СИСТЕМА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАР ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА
SYSTEM AND METHOD FOR COOLING OF BELT-DRUM BRAKE FRICTION PAIRS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен ленточный тормоз, преимущественно буровых лебедок, содержащий охлаждающее устройство выполненное в виде тепловой трубы, в которой зоной испарения является камера в шкиве, соединенная по ширине и периметру посредством чередующихся по синусоидальному закону цилиндрических трубок разного поперечного сечения с зоной конденсации (аналог, а.с. СССР №1820075 A1, кл. F16D 65/80, Е21В 19/08, 1993 г.) Недостатком данной конструкции тормозного шкива является то, что необходимо увеличивать строительный объем его обода.
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 охлаждаемое устройство выполнено в виде размещенной внутри цилиндрической камеры тепловой трубы с противоположно расположенными зонами конденсации и испарения, причем последняя размещена у внутренней поверхности обода тормозного барабана, 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 63/813, 1983 г.).
Недостатком данной конструкции ленточного тормоза является необходимость в облицовывании цилиндрической тепловой трубы капиллярно-пористым материалом, что скажется на стоимости системы охлаждения тормоза.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- отсутствие капиллярных структур в зонах испарения и конденсации тепловой трубы;
- интенсивное охлаждение обода тормозного шкива, способствующее уменьшению его поверхностных и глубинных температурных градиентов, и, как следствие, снижению термонапряжений;
- повышение эффективности торможений за счет недостижения материалами поверхностных слоев полимерной накладки допустимой температуры из-за принудительного охлаждения металлополимерных пар трения;
- повышение долговечности металлополимерных пар трения тормоза.
Задачей изобретения является разработка системы и способа охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы пар трения тормоза путем повышения эффективности их принудительного и вынужденного охлаждения, а также кондуктивным теплообменом.
Технический результат достигается тем, что система охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, содержащая тормозной шкив, тормозную ленту с фрикционными накладками, охлаждающую систему, выполненную в виде тепловой трубы, расположенную на нерабочей поверхности обода тормозного шкива и привод, отличающаяся тем, что тепловая труба выполнена из верхней и нижней кольцевых камер различного объема, являющихся зонами конденсации и испарения, при этом верхняя поверхность верхней кольцевой камеры зоны испарения выполняет функции нерабочей поверхности обода шкива, между собой камеры соединены по периметру их контактирования впускными и выпускными клапанами, отрегулированными на различные давления теплоносителя, который циркулирует по трубопроводу, выполненному в виде системы трубок различного поперечного сечения, вертикальная из которых имеет переменное сечение по длине и с оребрением на наружной боковой поверхности, соединяющих торцы камер со стороны свободного конца обода шкива, при этом тепловая труба поджимается со стороны наружной поверхности нижней камеры посредством теплопроводного цилиндрического кольца с оребрением.
Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, характеризующийся тем, что теплоту, генерируемую в процессе торможения, отводят теплоносителем, находящимся в различных фазовых состояниях и циркулирующим под действием градиентов его давления между зонами «испарения-конденсации» и «конденсации-испарения», от нерабочей поверхности тормозного шкива системы охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, являющейся поверхностью испарения, «условно-открытой» горячей зоной поверхности тепловой трубы системы охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, при этом отвод теплоты также осуществляют кондуктивным теплообменом при контактировании металлических элементов системы охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза и интенсивным конвективным теплообменом с оребренных и открытых наружных поверхностей тепловой трубы.
На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез (без трубопроводов); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3, 4 вид Б и В на впускной и выпускной клапаны; на фиг. 5 - вертикальная трубка переменного сечения по ее длине (стрелками показано направления движения теплоносителя).
Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения состоит из подъемного вала 1, барабана 2, фланец 3 которого крепится с помощью болтового соединения 4 к выступу 5 тормозного шкива 6. Последний имеет реборды 7 и 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.
Система охлаждения тормоза расположена на нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6, в котором с его торца свободного края и на 2/3 длины обода в сторону защемления выполнены продольные пазы 17 по периметру. В продольные пазы 17 установлены боковые стенки 18, одна из которой крепится через теплостойкую прокладку 19 винтами 20 к телу обода шкива 6, а вторая посажена с натягом в паз 17. Боковые стенки 18 горизонтальная стенка 21 образуют верхнюю кольцевую камеру 22. При этом стенки 18 и 21 имеют различную толщину. Нижняя кольцевая камера 23 имеет стенки одинаковой толщины. В вертикальной и горизонтальной плоскости в стенках камер 22 и 23 выполнены сквозные отверстия 24 и 25, на которых нарезана резьба (на фиг. 2 не показана). В отверстия 24 завинчиваются цилиндрические трубки трубопровода 26, имеющего также вертикальную трубку переменного сечения по ее длине с двойной функцией в направлении: нижней камеры 23 - диффузора (д); верхней камеры 22 - конфузора (е). В отверстия 24 устанавливаются впускные 27 и выпускные 28 клапаны, выполненные с резьбой, что и позволяет соединить между собой горизонтальные стенки верхней 22 и нижней 23 камер. После установки системы охлаждения в строительный объем шкива 6 она поджимается со стороны наружной поверхности горизонтальной стенки нижней камеры 23 посредством теплопроводного цилиндрического кольца 29 с оребрением 30.
