Ленточно-колодочный тормоз с принудительной системой воздушно-жидкостного охлаждения
STRIP-BLOCK BRAKE WITH FORCED AIR-LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен самоохлаждаемый тормозной шкив, в котором система охлаждения выполнена в виде воздушной системы с теплообменником из кольцевых лент, размещенных с контактом с внутренними торцовыми стенками Г-образных фланцев, и в виде воздухозаборников, размещенных по обе стороны от фланца на внутренней поверхности шкива, при этом между внутренней лентой и боковой стенкой шкива выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с воздухозаборниками, а ленты выполнены с участками большей и меньшей толщины, расположенными с чередованием вдоль оси со сквозными радиальными отверстиями, сообщающимися с кольцевой полостью и с зоной трения. При этом участки лент с большей и меньшей толщиной расположены вдоль оси шкива на равных расстояниях, причем в зоне расположения средней части Г-образных фланцев размещены участки с меньшей толщиной (аналог, а.с. СССР №1793123 А1, кл. F16D 65/80, 1993 г.).
Недостатком данной конструкции тормозного шкива является то, что она обладает недостаточной прочностью и невысокой эффективностью.
Известен самоохлаждающийся тормозной барабан, который снабжен выпускными клапанами, установленными на его наружной поверхности и сообщающимися с полостью, а также магистральным трубопроводом, расположенным с наружной стороны барабана и соединяющим клапаны между собой (аналог, а.с. СССР №690210 кл F16D 65/833, 1979 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что она имеет большой строительный объем и не применима к ленточно-колодочному тормозу.
Известен охлаждаемый ленточный тормоз, преимущественно буровых лебедок, снабженный установленной на валу теплоизолированной шайбой и облицовкой из капиллярно-пористого материала, цилиндрическая камера выполнена герметичной с кольцевым карманом в средней ее части, на внутренней поверхности упомянутой камеры закреплена облицовка из капиллярно-пористого материала, а охлаждающее устройство выполнено в виде расположенной внутри цилиндрической камеры тепловой трубы с противоположно размещенными зонами конденсации и испарения, причем последняя размещена у внутренней поверхности обода тормозного барабана, а цилиндрическая камера в месте расположения кольцевого кармана теплоизолирована от вала через упомянутую шайбу, на внешних торцевых поверхностях кольцевого кармана равномерно по окружности размещены ребра вынужденного охлаждения, а поперечное сечение упомянутого кольцевого кармана выполнено в виде усеченного конуса, вершина которого направлена к оси вала (прототип, а.с. СССР №1161732 А. кл. F16D 65/813, 1983 г.).
Недостатком данной конструкции ленточного тормоза является необходимость облицовывания цилиндрической камеры тепловой трубы капиллярно-пористым материалом, что скажется на стоимости системы охлаждения и имеет место медленный вывод тепловой трубы на оптимальные режимы охлаждения.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- достигается снижение энергонагруженности поверхностных и приповерхностных слоев пар трения тормоза как в процессах их фрикционного взаимодействия так и при свободном вращении тормозного шкива;
- обеспечивается в воздушной системе за счет смещения отверстий по периметру кольцевых перегородок завихрения скоростных воздушных токов, которые интенсифицируют теплообмен в кольцевых цилиндрических объемах, что ведет к охлаждению частей шкивов;
- интенсифицируется жидкостное охлаждение за счет применения полированной нерабочей поверхности нижней части шкива, омываемого жидкостью камеры, выступающего в роли лучеиспускаемого элемента теплоты применительно к поверхности жидкости (черное тело) и теплоотводящей поверхности;
- реализуется интенсивное охлаждение обода тормозного шкива, способствующее уменьшению его поверхностных и глубинных температурных градиентов, и, как следствие, снижение термонапряжений в местах их концентрации;
- достигается повышение эффективности торможений за счет недостижения материалами поверхностных слоев полимерной накладки допустимой температуры из-за принудительного охлаждения металлополимерных пар трения;
- обеспечивается повышение долговечности металлополимерных пар трения тормоза.
Задачей изобретения является разработка принудительной системы воздушно-жидкостного охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока эксплуатации пар трения путем повышения эффективности их принудительного охлаждения.
