СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫМИ НАГРУЗКАМИ НА ВЕТВЯХ ТОРМОЗНОЙ ЛЕНТЫ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ
METHOD FOR CONTROL OF SPECIFIC LOADS ON STRANDS OF BRAKE BELT OF BELT-BLOCK BRAKE IN DRAW WORKS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
Известна тормозная лента с равномерным шагом размещения на ней фрикционных накладок. Равномерное расположение фрикционных накладок на дуге обхвата при неравномерном распределении усилий натяжения тормозной ленты ведет к неравномерному распределению нормальной нагрузки на рабочие поверхности накладок и, как следствие, удельных нагрузок при взаимодействии фрикционных узлов тормоза. Все вышеуказанное и вызывает неравномерный износ фрикционных накладок. При этом на набегающей ветви они изнашиваются быстрее, чем на сбегающей [1, аналог].
Для достижения некоторого выравнивания величины износа рабочих поверхностей фрикционных накладок, расположенных на набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты, было предложено размещать накладки с неравномерным шагом на дуге обхвата, увеличивая шаг между накладками в направлении от набегающей ветви ленты к сбегающей. Основным принципом, заложенным в основу определения величины шага между накладками, является некоторое выравнивание удельных нагрузок на их поверхностях в двух ветвях. В этом случае материал накладок будет использоваться более рационально благодаря равномерному их износу [2, прототип].
Основным недостатком данного способа является то, что по периметру тормозной ленты необходимо устанавливать переменного сечения распорные планки между накладками.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенный способ расположения фрикционных накладок на тормозной ленте имеет следующие отличительные признаки:
- достигается целенаправленное управление перераспределением удельных нагрузок на набегающей и сбегающей ветвях ленты за счет перестановки накладок из сбегающей ветви на набегающую исходя из значений коэффициентов взаимного перекрытия (отношений) рабочих площадей набегающей и сбегающей ветвей тормозной ленты, которые являются пропорциональными к нагрузкам на указанных выше ветвях ленты;
- уменьшается напряженно-деформированное состояние тормозной ленты и, как следствие, контактное взаимодействие пар трения и, как результат, увеличивается тормозной момент;
- достигается аналитическое определение величины площадей накладок набегающей и сбегающей ветвей тормозной ленты с установленными закономерностями;
- увеличивается ресурс фрикционных накладок набегающей ветви тормозной ленты за счет уменьшения удельных нагрузок, действующих на их рабочие поверхности.
Целью настоящего изобретения является разработка способа управления перераспределением удельных нагрузок на ветвях тормозной ленты за счет целенаправленного уменьшения рабочих площадей фрикционных накладок от первой на набегающей ветви до последней на сбегающей ветви тормозной ленты.
Поставленная цель достигается тем, что при постоянном шаге установки фрикционных накладок по периметру тормозной ленты для достижения соотношения их рабочих площадей поверхностей на ветвях и, как следствие, выравнивание удельных нагрузок обеспечивается выполнением поперечных пазов переменного сечения, например, в виде плоских конусоподобных сопел, площади которых по торцу рабочих поверхностей накладок набегающей ветви тормозной ленты изменяются по закономерности арифметической прогрессии и при этом площадью первой накладки задаются, а на накладках сбегающей ветви тормозной ленты - по закономерностям геометрической прогрессии, в которой для определения рабочей площади первой накладки сбегающей ветви ленты используют рабочую площадь последней накладки ее набегающей ветви. При этом закономерности уменьшения рабочих площадей накладок от первой набегающей ветви до последней сбегающей ветви тормозной ленты обратно пропорциональны изменению удельных нагрузок на рабочей поверхности каждой из накладок. В дальнейшем после оценки соотношения общего веса фрикционных накладок на набегающей и сбегающей ветвях устанавливают по периметру тормозной подрессорные оттяжки переменной податливости для обеспечения постоянного зазора между рабочими поверхностями фрикционных узлов тормоза.
Ш
Ш
H
C
P
T
На фиг.1 показана кинематическая схема буровой лебедки с ленточно-колодочным тормозом; на фиг.2 - кинематическая схема ленточно-колодочного тормоза; на фиг.3 - поперечный разрез фиг.2 по А-А; на фиг.4 показана тормозная лента с фрикционными накладками и подрессоренными оттяжными устройствами; на фиг 5 - фрикционная накладка с плоскими конусоподобными соплами; на фиг.6 проиллюстрированы закономерности изменения удельных нагрузок на дуге обхвата тормозной ленты в серийном (штриховка линиями) и усовершенствованных (точечная штриховка) фрикционных узлах ленточно-колодочного тормоза. Использованы следующие условные обозначения: R, D - радиус и диаметр рабочей поверхности тормозного шкива; r - радиус кривошипа коленчатого вала; ω - угловая скорость вращения шкива; φ, α - углы обхвата одной и всеми накладками рабочей поверхности тормозного шкива; S, S - натяжение набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты; F - усилие, прикладываемое бурильщиком к рычагу управления тормозом; F - сила трения; числовыми величинами обозначены удельные нагрузки, действующие на дуге обхвата тормозной ленты.
