УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАР ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА С ПОДВИЖНЫМИ ФРИКЦИОННЫМИ НАКЛАДКАМИ 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 охлаждаемый ленточно-колодочный тормоз, в котором тормозная лента имеет сквозные прорези, а теплоотводящие элементы выполнены в виде пустотелых колодок, герметично соединенных через прорези ленты с тепловой трубой и установленных на ленте с возможностью радиального перемещения /1, аналог/. Данное устройство не позволяет регулировать и управлять количеством теплоты, генерируемой на поверхностях трения тормоза.

Ленточно-колодочный тормоз имеет охлаждающий элемент, выполненный в виде кольцевой упругой тепловой трубы с выпуклой внутренней поверхностью во фрикционных накладках. При этом наружная поверхность тепловой трубы покрыта эластичным материалом /2, прототип/. Тепловой трубе тяжело выйти на режим работы из-за слабой степени нагретости фрикционных накладок тормоза.

Предложенное техническое решение по сравнению с аналогом и прототипом имеет следующие отличительные признаки:
- достигается эффективное неравномерное снижение теплонагруженности тормозного шкива тормоза как в процессе торможения, так и в интервале времени между ними за счет постоянной работы тепловых труб;
- уровень снижения теплонагруженности фрикционных узлов тормоза регулируется количеством отведенной теплоты от пар трения и количеством поглощенной теплоты тепловыми трубами благодаря разным строительным объемам и видам теплоносителей, т.е. их эффективностью;
- возможностью работы тепловых труб в каждой фрикционной накладке в автономном режиме;
- простота, надежность и компактность конструкции.

Цель изобретения - постоянное принудительное неравномерное 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 цель достигается тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде тепловых труб, пропущенных через середины толщин фрикционных накладок, контактирующих с теплопроводными пластинами по длине накладок и расположенных перпендикулярно двум поверхностям трения. При этом тепловая труба имеет постоянное или переменное сечение в виде круга или прямоугольника. Способ охлаждения заключается в том, что через каждые π/2 no периметру тормозного шкива в накладках установлены тепловые трубы, имеющие разные строительные объемы и заполненные теплоносителем с одинаковой скрытой теплотой парообразования или они имеют одинаковые строительные объемы и заполнены теплоносителем с разной скрытой теплотой парообразования. Кроме того, отвод теплоты от пар трения к тепловым трубам обеспечивается разным количеством теплопроводных пластин, причем меньшее их количество установлено на фрикционные накладки со стороны рабочей поверхности тормозной ленты, нежели со стороны рабочей поверхности тормозного шкива.

На фиг.1 изображен ленточно-колодочный тормоз с охлаждением, общий вид; на фиг.2 - узел А на фиг.1, положение фрикционных накладок на рабочей поверхности шкива при разомкнутой и замкнутой тормозной ленте; фиг.3 - схема сил, действующих на фрикционную накладку со стороны тормозного шкива и ленты; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.1, на фиг.6 - разрез Г-Г и Д-Д на фиг.4 и 5, повернутый на 90^o фрикционной накладки с тепловыми трубами. На фиг.2 и 3 использованы следующие обозначения: S_н, S_c - натяжение набегающей и сбегающей ветвей тормозной ленты; F₁ и F₂ - силы трения, которые отвечают нормальным силам 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 устройством 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 теле накладок 4 по ширине и в средней их части толщины установлены тепловые трубы 7, имеющие круглое 8 и прямоугольное 9 сечения. Тепловая труба 7 выполнена из теплопроводного материала, например стали, заполнена на 2/3 объема теплоносителем, например метиловым спиртом, вакуумирована и герметизирована. Она имеет зоны испарения 10 и конденсации 11. Перпендикулярно поверхности тепловой трубы 7 заподлицо внутренней 5 и внешней 6 рабочим поверхностям накладок 4 по их длине установлены теплопроводные пластины 12. Последние в своей нижней части соприкасаются с поверхностью тепловой трубы 7. Фрикционные накладки 4 соединены одна с другой с помощью цилиндрической пружины 13, а также посредством гайки 14 с шайбой 15 и головки болта 16, которыми заканчиваются тепловые трубы 7 с обеих торцов накладок 4. Тормозная лента 17 со стороны ее сбегающей ветви одним концом шарнирно соединена с корпусом опоры 18, а другим, т.е. концом набегающей ветви, - с приводным рычагом 19. Фрикционные накладки 4 своей внешней рабочей поверхностью 6 установлены с возможностью взаимодействия с рабочей поверхностью тормозной ленты 17 (внешние пары трения).