Технический результат достигается тем, что ленточно-колодочный тормоз с принудительной системой воздушно-жидкостного охлаждения, включающий установленный на валу барабан, тормозную ленту с полимерными накладками, установленными равномерным шагом по периметру тормозной ленты, сбегающий конец которой соединен с опорой, а набегающий конец с рычагом управления, тормозной шкив с ободом, включающим свободный и заземляющий края, рабочую и нерабочую поверхности, правую и левую реборды, камеру под хладагент, размещенную от торцевой поверхности свободного края обода тормозного шкива до заземляющего его края, заполненную на 2/3 объема, при этом в середине толщины обода тормозного шкива расположены цилиндрические кольцевые объемы, количество которых зависит от ширины обода тормозного шкива, разделенные кольцевыми перегородками, с выполненными в них горизонтальными отверстиями, смещенными по периметру кольцевых перегородок на величину диаметра отверстия, а к левой реборде обода тормозного шкива по ее периметру подключены воздухозаборники, расположенные с постоянным шагом, соединенные с отверстиями в реборде, выполненными под углом в виде сопел Лаваля, связанными с первым цилиндрическим кольцевым объемом, при этом последний цилиндрический кольцевой объем подключен к отверстиям, расположенным по периметру рабочей поверхности обода тормозного шкива, выполненным в виде конфузоров. При этом с целью интенсификации жидкостного охлаждения и лучеиспускательного теплообмена нерабочая поверхность обода тормозного шкива, находящаяся над камерой с жидкостью, выполнена полированной.
Л
1
2
Ж
С
Ж
С
На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1 (без воздухозаборников и системы отверстий в средней части обода шкива и в реборде); на фиг. 3 проиллюстрирован тормозной шкив с воздушно-жидкостной системой охлаждения со следующими условными обозначениями: С - коэффициент излучения; Т, Т - температуры полированных поверхностей: рабочих и нерабочих обода шкива; Т, Т - температуры: жидкости и омывающей воздушной среды; α, α - коэффициенты теплоотдачи от: жидкости к стенке камеры; стенки камеры к окружающему воздуху; h - толщина обода тормозного шкива; D - кольцевой диаметр камеры; рассматриваются два варианта: а - жидкость омывает внутреннюю стенку камеры; б - жидкость омывает полированную нерабочую поверхность обода шкива и внутреннюю стенку камеры; на фиг. 4 проиллюстрированы цилиндрические кольцевые перегородки со смещенными отверстиями на их диаметр (d); на фиг. 5 а, б приведена зависимость коэффициентов теплоотдачи α лучеиспусканием матовых (а) и полированных (б) поверхностей металлических элементов трения от температуры нагревания t при различных значениях отношения диаметров поверхности трения к площадям поверхностей d/A.
Ленточно-колодочный тормоз с принудительной системой воздушно-жидкостного охлаждения состоит из подъемного вала 1, барабана 2 с фланцем 3, который крепится с помощью болтового соединения 4 к теплоизолированному выступу 5 тормозного шкива 6. Последний имеет реборды 7, рабочую 8 и нерабочую 9 поверхности. Рабочая поверхность 8 шкива в процессе торможения фрикционно взаимодействует с рабочими поверхностями 10 полимерных накладок 11, прикрепленных с помощью усиков 12 к тормозной ленте 13, имеющей набегающую (а) и сбегающую (б) ветви. Набегающая ветвь (а) ленты 13 с помощью резьбовой стяжки 14 крепится к опоре 15, а ее сбегающая ветвь (б) - к рычагу 16 управления тормозом.
Под нерабочей поверхностью 9 обода шкива 6 расположена камера 17 занимающая объем от первой радиальной боковой стенки 18, расположенной со стороны свободного края обода шкива 6 и до второй радиальной боковой стенки 19, находящейся возле выступа 5 шкива 6. Сверху первая радиальная боковая стенка 18 находится в пазе стенки 19 торца реборды 7 и через герметизационную прокладку 20 с помощью болтов 21 крепится по ее периметру к ободу шкива 6. Вторая радиальная боковая стенка 19 заведена с натягом в круговой паз 22. Снизу стенки 18 и 19 соединены между собой цилиндрическим кольцом 23. Заправка камеры 17 производится жидкостью 24 через впускной клапан 25, а стравливается в атмосферу образовавшийся пар в камере 17 через выпускной клапан 26.