Однако для того, чтобы верхняя 22 и нижняя 23 камеры стали зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы, их необходимо заполнить теплоносителем 31, а 1/3 объема верхней камеры 22 вакуумировать. Технологически операции выполняются следующим образом. Перед сборкой системы охлаждения через сквозные отверстия с резьбой 24 заливают жидкий теплоноситель 31 (например, 25-% раствор аммиака) во весь объем нижней полости камеры 23, после чего завинчивают в отверстия 25 впускные 27 и выпускные 28 клапаны. Затем заливают жидкий теплоноситель 31 через сквозное отверстие с резьбой 24 такого количества, чтобы при вращающемся шкиве 6 уровень теплоносителя 31 был ниже кромки отверстий с резьбой 24. В дальнейшем систему охлаждения герметизируют и вакуумируют с помощью обратного клапана 30, вмонтированного в утолщенный торец трубки трубопровода 26 верхней камеры 22.
Объем полостей 22 и нижней 23 кольцевой камеры, соединяемых трубопроводом 6, зависит от энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза. При этом расположении вертикальных трубок переменного сечения по длине трубопровода 26 может быть установлено равное количество типа «конфузор (е)-диффузор (д)» и «диффузор (д)-конфузор (е)» при соединении кольцевых камер 22 и 23 в связи с тем, что шкив 6 вращается и изменяет положение трубопровода 26, а вместе с ним и вертикальных трубок.
Таким образом, верхняя 22 и нижняя 23 камеры являются, соответственно, зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы с соединяющими их звеньями, т.е. трубопроводом 26 и впускными 27 и выпускными 28 клапанами. При этом одной из поверхностей зоны испарения (в) является «условно-открытая» горячая поверхность тепловой трубы, т.е. нерабочая поверхность 9 тормозного шкива 6.
Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения работает следующим образом. При нажатии на рычаг 16 управления тормозом происходит затягивание тормозной ленты 13 и рабочие поверхности 10 полимерных наладок 11 взаимодействуют с рабочей поверхностью 8 тормозного шкива 6, что способствует генерированию теплоты на их поверхностях. При этом значительная часть теплоты поглощается шкивом 6, который является аккумулятором тепловой энергии. Теплоноситель 31, находящийся в верхней кольцевой камере 22, под действием центробежных сил омывает нерабочую поверхность 9 шкива 6, являющейся зоной испарения (в) «условно-открытой» горячей поверхности тепловой трубы, при этом теплоноситель нагревается и испаряется.
В дальнейшем за счет создаваемого перепада градиентов давления между зоной испарения (в) и зоной конденсации (г) теплоноситель 31 через выпускные клапаны 28 попадает в нижнюю кольцевую камеру 23, где конденсируется. Подпитка жидким теплоносителем 31 из нижней кольцевой камеры 23 [зоны конденсации (г)] осуществляется посредством трубопровода 26, состоящего из системы трубок различного диаметра, расположенных в горизонтальной и вертикальной плоскости, в верхнюю кольцевую камеру 22 [зоны испарения (в)]. Интенсифицируется подача жидкого теплоносителя 31 за счет эффекта «диффузор (д)-конфузор (е)» трубок, расположенных в вертикальной плоскости трубопровода 26, из-за перепада градиента давления между различными фазовыми состояниями теплоносителя 31. Обратный эффект «конффзора (е)-диффузора (д)» трубопровода 26 наблюдается в том случае, если создаваемый перепад градиентов давления между зоной испарения (в) и зоной конденсации (г) будет минимальным и уровень жидкого теплоносителя в верхней 22 и нижней 23 кольцевых камер будет почти одинаковым. В том случае, если градиент давления жидкообразного теплоносителя 31 в зоне конденсации (г) нижней кольцевой камеры 23 мгновенно увеличится при условии, что в трубопроводе 26 будет жидкостная пробка, срабатывают впускные клапаны 27, увеличивая тем самым количество теплоносителя 31 в верхней кольцевой камере 22. Таким образом, транспорт теплоносителя 31 в различных фазовых состояниях из зоны испарения (в) верхней кольцевой камеры 22 в зону конденсации (г) нижней кольцевой камеры 23 и наоборот осуществляется помощью трубопровода 26 и впускных 27 и выпускных 28 клапанов. Эффект «тепловой трубы» способствует отводу теплоты от нерабочей поверхности 9 тормозного шкива 6 теплоносителем 31, который ее омывает в различных фазовых состояниях.
Интенсифицируется эффект «тепловой трубы» за счет кондуктивного и вынужденного естественного теплообмена. Отвод теплоты от тела тормозного шкива 6 осуществляется по следующей схеме «боковые стенки 18 - горизонтальная стенка 21 (верхняя кольцевая камера 22)» - «нижняя кольцевая камера 23 - теплопроводное цилиндрическое кольцо 29». При этом выполнение стенок 18 и 21 различной толщины способствует стоку теплоты от первых ко второй стенкам и частично ускоряет нагревание жидкого теплоносителя в верхней кольцевой камере 22.
Выполнение оребрения 33 на вертикальной трубке трубопровода 26 способствует интенсификации вынужденного охлаждения теплоносителя 31 при его циркуляции между объемами кольцевых камер верхнего 22 и нижнего 23 расположения и наоборот.
Наличие на теплопроводном цилиндрическом кольце 29 ребер 30, являющихся развитой поверхностью теплообмена, взаимодействующей со скоростными токами омывающей среды при вращении тормозного шкива 6, способствует отводу теплоты, в конечном итоге, от пар трения ленточно-колодочного тормоза при их замкнутом и разомкнутом состоянии.
Таким образом, за счет эффекта «тепловой трубы» достигнуто принудительное охлаждение тормозного шкива с привлечением дополнительных процессов кондуктивного и вынужденного охлаждения.