СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ТОРМОЗНЫХ БАРАБАНОВ БАРАБАННО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
METHOD OF HEATING AND COOLING OF BRAKE DRUMS OF CARRIER DRUM-SHOE BRAKE FOR EVALUATION OF THEIR THERMAL BALANCE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тяжелонагруженных барабанно-колодочных тормозах, например, транспортных средств.
Известны способы определения количества теплоты (так называемой калометрией), заключающиеся в использовании различных типов калориметров, а именно:
- обыкновенный калориметр переменной температуры с изотермической оболочкой;
- массивный калориметр переменной температуры с изотермической оболочкой;
- калориметр переменной температуры с адиабатической оболочкой;
- дифференциальный калориметр с переменной температурой;
- калориметр постоянной температуры [1, прототип].
Однако представленные способы определения доли генерируемой, аккумулируемой и рассеиваемой теплоты в окружающую среду поверхностями тормозного барабана транспортного средства не могут быть использованы по следующим причинам:
- из-за сложной конфигурации поверхностей тормозного барабана;
- нельзя точно оценить потери теплоты от радиационного теплообмена и отдельно взятым естественным и вынужденным конвективным теплообменом поверхностей тормозного барабана; не представляется возможным учесть потери теплоты от тормозного барабана кондуктивным теплообменом.
H
0
H
0
Известны методы решения задач теплопроводности, к которым относятся: аналитический, численный, аналоговый, графический и экспериментальный [2, аналог]. С помощью предложенных методов определяют значения температур в исследуемых объектах расчетным или экспериментальным путем. В используемых зависимостях для расчета количества теплоты, которое отводится от тормозного барабана колодочного тормозного устройства, необходимо знать не только разность температур (t-t), где t, t - температуры: нагревания поверхности тормозного барабана и окружающей среды, но и коэффициенты интенсивности процессов, т.е. теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции, а также при радиационном теплообмене. Что касается определения потерь теплоты от тормозного барабана кондуктивным теплообменом, то она почти никогда не определяется. Это вызвано тем, что ее просто никто не учитывает. Знание поверхностных температур пар трения тормоза в процессе его эксплуатации позволяет производить правильный выбор материала для фрикционных накладок, как для самого слабого звена фрикционного узла.
Недостаток методов расчета в том, что при определении потерь теплоты в исследуемом объекте обязательно необходимо знать два параметра: температуры поверхности и коэффициенты теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием. Первые рассчитываются, а вторые принимаются из справочной литературы как некоторые усредненные величины.
Известен способ нагревания и охлаждения тормозных шкивов ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки при оценке их теплового баланса [3, аналог].
1
2
0
1
0
2
0
Ленточно-колодочный тормоз содержит полые, герметизированные тормозные шкивы, заполненные легкоплавким металлом (калием, натрием, литием), в которых находятся по периметру полости нагревательные устройства. К наружным поверхностям тормозных шкивов подключены термоэлектроды термопар. Поверхности первого тормозного шкива полностью теплоизолированы от окружающей среды, а поверхности второго тормозного шкива взаимодействуют с ней при раздельно подключенных на одинаковый промежуток времени нагревательных устройствах к внешнему источнику электрического тока, обеспечивающих нагревание тела тормозных шкивов посредством расплавленного легкоплавкого металла. Отключают нагревательные устройства от внешнего источника электрического тока и по соотношению измеренных поверхностных температур первого (t) и второго (t-t) тормозных шкивов определяют долю теплоты, которая рассеивается в окружающую среду радиационным теплообменом. По второму варианту ленточно-колодочный тормоз содержит фрикционные накладки, которые расположены на дуге обхвата тормозной ленты, через тело которых пропущены термоэлектроды термопар. Выступ первого тормозного шкива теплоизолируют от фланца барабана, а выступ второго тормозного шкива не теплоизолируют. Путем циклических торможений, обеспечивающих взаимодействие фрикционных узлов тормоза, нагревают тормозные шкивы с легкоплавким металлом до его расплавленного состояния, и по соотношению измеренных поверхностных температур (t-t/(t-t)) первого и второго тормозных шкивов при разной интенсивности радиационного и конвективного теплообмена от их поверхностей судят о доле теплоты от общего ее количества, которая отводится во фланец барабана, т.е. кондуктивным теплообменом. Техническим результатом является возможность определения потерь теплоты в тормозном шкиве ленточно-колодочного тормоза температурным способом для определения коэффициентов теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции и лучеиспусканием, а также кондуктивным теплообменом для правильного выбора материалов фрикционных накладок и работы в интервалах поверхностных температур ниже допустимых.
Однако представленный способ определения доли генерируемой, аккумулируемой и рассеиваемой теплоты в окружающую среду тормозным шкивов ленточно-колодочного тормоза не могут быть использованы по следующим причинам: из-за большого веса тормозного шкива; из-за наличия в полостях шкива легкоплавких металлов, что сказывается на точности определения количества теплоты, которая затрачивается на нагревание тормозного шкива.