Камера 17 заполнена жидкостью 24 на 2/3 ее объема и над ней нерабочая поверхность 9 обода шкива 6 выполнена полированной. К левой реборде 7 по ее периметру подключены воздухозаборники 27, расположенные с постоянным шагом, которые соединены с отверстиями 28 в реборде 7. Отверстия 28 выполнены под углом в реборде 7 в виде сопел Лаваля. Последние связаны с первым цилиндрическим кольцевым объемом 29 расположенным в середине толщины обода шкива 6. Количество цилиндрических кольцевых объемов 29 в ободе шкива 6 зависит от его ширины. Между цилиндрическими кольцевыми объемами 29 находятся кольцевые перегородки 30, в которых выполнены горизонтальные отверстия 31. Последние по периметру перегородок 30 смещены на величину их диаметра. Последний цилиндрический кольцевой объем 29 подключен к отверстиям 32, выполненным в виде конфузоров по периметру рабочей поверхности обода шкива 6 его защемленного края.
Ленточно-колодочный тормоз с принудительной системой воздушно-жидкостного охлаждения работает следующим образом.
При вращении тормозного шкива 6 с большой скоростью в направлении стрелки (фиг. 1) при спуске колонны бурильных труб в скважину (не показаны) до включения механического ленточно-колодочного тормоза воздухозаборники 27 способствуют образованию следующих воздушных потоков: на входе - сопла Лаваля - первый цилиндрический кольцевой объем 29 - горизонтальные отверстия 31 в кольцевой перегородке 30; на выходе - последний цилиндрический кольцевой объем 29 - перпендикулярные отверстия 31 (конфузоры) к рабочей поверхности 8 обода шкива 6. Интенсификация воздушного конвективного теплообмена происходит в остальных цилиндрических кольцевых объемах 29 за счет того, что горизонтальные отверстия 31 по периметру перегородок 30 смещены на величину их диаметра. Такое конструктивное решение способствует большому количеству скоростных воздушных потоков, которые ударяясь об поверхности очередной перегородки 29, завихряются и тем самым увеличивают воздухообмен, и как следствие, их охлаждают, а затем уже они попадают в очередные отверстия 31 перегородок 30, в которых происходит ускорение воздушных потоков.
Таким образом, осуществляется отвод теплоты от верхней части тормозного шкива 6 за счет циркуляции в нем множества воздушных потоков, омывающих кольцевые перегородки 30, являющихся тепловыми мостиками между верхней и нижней частью тормозного шкива 6, что способствует снижению в них глубинного температурного градиента. Кроме того, имеет место кондуктивный теплообмен между нижней частью обода тормозного шкива 6 и стенками камеры 17.
Остановимся на предложенном конструктивном решении применительно к тормозному шкиву, касающегося полированной нерабочей поверхности его обода, расположенной над жидкостью камеры (фиг. 3а).
Анализ интенсивности теплообмена от металлических элементов фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза указывает на то, что коэффициенты теплоотдачи отличаются по модулю и закону изменения и зависят от линейной скорости обода тормозного шкива. Кроме того, матовые и полированные поверхности металлического элемента трения омываются различными по химическому составу и термодинамическими параметрами средами. С указанных полированных поверхностей металлического элемента трения осуществляется теплоотдача лучеиспусканием омывающему их воздуху. Согласно закону Стефана-Больцмана коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется из выражения
H
B
Л
2
4
где T - температура нагревания поверхностей металлического элемента трения, К; Т - температура окружающей среды, К; С - коэффициент излучения, Вт/(м К).
Результаты расчета по формуле (1) представлены на фиг. 5 а, 6, из которых следует, что коэффициент α увеличивается с повышением температуры.
Установлено, что величина отношения коэффициентов излучения матовой поверхности к полированной должна быть равна отношению площадей охлаждаемой к нагреваемой поверхности металлического элемента трения. По ее значению можно судить о наступлении установившегося теплового состояния обода тормозного шкива.
