УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК В ДВУХСТУПЕНЧАТОМ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОМ ТОРМОЗЕ
DEVICE AND METHOD OF BALANCE OF SPECIFIC LOADS IN TWO-STEP BELT-SHOE BRAKE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах различных типов лебедок.
Известна тормозная лента с равномерным шагом размещения на ней фрикционных накладок. Равномерное расположение накладок на дуге обхвата при неравномерном распределении усилий натяжения тормозной ленты ведет к неравномерному распределению нормальной нагрузки на рабочие поверхности накладок и, как следствие, удельных нагрузок при взаимодействии фрикционных узлов тормоза. Все вышеуказанное и вызывает неравномерный износ фрикционных накладок. При этом на набегающей ветви они изнашиваются быстрее, чем на сбегающей [1, аналог, Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н. и др. Тормозные устройства (справочник). - М.: Машиностроение, 1985. - 308 с. (рис.3.18, стр.121)].
Для достижения некоторого выравнивания величины износа рабочих поверхностей фрикционных накладок, расположенных на набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты, было предложено размещать накладки с неравномерным шагом на дуге обхвата, увеличивая шаг между накладками в направлении от набегающей ветви ленты к сбегающей. Основным принципом, заложенным в основу определения величины шага между накладками, является некоторое выравнивание удельных нагрузок на их поверхностях в двух ветвях. В этом случае материал накладок будет использоваться более рационально благодаря равномерному их износу [2, прототип, Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1965. - 675 с. (рис.127, стр.206-207)].
Основным недостатком данного способа является то, что он не дает ответа на вопрос в каких интервалах изменения удельных нагрузок можно осуществлять разгрузку сбегающей ветви ленты тормоза, нагружая при этом ее набегающую ветвь.
Аналитическим путем задача размещения накладок на тормозной ленте решается следующим образом. В зависимости от геометрических параметров накладок и угла обхвата тормозной лентой рабочей поверхности шкива в данных фрикционных узлах определяют соотношения статических коэффициентов взаимного перекрытия, которые характеризуются площадями перекрытия накладок набегающей и сбегающей ветвей ленты рабочей поверхности тормозного шкива, которое равно отношению удельных нагрузок, возникающих на накладках ветвей, за величиной которого судят, на сколько должно быть больше накладок на набегающей по сравнению со сбегающей ветвью ленты, после чего для установления количества накладок с переменным шагом на ветвях ленты на ее концах устанавливают по одной накладке, а в ее средней части - как минимум две накладки с наименьшим шагом между ними, которые указывают на границу набегающей и сбегающей ветви ленты; при этом шаг между накладками на набегающей ветви ленты определяется по зависимостям арифметической прогрессии, а на сбегающей - по зависимостям геометрической прогрессии, задавшись первым членом арифметической прогрессии и учитывая то, что последний зазор между накладками набегающей ветви ленты является первым членом геометрической прогрессии; при этом из суммарного зазора между накладками каждой ветви определяется разность и знаменатель прогрессий [3, прототип, Петрик А.А., Вольченко Н.А., Вольченко Д.А. и др. Влияние закономерностей установки накладок во фрикционных узлах на эксплуатационные параметры ленточно-колодочного тормоза // Сб. доклад. международн. конф. "Механика и трибология транспортных систем - 2003." - Ростов на Дону. - 2003. - Т.2. - С.203-207]. Недостатком способа является то, что в нем фрикционные накладки прикреплены к тормозной ленте, что не позволяет им перемещаться относительно шкива и тем самым не изменять нагруженность ветвей тормозной ленты. Кроме того, способ является трудоемким.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное устройство и способ выравнивания удельных нагрузок в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе имеет следующие отличительные признаки:
- достигается целенаправленное управление перераспределением удельных нагрузок на набегающей и сбегающей ветвях ленты и на набегающей и сбегающей поверхностях тормозного шкива за счет увеличения количества тормозных колодок на набегающей поверхности шкива и уменьшения их количества на его сбегающей поверхности, исходя из суммарных площадей их взаимодействия, которые являются прямо пропорциональными к действующим на них нагрузкам;
- уменьшается напряженно-деформированное состояние тормозной ленты и, как следствие, контактное взаимодействие обратных пар трения и, как результат, увеличивается тормозной момент;
- достигается удержание тормозных колодок на поверхности шкива за счет сил магнитного и фрикционного взаимодействия в положениях, обеспечивающих выравнивание удельных нагрузок в парах трения тормоза;
- производится аналитическое определение шага между тормозными колодками, расположенными на набегающей и сбегающей поверхностями тормозного шкива из условия выравнивания удельных нагрузок на их поверхностях;
- увеличивается ресурс тормозных колодок набегающей поверхности тормозного шкива за счет уменьшения удельных нагрузок, действующих на их рабочих поверхностях.