Цель изобретения - определение потерь теплоты в тормозном барабане барабанно-колодочного тормоза транспортного средства температурным способом для определения коэффициентов теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции и лучеиспусканием, а также кондуктивным теплообменом для правильного выбора материалов фрикционных накладок и работы в интервалах поверхностных температур ниже допустимых.
1
2
1
1
0
2
0
Поставленная цель достигается тем, что на первом этапе поверхности первого тормозного барабана полностью теплоизолированы от окружающей среды, а поверхности второго тормозного барабана взаимодействуют с ней при раздельно подключенных на одинаковый промежуток времени внутренних нагревательных устройствах, охватывающих рабочую поверхность ободов барабанов, к внешнему источнику электрического тока, после чего отключают нагревательные устройства от барабанов и по соотношению измеренных поверхностных температур первого (t) и второго (t-t) тормозных барабанов определяют долю теплоты, которая рассеивается в окружающую среду конвективным и радиационным теплообменом. На втором этапе фиксируют промежуток времени естественного конвективного и радиационного охлаждения поверхностей второго тормозного барабана от полученного теплового состояния в результате электрического нагревания до температуры окружающей среды и определяют интенсивность конвективного и радиационного теплообмена поверхностей второго тормозного барабана в заданных интервалах температур. На третьем этапе эксплуатационных испытаний выполняют циклические торможения транспортного средства, нагревая при этом пары трения тормоза, и по соотношению измеренных поверхностных температур (t-t(t-t)) первого и второго барабанов при разной интенсивности радиационного и вынужденного конвективного теплообмена от их поверхностей судят о доле теплоты от общего ее количества, которое отводится в фланец ступицы заднего моста, т.е. кондуктивным теплообменом.
На четвертом этапе эксплуатационных испытаний при различных постоянных скоростях движения транспортного средства, и, следовательно, при различных постоянных частотах вращения тормозных барабанов за одинаковые промежутки времени фиксируют температуры термопарами, установленными на наружной поверхности их ободов, а затем определяют интенсивность радиационного и вынужденного конвективного теплообмена поверхностей барабана в заданных интервалах его поверхностных температур.
Сравнительный анализ способов оценки тепловых потерь в барабанах барабанно-колодочных тормозов, исходя из прототипа и аналогов, показал следующие преимущества предложенного температурного способа:
- возможность поэтапного определения тепловых потерь тормозного барабана в лабораторных и эксплуатационных условиях;
- теплота, вносимая в тормозной барабан, достигается нагреванием с помощью электрического тока сплошным и отдельным кольцевыми устройствами, установленными на рабочей поверхности ободов тормозных барабанов;
- определение потерь теплоты, вызванное естественным конвективным и радиационным теплообменом, производится за одинаковое время путем сравнения нагретого нетеплоизолированного и теплоизолированного от окружающей среды тормозного барабана в лабораторных условиях;
- определение интенсивности теплообмена естественной конвекции и лучеиспусканием тормозного барабана производится при его охлаждении от заданного теплового состояния до температур окружающей среды в лабораторных условиях;
- определение потерь теплоты, вызванных кондуктивным теплообменом, производится за одинаковое время путем сравнения нагретого тормозного барабана и тормозного барабана с участка теплоизолированного фланца в эксплуатационных условиях;
- определение интенсивности теплообмена вынужденной конвекцией и лучеиспусканием нагретого тормозного барабана производится за одинаковое время при различных постоянных частотах его вращения в эксплуатационных условиях.
На фиг.1 показана конструкция теплоизолированного тормозного барабана со сплошным кольцевым электрическим нагревательным устройством; на фиг.2 приведена конструкция нетеплоизолированного тормозного барабана с отдельными кольцевыми электрическими нагревательными устройствами, моделируя таким образом реальный коэффициент взаимного перекрытия пар трения в барабанно-колодочном тормозе; на фиг.3 изображен общий вид барабанно-колодочного тормоза с участком теплоизолированного фланца; на фиг.4 показан вид А на фиг.3 - установка термопары с электродами в детали фрикционного узла; на фиг.5 изображен общий вид барабанно-колодочного тормоза с участком нетеплоизолированного фланца. Условные обозначения: I и II - первый и второй тормозные барабаны и, соответственно, первый и второй тормозные механизмы.
Способ нагревания и охлаждения тормозных барабанов транспортного средства при оценке их теплового баланса заключаются в определении потерь теплоты от поверхностей тормозного барабана радиационным теплообменом, естественной и вынужденной конвекцией, а также путем передачи теплоты теплопроводностью (кондуктивным теплообменом) от участка фланца тормозного барабана, взаимодействующего с фланцем ступицы заднего моста транспортного средства.