Коэффициент трения скольжения между внешними парами трения выбран большим, чем коэффициент трения скольжения между внутренними парами трения ("рабочая поверхность тормозного шкива 1 - внутренние рабочие поверхности 5 фрикционных накладок 4"), 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.

Ленточно-колодочный тормоз с подвижными фрикционными накладками работает следующим образом.

В расторможенном положении шкив 1 свободно вращается вместе с накладками 4, соединенными между собой с помощью цилиндрических пружин 13, При этом рабочая поверхность шкива 1 охлаждается недостаточно эффективно поперечными потоками воздуха, циркулирующими между торцовыми поверхностями накладок 4.

При данной конструкции ленточно-колодочного тормоза процесс торможения включает в себя три режима.

Первый (начальный), когда при нажатии на приводной рычаг 19 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 на F₁ и в какой-то момент времени будет достигнуто равенство F₁=F₂. Этот режим является характерным при переходе от взаимодействия между внешними парами трения до внутренних.

Третий (заключительный), когда F₁<F₂. В этом случае внешние пары трения становятся неподвижными, а их внутренние взаимодействуют. С этого момента тормоз работает как серийный. В связи с тем, что F₁<F₂, то тормозной момент M_т ограничивается силой F₁ и определяется по зависимости

где R - радиус рабочей поверхности шкива; K=f₂/f₁; e - основание натурального логарифма; m, n - количество фрикционных накладок, находящееся на беговой дорожке шкива и которое обхватывает тормозная лента.

Расчеты показали, что тормозной момент, развиваемый ленточно-колодочным тормозом с подвижными фрикционными накладками, в 1,3-1,4 раза больше за тормозной момент серийного ленточно-колодочного тормоза. При этом геометрические параметры рассмотренных тормозов 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 компонента) и тормозного шкива 1 (структурные превращения). В связи с тем, что фрикционный материал накладок 4 имеет меньший коэффициент теплопроводности, чем материал теплопроводных пластин 12, то теплота через них передается корпусу тепловой трубы 7, т.е. зоне испарения 10, и нагревает теплоноситель. При нагревании до температуры кипения теплоноситель испаряется, пар конденсируется на холодных стенках корпуса тепловой трубы 7, т.е. в зоне конденсации 11, а также теплота передается теплопроводным пластинам 12 (расположенным с другой стороны тепловой трубы 7), которые интенсивно охлаждаются поперечными потоками воздуха, циркулирующими между торцовыми поверхностями накладок 4. В дальнейшем циклы работы тепловой трубы 7 повторяются и так происходит отвод теплоты от внешних и внутренних пар трения тормоза.

При данной конструкции тормоза имеет место тепловая разгрузка внутренних пар трения посредством двустороннего контактирования теплопроводных пластин 12 с теплопередающими устройствами, т.е. тепловыми трубами 7, от которых теплота передается внешним парам трения. При этом теплота поглощается сначала тормозной лентой 17, а затем конвективным и радиационным теплообменом рассеивается в окружающую среду от ее наружной поверхности. Кроме того, имеет место и обратный теплообмен от внешних пар трения к внутренним.

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

При третьем режиме торможения под набегающую и сбегающую ветви тормозной ленты 17 попадают накладки 4 с тепловыми трубами 7 как минимум на угле обхвата 3π/2 (комбинации накладок 4 с разными тепловыми трубами на тормозном шкиве 1 повторяются через π/2), а также неполный контакт между внутренними парами трения тормоза и вызывает генерирование неодинакового количества теплоты в отдельных зонах трения. При передаче теплоты от внутренних пар трения тормоза с помощью теплопроводных пластин 12 и корпусом тепловых труб 7, имеющими неодинаковые (прямоугольного и круглого сечения) и одинаковые (прямоугольного или круглого сечения) строительные объемы, заполненные, соответственно, одинаковым или неодинаковым (метиловым спиртом, 25%-ным раствором аммиака, жидким металлом, например, следующего состава, мас.%: олово 24-30, цинк 19-21 и галлий около 50 или каждым его компонентом) теплоносителем, достигается неодновременное включение тепловых труб 7 в работу, а следовательно, неодновременное кипение теплоносителя и сброс пара из зоны испарения 10 в зону конденсации 11, что и обеспечивает неравномерное охлаждение взаимодействующих поверхностей трения тормоза. Кроме того, отвод теплоты от основных пар трения, т.е. внутренних, обеспечивается большим количеством теплопроводных пластин 12, а следовательно, увеличенной площадью взаимодействия их торцевых поверхностей с рабочей поверхностью шкива 1, в то время как меньшее количество пластин 12 над тепловой трубой 7 накладки выполняет функции ребер охлаждения, т.е. развитых поверхностей теплообмена.

