ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ С ОХЛАЖДЕНИЕМ
DOUBLE-STEP BAND-SHOE BRAKE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с радиально подвижными фрикционными элементами, в котором в тормозном шкиве по периметру его цилиндрической поверхности выполнены равномерно расположенные сквозные окна, в которые установлены фрикционные элементы, имеющие в продольном сечении форму равнобокой трапеции с большим выпуклым и меньшим вогнутым основаниями, радиусы кривизны которых соответствуют кривизне сопрягаемых с ними поверхностей, при этом большее основание выступает над поверхностью шкива, а к меньшему по его нижней поверхности присоединен фрикционный кольцевой сектор, кромки рабочей поверхности которого закруглены и который своими выступами препятствует выпадению фрикционного элемента из окна шкива, а своей вогнутой поверхностью контактирует с металлическими пластинами, также имеющими закругления кромок рабочих поверхностей и установленными с зазорами на наружной поверхности торовой резиновой пневмокамеры, внутренняя поверхность которой расположена на неподвижном цилиндрическом кольцевом выступе специального фланца, опирающегося на установочную лапу, крепящуюся к станине лебедки, и прикреплена к нему штуцерами воздушных трубопроводов [1, аналог; патент России 2295 067 С2, кл. F16D 49/08, БИ №7, 2007 г.].
Тормоз имеет тот недостаток, что его тормозной шкив не выполняет функций теплопоглощающего и теплорассеивающего узла.
Известно устройство для охлаждения тормоза с гибким шкивом, выполненное в виде охлаждающих узлов, в которых на кольцевых секторах внешних фрикционных накладок выполнены в виде теплопроводных подложек, имеющих продольные ребра, выведенные заподлицо с их внутренними поверхностями, а во внутренних фрикционных накладках охлаждающие узлы выполнены в виде цилиндрических трубок различного поперечного сечения, расположенных радиально в теле тормозных колодок, соединенных в них с секторными кольцевыми полостями и заполненных теплоносителем, при этом горячими зонами тепловых трубок являются загерметизированные концы цилиндрических трубок со стороны рабочих поверхностей накладок, а холодными зонами тепловых трубок являются концы цилиндрических трубок, спущенные в теплоноситель секторных кольцевых полостей колодок [2, прототип; патент России 2270 943 С2, кл. F16D 51/50, БИ №6, 2006 г.].
Устройство для охлаждения тормоза с гибким шкивом имеет тот недостаток, что обеспечивает охлаждение тела шкива только во время торможения.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные признаки:
- снижение поверхностных температур внешних и внутренних пар трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза за счет системы тепловых трубок, подключенных к мощным зонам конденсации, расположенных в емкостях тормозного шкива;
- снижение теплонагруженности тормозного шкива с окнами осуществляется за счет кондуктивного (передачей теплоты по телу шкива с помощью его перемычек между окнами) и конвективного (рассеиванием теплоты от поверхностей шкива) теплообмена:
- достигается снижение поверхностных температур внешних и.-внутренних пар трения тормоза, что ведет к улучшению его эксплуатационных параметров:
- обеспечивается почти постоянный уровень теплонагруженности внешних и внутренних пар трения фрикционных узлов тормоза благодаря поддержанию на их поверхностях температур ниже допустимых для материалов фрикционного элемента и кольцевого сектора.
Целью настоящего изобретения является одновременное снижение теплонагруженности внешних и внутренних пар трения тормоза для улучшения его эксплуатационных параметров.
Поставленная цель достигается тем, что система охлаждающих устройств состоит из пустотелых полостей шкива, заполненных теплоносителем и расположенных между его окнами, и при этом боковые стороны пустотелых полостей соединены с помощью радиальных прямоугольных теплопроводных пластин, простирающихся в теле фрикционных элементов, переходящих в цилиндрические и обхватывающих внешнюю поверхность цилиндрической тепловой трубы в ее средней части; при этом цилиндрические тепловые трубы заполнены теплоносителем и загерметизированы сверху шляпкой, а снизу цилиндрической вставкой и соединяют фрикционный элемент с кольцевым сектором. При этом зонами испарения в системе охлаждающих устройств являются во внешних парах трения шляпки цилиндрических тепловых труб, а во внутренних парах трения - цилиндрические вставки тепловых труб, зоной транспорта от цилиндрических труб - цилиндрическо-прямоугольные пластины, а зоной конденсации - пустотелые полости шкива.
