СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА Российский патент 2004 года по МПК F16D65/813 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тяжелонагруженных ленточно-колодочных тормозах, например буровых лебедок.

Известен ленточно-колодочный тормоз, в котором тормозная лента имеет сквозные прорези, а теплоотводящие элементы выполнены в виде пустотелых колодок, герметично соединенных через прорези с тепловой трубой и установленных на ленте с возможностью радиального перемещения /Авт. св. 1004684 (СССР), F 16 D 65/813, 1983, Б.И. 10 (аналог)/.

Данное устройство не позволяет регулировать и управлять количеством теплоты, генерируемой на поверхностях трения тормоза.

Известно устройство для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащее охлаждающие узлы, расположенные на набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты с фрикционными накладками, тепловую трубу, расположенную по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности и связанную с упомянутыми охлаждающими узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов, которые выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью и при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Отвод теплоты от холодных спаев батареи производится с помощью тепловой трубы, имеющей прямоугольное сечение /Пат. на изобрет. 2134368 (Россия), F 16 D 65/813, 1999, Б.И. 22, (прототип)/.

В данном техническом решении проиллюстрировано только кратковременное снижение теплонагруженности фрикционных узлов тормоза, что является недостаточно эффективным средством для тяжелонагруженных устройств.

Известен способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащего тормозную ленту, включающую в себя набегающую и сбегающую ветви, на которых расположены охлаждающие узлы, которые выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термобатареи, установленные на набегающей ветви ленты, работают в режиме термоэлектрохолодильника, а термобатареи, установленные на сбегающей ветви, работают в режиме термоэлектрогенератора, состоит в том, что на набегающей ветви ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника питания постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников. При этом отвод теплоты от холодных спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрогенераторов, и от горячих спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрохолодильников, производится с помощью тепловой трубы /Пат. на изобрет. 2134368 (Россия), F 16 D 65/813, 1999, Б.И. 22, (прототип)/.

Данное техническое решение имеет тот недостаток, что в нем решена проблема только кратковременного выравнивания теплонагруженности фрикционных узлов тормозов.

Задача изобретения - упрощение конструкции, надежность и экономичность использования, а также принудительное охлаждение пар трения тормоза для улучшения его эксплуатационных параметров и повышения ресурса фрикционных накладок путем обеспечения равномерного износа внешней и внутренней поверхностей фрикционных накладок.

Поставленная задача достигается тем, что устройство дополнительно содержит упругие элементы, равномерно расположенные между фрикционными накладками, которые неподвижно соединены с последними, а термобатареи расположены в средней части каждой фрикционной накладки по ее длине, и в средней части по толщине фрикционных накладок установлены тепловые трубы, соприкасающиеся с боковыми поверхностями термоэлементов с разноименной проводимостью.

Предложенное техническое решение по сравнению с аналогом и прототипом имеет следующие существенные отличительные признаки:
- достигается эффективное снижение теплонагруженности тормозного шкива, внешней и внутренней рабочих поверхностей фрикционных накладок, как в процессе торможений, так и в интервале времени между ними за счет постоянной работы термобатарей в режимах термоэлектогенераторов;
- отвод теплоты от горячих спаев термобатарей осуществляется с помощью тепловых труб, а от холодных спаев - непосредственно тормозным шкивом и тормозной лентой;
- уровень теплонагруженности узлов тормоза регулируется эффективностью батарей, их количеством и теплопередающими устройствами, т.е. тепловыми трубами, в периоды замкнутого и разомкнутого состояния пар трения;
- в зависимости от режима торможения в тормозе роль холодных спаев термобатарей могут выполнять как тормозной шкив, так и тормозная лента;
- батареи-термоэлектрогенераторы работают в автономном режиме;
- простота, надежность и компактность конструкции.

На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз с охлаждением; на фиг.2 - узел А на фиг. 1 - положение фрикционных накладок на рабочей поверхности шкива при разомкнутой и замкнутой тормозной ленте; на фиг.3 - схема сил, действующих на фрикционную накладку со стороны тормозного шкива и ленты; на фиг. 4 - поперечный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - продольный разрез фрикционной накладки с системой охлаждения; на фиг.6 - вид В на фрикционную накладку; на фиг.7 показана термобатарея-термоэлектрогенератор. На фиг.2 и 3 использованы следующие условные обозначения: натяжение набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты; F₁, F₂ - силы трения, которые вызваны нормальными силами N₁ и N₂; S_П - сила растяжения пружины, которая соединяет между собой соседние фрикционные накладки; α - угол обхвата фрикционной накладкой рабочей поверхности тормозного шкива.

