УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ГРАДИЕНТОВ В ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОМ ТОРМОЗЕ
DEVICE AND METHOD FOR REDUCING TEMPERATURE GRADIENTS IN BELT-SHOE BRAKE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известна система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, в которой узлы выполнены в виде термобатарей, термоэлементы которых состоят из графитовых колец и металлических дисков со сквозными отверстиями на боковых поверхностях, через которые они надеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд, а вторая реборда при этом крепится к цилиндрическим штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива (аналог патент RU №2268418, F16D 65/813, 2006, Б.И. №02). Однако длинная система обладает инерционностью и не обеспечивает с помощью металлических теплопроводных колец снижение температурных градиентов обода шкива.
Известен ленточно-колодочный тормоз буровой лебедки, в котором при спуске колонны бурильных труб в скважину, на поверхностях его металлополимерных пар трения в процессе торможения температуры достигают 800°С и более (прототип Джанахмедов А.Х. Нефтяная трибология / Баку: Элм, 2003. - С. 38). Указанные температуры влияют на износофрикционные свойства металлополимерных пар трения тормоза, и как следствие, на эффективность. Возникающие при этом градиенты температуры в ободе тормозного шкива из-за его неравномерного прогрева существенно влияют на долговечность элементов трения.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:
- с увеличением энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза наблюдается повышение эффективности кондуктивным охлаждением за счет разных величин коэффициентов теплопроводности материалов колец и штырей;
- возможность использования для отвода теплоты от пар трения тормоза реборд разборного шкива, всего тела колец и их наружных поверхностей, и как следствие, снижение температурных градиентов за счет равномерного прогрева системы теплопроводных колец;
- достижении е за счет кондуктивного теплообмена в схеме "система теплопроводных цилиндрических колец - система теплопроводных штырей" объединения множества вертикальных тепловых токов в один горизонтальный мощный тепловой ток с направлением в энергоемкую левую и правую реборды шкива, что способствует снижению тепловых градиентов в системе колец;
- возможность снижения температурных градиентов не только за счет конструктивных параметров системы теплопроводных колец и штырей, но и с помощью изменения теплофизических свойств их материалов;
- повышение эффективности торможения и ресурса пар трения.
Задача изобретения разработка устройства и способа снижения температурных градиентов в ленточно-колодочном тормозе.
Технический результат изобретения - повышение долговечности пар трения ленточно-колодочного тормоза за счет снижения температурных градиентов в их элементах путем целенаправленного кондуктивного охлаждения.
Технический результат достигается тем, что устройство для снижения температурных градиентов в ленточно-колодочном тормозе, содержащее узлы для снижения температурных градиентов, расположенные в ободе разборного тормозного шкива, тормозную ленту с фрикционными накладками, отличающееся тем, что узлы для снижения температурных градиентов выполнены в виде системы теплопроводных цилиндрических колец, между которыми установлены поперечные кольцевые теплоизоляторы с выполненными в них сквозными отверстиями, через которые они надеваются на теплопроводные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд тормозного шкива, вторая реборда тормозного шкива при этом крепится к штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива.
Способ снижения температурных градиентов в ленточно-колодочном тормозе, характеризующийся тем, что обеспечивают сток генерируемой теплоты в процессе торможения кондуктивным теплообменом к энергоемким ребордам тормозного шкива, устройства для снижения температурных градиентов в ленточно-колодочном тормозе за счет разности коэффициентов теплопроводности цилиндрических колец, образующих обод шкива, и цилиндрических штырей, завинченных в тело одной из реборд тормозного шкива.
На фиг. 1 изображен общий вид ленточно-колодочного тормоза с устройством для снижения температурных градиентов в его металлополимерных парах трения; на фиг. 2 - вид А на фрикционные узлы в рабочем состоянии; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1, на которой показан поперечный разрез фрикционных узлов с устройством.
Ленточно-колодочный тормоз с устройством для снижения температурных градиентов в металлополимерных парах трения содержит разборный тормозной шкив 1, имеющий собственно обод 2 с рабочей 3 и нерабочей 4 поверхностями, а также левую 5 и правую 6 реборды. Шкив 1 расположен на подъемном валу 7 лебедки. С рабочей поверхностью 3 обода 2 шкива 1 взаимодействуют при торможении рабочие поверхности 8 фрикционных накладок 9. Последние крепятся с помощью усиков 10 к тормозной ленте 11, имеющей набегающую (а) и сбегающую (б) ветви. Сбегающая ветвь (б) тормозной ленты 11 с помощью винтовых стержней 12 крепится к опоре 13. При этом набегающая ветвь (а) тормозной ленты 11 прикреплена к рычагу управления 14.