На фиг.1 представлен общий вид двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза с охлаждением; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза; на фиг.3 показан вид Б на фрикционный узел тормоза; на фиг.4 - вынесенный элемент В, иллюстрирующий соединение наружной поверхности торовой резиновой пневмокамеры с металлическим элементом трения (пластинами).
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз содержит тормозной шкив 1, имеющий окна 2, расположенные с постоянным шагом по его периметру. Между окнами 2 находятся полости 3 над рабочей поверхностью 4 шкива 1. Последний имеет выступ 5, которым он с помощью болтового соединения 6 крепится к фланцу 7 барабана 8. Ступица 9 барабана 8 с фланцем 7 посредством призматической шпонки закреплена на подъемном валу 10 лебедки.
2
1
н1
н2
В окна 2 шкива 1 установлены фрикционные элементы (накладки) 11, имеющие в продольном сечении форму разнобокой трапеции, большее основание 12 которой выпуклое. При замыкании тормоза оно взаимодействует с внутренней поверхностью 13 тормозной ленты 14, являясь внешней рабочей поверхностью фрикционного элемента 11, при этом радиусы кривизны сопряженных поверхностей накладки и ленты равны. Пара трения «выпуклое большое основание 12 фрикционного элемента 11 - внутренняя поверхность 13 тормозной ленты 14» является обратной парой трения. Для данной пары трения характерны следующие соотношения твердости материалов и площадей рабочих поверхностей: H>H и А>А (индекс «1» относится к внешней рабочей поверхности 12 фрикционных элементов 11, индекс «2» - к внутренней поверхности 13 тормозной ленты 14). К меньшему вогнутому основанию 15 фрикционного элемента 11 прикреплен с помощью цилиндрических трубок 16 со шляпкой 17 и цилиндрической вставкой 18 путем их запрессовки в кольцевой сектор 19, изготовленный из такого же фрикционного материала. Кроме того, возможно дополнительное соединение кольцевого сектора 19 с фрикционным элементом 11 с помощью клея.
При этом в своей средней части цилиндрическая трубка 16 соприкасается с теплопроводным разрезанным цилиндрическим кольцом, к которому присоединены радиальные, прямоугольные теплопроводные пластины 20, заформированные во фрикционный элемент 11. Пластины 20 соприкасаются своими торцовыми поверхностями с боковыми поверхностями полостей 3 шкива 1. Длина цилиндрической трубки 16 выбрана такой, чтобы высота ее шляпки 17 и цилиндрической вставки 18 были больше величины допустимого износа фрикционного элемента 11 и фрикционного кольцевого сектора 19. Последний в плане имеет большие размеры, чем прилегающее к нему нижнее основание 15 фрикционного элемента 11, что при их соединении обуславливает наличие выступов 21, препятствующих выпадению фрикционного элемента 11 из окна 2 шкива 1 при действии на него гравитационных и центробежных сил в зоне, не охваченной тормозной лентой 14. Своей нижней вогнутой поверхностью 22 фрикционный кольцевой сектор 19 контактирует с металлическими пластинами 23, установленными на наружной поверхности 24 торовой резиновой пневмокамеры 25. При этом радиусы сопряженных поверхностей фрикционного кольцевого сектора 19 и металлической пластины 23 равны. Металлические пластины 23 на наружной поверхности 24 торовой резиновой пневмокамеры 25 установлены с некоторым зазором е, наличие и величина которого исключают возможность их взаимного столкновения при полном выпуске воздуха из полости пневмокамеры 25. Для мягкого вхождения в контакт фрикционных кольцевых секторов 19, скользящих по поверхности металлических пластин 23, при прохождении ими зазора е кромки секторов 19 и пластин 23 со стороны их рабочих поверхностей закруглены.
4
3
н4
н3
Пара трения «нижняя вогнутая поверхность 22 фрикционного кольцевого сектора 19 - металлическая пластина 23» является также обратной парой трения. Для данной пары трения характерны следующие условия: Н>Н и А>А (индекс «3» относится к рабочей поверхности 22 фрикционного кольцевого сектора 19, индекс «4» - к металлической пластине 23).