Целью настоящего изобретения является разработка устройства и способа выравнивания удельных нагрузок в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе путем управления перераспределением удельных нагрузок по ветвям тормозной ленты и набегающей и сбегающей поверхностям тормозного шкива.
1
2
3
4
Поставленная цель в предлагаемом устройстве достигается тем, что в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе по всему периметру рабочей поверхности тормозного шкива выполнены поперечные пазы различного продольного сечения, в которые запрессованы фрикционные элементы, а с торцов к тормозному шкиву через магнитоизоляционные прокладки прикреплены реборды Г-образной формы с полочками со скосами, образующими полость по периметру шкива в виде ласточкина хвоста, в которую установлены тормозные колодки с основаниями, переходящими в дугообразные пластины, на поверхностях которых расположены внутренние и внешние фрикционные накладки. Способ выравнивания удельных нагрузок в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе состоит в том, что перед эксплуатацией тормоза определяется отношение коэффициентов взаимного перекрытия  ("лента - внешние накладки") и  ("внутренние накладки - полочки со скосами реборд"), равное соотношению удельных нагрузок на набегающей (р) и сбегающей (р) ветвях тормозной ленты, а второе отношение  ("торцовые поверхности оснований колодок - поверхности тормозного шкива") к  равно соотношению удельных нагрузок реализуемых на набегающей (p) и сбегающих (p) поверхностях тормозного шкива, в результате чего в процессе работы пар трения происходит перемещение тормозных колодок под ветвями тормозной ленты, которое вызывает перераспределение удельных нагрузок в парах трения за счет того, что на набегающей поверхности шкива установлено большее количество фрикционных элементов меньшего продольного сечения, взаимодействующих с n-ым количеством торцевых поверхностей тормозных колодок по сравнению с m-ым их количеством на сбегающей поверхности шкива с меньшим числом фрикционных элементов большего продольного сечения и при этом соблюдается условие n>m, а между собой набегающая и сбегающая поверхности тормозного шкива разделены фрикционным элементом наибольшего продольного сечения.
На фиг.1 показан двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с устройством для выравнивания удельных нагрузок в парах трения; на фиг.2 показан вид А - продольный разрез пар трения тормоза в процессе торможения; на фиг.3 показан поперечный разрез пар трения тормоза в процессе торможения по Б-Б; на фиг.4 проиллюстрирован продольный разрез тормозного шкива с набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностями.
