ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
TWO-STAGE BAND-AND-SHOE BRAKE WITH THERMAL ELECTRIC COOLING

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз, который снабжен упругой тормозной лентой-кольцом, покоящейся на тарельчастых пружинах на ребордах шкива, имеющих у основания вентиляционные отверстия, а по периметру тормозного шкива выполнено углубление П-образной формы, в П-образном углублении с зазорами относительно боковых поверхностей реборд и рабочей поверхности шкива расположены основные фрикционные накладки, которые крепятся к тормозной ленте-кольцу, к внешней поверхности тормозной ленты-кольца прикреплены дополнительные фрикционные накладки, взаимодействующие с тормозной лентой, при этом удельные нагрузки на внешних и внутренних парах трения фрикционных узлов тормоза одинаковы за счет разных коэффициентов взаимного перекрытия их пар трения [1, аналог; патент России 2224962. кл. F16D 49/08; 49/12 за 2004 г.]. Данный двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз имеет тот недостаток, что в нем не охлаждаются пары трения первой и второй ступени.
Известна система для охлаждения фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза, в которой охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде колец, боковые поверхности которых разделены теплоизоляцией, сверху кольца попарно соединены металлическими пластинами-перемычками различной ширины, опирающимися на металлические диски, а снизу кольца выступают над внутренней поверхностью шкива и их торцы соединены попарно теплоотводящими пластинами с оребрением со смещением на полшага, считая от внутренних поверхностей реборд, в кольцах и дисках выполнены сквозные отверстия, через которые они надеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд, вторая реборда при этом крепится к штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива [2, прототип; патент России 2268416, кл. F16D 65/813 за 2006 г.]. Данная система термоэлектрического охлажадения фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза не может обеспечить одновременное охлаждение его двух ступеней.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие преимущества:
- обеспечивается одновременное охлаждение с помощью термоэлектрического эффекта первой и второй ступени ленточно-колодочного тормоза;
- осуществляется независимое охлаждение как внешних, так и внутренних фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза вне зависимости от того, замкнуты или разомкнуты его пары трения и какая из ступеней тормоза работает;
- питание первого и второго контура термобатарей, установленных в дополнительных и основных накладках и соединенных между собой, является автономным от генераторов, привод ротора которых осуществляется от основных фрикционных накладок;
- обеспечивается возможность перекоммутации как контуров термобатарей, так и термобатарей отдельных основных и дополнительных накладок в зависимости от теплонагруженности фрикционных узлов тормоза;
- путем снижения теплонагруженности внешних и внутренних фрикционных узлов достигается улучшение их износо-фрикционных свойств, и как следствие, эксплуатационных параметров двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности охлаждения фрикционных узлов двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза путем термоэлектрического эффекта для улучшения износо-фрикционных свойств их пар трения.
Поставленная цель достигается тем, что в двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, составленных из пластинчатых термопар, изготовленных из разных материалов, и цилиндрических стержней, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, которые установлены в тело дополнительных и основных накладок, составляющих первый и второй контуры при последовательном соединении в каждом из них между собой термобатарей, подключенных через стабилизационное устройство к генераторам, а нерабочие поверхности термоэлементов батарей соединены между собой теплопроводными пластинами-перемычками. При этом термобатареи, входящие в группу деталей второго контура соединены между собой на рабочих поверхностях основных накладок широкими пластинами-ребрами, а термобатареи, входящие в группу деталей первого контура и соединенного между собой на рабочих поверхностях дополнительных накладок узкими пластинами-ребрами. В то же время генераторы выходными концами роторов взаимодействуют с кольцевой изоляционной пластиной, прикрепленной к торцам основных фрикционных накладок и при этом термобатареи первого и второго контуров работают раздельно в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника.
На фиг.1 показан общий вид двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза; на фиг.2 - вид А фиг.1 на фрикционные узлы тормоза; на фиг.3 - вид Б-Б на крепление фрикционных накладок к ленте-кольцу; на фиг.4 - разрез по В-В фиг.1; на фиг.5 и 6 показаны виды на наружную и внутреннюю поверхности дополнительной фрикционной накладки с установленной в ее тело полупроводниковой термобатареей; на фиг.7 и 8 показаны виды на внутреннюю и наружную поверхности основной фрикционной накладки с установленными в ее тело пластинчатыми термопарами; на фиг.9 проиллюстрированы полупроводниковые термоэлементы; на фиг.10 показана установка генератора на поверхности тормозного шкива; на фиг.11 показана схема подключения термобатарей в один из контуров электрической цепи (ТБ - термобатарея; С - стабилизатор; Г - генератор).