Внутренняя поверхность 26 торовой резиновой пневмокамеры 25 расположена на неподвижном цилиндрическом кольцевом выступе 27 специального фланца 28, опирающегося на установочную лапу 29, крепящуюся к станине лебедки (на фиг.1-4 не показан), подключен аналогичным образом к общей пневмосистеме.
Тормозная лента 14 имеет набегающую ветвь (а), связанную с опорой 33, и сбегающую ветвь (б), соединенную с рычагом 34 управления тормозом.
Система охлаждающих устройств состоит из пустотелых полостей 3 в шкивах 1, заполненных теплоносителем с высокой скрытой теплотой парообразования. При этом боковые стороны полостей 3 в шкивах 1 соединены с помощью радиальных, прямоугольных теплопроводных пластин 20, простирающихся в теле фрикционных элементов 11 и переходящих в цилиндрические разрезные кольца, которые соприкасаются с цилиндрической трубкой 16 в ее средней части. Количество цилиндрических трубок 16 во фрикционных элементах 11 и кольцевых секторах 19 зависит от ширины обода тормозного шкива 1. Пустотелые полости 3 шкива 1 и цилиндрические трубки 16 загерметизированы и вакуумированы, и заполняются на две трети их объемов теплоносителем, что позволяет им работать на эффекте "тепловой трубы". Кроме того, тепловые трубки 16 устланы изнутри капиллярно-пористым накопителем (не показано).
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с охлаждением работает при следующих тормозных режимах.
т
1
H
C
1
H
C
1
T2
2
2
C
T1
T2
H
C
1
2
Первый режим торможения. При нажатии на рычаг управления 33 тормозная лента 14 набегающей (а) и сбегающей (б) ветвью взаимодействует с выступающими над поверхностью шкива 1 выпуклыми рабочими поверхностями 12 фрикционных элементов 11. В результате чего на поверхностях внешних фрикционных узлов генерируется некоторое количество теплоты. Последняя с помощью шляпок 17 и собственно цилиндрических трубок 16, которые являются зоной испарения I, передается теплоносителю и нагревает его. Часть теплоты передается через цилиндрическо-прямоугольные пластины 20, являющиеся своего рода зоной транспорта III, к зоне конденсации IV. Последней являются полости 3 в шкиве 1 с теплоносителем 1. При этом происходит притормаживание шкива 1, имеющего момент инерции меньший, чем у серийного шкива. Возникающие при неравномерном вращении шкива 1 с установленными в его окнах 2 фрикционными элементами 11 толчки и вибрации гасятся вследствие наличия торовой резиновой пневмокамеры 25, на которую опираются и взаимодействуют с ее металлическими пластинами 23 внутренние вогнутые поверхности 22 фрикционных кольцевых секторов 19. Величина развиваемого тормозом тормозного момента определяется не только усилием его замыкания (усилием на рычаге управления 33), но и давлением сжатого воздуха в торовой резиновой пневмокамере 25, поскольку именно величина давления сжатого воздуха в ней влияет на силу прижатия пар трения при их радиальном перемещении в окнах 2 шкива 1, а также на величины радиусов поверхностей трения внешних и внутренних фрикционных узлов. В общем случае тормозной момент, развиваемый внешними парами трения ленточно-колодочного тормоза, равен М=(S-S)R, где S, S - натяжение набегающей (а) и сбегающей (б) ветвей тормозной ленты 14; R - радиус внешней поверхности трения. Тормозной момент, развиваемый внутренними парами трения ленточно-колодочного тормоза, равен М=nрАfR, где n -количество внутренних пар трения тормоза; р - давление сжатого воздуха в полости пневмокамеры 25; А - площадь поверхности трения внутренних фрикционных узлов; f - коэффициент трения скольжения во внутренних парах трения тормоза; R - радиус внутренней поверхности трения. Суммарный тормозной момент равен М=М+М. Все составляющие, входящие в последнюю аналитическую зависимость для определения суммарного тормозного момента, являются переменными. Целенаправленно изменяя величины S, S, n; р; A; f; R и R можно добиться существенного уменьшения усилий натяжения ленты при том же значении тормозного момента. Таким образом, в первом тормозном режиме внешние и внутренние пары трения тормоза замкнуты максимальным усилием затягивания тормозной ленты 14 и максимальным давлением сжатого воздуха в торовой резиновой пневмокамере 25.