Согласно кинематической схеме (см фиг.1) фрикционные накладки 3 установлены на тормозных лентах 2, которые одним концом (со стороны сбегающей ветви II ленты) прикреплены к балансиру 11, а другим (со стороны набегающей ее ветви I) - к мотылевым шейкам 6 и 9 коленчатого вала 10.
Серийные ленточно-колодочные тормоза буровой лебедки работают следующим образом. Перемещением рукоятки 1 осуществляется поворот коленчатого вала 10, в результате которого бурильщик затягивает тормозные ленты 2 с фрикционными накладками 3 и они садятся на тормозные шкивы 4. Процесс торможения ленточно-колодочным тормозом (см. фиг.2) характеризуется следующими стадиями: начальной (первой), промежуточной (второй) и заключительной (третьей). Остановимся на каждой из стадий в отдельности.
На начальной стадии торможения фрикционные накладки 3, размещенные в средней части тормозной ленты 2, взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного шкива 4. Фронт взаимодействия расширяется в сторону фрикционных накладок 3 набегающей ветви (I) тормозной ленты 2.
Промежуточная стадия торможения характеризуется дальнейшим распространением фронта взаимодействия в сторону фрикционных накладок 3 сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2.
Конечная стадия торможения характеризуется тем, что почти все неподвижные накладки 3 тормозной ленты 2 взаимодействуют с рабочей поверхностью вращающегося шкива 4. Во время притормаживаний последовательность вхождения поверхностей трения в контакт повторяется. Полный цикл торможения завершается остановкой тормозных шкивов 4 с барабаном 5. Управление тормозом буровой лебедки осуществляют также подачей сжатого воздуха через кран 7 бурильщика в пневматический цилиндр 8, шток которого соединен с одной из мотылевых шеек коленчатого вала 10 тормоза. Величину давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре 8 регулируют поворотом крана 7 бурильщика.
При неравномерном изнашивании фрикционных накладок 3, установленных на лентах 2, балансир 11 в момент торможения несколько отклоняется от горизонтального положения и выравнивает нагрузки на сбегающей ветви (II) тормозных лент 2, обеспечивая при этом равномерный и одновременный обхват ими тормозных шкивов 4. Благодаря шаровым шарнирам реализация нагрузок от тормозных лент 2 к балансиру 11 при этом не изменяется.
Наиболее слабым звеном в тормозном узле являются фрикционные накладки. Они изготавливаются в виде отдельных деталей, которые могут крепиться различными способами (например, с помощью усиков) к относительно гибкой стальной ленте. При установке на ленте накладок с постоянным шагом их количество всегда четное (12; 16; 18; 20; 22; 26).
Общее количество фрикционных накладок на тормозной ленте зависит от их геометрических параметров, а также от того, какой угол обхвата тормозной лентой рабочей поверхности тормозного шкива реализуется в данном ленточно-колодочном тормозе буровой лебедки.
1
2
0
При назначении количества фрикционных накладок, приходящихся на набегающую и сбегающую ветви тормозной ленты, которые должны быть установлены между собой с постоянным зазором, необходимо определить коэффициент взаимного перекрытия контактирующих пар трения отдельно для каждой из ветвей ленты. Коэффициент взаимного перекрытия представляет собой отношение контактных площадей накладок и шкива (А и А) к охватываемой ими кольцевой площади А
где ,  - коэффициенты взаимного перекрытия контактирующих пар трения, которые реализуются набегающей и сбегающей ветвями тормозной ленты.
н
с
н
с
Отношение  к  равно соотношению удельных нагрузок, реализуемых на набегающей (р) и сбегающей (p) ветвях тормозной ленты. Полученное соотношение (р/р) и укажет, на сколько площади рабочих поверхностей накладок должно быть больше на набегающей ветви по сравнению с площадью рабочих поверхностей накладок сбегающей ветви тормозной ленты.
Способ установки фрикционных накладок с постоянным шагом на ветвях тормозной ленты реализуется в два этапа.
Первый этап заключается в определении рабочих площадей фрикционных накладок на набегающей ветви тормозной ленты.
1
Для распределения рабочих площадей фрикционных накладок на набегающей ветви тормозной ленты используем основные зависимости арифметической прогрессии, задавшись при этом первым ее членом (а). В дальнейшем, используя особенность арифметической прогрессии, из зависимости
m
(где S - суммарная площадь рабочих поверхностей накладок (m) набегающей ветви ленты;
d - разность прогрессии), определяем значение d. Величины рабочих площадей фрикционных накладок на набегающей ветви тормозной ленты определяем по зависимости . На этом второй этап заканчивается.