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением содержит тормозной шкив 1 с углублением, расположенным между ребордами 2, в которых выполнены вентиляционные отверстия 3. Тормозной шкив 1 посажен на подъемный вал 4. В углубление шкива 1 установлены основные фрикционные накладки 5, которые крепятся с помощью винтов 6 и гаек 7 к ленте-кольцу 8, выполненной из резины 9, армированной тросами 10. Лента-кольцо 8 на своих поверхностях имеет полукольцевые пазы 11 и 12 различного диаметра. Сверху лента-кольцо 8 по краям крепится к ребордам 2 с помощью планок 13 и винтов 14. Сверху к ленте-кольцу 8 в ее средней части прикреплены дополнительные фрикционные накладки 15. Тормозная лента 16, имеющая набегающую (а) и сбегающую (б) ветви, связана с одного конца с опорой 17, а с другого - с рычагом управления 18.
В поперечных прорезях основных фрикционных накладок 5 по их ширине установлены пластинчатые термопары 19, которые образованы двумя спаренными пластинами 20 и 21, изготовленными, например, из хромеля (+) и копеля (-). Со стороны нерабочей поверхности основной накладки 5 пластины 20 и 21 разноименного знака соединены между собой узкими пластинами-перемычками 22, а со стороны их рабочих поверхностей - платинами-ребрами 23. Как сверху, так и снизу основных накладок 5 соединение пластин 20 и 21 осуществляется через полшага. Таким образом, получаем термобатарею в каждой из основных накладок 5, термобатареи которых могут быть соединены последовательно между собой, образуя, таким образом, первый контур.
В сквозных отверстиях одинакового диаметра дополнительных фрикционных накладок 15 установлены цилиндрической формы стержни, т.е. полупроводниковые термоэлементы 24 и 25 n- и p-типа проводимости. Со стороны рабочей поверхности дополнительных накладок 15 термоэлементы 24 и 25 соединены между собой теплопроводной пластиной 26, выполненной в виде ребра. Со стороны нерабочей поверхности дополнительных накладок 15 термоэлементы 24 и 25 соединены между собой широкими пластинами-перемычками 27, выполняющими одновременно роль токопроводящей пластины и теплообменника. Как сверху, так и снизу дополнительных накладок 15 соединение пластин-ребер 23 и пластин-перемычек 27 произведено через полшага. Таким образом, получаем термобатарею в каждой из дополнительных накладок 15. Соединение термобатарей дополнительных накладок 15 между собой последовательно и образует второй контур электрической цепи. Последняя через стабилизатор 28 подключена к генератору 29, ротор 30 которого имеет конусоподобный наконечник 31, взаимодействующий с кольцевой изоляционной пластиной 32, прикрепленной к торцам основных фрикционных накладок 5. Сам же генератор 29 установлен в вентиляционном отверстии 3 реборды 2 тормозного шкива 1 и крепится к его телу с помощью винтов 33. Для балансировки тормозного шкива 1 каждый из генераторов 29 устанавливается в диаметрально расположенные вентиляционные отверстия 3 реборды 2.
На первой ступени тормоза фрикционными узлами являются пары трения наружных поверхностей дополнительных фрикционных накладок 15 и внутренняя поверхность тормозной ленты 16. На второй ступени тормоза фрикционными узлами являются пары трения внутренних поверхностей основных фрикционных накладок 5 и рабочая поверхность тормозного шкива 1.
0
0
Для реализации термоэлектрического охлаждения пар трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза рассмотрим работу термобатарей в режиме термоэлектрогенератора (фиг.7). Концы термоэлементов 20 и 21 соединены между собой теплопроводной пластиной-ребром 23, являющейся горячим спаем термобатареи. Два других конца термоэлементов 20 и 21 соединены внешней электрической цепью. При замкнутом тормозе в результате трения температура (Т) теплопроводной пластины 22 увеличивается по сравнению с температурой (Т) холодных концов термоэлементов 20 и 21 (Т>Т), при этом тепловая энергия атомов горячего спая термоэлементов 19 возрастает. Эта энергия расходуется на переход электронов в свободное состояние. В результате на горячем спае термоэлемента 19 появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном, поэтому они переходят к холодному спаю, заряжая его отрицательно. Вследствие теплового движения атомов к термоэлементам 20 и 21 часть электронов уносится из горячего спая 19. На их месте появляются свободные (не занятые) места-дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок, как положительных зарядов, совпадает с направлением электрического тока, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившиеся места (дырки) могут электроны, энергия которых близка к энергии дырки. Но электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются дырки. Таким образом, происходит перемещение дырок к холодным термоэлементам 20 и 21 и они заряжаются положительно. В результате взаимодействия рабочей поверхности основной накладки 5, имеющей горячие спаи термоэлементов 19, соединенных между собой теплопроводной пластиной-ребром 23, с рабочей поверхностью тормозного шкива 1 при замыкании цепи в ней появляется электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором.
0
Если же по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (Т=T), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг.8, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 24 от спая (а) к спаю (в), причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая (а) к спаю (в) сопровождается переносом энергии. На спае (а) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию; на спае (в), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки термоэлемента 24, они отдают ему энергию. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) нагревается. Причем скопление электронов на спае (в) способствует тому, что он заряжается положительно, а спай (а) - отрицательно.