Обод 2 тормозного шкива 1 состоит из набора теплопроводных цилиндрических колец 15, в которых на их боковых поверхностях выполнены сквозные отверстия 16 с равномерным шагом. Между собой кольца 15 разделены поперечными кольцевыми теплоизоляторами 17 также имеющими сквозные отверстия 16. Торцы крайних колец 15 не теплоизолированы от выступов левой 5 и правой 6 реборд. Теплопроводные кольца 15 и поперечные кольцевые теплоизоляторы 17 благодаря наличию на своих боковых поверхностях сквозных отверстий 16 надеваются на теплопроводные штыри 18, завинченные в левую реборду 5. Со стороны правой реборды 6 система колец стягивается с помощью резьбового соединения, включающего в себя конец штыря 18 с резьбой, шайбу 19 и гайку 20.
к
ш
Способ снижения температурных градиентов ленточно-колодочного тормоза реализуется следующим образом. При торможении, когда микровыступы рабочих поверхностей 8 фрикционных накладок 9 взаимодействуют с микровыступами рабочей поверхности 3 обода 2 шкива 1, в результате чего на их поверхностях генерируются электрические и тепловые токи. Первые в дальнейшем усиливают тепловые токи, нагревающие индивидуально каждое из теплопроводных цилиндрических колец 15. Благодаря тому, что коэффициент теплопроводности (λ) материалов кольца 15 меньше, чем коэффициент теплопроводности (λ) материалов штыря 18, теплота через его тело будет направляться в энергоемкие левую 5 и правую 6 реборды шкива 1. От матовых поверхностей последнего теплота рассеивается в окружающую среду радиационным и конвективным теплообменом. Незначительная часть теплоты рассеивается в окружающую среду радиационным и конвективным теплообменом от внутренних поверхностей системы теплопроводных колец.
Таким образом, за счет кондуктивного теплообмена в схеме "система теплопроводных цилиндрических колец 15 - система теплопроводных штырей 18" происходит целенаправленное превращение множества вертикальных тепловых токов в один горизонтальный мощный тепловой ток, направленный в энергоемкие левую 5 и правую 6 реборды шкива 1. Это обстоятельство будет способствовать снижению температурных градиентов как на поверхностях теплопроводных цилиндрических колец 15, так и по их толщине из-за незначительной энергоемкости каждого кольца системы. Предложенный способ позволяет снижать температурные градиенты не только за счет конструктивных параметров системы теплопроводных колец и штырей, но и с помощью изменения теплофизических свойств их материалов.
Ленточно-колодочный тормоз с устройством и способом снижения температурных градиентов в металлополимерных парах трения работает следующим образом.
При нажатии на рычаг 14 происходит перемещение тормозной ленты 11 с фрикционными накладками 9 для взаимодействия их микровыступов с микровыступами рабочей поверхности 3 тормозного шкива 1. Первым при этом взаимодействуют с микровыступами шкива 1 микровыступы рабочих поверхностей 8 накладок 9 набегающей ветви (а) тормозной ленты 11, а потом уже сбегающей ветви (б), при этом на их поверхностях одновременно генерируются как электрические, так и тепловые токи, в результате чего поверхностные температуры зон взаимодействия металлополимерных пар трения становятся одинаковыми, а следовательно, их поверхностные температурные градиенты равны. В дальнейшем из-за различных величин коэффициентов теплопроводности материалов обода 2 тормозного шкива 1 и фрикционных накладок 9 большая часть теплоты уходит на нагревание системы теплопроводных цилиндрических колец 15, суммарная энергоемкость которых намного меньше из-за наличия между ними поперечных кольцевых теплоизоляторов 17, нежели серийного обода шкива. При этом происходит снижение температурных градиентов как по поверхности системы теплопроводных цилиндрических колец 15, так и по их толщине.
Таким образом, использовав принцип суперпозиции в элементах трения тормоза "генерирование - сток" теплоты, достигается предложенным кондуктивным решением повышение темпа вынужденного охлаждения за счет применения кондуктивного теплообмена по схеме "система теплопроводных цилиндрических колец 15 - система теплопроводных штырей 18", составляющих обод 2 шкива 1.
Интенсивное кондуктивное охлаждение пар трения ленточно-колодочного тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить температурные градиенты как на поверхности, так и по толщине теплопроводных цилиндрических колец и, как следствие, увеличить ресурс пар трения фрикционных узлов тормоза.