Второй этап заключается в определении рабочих площадей фрикционных накладок на набегающей ветви тормозной ленты.
1
Все действия аналогичны расчету основных параметров геометрической прогрессии. При этом учитываем тот факт, что последний член арифметической прогрессии является первым членом (b) геометрической прогрессии. Используя особенность геометрической прогрессии, по формуле
m
(где S - сумма членов геометрической прогрессии, которая отвечает суммарной площади рабочих поверхностей накладок (m) сбегающей ветви ленты;
1
m
q - знаменатель геометрической прогрессии; находим численное значение знаменателя геометрической прогрессии. Величины рабочих площадей фрикционных накладок на сбегающей ветви тормозной ленты определяем по зависимости , учитывая то, что b=a·q,
m
где a - последний член арифметической прогрессии, который равен площади рабочей поверхности последней накладки сбегающей ветви тормозной ленты.
На этом второй этап заканчивается.
Таким образом, для целенаправленного перераспределения удельных нагрузок между набегающей и сбегающей ветвями тормозной ленты с учетом ее эксплуатационной возможности необходимо правильно задаться величиной только рабочей площади первой фрикционной накладки набегающей ветви ленты. Все остальные значения рабочих площадей накладок определяются расчетным путем.
Уменьшение рабочей площади фрикционных накладок 3 происходит в направлении от набегающей ветви (I) до конца сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2. Поэтому во фрикционных накладках 3 со стороны их рабочих поверхностей 15 на величине допустимого износа выполнены пазы в виде конусоподобных плоских сопел 16. Применение во фрикционных накладках 3 углублений различной конфигурации, выполненных в теле накладок 3 со стороны рабочих поверхностей 15, позволяет влиять на продольную и поперечную (при разомкнутом тормозе) и поперечную (при торможении) циркуляции воздуха, т.е. изменять направление (при вращении шкива за и против часовой стрелки) и скорость движения потока воздуха, что интенсифицирует воздухообмен, и, как следствие, снижает теплонагруженность пар трения.
В связи с тем что вес фрикционных накладок 3 на ветвях тормозной ленты 2 изменился  поэтому применены на ней подрессоренные оттяжные устройства 17 различной податливости (видно на фиг.4 по количеству витков цилиндрической пружины), которые обеспечивают постоянство зазора между парами трения ленточно-колодочного тормоза в их разомкнутом состоянии.
В качестве примера рассмотрим тормозную ленту с углом обхвата 270°, на которой необходимо установить с переменным шагом 12, 18, 20, 22 и 26 серийных фрикционных накладок (a×b×h=120×230×30 мм) ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки У2-5-5. В табл. 1 приведены исходные данные для определения величин рабочих площадей накладок, расположенных по периметру ленты.
Таблица 1Исходные данные для определения величин рабочих поверхностей накладок тормозной ленты
Общее количество накладок, шт.
Ветви тормозной ленты
Набегающая
Сбегающая
Количество накладок ветви, шт.
Арифметическая прогрессия
Количество накладок ветви, шт.
Геометрическая прогрессия
Первый член а<sub>1</sub>, мм<sup>2</sup>
Разность d, мм<sup>2</sup>
Первый членb<sub>1</sub>, мм<sup>2</sup>
Знаменатель q
n=26
13
27600
230
13
15
1,1037
С использованием предложенной методики были установлены закономерности изменения величин рабочих площадей фрикционных накладок (табл.2).
Проведенный анализ полученных результатов расчетов позволил установить следующее. При монтаже на тормозной ленте, соответственно, 12, 18, 20, 22 и 26 накладок отношение рабочих площадей первой накладки к последней составило соответственно 1,1; 1,104; 1,21; 1,24 и 1,56. Суммарный угол обхвата в усовершенствованных фрикционных узлах уменьшился для 12, 18, 20, 22 и 26 накладок, что позволило высвободить материал соответственно на 0,6; 1,045; 1,78; 2,24 и 3,2 накладки.
Из приведенных примеров вытекает, что с увеличением количества накладок на тормозной ленте наблюдается падение величины отношения удельных нагрузок на накладках набегающей и сбегающей ветвей, что свидетельствует о более равномерном их распределении по длине ленты.
Таким образом, реализация способа управления перераспределением удельных нагрузок на ветвях ленты за счет изменения рабочих площадей фрикционных накладок в ленточно-колодочном тормозе буровой лебедки позволит улучшить эксплуатационные параметры его фрикционных узлов и существенно увеличить ресурс накладок, размещенных на набегающей ветви ленты.
Источники информации
1. Александров М.П., Лысяков А.Г. и др. Тормозные устройства. Справочник. - М.: Машиностроение, 1985, рис. 3,18, с.121.
2. Злобин Б.А. Скоростная проводка скважин и резервы новой техники. - М.: Недра, 1977, с.302, рис. 100.