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 накладок благодаря их расположению по периметру тормозного шкива. Неравномерное охлаждение пар трения тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить термические напряжения в тормозном шкиве, а также увеличить ресурс пар трения. Все вышеотмеченное и способствует существенному повышению эффективности действия тормоза.

Источники информации
1. Авт. св. 1004684 (СССР), F 16 D 65/813, 1983. БИ 10 (аналог).

2. Авт. св. 1613736 (СССР), F 16 D 49/08, 1990, БИ 46 (прототип).

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в тяжелонагруженных ленточно-колодочных тормозах. Новым в тормозе является то, что охлаждающие узлы выполнены в виде тепловых труб, простирающихся через середины толщин фрикционных накладок по их ширине и контактирующих с теплопроводными пластинами, установленными по длине накладок и расположенными перпендикулярно двум поверхностям трения. Тепловые трубы могут иметь постоянное или переменное сечение в виде круга или прямоугольника. Новым в способе охлаждения является то, что для принудительного неравномерного охлаждения пар трения тормоза охлаждающие узлы в виде тепловых труб установлены через каждые π/2 по периметру тормозного шкива в накладках, при этом указанные тепловые трубы имеют разные объемы и заполнены теплоносителем с одинаковой скрытой теплотой парообразования. Отвод теплоты от пар трения к тепловым трубам обеспечивается разным количеством теплопроводных пластин, а именно площадью взаимодействия их торцевых поверхностей, причем меньшее их количество установлено во фрикционные накладки со стороны рабочей поверхности тормозной ленты, чем со стороны рабочей поверхности тормозного шкива. Техническим результатом является повышение эксплуатационных параметров тормоза путем увеличения ресурса пар трения за счет снижения поверхностных температур и достижения равномерного износа внешних и внутренних поверхностей фрикционных накладок. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза с подвижными фрикционными накладками, включающего тормозной шкив, тормозную ленту с набегающей и сбегающей ветвями и равномерно расположенные между ними фрикционные накладки, связанные между собой упругими элементами и подпружиненные к рабочей поверхности шкива, содержащее охлаждающие узлы в виде тепловых труб, отличающееся тем, что охлаждающие узлы в виде тепловых труб простираются через середины толщин фрикционных накладок по их ширине и контактируют с теплопроводными пластинами, установленными по длине накладок и расположенными перпендикулярно двум поверхностям трения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловая труба имеет постоянное или переменное сечение в виде круга или прямоугольника.3. Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза с подвижными фрикционными накладками, включающего тормозной шкив, тормозную ленту с набегающей и сбегающей ветвями и равномерно расположенные между ними фрикционные накладки, связанные между собой упругими элементами и подпружиненные к рабочей поверхности шкива, а также охлаждающие узлы в виде тепловых труб, простирающиеся через середины толщин фрикционных накладок по их ширине и контактирующие с теплопроводными пластинами, установленными по длине накладок и расположенными перпендикулярно двум поверхностям трения, заключающийся в том, что для принудительного неравномерного охлаждения пар трения указанного тормоза охлаждающие узлы в виде тепловых труб установлены через каждые π/2 по периметру тормозного шкива в накладках, при этом указанные тепловые трубы имеют разные объемы и заполнены теплоносителем с одинаковой скрытой теплотой парообразования.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отвод теплоты от пар трения к тепловым трубам обеспечивается разным количеством теплопроводных пластин, а именно площадью взаимодействия их торцевых поверхностей, причем меньшее их количество установлено во фрикционные накладки со стороны рабочей поверхности тормозной ленты, чем со стороны рабочей поверхности тормозного шкива.