СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТИПА "ТЕПЛОВАЯ ТРУБА" УЗЛОВ ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА
BELT-SHOE BRAKE FRICTION UNITS "HEAT PIPE" TYPE COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известен охлаждаемый ленточный тормоз, в котором интенсификация теплообмена обода тормозного шкива достигается тем, что узел охлаждения снабжен расположенной между зонами испарения и конденсации перегородкой из пористого материала с расположенными в ней сквозными отверстиями, а кольцевая камера выполнена расширяющейся под нерабочей поверхностью обода шкива со стороны его свободного края (аналог, а.с. СССР №1218198А, кл. F16D 65/813 за 1986 г.).
Недостатком данной конструкции тормозного шкива является необходимость увеличения строительного объема 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 охлаждающее 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 естественного 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 за 1983 г.).
Недостатком данной конструкции ленточного тормоза является то, что в тепловой трубе отсутствует разделение зон испарения и конденсации, влияющее существенным образом на эффективность охлаждения пар трения ленточного тормоза.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- осуществляется интенсификация теплообменных процессов в зонах испарения и конденсации тепловой трубы путем применения в них подвижных кольцевых изделий, изготовленных методом безусадочного спекания двухкомпонентного капиллярно-пористого порошкового материала за счет его высокотеплопроводных свойств и увеличения поверхности взаимодействия с теплоносителем, находящимся в различных фазовых состояниях;
- 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 тормоза;
- повышение долговечности металлополимерных пар трения тормоза.
Задачей изобретения является разработка системы охлаждения узлов трения ленточно-колодочного тормоза.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличения срока эксплуатации пар трения тормоза путем повышения эффективности их принудительного охлаждения.
Технический результат достигается тем, что система охлаждения типа "тепловая труба" узлов 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 с отдельными зонами испарения и конденсации, и привод, отличается тем, что тепловая труба состоит из двух кольцевых камер, в которых размещены подвижные кольцевые изделия, имеющие в поперечном сечении П-образную форму и изготовленные из материалов с капиллярно-пористой структурой, с выполненными в их вертикальных и горизонтальных составляющих вертикальными и горизонтальными сквозными отверстиями различных диаметров, при этом кольцевые камеры соединены между собой посредством паропровода и конденсатопровода, имеющих одинаковую длину.
На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез (без паро- и конденсатопроводов); на фиг. 2 - разрез А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид на Б узлы тепловой трубы; на фиг. 4 - вид В на обратный клапан в боковой стенке паровой кольцевой камеры.
Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения состоит из подъемного вала 1, барабана 2 с фланцем 3, который 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 6 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 по его периметру выполнены продольные пазы 17. В последние установлены боковые стенки 18, внутренние поверхности которых покрыты капиллярно-пористой структурой 19, нанесенной непосредственно методом безусадочного спекания двухкомпонентного капиллярно-пористого порошкового материала. Боковые стенки 18 и кольцевая стенка 20 образуют первую кольцевую камеру 21, в которой находится кольцевое изделие 22, выполненное из капиллярно-пористой структуры 19. Кольцевое изделие 22 в поперечном сечении имеет П-образную форму с горизонтальными 23 и вертикальными 24 составляющими, в которых выполнены сквозные отверстия 25 различного диаметра. Боковые стенки 18 с кольцевыми стенками 20 и 26 образуют вторую кольцевую камеру 30. При этом кольцевая стенка 26 имеет оребрение 27 и является съемной, поскольку крепится к торцам боковых стенок 18 через уплотнительную прокладку 28 с помощью болтов 29. Это обстоятельство позволяет при сборке системы охлаждения размещать во второй кольцевой камере 30 кольцевое изделие 31, аналогичное кольцевому изделию 22. Кольцевое изделие 31 в своей вертикальной составляющей 33 имеет горизонтальные отверстия 32 одинакового диаметра. Первая 21 и вторая 30 кольцевые камеры соединены между собой паропроводом 36 и конденсатопроводом 37 одинаковой длины, имеющими штуцера 34 с прокладками 35.
Однако для того чтобы первая 21 и вторая 30 кольцевые камеры с системой паропроводов 36 и конденсатопроводов 37 стали зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы, их необходимо заполнить теплоносителем 38, а 1/3 объема первой кольцевой камеры 21 вакуумировать. Технологически операции выполняют следующим образом. Собирают всю систему охлаждения и через отверстие с резьбой 39 заполняют полностью теплоносителем 38 первую кольцевую камеру 21, а вторую камеру 30 до указанного выше уровня. В дальнейшем систему охлаждения вакуумируют с помощью обратного клапана 40, который установлен в отверстие с резьбой 39.
Объем полостей первой 21 и второй 30 кольцевых камер и поперечных сечений паропроводов 36 и конденсатопроводов 37, а также конструктивных размеров кольцевых изделий 22 и 31 и отверстий в них зависит от энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза.
Таким образом, первая кольцевая камера 21 выполняет функции зоны испарения (в) тепловой трубы, в которой одной из поверхностей является ее "условно-открытая" горячая поверхность, т.е. нерабочая поверхность 9 тормозного шкива 6. Вторая кольцевая камера 30 является не только зоной конденсации (г) тепловой трубы, но и зоной транспорта теплоносителя 34. Такие же функции возложены и на паропроводы 36 и конденсатопроводы 37, которые связывают по периметру кольцевые камеры 21 и 30.
Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения работает следующим образом. При нажатии на рычаг 16 управления тормозом происходит затягивание тормозной ленты 13 и при этом рабочие поверхности 10 полимерных накладок 11 взаимодействуют с рабочей поверхностью 8 обода тормозного шкива 6, что способствует генерированию теплоты на их поверхностях. При этом значительная часть теплоты поглощается ободом шкива 6, который является аккумулятором тепловой энергии. Теплоноситель 38, находящийся в первой кольцевой камере 21, под действием центробежных сил омывает нерабочую поверхность 9 обода шкива 6, являющуюся зоной испарения (в) ("условно-открытой" горячей поверхностью тепловой трубы), и он нагревается и испаряется.
Сконденсированный теплоноситель 38 движется по капиллярно-пористой структуре 19 внутренних поверхностей боковых стенок 18 и по горизонтальной 23 и вертикальным 24 составляющим кольцевого изделия 22. При этом большая часть парообразного теплоносителя 38 попадает через сквозные отверстия (большие) в горизонтальной составляющей 23 и меньшие в вертикальных составляющих 24 кольцевого изделия 22, что позволяет пару почти одновременно подойти к паропроводу 36 и дольше он движется в зону конденсации (г) второй кольцевой камеры 30, при этом большая часть парообразного теплоносителя 38 в нижней части паропровода 36 в сконденсированном состоянии попадает в зону испарения (г) второй кольцевой камеры 30, проходя при этом через систему отверстий 32 одинакового диаметра вертикальных составляющих 33 кольцевого изделия 31. Вращение вокруг оси обода шкива 6 обуславливает появление центробежного ускорения, одна из составляющих сил которого заставляет сконденсировавшийся теплоноситель 38 возвращаться из зоны конденсации (г) в зону испарения (в). Кроме того, за счет центробежных ускорений поверхность раздела жидкой и парообразной фаз становится гладкой и устойчивой в объемах первой 21 и второй 30 кольцевых камерах.
Однако управляющее воздействие в данном типе тепловой трубы с подвижными кольцевыми изделиями 22 и 31, являющимися своего рода поршнями в первой 21 и второй 30 кольцевых камерах, зависит на сколько его высокотеплопроводная капиллярно-пористая структура перекроет противоположные кольцевые поверхности зоны испарения (в) и конденсации (г). Так при "прилипании" торцов горизонтальных составляющих кольцевых изделий 22 и 31 интенсифицируются процессы паро- и конденсатообразование теплоносителя 38. Более того, двигаясь вниз, кольцевые изделия 22 и 31 будут соскабливать конденсат из капиллярной структуры 19 в зонах испарения (в) конденсации (г) и насыщать им свои боковые поверхности вертикальных составляющих 24 и 33.
Неравномерно замедленный режим вращения обода шкива 6 при резком торможении вызывает колебания теплоносителя в первой 21 и во второй 30 кольцевых камерах, что при противоточном движении потоков пара и жидкости вызывает срыв капель из капиллярных структур 19 с внутренних поверхностей боковых стенок 18 и кольцевых изделий 22, 31 и их перенос в зону конденсации (г). Для устранения этого эффекта в первой 21 и во второй 30 кольцевых камерах имеется в кольцевых изделиях 22 и 31 система вертикальных и горизонтальных отверстий 32 и 25, которые выполняют функции гасителя колебаний жидкого теплоносителя 38, благодаря ее вертикальному и горизонтальному перемещению под действием центробежных сил при вращении обода шкива 6. Сквозные отверстия 25 и 32 позволяет связывать жидкость и пар друг с другом.
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 - кольцевая стенка 20 (первая кольцевая камера 21)" - "вторая кольцевая камера 30" - "нижняя кольцевая стенка 27 камеры 30" - ребра 27". При этом выполнение кольцевой стенки 27 тонкой способствует стоку теплоты от каркаса стенок системы охлаждения и, как следствие, ее подводу к ребрам 27, и от их развитых поверхностей передача теплоты скоростным токам омывающего воздуха.
Работоспособность и эффективность тепловой трубы в значительной степени зависит от перепада градиентов температуры и давления теплоносителя 38 в ее зонах испарения (в) и конденсации (г), его объемных уровней и их положения относительно высокотеплопроводных элементов кольцевых изделий 22 и 31, имеющих систему отверстий. Перечисленные факторы, в первую очередь, зависят от центробежных сил, действующих на теплоноситель 38, энергонагруженности обода тормозного шкива 6, т.е. от динамического нагружения пар трения тормоза и частоты его вращения при их замкнутом и разомкнутом состоянии.
Эффект "тепловой трубы" способствует отводу теплоты от нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6 теплоносителем 32, который ее омывает в различных фазовых состояниях, снижая тем самым его общую энергонагруженность.
Таким образом, снижение общего теплового состояния обода тормозного шкива ленточно-колодочного тормоза позволит уменьшить его воздействие на поверхностные и подповерхностные слои полимерных накладок, добиться уменьшения поверхностных и глубинных градиентов температуры и, как следствие, термонапряжений в нем и тем самым предотвратить возникновение микротрещин на рабочей поверхности обода шкива.
Снижение энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза позволит улучшить их износо-фрикционные свойства и, в конечном итоге, повысить эффективность торможений.