термомагнитного материала, а тепловая труба с текучей средой выполнена в виде частично заполненной этой средой его внутренней полости. Вспомогательная лента над рабочей поверхностью шкива выполняется в виде постоянного магнита. При замыкании основной ленты шкив нагревается, а от него теплота передается вспомогательному шкиву и жидкости. В результате вспомогательный шкив при температуре выше критической точки приобретает ферромагнитные свойства и притягивает вспомогательную ленту, обеспечивая затормаживание подъемного вала лебедки [2, прототип; а.с. СССР 1625015 А1, кл. F16D 65/813, БИ №5, 1991].
Данный ленточно-колодочный тормоз имеет тот недостаток, что он не обеспечивает автоматическое регулирование тормозного момента для достижения устойчивой работы его фрикционных узлов.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные преимущества:
- достигается увеличение тормозного момента за счет использования индукторного тормоза;
- обеспечивается автоматическое регулирование тормозного момента в зависимости от нагруженности тормоза;
- обеспечивается устойчивая работа фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза путем его разгрузки;
- достигается принудительное охлаждение катушки возбуждения индукторного тормоза с помощью эффекта «тепловой трубы»;
- обеспечивается работа комбинированного тормоза на трех режимах торможения.
Целью настоящего изобретения является увеличение тормозного момента и его автоматическое регулирование в индукторном тормозе для обеспечения устойчивой работы фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза.
Поставленная цель достигается тем, что ротор индукторного тормоза выполнен в виде шкива, выступ которого магнитоизолирован посредством прокладки от фланца барабана, а на внутренней поверхности шкива по краям его периметра расположены с зазором между рядами прямоугольные зубцы, ряды которых выполняют функции полюсов различной полярности, а статор индукторного тормоза выполнен в виде квадратной катушки возбуждения в поперечном сечении, расположенной в зазоре между рядами зубцов и ниже торцов их головок, и при этом ее ось перпендикулярна к оси вращения ротора, а сама катушка находится в рубашке охлаждения, покоящейся на неподвижном цилиндрическом кольцевом выступе фланца, опирающегося на установочную лапу. При этом рубашка охлаждения катушки возбуждения выполнена в виде П-образного поперечного сечения и заполнена теплоносителем с высокой скрытой теплотой парообразования на 5/6 объема, вакуумирована и герметизирована и является своего рода тепловой трубой.
макс
мин
б
На фиг.1 показан общий вид комбинированного ленточно-колодочного и индукторного тормоза; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А тормоза фиг.1; на фиг.3 проиллюстрированы кривые магнитного поля в зазоре неподвижного индукторного тормоза и при этом использованы следующие обозначения: Ф и Ф - магнитные потоки полюсного давления над зубцом и над впадиной между зубцами; В - индукция над зубцом; В - амплитуда первой гармоники (фиг.3 повернута на 360°).
Комбинированный ленточно-колодочный и индукторный тормоз имеет тормозной шкив 1 с рабочей и внутренней 2 поверхностями. Шкив 1 выполнен из материала, обладающего магнитной проводимостью, например, из отжженной стали 20Л. Шкив 1 имеет выступ 3, которым он с помощью болтового соединения 4 крепится к фланцу 6 барабана 7, между которыми установлена магнитоизоляционная прокладка 5. Ступица 8 барабана 7 с фланцем посредством призматической шпонки 9 закреплена на подъемном валу 10 лебедки.
Фрикционные накладки 11 с помощью усиков 12 через продольные вырезы (на чертеже не показаны) в тормозной ленте 13 прикреплены к ней с ее внутренней стороны. Тормозная лента 13 одним концом (со стороны сбегающей ветви б) прикреплена к рычагу управления 16 тормозом, а другим (со стороны набегающей ее ветви а) через регулировочную стяжку 14 к опоре 15.
Конструктивные особенности индукторного тормоза с системой охлаждения следующие. На внутренней поверхности 2 тормозного шкива 1 по краям его периметра расположены с зазором 17 между левым 18 и правым 19 рядом прямоугольные зубцы 20. Тормозной шкив 1 с рядами зубцов 20 выполняет функции ротора. Между зазором 17 и ниже торцов 21 зубцов 20 расположено квадратное окно катушки возбуждения 22, оси которой перпендикулярны к оси вращения ротора. Катушка возбуждения 22 в индукторном тормозе выполняет функции статора. Таким образом, над статором находятся две одинаковые симметрично расположенные относительно катушки возбуждения 22 части. Если по катушке возбуждения 22 проходит ток, то все зубцы 20 ротора, расположенные в левом ряду 18, имеют полярность N, а зубцы 20 правого ряда 19 - полярность S.
Сама катушка возбуждения 22 находится в рубашке охлаждения П-образного сечения. Система охлаждения заполнена теплоносителем на 5/6 ее объема, например, 25%-ным раствором аммиака, имеющим высокую скрытую теплоту парообразования. Полость рубашки охлаждения 23 вакуумируется, а затем герметизируется, что позволяет использовать эффект «тепловой трубы» для охлаждения катушки возбуждения 22, которая своими тремя сторонами квадрата охвачена П-образной стенкой рубашки охлаждения 23. Противоположные стороны стенок рубашки охлаждения 23 совместно с теплоносителем 24 образуют зону испарения 25 тепловой трубы. К зоне конденсации 26 тепловой трубы относятся остальные внутренние поверхности рубашки охлаждения 23 совместно с теплоносителем 24. Основанием рубашки охлаждения 23 является неподвижный цилиндрический кольцевой выступ 27 специального фланца 28, опирающегося на установочную лапу 29.