В виде соотношений получаем: для ленточно-колодочного тормоза без учета (2) и с учетом (3) нерабочей полированной поверхности обода тормозного шкива (тормозной шкив изготовлен из стали)
В табл. 1 приведены площади поверхностей теплообмена серийного тормозного шкива ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки У2-5-2.
Процентное расхождение между величинами отношений для первого случая составило 23,0%, 8,15% - для второго.
* Примечание: Площадь рабочей поверхности тормозного шкива: в числителе - перекрываемой накладками, в знаменателе - не перекрываемой накладками.
Ленточно-колодочный тормоз с принудительной жидкостной системой охлаждения работает следующим образом.
При нажатии на рычаг 16 управления тормозом происходит затягивание тормозной ленты 13 и рабочие поверхности 10 полимерных накладок 11 взаимодействуют с рабочей поверхностью 8 тормозного шкива 6, что способствует генерированию теплоты на их поверхностях. При этом значительная часть теплоты поглощается тормозным шкивом 6, который является аккумулятором тепловой энергии. В свою очередь, тормозной шкив 6 состоит из верхней и нижней части, которые между собой соединены кольцевыми перегородками 30. Последние играют роль тепловых мостиков по выравниванию энергонагруженности верхней и нижней части тормозного шкива. Передача теплоты в кондуктивном теплообмене от нижней части обода тормозного шкива к элементам камеры способствует ее отводу в жидкость.
Рассмотрим два случая взаимодействия полированной нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6 с жидкостью 24 камеры 17.
л
Первый случай проиллюстрирован на фиг. 3а, когда жидкость 24 не омывает полированную нерабочую поверхность 9 нижней части обода тормозного шкива 6 и между их поверхностями имеется зазор. Из полированной нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6 осуществляется лучистый теплообмен: подводится лучистый поток q от полированной рабочей поверхности 8 обода тормозного шкива бив соответствии с законом Стефана-Больцмана отводится поток собственного излучения плотностью  непосредтвенно к поверхности абсолютного черного тела, т.е. жидкости 24. В этом случае также имеет место слабый конвективный теплообмен, поскольку при вращении шкива 6 за счет центробежных сил капли жидкости все-таки попадают на полированную нерабочую поверхность 9 нижней части обода шкива 6, на которой сразу превращаются в пар. Таким образом, в данном случае имеет слабый конвективный и сильный лучистый теплообмены, которые снижают энергонагруженность нижней части обода тормозного шкива.
Второй случай показан на фиг. 3б, когда жидкость 24 находится на полированной нерабочей поверхности 9 нижней части обода тормозного шкива 6. В этом случае сильным является конвективный теплообмен при взаимодействии слоев жидкости 24 с полированной нерабочей поверхностью 9 обода шкива 6 при слабом их лучистом теплообмене.
Из фиг. 3 а и б следует, что тепловое состояние частей тормозного шкива, находящихся на разных полюсах в вертикальной плоскости, является неодинаковым из-за изменения термодинамических параметров жидкости и омывающего воздуха, что и способствует изменению их градиентов, и как следствие, интенсификации кондуктивного, конвективного и лучистого теплообмена в предложенной системе охлаждения.
Таким образом, при работе в режимах вращения тормозного шкива или фрикционного взаимодействия пар трения ленточно-колодочного тормоза имеют место следующие виды теплообмена:
- в первом режиме - конвективный воздушный и жидкостной, кондуктивный, а также лучистый с рабочей и нерабочей поверхностью (полированной) обода тормозного шкива;
- во втором режиме - конвективный воздушный и жидкостной, кондуктивный, а также лучистый с полированной нерабочей поверхности нижней части обода тормозного шкива.
Таким образом, перечисленные виды теплообмена в неодинаковой степени влияют на энергонагруженность пар трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки, а в конечном итоге снижают их энергонагруженность, и как следствие, повышают долговечность рабочих поверхностей.
Источники информации
1. Аналог, а.с. СССР №1793123 А1, кл.F16D 65/80, 1993 г.
2. Аналог, а.с. СССР №690210, кл.F16D 65/833, 1979 г.
3. Прототип, а.с. СССР №1161732 А, кл. F16D, 65/813, 1983 г.