Способ нагревания и охлаждения тормозных барабанов заднего моста (как наиболее тяжелонагруженных) транспортного средства осуществляется в лабораторных и эксплуатационных условиях в четыре этапа.
Первый этап. В лабораторных условиях определяются потери теплоты радиационным и естественным конвективным теплообменом от нагретого тормозного барабана (фиг.1 и 2). Для этого берут два серийных тормозных барабана 1, имеющих рабочую поверхность 2 и фланец 3. По периметру рабочей поверхности 2 барабанов устанавливают кольцевые электрические нагревательные устройства 4 и подключают их к клеммам 5 электрической цепи. В первом тормозном барабане 1 кольцевые электрические нагревательные устройства 4 закрыты с их наружной стороны термоизоляционным кольцом 5. Кроме того, поверхность первого из тормозных барабанов 1 полностью покрыта теплоизоляцией. Такой же теплоизоляцией покрыты кольцевые электрические нагревательные устройства 4 со стороны их наружных поверхностей. При этом коэффициент взаимного перекрытия кольцевых электрических нагревательных устройств 4 по отношению к рабочей поверхности обода тормозного барабана равен коэффициенту взаимного перекрытия рабочими поверхностями фрикционных накладок тормозных колодок обода барабана. Это позволяет учесть потери теплоты от внутренней поверхности обода тормозного барабана естественным конвективным и радиационным теплообменом. На наружной поверхности каждого из тормозных барабанов 1 установлены термопары 8 с термоэлектродами 9, подключенными к регистрирующей аппаратуре (на фиг.1 и 2 не показаны) для фиксации термо-эдс, которая по тарировочному графику переводится в температуру.
Перед нагреванием тормозных барабанов 1 их устанавливают на подставки, изготовленные из материала с низкой теплопроводностью, например эбонита или текстолита.
После чего одновременно подключают нагревательные устройства 4 в двух барабанах 1 с помощью клемм 5 в электрическую сеть. Нагревательные устройства 4 включают на одинаковое время для того, чтобы температура рабочей поверхности второго тормозного барабана 1 достигала не ниже 350°C.
1
2
0
<mrow><mfrac><mrow><mn>350</mn></mrow><mrow><mn>300</mn><mo>−</mo><mn>20</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,25</mn></mrow>
В дальнейшем отключают нагревательные устройства 4 от электрической сети и после усреднения замеренных температур на поверхностях тормозных барабанов 1 устанавливают их соотношение. Последние характеризуют отношение поверхностной температуры первого (t) к второму (t-t) тормозных барабанов, которое и определяет долю теплоты, рассеиваемой в окружающую среду радиационным и естественным конвективным теплообменом. Так, например, при соотношении указанных температур
доля теплоты, которая рассеивается в окружающую среду радиационным и естественным конвективным теплообменом от поверхностей тормозного барабана, составляет 25,0%.
Второй этап. В лабораторных условиях определяются потери теплоты радиационным и естественным конвективным теплообменом от поверхностей нагретого первого тормозного барабана.
В результате установившегося теплового состояния тормозного барабана 1, полученного на первом этапе, фиксируют промежуток времени радиационного и естественного конвективного охлаждения. После чего определяют интенсивность радиационного и естественного конвективного теплообмена, т.е. коэффициенты теплоотдачи от поверхностей тормозного барабана 1 в заданных интервалах температур.
H
0
H
0
Так, например, Q=IUτ, кДж (количество теплоты, затраченное на нагревание первого тормозного барабана); I - сила тока, A; U - напряжение, В; τ - время, с. С другой стороны, данное количество теплоты (Q) рассеивается с поверхностей (F) тормозного барабана 1 за время (τ) при разности температур (t-t) (t, t - начальная температура поверхности нагретого тормозного барабана и окружающей среды,°C). В этом случае коэффициент теплоотдачи будет равен
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>F</mi><mi>τ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>H</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
.
Третий этап. В эксплуатационных условиях определяются потери теплоты кондуктивным теплообменом от частей поверхностей фланцев тормозных барабанов при их взаимодействии с поверхностями фланцев ступиц заднего моста транспортного средства (фиг.3 и 5).
Для реализации третьего этапа от тормозных барабанов 1 отсоединяют термоэлектроды 9 термопар 8, а также электропровода, идущие от нагревательных устройств 4 к клеммам 5. Кроме того, снимают с первого тормозного барабана 1 теплоизоляцию 7, оставив ее только на участке теплоизолированного фланца 21 барабана 1. После чего тормозные барабаны 1 устанавливают в тормозные механизмы заднего моста транспортного средства, прикрепляя их к его фланцу ступицы 25 крепежными болтами 23 с шайбами 24.