Ленточно-колодочный тормоз с подвижными фрикционными накладками и с системой охлаждения пар трения содержит тормозной шкив 1 с ребордами 2, закрепленный на валу 3 механизма. На рабочей поверхности шкива 1 равномерно размещены фрикционные накладки 4, имеющие внутреннюю 5 и внешнюю 6 рабочие поверхности. В каждую накладку 4 в ее средней части по длине установлено два ряда по восемь полупроводниковых стержней 7 и 8 прямоугольного сечения, пропущенные через вертикальные отверстия 9. Полупроводниковые стержни 7 и 8 установлены заподлицо внутренней 5 и внешней 6 рабочих поверхностей накладок 4, кроме первого и восьмого, не доходящих до величины их допустимого износа с внешней рабочей поверхности 6 накладок 4. Между полупроводниковыми стержнями 7 и 8 в средней части по толщине накладок 4 установлены в горизонтальные отверстия 11 прямоугольные тепловые трубы 10, соприкасающиеся с боковыми поверхностями термоэлементов. Тепловая труба 10 выполнена из теплопроводного материала, заполненного на 2/3 объема теплоносителем, например метиловым спиртом, вакуумирована и герметизирована. Она имеет зоны испарения 12 и конденсации 13. Полупроводниковый стержень 7 имеет электронную (n-типа) проводимость, а стержень 8 - дырочную (р-типа) проводимость. Концы стержней 7 и 8 как со стороны внутренней 5, так и внешней 6 рабочих поверхностей накладок 4 соединены между собой металлическим мостиком 14 и таким образом составляют термобатареи. При этом число термобатарей со стороны внутренней рабочей поверхности 5 накладок 4 на одну больше, чем с ее внешней рабочей поверхности 6. Соединительный мостик 14 является как горячим, так и холодным спаем термобатареи. Накладки 4 соединены одна с другой с помощью цилиндрических пружин 15, которые могут быть заформованы в их тело, так и заведены в торцовые направляющие отверстия 16 накладок 4 и подсоединены к специальным захватам (не показаны). Тормозная лента 17 со стороны сбегающей ветви одним концом шарнирно соединена с корпусом опоры 18, а другим, т.е. концом набегающей ветви - с приводным рычагом 19. Фрикционные накладки 4 со своими внешними рабочими поверхностями 6 установлены с возможностью взаимодействия с рабочей поверхностью тормозной ленты 17 (внешние пары трения). Коэффициент трения рабочей поверхности тормозной ленты 17 и внешней рабочей поверхности 6 накладок 4 выбран большим, чем коэффициент трения пары "рабочая поверхность тормозного шкива 1 - внутренняя рабочая поверхность 5 фрикционных накладок 4" (внутренние пары трения) за счет различного рода покрытий или разных фрикционных материалов. Таким образом, условие торможения реализуется при f₂>f₁, где f₂ и f₁ - коэффициенты трения скольжения между внешними и внутренними парами трения.

Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза с подвижными фрикционными накладками состоит в следующем.

При взаимодействии внешних или внутренних пар трения тормоза температура соединительного мостика 14 увеличивается по сравнению с температурой холодных концов полуэлементов и (Т>Т₀) (фиг.7), тепловая энергия атомов горячего конца полупроводников возрастает. Эта энергия выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в полуэлементе 7 на горячем конце появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном. Поэтому они переходят к холодному концу, заряжая его отрицательно. По причине теплового движения атомов в полуэлементе 8 некоторая часть электронов уносится из горячей зоны. На их месте появляются свободные (незанятые) места - дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок как положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившиеся места (дырки) могут электроны, имеющие близкие к дырке значения энергии. Но электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются новые дырки. Таким образом, происходит перемещение дырок к холодному концу полуэлемента 8, и он заряжается положительно. При замыкании электрической цепи в ней появляется электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором. Количество термобатарей со стороны внутренних пар трения больше на одну, чем со стороны внешних пар трения. Это объясняется значительными тепловыми потоками со стороны внутренних пар трения, которое передается термобатареями. Наличие первого и восьмого укороченных полупроводниковых стержней 7 и 8 исключает замыкание термобатарей на себя при одном из тормозных режимов работы тормоза. При этом до начала торможения температура спаев термобатарей одинакова и равна температуре окружающей среды.

Ленточно-колодочный тормоз с системой и способом охлаждения работает следующим образом.

В расторможенном положении шкив 1 свободно вращается вместе с фрикционными накладками 4, соединенными между собой с помощью цилиндрических пружин 15. При этом рабочая поверхность шкива 1 естественным путем охлаждается недостаточно эффективно поперечными потоками воздуха, циркулирующего между торцовыми поверхностями фрикционных накладок 4.

При данной конструкции тормоза режим торможения включает в себя три режима.

Первый (начальный), когда при нажатии на приводной рычаг 18 рабочая поверхность тормозной ленты 17 взаимодействует с некоторыми внешними рабочими поверхностями 6 накладок 4. Это возможно, пока F₁>F₂.

Второй (переходной). При торможении сила F₂ растет быстрее, чем F₁ и в какой-то момент времени будет достигнуто равенство F₁=F₂. Этот режим является характерным при переходе от взаимодействия рабочей поверхности тормозной ленты 17 с внешней рабочей поверхностью 6 накладок 4 к взаимодействию их внутренней рабочей поверхности 5 с рабочей поверхностью шкива 1.