Комбинированный ленточно-колодочный и индукторный тормоз работает на трех тормозных режимах.
На первом тормозном режиме работает ленточно-колодочный тормоз.
Перемещением рычага управления 16 тормоза осуществляется затягивание тормозной ленты 13 с фрикционными накладками 11, и она садится на тормозной шкив 1. Процесс торможения ленточно-колодочным тормозом характеризуется следующими стадиями: начальной (первой), промежуточной (второй) и заключительной (третьей). Остановимся на каждой из стадий в отдельности.
На начальной стадии торможения фрикционные накладки 11, размещенные в средней части тормозной ленты 13, взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного шкива 1. Фронт взаимодействия расширяется в сторону фрикционных накладок 11 набегающей ветви (а) тормозной ленты 13.
Промежуточная стадия торможения характеризуется дальнейшим распространением фронта взаимодействия в сторону фрикционных накладок 11 сбегающей ветви (б) тормозной ленты 13.
Конечная стадия торможения характеризуется тем, что почти все неподвижные накладки 11 тормозной ленты 13 взаимодействуют с рабочей поверхностью вращающегося шкива 1. Во время притормаживаний последовательность вхождения поверхностей трения в контакт повторяется. Полный цикл торможения завершается остановкой тормозных шкивов 1 с барабаном 7.
На втором тормозном режиме работает индукторный тормоз.
макс
мин
При вращении ротора осуществляется подключение катушки возбуждения 22 к источнику постоянного тока (на фиг.2 не показан), происходит периодическое изменение величины индукции на поверхности статора, обращенной к зубцам 20 ротора, что и вызывает притормаживание тормозного шкива 1. При этом магнитный поток в воздушном зазоре между ротором и статором изменяется только по величине, а не по направлению. Кроме того, на поверхности ротора с зубцами 20 и прилегающем к ней слое статора появляются вихревые токи. Последние в статоре обусловливаются переменной составляющей магнитной индукции В. Для увеличения последней необходимо, чтобы разность магнитных потоков воздушных зазоров над торцом головки 21 зубца 20 и между впадинами зубцов 20 была наибольшей Ф-Ф (фиг.3). Распределение указанных потоков зависит от соотношения конструктивных параметров: шага между зубцами 20 к воздушному зазору над торцом головки 21 зубца 20; ширины и высоты зубца 20 к шагу между зубцами 20, а также от магнитного насыщения зубцов 20.
При длительной подаче электрического тока в медный провод, из которого свита катушка возбуждения 22, он нагревается, и при этом возникает температурный перепад между центральными и наружными витками катушки 22, что может привести к выходу из строя лаковой (электрической) изоляции (максимальная рабочая температура которой 180°С), а потом залитого битума в катушку 22, который размягчается при 95-100°С (жидкое состояние наступает при 150°С).
При данном тормозном режиме тепловая энергия от катушки возбуждения 22 с помощью эффекта теплопроводности передается П-образным стенкам рубашки охлаждения 23 и от них идет на нагревание теплоносителя 24, который смачивает 5/6 ее объема. При этом зоны испарения 25 и конденсации 26 работают в режиме «тепловой трубы» за счет перепада температур между различным термодинамическим состоянием теплоносителя 24 в объеме тепловой трубы. Интенсивность охлаждения зоны конденсации 26 тепловой трубы будет зависеть от количества воздуха, которое омывает наружную поверхность рубашки охлаждения 23 катушки возбуждения 22 индукторного тормоза.
Регулирование тормозного момента индукторного тормоза осуществляется посредством изменения тока возбуждения в катушке 22. Ввиду малой мощности возбуждения индукторных тормозов можно осуществлять автоматическое регулирование момента посредством управляемых полупроводниковых или магнитных усилителей, что обеспечивает простоту и эффективность автоматизации при малых экономических затратах. Такими средствами можно автоматически поддерживать постоянную величину момента или менять его по заранее заданной программе в зависимости от нагруженности тормоза. Можно решать и обратную задачу, например, автоматически регулировать скорость вращения подъемного вала 10 путем соответствующего изменения момента индукторного тормоза.
На третьем тормозном режиме работают одновременно ленточно-колодочный и индукторный тормоза. Данный режим зависит от того, какой тормозной момент необходимо реализовать для остановки тормозных шкивов лебедки.
На всех трех режимах торможения комбинированных тормозов устойчивая работа ленточно-колодочного тормоза достигается только в том случае, если на рабочей поверхности фрикционных накладок не будет достигаться допустимая температура для их материалов. Последняя способна вызвать дестабилизацию износо-фрикционных свойств ленточно-колодочного тормоза. Поэтому роль индукторного тормоза очевидна.
Таким образом, в комбинированном тормозе достигается увеличение тормозного момента и его автоматическое регулирование за счет применения кондукторного тормоза. Это обстоятельство позволяет разгрузить ленточно-колодочный тормоз и тем самым обеспечить устойчивую работу его фрикционных узлов.