1
0
2
0
<mrow><mfrac><mrow><mn>350</mn><mo>−</mo><mn>20</mn></mrow><mrow><mn>340</mn><mo>−</mo><mn>20</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,093</mn></mrow>
Для измерения поверхностных температур пар трения барабанно-колодочного тормоза заднего моста транспортного средства в его фрикционных накладках 12 размещают термоэлектроды 17 термопар 18 (фиг.4). Двухканальная керамическая трубка 16 устанавливается в отверстие 14 фрикционной накладки 12 и выводится почти заподлицо ее рабочей поверхности 13. В трубе 16 диаметром 4,0 мм заложены термоэлектроды 17 термопары 18, изготовленной из хромель-копелевой проволоки диаметром 0,4 мм. Положительным термоэлектродом 17 является хромелевая проволока, а отрицательным - копелевая проволока. Головка термопары 18 (в виде сферы), которая взаимодействует с рабочей поверхностью 2 тормозного барабана 1, сформирована из высокотемпературного медного припоя в виде спая диаметром 3,0 мм и установлена в ограничительное кольцо 19. Последнее препятствует выходу из строя головки термопары 18 и способствует ее работе до полного износа. Двухканальная керамическая трубка 16 (керамическая трубка состоит из двух частей) установлена с изоляционными втулками 20 и 21 в отверстие 11 тормозной колодки 15. Длина термоэлектродов 9 и 18 выбирается из условия, чтобы за время экспериментов холодный спай не успел прогреться, и равняется 200-350 мм. Выводы на регистрирующую аппаратуру осуществлялись медными проводами. Термопары 8 и 18 перед их установкой тарировались вместе с соединительными проводами. После чего разгоняют транспортное средство до заданной скорости и выполняют его циклические торможения барабанно-колодочным тормозом путем прикладывания и снятия усилия с педали тормоза (на фиг.3 и 5 не показаны), прижимая с помощью тормозных колодок 15 фрикционные накладки 12 рабочими поверхностями 13 к рабочей поверхности 2 тормозных барабанов 1. После завершения циклических торможений транспортным средством снимают нагрузку с тормозной педали и с помощью оттяжной цилиндрической пружины 28, концы которой сидят на пальцах 28 и отводят тормозные колодки 15 с накладками 12 от рабочей поверхности 2 обода тормозного барабана 1. При этом во втором барабане 1 теплота от его фланца 22 передается фланцу ступицы 25 и поэтому температура рабочей поверхности 2 первого барабана 1 будет больше, чем второго. Это обстоятельство будет способствовать разной интенсивности радиационного и вынужденного конвективного теплообмена от поверхностей тормозных барабанов 1. Затем по соотношению измеренных поверхностных температур (t-t/(t-t)) первого и второго тормозных барабанов 1 тормоза и судят о доле теплоты от общего ее количества, которая передается во фланец ступицы 25 заднего моста транспортного средства, т.е. кондуктивным теплообменом. Так, например, при соотношении указанных температур
доля теплоты, которая передается кондуктивным теплообменом во фланец ступицы 25 заднего моста транспортного средства, составляет 9,3%.
Четвертый этап. В эксплуатационных условиях определяются потери теплоты вынужденным конвективным и радиационным теплообменом от поверхностей нагретых тормозных барабанов заднего моста транспортного средства.
При различных постоянных скоростях движения транспортного средства, а следовательно, при различных постоянных частотах вращения тормозных барабанов 1 за одинаковые промежутки времени фиксируют термопарами температуры наружных поверхностей их ободов. Для этого термопары установлены на наружной поверхности обода тормозного барабана 1 и подключены через токосъемное устройство к регистрирующей аппаратуре (на фиг.3 и 5 не показаны). После чего определяют интенсивность радиационного и вынужденного (коэффициент теплоотдачи) в заданных интервалах поверхностных температур. При этом необходимо выдержать условия по нагреванию барабанов 1 тормозов, отвечающие второму этапу исследований. В этом случае определяют коэффициенты теплоотдачи (радиационным теплообменом плюс вынужденной конвекцией) от поверхностей тормозного барабана 1 при его свободном вращении по зависимости аналогичной зависимости, приведенной для второго этапа исследований.
Таким образом, в лабораторных и эксплуатационных условиях осуществляются нагревание и охлаждение барабанов тормоза, которые позволили определить потери теплоты с радиационным, естественным и вынужденным конвективным теплообменом от их поверхностей в окружающую среду, а также кондуктивным теплообменом от фланцев барабанов к фланцам ступицы заднего моста транспортного средства.
Источники информации
1. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е. Основы экспериментальной термодинамики. М. - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1950. - 310 с [прототип].
2. Вольченко А.И. Тепловой расчет тормозных устройств. Львов: Высшая школа, 1987. - 133 с [аналог].
3. Патент России 227959 С2, кл. F16D 65/813 за 2006 г [аналог].