Третий (заключительный), когда F₁<F₂. В этом случае внешние рабочие поверхности 6 накладок 4 становятся почти неподвижными относительно рабочей поверхности ленты 17, а их внутренние поверхности 5 взаимодействуют с рабочей поверхностью шкива 1. С этого момента тормоз работает как серийный. В связи с тем, что F₁<F₂, то тормозной момент ограничивается силой F₁ и определяется по зависимости

где R - радиус рабочей поверхности шкива;
k=f₂/f₁;
е - основание натурального логарифма;
m, n - количество фрикционных накладок, находящихся на беговой дорожке шкива и которое охватывает тормозная лента соответственно.

Расчеты показали, что тормозной момент, развиваемый ленточно-колодочньм тормозом с подвижными фрикционными накладками в 1,3-1,4 раза больше тормозного момента обычного ленточно-колодочного тормоза. При этом геометрические параметры фрикционных узлов были одинаковыми.

В процессе торможения на трущихся поверхностях тормоза генерируется значительное количество теплоты, которое вызывает изменение физико-механических свойств в материалах фрикционных накладок 4 (выгорание связующего элемента) и тормозного шкива 1 (структурные превращения). При всех трех режимах торможения температура соединительных мостиков 14 за счет трения скольжения повышается, вследствие чего на спаях термобатарей, т.е. полупроводниковых стержней 7 и 8, наблюдается возникновение термоэдс, и как следствие, электрического тока. При первом режиме торможения горячими спаями термобатарей являются соединительные мостики 14 внешней пары трения, от которых электрический ток через полупроводниковые стержни 7 и 8, т.е. некоторое количество теплоты, предается зоне испарения 12 тепловой трубы 10. В последней теплоноситель, нагреваясь, превращается в пар и перемещается в зону конденсации 13, а затем возвращается снова в зону испарения 12. В дальнейшем циклы в тепловой трубе 10 повторяются. Часть теплоты, которая не успела поглотить тепловая труба 10 из-за скоротечности процесса торможения, попадает на соединительные мостики 14 внутренней пары трения и вместе с рабочей поверхностью тормозного шкива 1 выполняют роль холодных спаев термобатарей. Теплота ими поглощается и рассеивается в окружающую среду. Такой теплообмен будет продолжаться до тех пор, пока генерируемая термоэдс внешней парой трения не будет превышать термоэдс внутренней пары трения. Все процессы теплообмена идут аналогично представленным выше только в обратном направлении, т. е. от внутренней пары трения к внешней. В этом случае роль холодных спаев термобатарей выполняют соединительные мостики 14 внешней пары трения и тормозная лента 17, которыми теплота поглощается, а затем от их поверхностей рассеивается в окружающую среду.

В процессе эксплуатации ленточно-колодочного тормоза с подвижными фрикционными накладками их положение относительно тормозной ленты постоянно меняется, что обеспечивает равномерный износ как внешних, так и внутренних поверхностей фрикционных накладок, благодаря их расположению по периметру тормозного шкива. Интенсивное охлаждение внутренних пар трения тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить термические напряжения в тормозном шкиве, а также увеличить ресурс пар трения. При этом существенно повышается эффективность действия тормоза.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тяжелонагруженных ленточно-колодочных тормозах, например в буровых лебедках. Система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза содержит тормозной шкив, тормозную ленту с набегающей и сбегающей ветвями и равномерно расположенные между ними фрикционные накладки, содержащие охлаждающие узлы, выполненные в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью. Термоэлементы выполнены в виде стержней. Имеются также тепловые трубы, связанные с упомянутыми узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов. Новым является то, что она дополнительно содержит упругие элементы, равномерно расположенные между фрикционными накладками, которые неподвижно соединены с последними. Термобатареи расположены в средней части каждой фрикционной накладки по ее длине, а тепловые трубы установлены в средней части по толщине фрикционных накладок и соприкасаются с боковыми поверхностями термоэлементов с разноименной проводимостью. Техническим результатом является существенное улучшение эксплуатационных параметров тормоза, его надежности и повышение ресурса его фрикционных узлов, их равномерный износ, а также упрощение конструкции. 7 ил.

Система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащая тормозной шкив, тормозную ленту с набегающей и сбегающей ветвями и равномерно расположенные между ними фрикционные накладки, содержащие охлаждающие узлы, выполненные в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, и тепловые трубы, связанные с упомянутыми узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит упругие элементы, равномерно расположенные между фрикционными накладками, которые неподвижно соединены с последними, а термобатареи расположены в средней части каждой фрикционной накладки по ее длине, а тепловые трубы установлены в средней части по толщине фрикционных накладок и соприкасаются с боковыми поверхностями термоэлементов с разноименной проводимостью.