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с устройством для выравнивания удельных нагрузок в его парах трения содержит тормозной шкив 1, выполненный из магнитотвердого ферромагнитного материала. Тормозной шкив 1 имеет набегающие (а) и сбегающие (б) поверхности, на которых выполнены различного продольного сечения поперечные пазы 2 и 3, в которые установлены фрикционные элементы 4 и 5. Между набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностями тормозного шкива 1 находится разделяющий поперечный паз 6 наибольшего продольного сечения, в который установлен фрикционный элемент 7. К торцам тормозного шкива 1 через магнитоизоляционную прокладку 8 с помощью крепежных винтов 9 прикреплены левая 10 и правая 11 Г-образные реборды, имеющие полочки со скосами 12. Внутренние поверхности Г-образных реборд 10 и 11 с полочками со скосами 12 и рабочей поверхностью тормозного шкива 1 по всему его периметру образуют полость, в поперечном сечении имеющую вид ласточкина хвоста, в которую установлены тормозные колодки 13 (в, г, д, е) с основаниями 14, переходящими в дугообразную пластину 15. К поверхностям пластины 15 прикреплены с помощью заклепок (на чертеже не показаны) внутренние 16 и внешние 17 фрикционные накладки. Сверху внешних фрикционных накладок 17 находится тормозная лента 18, имеющая сбегающую 19 и набегающую 20 ветви. Последняя через регулировочную стяжку 21 соединена с опорой 22, которая связана с рычагом управления 23 тормозом. Сбегающая ветвь 19 тормозной ленты 18 соединена напрямую с рычагом управления 23 тормозом. Тормозной шкив 1 посажен на подъемный вал 24.
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с устройством для выравнивания удельных нагрузок в его парах трения работает на трех стадиях торможения.
Первая стадия торможения.
При прикладывании усилия к рычагу управления 23 тормозная лента 18 со сбегающей 19 и набегающей 20 ветвями своей внутренней поверхностью начинает взаимодействовать с вращающимися рабочими поверхностями внешних фрикционных накладок 17 тормозных накладок 13. При этом под действием нормального усилия, являющегося составляющей динамического коэффициента трения, происходит прижатие поверхностей внутренних фрикционных накладок 16 к рабочей поверхности полочек со скосами 12 левой 10 и правой 11 Г-образных реборд шкива 1, что способствует их взаимодействию. Кроме того, в магнитном и фрикционном взаимодействии находятся торцовые поверхности оснований 14 тормозных колодок 13 и набегающих (а) и сбегающих (б) поверхностей тормозного шкива 1. Магнитное взаимодействие вызвано тем, что тормозной шкив 1 создает постоянное магнитное поле, магнитные силовые линии которого замыкаются через основание 14 тормозных колодок 13. Между рабочими поверхностями шкива 1 и торцевыми поверхностями оснований 14 колодок 13 существуют силы фрикционного взаимодействия в связи с наличием между ними статического коэффициента трения. При этом происходит притормаживание тормозного шкива 1. Ко второй стадии торможения тормоз приступает в том случае, если силы трения в обратных парах трения  ("тормозная лента - внешние фрикционные накладки") будут больше суммарных сил взаимодействия во фрикционных ("торцовые поверхности оснований тормозных колодок - фрикционные элементы шкива") и металлических ("торцовые поверхности оснований тормозных колодок - рабочая поверхность тормозного шкива") парах трения, а также магнитного эффекта между последними.
Вторая стадия торможения.
При дальнейшем увеличении прикладываемого усилия к рычагу управления 23 тормозом колодки 13 становятся подвижными и могут перемещаться по набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностям тормозного шкива 1, преодолевая силы сопротивления обратных пар трения, подвижных фрикционных и металлических пар трения, магнитного эффекта и наводимую ЭДС (электродвижущую силу) в шкиве 1 при его замедленном вращении. Перемещение тормозных колодок 13, попадающих под набегающую 20 и сбегающую 19 ветви тормозной ленты 18, осуществляется из-за неодинаковых сил трения до тех пор, пока увеличение прикладываемого усилия к рычагу управления 23 тормоза не приведет к исчезновению эффекта торможения обратных пар трения. При этом тормозная лента 18 зажимает тормозные колодки 13 до такой степени, что они своими рабочими поверхностями внешних фрикционных накладок 17 как бы прилипают к ее внутренней поверхности. На этой стадии торможения происходит дальнейшее замедление тормозного шкива 1.
Третья стадия торможения.
