СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ПАР ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА
COOLING SYSTEM OF FRICTION PAIRS OF BELT-BLOCK BRAKE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.
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 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 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.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- отсутствуют капиллярные структуры в зонах испарения и конденсации тепловой трубы;
- осуществляется интенсификация теплообменных процессов в тепловой трубе путем разделения на два потока теплоносителя в зоне конденсации;
- интенсивное охлаждение обода тормозного шкива, способствующее уменьшению его поверхностных и глубинных температурных градиентов, и, как следствие, снижение 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 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 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, отличается тем, что тепловая труба состоит из первой кольцевой камеры, являющейся зоной испарения и заполненной охлаждающим теплоносителем и соединенной посредством впускных клапанов, расположенных возле ее боковых стенок, с вертикальными оребренными трубками, являющимися одновременно зоной конденсации и транспорта, и второй кольцевой камеры, расположенной между цилиндрическими частями оребренных трубок, соединенной с ними через вертикальный участок оребренной трубки, являющейся одновременно накопительной и транспортной зоной, с содержащимися в ней пластинами-секторами и теплоносителем, соединенной через выпускной клапан с первой кольцевой камерой.
На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез (без трубопроводов); на фиг. 2 - разрез А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на узлы тепловой трубы; на фиг. 4 и 5 - вид В и Г на впускной и выпускной клапаны; ω - угловая скорость тормозного шкива; стрелками показано направление движения теплоносителя в зонах тепловой трубы.
Ленточно-колодочный тормоз с системой охлаждения состоят 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, 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 по его периметру выполнены продольные пазы 17. В последние установлены боковые стенки 18, одна из которых крепится через термостойкую прокладку 19 винтами 20 к телу обода шкива 6, а вторая посажена с натягом в паз 17. Боковые стенки 18 и горизонтальная стенка 21 образуют первую кольцевую камеру 22. При этом стенки 18 и 21 имеют одинаковую толщину. В горизонтальной стенке 21 возле боковых стенок 18 и по ее середине выполнены сквозные отверстия 23, на которых нарезана резьба (на фиг.2 не показана). В отверстия 23 по краям стенки 21 завинчиваются впускные клапаны 24, а в ее средней части -выпускной клапан 25. К впускным клапанам 24 крепятся П-образные (повернутые на 180°) трубки 26, выполненные с оребрением 27. В средней части трубки 26 имеется отросток в виде штуцера 28. К последнему крепится цилиндрическая часть трубки 29, а к ее аналогичной части вверху крепится выпускной клапан 25. Между цилиндрическими частями трубок 29 расположена вторая кольцевая камера 30, имеющая в поперечном сечении форму прямоугольника. Во второй кольцевой камере 30 находятся плавающие пластины-сектора 31 в жидком теплоносителе 32.
Однако для того чтобы первая кольцевая камера 22 и система трубок 26 с оребрением 27 стали зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы, их необходимо заполнить теплоносителем 32, а 1/3 объема первой кольцевой камеры 22 вакуумировать. Технологически операции выполняют следующим образом. Отвинчивают левый впускной клапан 24 и через сквозное отверстие 23 заливают жидкий теплоноситель 32 до заданного уровня при статическом положении тормозного шкива 6. После чего заливают жидкий теплоноситель 32 в систему трубок 26, а вместе с ними и заполняют вторую кольцевую камеру 30 до заданного уровня. Затем устанавливают левый выпускной клапан 24 в систему охлаждение и тем самым ее герметизируют. В дальнейшем систему охлаждения вакуумируют с помощью обратного клапана 33, который вмонтирован в левую боковую стенку 18 первой кольцевой камеры 22.
Объем полостей первой 22 и второй 30 кольцевых камер и системы трубок 26, а также рабочих сечений отверстий впускных 24 и выпускных 25 клапанов зависит от энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза.
Таким образом, первая кольцевая камера 22 является зоной испарения (в) тепловой трубы, в которой одной из поверхностей является ее "условно-открытая" горячая поверхность, т.е. нерабочая поверхность 9 тормозного шкива 6. Оребренная 27 система трубок 26 является не только зоной конденсации (г) тепловой трубы, но и зоной транспорта теплоносителя 32. Вторая кольцевая камера 30 выполняет одновременно функции транспортирующей и накопительной зоны (д) теплоносителя 32.
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 накладок 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 32, находящийся в верхней кольцевой камере 22 под действием центробежных сил омывает нерабочую поверхность 9 шкива 6, являющуюся зоной испарения (в) "условно-открытой" горячей поверхности тепловой трубы, при этом теплоноситель 32 нагревается и испаряется. Немаловажную роль в процессах кондуктивного теплообмена играет расположение боковых стенок 18 в теле обода тормозного шкива 6, обеспечивающих отвод дополнительных потоков теплоты от его реборд 7, а также ее передачу к теплоносителю 31. Градиент температуры по слоям боковых стенок 18 первой кольцевой камеры 22 будет разным в связи с тем, что их поверхности омываются скоростными токами окружающего воздуха и теплоносителя 32, находящегося в парообразном и жидком состоянии. В дальнейшем за счет создаваемого перепада градиентов давления между зонами испарения (в) и конденсации (г) теплоноситель 32 через выпускные клапаны 25 попадает в систему трубок 26, которые на своих поверхностях имеют ребра 27, являющиеся развитой поверхностью теплообмена и способствующие конденсации теплоносителя 32, т.е. при его попадании в зону конденсации (г) тепловой трубы. В дальнейшем потоки теплоносителя 32 объединяются в цилиндрической циркулирующей части трубки 29 и попадают во вторую кольцевую камеру 30, где его часть обтекает плавающую пластину-сектор 31 и через впускные клапаны 24 попадает в зону испарения (в) тепловой трубы, которой является первая кольцевая камера 22. При этом вторая часть потока теплоносителя 32 гасит свою энергию об внутреннюю поверхность плавающей пластины - сектора 31 и увеличивает тем самим объем потока теплоносителя 32, служа, таким образом, временным гидравлическим затвором в процессе вращения второй кольцевой камеры во второй кольцевой камере 30 тормозного шкива 6.
Работоспособность и эффективность тепловой трубы в значительной степени зависят от перепада градиентов температуры и давления теплоносителя 32 в ее зонах испарения (в), конденсации (г) и накопления (д), его объемных уровней и их положения относительно впускных 24 и выпускных 25 клапанов и плавающих пластин-секторов 31. Перечисленные факторы, в первую очередь, зависят от центробежных сил, действующих на теплоноситель 32, 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 обода шкива и, как следствие, термонапряжений и тем самим предотвратить возникновение микротрещин на рабочей его поверхности. Снижение энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза позволит улучшить их износо-фрикционные свойства и в конечном итоге повысить эффективность торможений.