Особенностью работы систем охлаждающих устройств типа "тепловой трубы" внешних и внутренних фрикционных узлов тормоза, расположенных в верхних и нижних фрикционных элементах 11 и фрикционных кольцевых секторах 19, является следующее. В данных охлаждающих устройствах зонами испарения I являются шляпки 17 тепловых труб 16 и большая часть их длины, соприкасающихся с цилиндрическим разрезным кольцом, переходящих в радиальные, прямоугольные теплопроводные пластины 20. При этом в большей части длины цилиндрических трубок 16 вместе с цилиндрической вставкой 18 будет находиться теплоноситель. Они все вместе и составляют зону испарения II за счет теплоты, генерируемой на внутренних парах трения. Чем больше будет разность температур, с одной стороны, между зоной испарения I и зоной транспорта III, и, с другой стороны, между зоной испарения II и зоной транспорта III, тем эффективней будут работать тепловые трубы 16. Указанный перепад температур создаст перепад давлений между теплоносителем в различных его фазах на длине тепловых труб 16. Перемещение теплоносителя из зон испарения I и II к зоне транспорта III будет происходить также за счет капиллярных и центробежных сил. При этом существенную роль играет положение зон испарения I и II тепловых труб 16 при торможении, которое влияет на их смоченность теплоносителем, и как следствие, на передачу теплоты в зону транспорта III. Последняя напрямую связана с зоной конденсаций IV системы охлаждающих устройств, что и определяет их эффективность действия.
В этом случае суммарный тормозной момент, развиваемый данным видом тормоза, будет несколько большим, чем максимальный тормозной момент серийного тормоза.
1
2
Второй режим торможения. Внешние и внутренние пары трения тормоза замкнуты минимальным усилием затягивания тормозной ленты 14 и максимальным давлением сжатого воздуха в торовой резиновой пневмокамере 25. В этом случае изменяются следующие параметры: р; A; f; R и R. При этом суммарный тормозной момент, развиваемый тормозом, минимален.
Что касается зоны испарения II тепловых труб 16, то в данном тормозном режиме ей отводится первостепенная роль.
H
C
Третий режим торможения. Замыкание внешних и внутренних пар трения тормоза осуществляется при максимальном усилии затягивания тормозной ленты 14 и максимальном давлении сжатого воздуха в торовой резиновой пневмокамере 25. В этом случае изменяются параметры: S; S; p; А; f. При этом суммарный тормозной момент, развиваемый тормозом, будет максимальным.
В этом режиме торможения зона испарения I тепловых труб 16 является основной, а зона испарения II будет дополнительной. Это объясняется тем, что площадь шляпки 17 немного больше цилиндрической вставки 18 тепловой трубы 16. При частом использовании двухступенчатого тормоза на его внешних и внутренних фрикционных узлах будет генерироваться значительное количество теплоты, которое может превратить часть теплоносителя в объемах охлаждающих устройств в пар. Последний будет накапливаться возле зон испарения I и II тепловых труб 16 и по капиллярной структуре (не показано) их внутренней поверхности будет возвращаться в холодные зоны вращающихся труб, охлаждаемых интенсивно зоной конденсации IV полостей тормозного шкива 1. В дальнейшем циклы тепловой трубы будут повторяться.
Интенсивность износа рабочих поверхностей 12 фрикционного элемента 11 и 22 фрикционного кольцевого сектора 19 будет различной: большая - поверхности 12 фрикционного элемента 11 и меньшая - поверхности 22 фрикционного кольцевого сектора 19. После износа рабочих поверхностей 12 фрикционного элемента 11 и 22 фрикционного кольцевого сектора 19 до допустимой величины производят их замену.
Предложенное техническое решение позволяет существенно улучшить не только динамику процесса торможения, но и износо-фрикционные характеристики путем охлаждения внешних и внутренних пар трения в тормозе, а также регулирования и управления величиной тормозного момента.
Источники информации
1. Патент России 2295067 C2, Кл. F16D 49/08, БИ №7, 2007 г. [аналог].
2. Патент России 2270943 C2, Кл. F16D 51/50, БИ №6, 2006 г. [прототип].