Усилие, прикладываемое к рычагу 23, увеличивается и тормозная лента 18 вместе с тормозными колодками 13 за счет сил взаимодействия с металлическими и фрикционными набегающими (а) и сбегающими (б) поверхностями тормозного шкива 1 приводит к его остановке. После чего прикладываемое усилие к рычагу 23 снимается путем его перемещения вверх и тормозная лента 18 отводится от внешних фрикционных накладок 17 тормозных колодок 13. Последние остаются на своих местах, опираясь торцовыми поверхностями оснований 14 на фрикционные и намагниченные участки набегающей и сбегающей поверхности тормозного шкива 1.
Способ выравнивания удельных нагрузок в парах трения двухступенчатого ленточного тормоза реализуется в два этапа.
Первый этап характеризуется оценкой основных геометрических параметров пар трения тормоза с последующим размещением на набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностях шкива 1 фрикционных элементов 5, 6 и 7 и определения количества тормозных колодок 13 и их расположения на его поверхностях.
Общее количество тормозных колодок 13 на тормозном шкиве 1 зависит от их геометрических параметров, а также от того, какой угол обхвата тормозной лентой 18 внешних фрикционных накладок 17 колодок 13 реализуется в данном двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе.
При назначении количества тормозных колодок 13, попадающих под набегающую 20 и сбегающую 19 ветви тормозной ленты 18, которые должны быть установлены между собой с постоянным зазором (только с разным на набегающей (а) и сбегающей (б) поверхности шкива 1) необходимо определить коэффициент взаимного перекрытия контактирующих пар отдельно для каждой из поверхностей шкива 1. Коэффициент взаимного перекрытия представляет собой отношение контактных площадей соответствующих пар трения:
1
2
3
4
"набегающей 20 и сбегающей 19 ветвей ленты 18 (A) и рабочих поверхностей внешних фрикционных накладок 17 (А) - обратные пары трения"; "внутренних фрикционных накладок 16 (A) и рабочих поверхностей полочек со скосами 12 левой 10 и правой 11 Г-образных реборд (А) - подвижная фрикционная пара трения";
5
6
"торцевых поверхностей оснований 14 колодок 13 (А) и набегающей (а) и сбегающих (б) поверхностей тормозного шкива 1 (A) - подвижная металлическая пара трения, охватываемых ими, соответственно, площадей , , ".
; ; ,
где , ,  - коэффициенты взаимного перекрытия контактирующих пар трения:
"лента - внешние накладки"; "внутренние накладки - полочки со скосами реборд" и "торцевые поверхности оснований колодок - поверхности тормозного шкива."
1
2
3
4
Отношение  к  равно соотношению удельных нагрузок, реализуемых на набегающей (p) и сбегающей (р) ветвях тормозной ленты. Отношение  к  равно соотношению удельных нагрузок, реализуемых на набегающей (р) и сбегающих (р) поверхностях тормозного шкива.
Роль фрикционных накладок на основаниях тормозных колодок 13 выполняют их торцовые поверхности.
Соотношения  (первое) и  (второе) должны быть равны между собой, а следовательно, и соотношения удельных нагрузок, возникающих на обратных парах трения и на подвижных металлических парах трения, должны быть одинаковыми. При этом соотношение удельных нагрузок на указанных парах трения тормоза укажет, на сколько накладок будет больше на набегающей (а) поверхности шкива 1 по сравнению со сбегающей (б) его поверхностью. Поэтому на набегающей (а) поверхности тормозного шкива 1 суммарная длина поперечных пазов 2, в которые установлены фрикционные элементы 4, равна суммарной длине оснований тормозных колодок 13, находящихся на данной поверхности. На сбегающей (б) поверхности шкива 1 устанавливается меньшее количество тормозных колодок 13 и поэтому от общей ее длины дуги вычитается суммарная длина их оснований, а оставшаяся длина дуги делится на равные участки. В этом случае имеем большие поперечные пазы 3 на сбегающей (б) поверхности шкива 1 под фрикционные элементы 5, а также шаг между ними больший, чем длина основания 14 тормозной колодки 13. Что касается разделяющего поперечного паза 6, расположенного между набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностями шкива 1, в который установлен фрикционный элемент 7, то он равен сумме длин дуг поперечных пазов 2 и 3.