В термоэлементе 25 с дырочной проводимостью направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая (а') к спаю (в'), вследствие чего дырки ускоряются. Как уже отмечалось, образовавшиеся вакантные места могут занять электроны с уровнем энергии, близким к энергии дырки, поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается у спая (в'). Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере движения от спая (a') к спаю (в'), вдоль ветви термоэлемента 15, энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение осуществляется за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего (а') охлаждается. Скопление электронов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, при этом спай (в') заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приводит к возникновению перепада температур на ее спаях. На спае (а') поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, на спае (в') выделяется теплота. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее спае можно достичь низких температур. Таким образом, получили термоэлектрохолодильник.
Двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением работает следующим образом.
При нажатии на рычаг управления 18 происходит перемещение тормозной ленты 16 с рабочими поверхностями дополнительных фрикционных накладок 15. Первой при этом взаимодействует с рабочими поверхностями дополнительных накладок 15 набегающая ветвь (а) тормозной ленты 16, а потом уже сбегающая ветвь (б). При торможении температура узких пластин-ребер 23 за счет трения скольжения повышается, вследствие чего на спаях полупроводниковых термоэлементов 24 и 25 появляется градиент температуры, что обуславливает возникновение электрического тока, который отводится в цепь первого контура, в котором термобатареи между собой подключены последовательно через, стабилизатор 28 к генератору 29. Этим достигается увеличение силы тока, подаваемой в электрическую цепь первого контура с термобатареями, работающими в режиме термоэлектрохолодильников. Интенсификация вынужденного охлаждения широких пластин-перемычек 27 при вращении тормозного шкива 1 производится за счет попадания потоков воздуха через вентиляционные отверстия 3 его реборд 2 в полукольцевые пазы 12 большого диаметра, расположенные на наружной поверхности ленты-кольца 8. Так осуществляется термоэлектрическое охлаждение фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза на его первой ступени.
0
В дальнейшем вступает в работу вторая ступень ленточно-колодочного тормоза. При увеличении усилия на рычаге управления 18 происходит увеличение разности усилия натяжения между набегающей (а) и сбегающей (б) ветвями тормозной ленты 16, что приводит к проседанию ленты-кольца 8, и как следствие, к взаимодействию рабочих поверхностей основных фрикционных накладок 5 с рабочей поверхностью тормозного шкива. В это время первая ступень тормоза не работает, так как рабочие поверхности дополнительных фрикционных накладок 15, как бы прилипает к рабочей поверхности тормозной ленты 16. При этом значительная часть генерируемой теплоты на взаимодействующих поверхностях основных накладок 5 и рабочей поверхности тормозного шкива 1 отводится теплопроводностью через пластинчатые термопары 20 и 21 к холодным спаям термобатарей, работающих в режиме термоэлектрогенератора, затем передается широким пластинам-перемычкам 22, выполняющих роль теплообменников, от которых конвективным и радиационным теплообменом рассеивается в окружающую среду. Интенсифицируется вынужденное охлаждение широких пластин-перемычек 22 при вращении тормозного шкива 1 благодаря попаданию потока воздуха через вентиляционные отверстия 3 его реборд 2 в полукольцевые пазы 12 малого диаметра, расположенные на внутренней поверхности ленты-кольца 8. При этом перепад температур Т и Т между горячим и холодным спаем термобатареи, работающей в режиме термоэлектрогенератора, ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термо-ЕДС, которая по замкнутой электрической цепи второго контура способствует протеканию электрического тока, поглощающего определенное количество теплоты от общего количества, генерируемого на второй ступени тормоза. Незначительная часть генерируемой теплоты расходуется на нагревание пластинчатых термопар 20 и 21 термобатарей.
Таким образом, увеличение нагруженности пар трения первой и второй ступени тормоза ведет к возрастанию температур их поверхностей трения, рост которых с целью обеспечения регламентируемых эксплуатационных параметров тормоза необходимо ограничить. Интенсификация же данного вида охлаждения достигается увеличением силы тока, подаваемого в независимые электрические цепи первого и второго контура, с помощью генераторов 29. Следовательно, чем больше нагружены фрикционные узлы первой и второй ступени, тем большая разность температур появляется между горячими и холодными спаями термобатарей первого и второго контуров, тем большей силы тока они вырабатывают, которые, суммируясь с токами, вырабатываемыми генераторами 29, способствует более глубокому охлаждению пар трения фрикционных узлов двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза.
После износа пластин-ребер 23 и 26 вместе с фрикционным материалом основных 5 и дополнительных 15 накладок снимают ленту-кольцо 8 с реборд 2 тормозного шкива 1 и ставят новую ленту-кольцо 8 с накладками 5 и 15.
Интенсивное охлаждение пар трения двухступенчатого ленточно-колодочного тормоза позволяет повысить эксплуатационные параметры, снизить напряженно-деформируемое состояние обода шкива, а также увеличить ресурс пар трения фрикционных узлов его ступеней.