УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАР ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА
DEVICE AND METHOD FOR COOLING OF FRICTION PAIRS OF BELT-BLOCK BRAKE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен ленточно-колодочный тормоз с магнитным охлаждением, в котором шкив имеет сегментную часть, выполненную из парамагнитного материала и теплоизолированную с установленными заподлицо с рабочей поверхностью шкива теплопроводные пластины, свободно концы которых размещены в теплоносителе второй полости, а также в шкиве размещен теплообменник, имеющий контур с меньшим гидравлическим сопротивлением, сообщающийся с первой полостью, и контур с большим гидравлическим сопротивлением, при этом тороидальный магнит выполнен со сверхпроводящими обмотками и с системой охлаждения, сообщающейся со стороны контуром теплообменника [аналог, а.с. 1767254, М. кл. F16D 65/813 за 1992 г.]. Данный тормоз не имеет достаточной эффективности охлаждения при невключенном магните.
Известен способ переноса теплоты от холодного источника к горячему в замкнутом цикле по схеме «емкость (гелий-жидкий азот) - охладитель-разделитель-нагреватель-емкость» при переходе от газожидкостной до жидкостногазовой фазы при последующих их разделении на газовую и жидкостную фазы [прототип. Фонд новаторов. Техника молодежи. 1991, №7. - С.8]. Данный способ в таком виде нельзя использовать для охлаждения поверхностей трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- представляется возможным управлять теплонагруженностью шкива путем включения и выключения магнита;
- возможность охлаждения жидкой смеси (азота и гелия), что ведет к выделению газообразного гелия с высокой интенсивностью теплообмена;
- общее уменьшение количества жидкого гелия путем замены его жидким азотом;
- значительно повысить ресурс пар трения тормоза.
Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы пар трения тормоза путем повышения эффективности их принудительного охлаждения.
Поставленная цель достигается тем, что полость тормозного шкива заполнена жидким гелием, а система охлаждения тороидального магнита - жидким азотом и при этом системы соединены между собой дополнительно посредством второго контура теплообменника.
При этом первый контур теплообменника охлаждает жидкую фазу (азот + гелий) и превращает ее в газожидкостную смесь (газообразный гелий + жидкий азот) и способствует при вращении шкива под действием центробежных сил возврату жидкого азота во вторую его полость и систему охлаждения азота.
Второй контур теплообменника обеспечивает дальнейшее охлаждение жидкой фазы и выделению из нее газообразного гелия и способствует его частичному смешению с жидким азотом.
На фиг.1 представлен продольный разрез ленточно-колодочного тормоза; на фиг.2 - поперечный разрез фиг.1 по А-А.
Ленточно-колодочный тормоз с магнитным охлаждением состоит из барабана в виде шкива 1, расположенного на валу 2 лебедки. Шкив 1 состоит из двух сегментов первого 3 и второго 4, которые между собой разделены с помощью теплоизоляционной прокладки 5. Первый сегмент 3 шкива 1 изготовлен из термомагнитного материала, например, галлий-гадолиневого граната, а второй сегмент 4 - из парамагнитного вещества, например, соли редкоземельных элементов, хромокалиевые, железоаммониевые, хромометиламмониевые квасцы. Кристаллические розетки последних содержат ионы Fe, С, Cd, которые разделены в кристаллической решетке большим числом немагнитных ионов и поэтому взаимодействуют между собой слабо, даже при низких температурах, когда тепловое движение значительно ослабленно, силы магнитного взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных списков. В первом сегменте 3 находится вторая полость 6, а первая полость 7 расположена под вторым сегментом 4. При этом полости 6 и 7 между собой разделены. С торца шкива 1 со свободного его края расположены тороидальный магнит 8 со сверхпроводящими обмотками 9, запитанными от высоковольтного мощного источника. Магнит 8 для первого сегмента 3 создает зону намагничивания, а для второго сегмента 4 - зону размагничивания. Система охлаждения 10 магнита 8 и вторая полость 6 соединены между собой через теплообменник 11 с помощью цилиндрических радиальных трубок 12 и 13. Система охлаждения 10 магнита 8 заполнена теплоносителем жидким азотом 14. Теплообменник 11 через радиальные цилиндрические трубки 15 соединен также с первой полостью 7. Теплообменник 11 имеет контуры (а) и (б) с разным гидравлическим сопротивлением. Контур (а) теплообменника 11, соединенный со второй полостью 6 и системой охлаждения 10 магнита 8, имеет меньшее гидравлическое сопротивления, чем контур (б), связанный с первой полостью 7. Контур (б) является дополнительным.