После чего тормозные колодки 13 устанавливаются на магнитные участки шкива 1, расположенные между фрикционными элементами 4 на набегающей (а) его поверхности. Посередине магнитных участков сбегающей (б) поверхности шкива 1, т.е. между фрикционными элементами 5, располагаются тормозные колодки 13. Таким образом достигается статическое регулирование удельных нагрузок в парах трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза.
Второй этап характеризуется работой двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза.
Выравнивание удельных нагрузок происходит в обратных и подвижных металлических и фрикционных парах трения во время второй стадии торможения.
Перемещение торцевых поверхностей оснований 14 тормозных колодок 13 на набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностях тормозного шкива 1 осуществляется за счет подвижных сил трения, возникающих в обратных и в металлических и фрикционных парах, которые превышают магнитные силы взаимодействия и силы инерции при вращении шкива 1.
На фиг.2 проиллюстрировано перемещение торцевых поверхностей оснований 14 различных тормозных колодок 13 по набегающей поверхности (а) тормозного шкива 1. Тормозные колодки 13в; 13г и 13е своими торцевыми поверхностями оснований 14 находятся, соответственно, на полной и неполной поверхностях фрикционных элементов 4. Тормозная колодка 13г своей торцевой поверхностью основания 14 полностью лежит на намагниченном участке набегающей (а) поверхности тормозного шкива 1. При этом перемещение торцевых поверхностей оснований 14 колодок 13 на сбегающей (б) поверхности шкива 1 будет меньшим из-за меньшей величины разности натяжения концов сбегающей ветви 19 тормозной ленты 18. Поэтому торцевые поверхности оснований 14 колодок 13 будут находиться на магнитных участках сбегающей (б) поверхности шкива 1, кроме тех колодок 13, которые соседствуют с колодками 13 набегающей (а) поверхности шкива 1. Разделяющий фрикционный элемент 7 препятствует одностороннему силовому воздействию тормозных колодок 13 набегающей (а) поверхности шкива 1 на тормозные колодки 13 сбегающей (б) его поверхности. Таким образом, за счет увеличения количества тормозных колодок 13 на набегающей (а) поверхности тормозного шкива, следовательно, и их площади взаимодействия и достигается уменьшение удельных нагрузок под набегающей ветвью 20 тормозной ленты 18. При этом уменьшение количества колодок 13 на сбегающей (б) поверхности тормозного шкива 1, следовательно, и их площади взаимодействия и достигается увеличение удельных нагрузок под сбегающей ветвью 19 ленты 18. Так обеспечивается динамическое выравнивание удельных нагрузок в парах трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза. Кроме того, попадание тормозных колодок 13 набегающей (а) и сбегающей (б) поверхностей шкива 1 под разные ветви тормозной ленты 18 будет также способствовать выравниванию удельных нагрузок в парах трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза.
Таким образом, в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе на первом этапе достигается статическое выравнивание удельных нагрузок в его парах трения рациональным расположением тормозных колодок на поверхности тормозного шкива, а на втором этапе - динамическое выравнивание за счет ограниченного перемещения тормозных колодок по набегающей и сбегающей поверхности тормозного шкива.
Источники информации
1. Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н. и др. Тормозные устройства (справочник). - М.: Машиностроение, 1985. - 308 с. [аналог].
2. Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1965. - 675 с. [прототип].
3. Петрик А.А., Вольченко Н.А., Вольченко Д.А. и др. Влияние закономерностей установки накладок во фрикционных узлах на эксплуатационные параметры ленточно-колодочного тормоза. // Сб. доклад, международ. конф. «Механика и трибология транспортных систем - 2003.» - Ростов на Дону. - 2003. - Т.2. - С.203-207.