Сегментная часть 4 шкива 1 является зоной размагничивания и через нее пропущены теплопроводные пластины 16, которые с одной стороны выведены заподлицо рабочей поверхности шкива 1, а с другой погружены в теплоноситель 17 первой полости 7, имеющей снизу корпус из теплоизоляции 18. В качестве теплоносителя 17 используется жидкий гелий. Теплоносители 14 и 17 находятся в жидкой фазе, т.е. жидкий азот с растворенным гелием.
Шкив 1 охватывает тормозная лента 19, на которой расположены фрикционные накладки 20.
Ленточно-колодочный тормоз с магнитным охлаждением работает следующим образом. При торможении фрикционные накладки 20 взаимодействуют с поверхностью шкива 1. За счет высокого коэффициента теплопроводности первого сегмента 3 и теплопроводных пластин 16 теплота от рабочей поверхности шкива 1 передается жидкому гелию 17, находящемуся в первой 7 и второй 6 полостях. При включении магнита 8 первый сегмент 3 шкива 1 находится под действием мощного магнитного поля. В зоне намагничивания и разогрева первого сегмента 3 шкива 1 и сверхпроводящей обмотки 9 охлаждается жидким азотом 14 с растворенным в нем гелием 17. Намагничивание первого сегмента 4 шкива 1 сопровождается выделением теплоты с уменьшением его энтропии, что ведет к повышению температуры жидкой фазы (азота 14 и гелия 17). В то же время второй сегмент 4 шкива 1 размагничивается, т.е. спины парамагнетика под действием теплового движения атомов (ионов) кристаллической решетки вновь приобретают хаотическую ориентацию. При этом размагничивание происходит адиабатически, так как первая полость 7 покрыта теплоизоляцией 18. Это ведет к тому, что, в свою очередь, температура второго сегмента 4 шкива 1 понижается, а вместе с ним и жидкой фазы, что ведет к уменьшению растворимости гелия 17 в жидкости и он из нее выделяется. Газообразный гелий интенсивно охлаждает первый сегмент 3 и сверхпроводящую обмотку 9 магнита 8 и конденсируется. Энтропия второго сегмента 4 шкива 1 остается постоянной.
Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза состоит в следующем.
Контур (а) теплообменника 11, имеющий меньшее гидравлическое сопротивление, способствует быстрому охлаждению жидкой фазы (азота 14 и гелия 17) и превращения ее в газожидкостную смесь (газообразного гелия 17 и жидкого азота 14), и возврату жидкого азота 14 под действием центробежных сил при вращении шкива 1 во вторую полость 6 и систему охлаждения 10 магнита 8. Контур (б) теплообменника 11, имеющий большее гидравлическое сопротивление, способствует дальнейшему охлаждению жидкой фазы и выделению из нее газообразного гелия 17 и его частичному смешению с жидким азотом 14 в контуре (а).
Таким образом, охлаждение пар трения ленточно-колодочного тормоза достигается за счет отвода теплоты от трущихся поверхностей с помощью металлических элементов (первого сектора 3 и пластин 15) к жидкой фазе (азот и гелий), которая, в свою очередь, охлаждается в зоне размагничивания в теплообменнике и способствует образованию газообразной фазы гелия. Управление нагруженностью пар трения ленточно-колодочного тормоза способствует повышению эффективности за счет стабилизации эксплуатационных параметров, а также увеличению их ресурса.
Источники информации
1. А.с. 1767254, М. кл. F16D 65/813 за 1992 г. (аналог).
2. Фонд новаторов. Техника молодежи. 1991, №7. - 6 с. (прототип).