СПОСОБ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО УСТАНОВЛЕНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПАР ТРЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫХ ТОРМОЗОВ БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ Российский патент 2013 года по МПК F16D49/08 

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

Известно, что при заданной расчетной схеме ленточно-колодочного тормоза с четным количеством фрикционных накладок, неподвижно установленных на дуге обхвата тормозной лентой рабочей поверхности тормозного шкива, определяют угол β, указывающий положение произвольного радиуса - вектора ρ_i, относительно оси абсцисс, т.е. точку касания, а за тем и поверхность касания накладки со шкивом, с помощью зависимости вида $$\sin \beta =\sqrt{1/\left({\delta }_{Н}+8\right)}$$ , где δ_Н - толщина фрикционной накладки; R_Н - радиус нерабочей поверхности фрикционной накладки; и по данной формуле выполняют расчеты при условии, что материал накладки не достиг величины допустимого износа [1, аналог]. Однако не указано закономерности изменения эксплуатационных параметров металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки.

Установлено, что управление нагруженностью пар трения ленточно-колодочного тормоза буровых лебедок производится как за линейными, так и нелинейными законами изменения частоты вращения тормозного шкива в зависимости от времени торможения [2, прототип]. При этом не показано конкретно по какому закону будут изменяться основные эксплуатационные параметры пар трения ленточно-колодочного тормоза.

Целью настоящего изобретения является разработка способа электродинамического установления закономерностей изменения эксплуатационных параметров металлополимерных пар трения ленточно-колодочных тормозов буровой лебедки.

Поставленная цель достигается тем, что при контактно-термическом взаимодействии рабочих поверхностей тормозных шкивов и фрикционных накладок генерируются электрические токи, подчиняющиеся синусоидальному закону изменения плоской электромагнитной волне при тлеющем и искровом режимах разрядов, и при этом закономерности изменения эксплуатационных параметров пар трения во времени происходит с различными амплитудами, описываемых для: удельных нагрузок периодом π; динамического коэффициента трения периодом 2π; поверхностных температур при нагревании и вынужденном охлаждении периодом π/2, а также солитонов (импульсов) с различной длиной волны с периодом π в межконтактном зазоре пар трения; износов рабочей поверхности обода шкива и фрикционной накладки периодом π.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенный способ имеет следующие отличительные признаки: электродинамическое установление закономерностей изменения эксплуатационных параметров металлополимерных пар трения ленточно-колодочных тормозов буровой лебедки позволяет иметь: максимумы и минимумы изменения: удельных нагрузок; динамических коэффициентов трения; поверхностных температур; износов; что даст возможность в дальнейшем управлять их износо-фрикционными свойствами.

На фиг.1, 2 показаны: общая кинематическая схема и ее фрагмент ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки, а на фиг.3 поперечный разрез по А-А фрикционного узла тормоза; условные обозначения: S_Н, S_С - натяжение набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты; F_p - усилие, прикладываемое рабочим к рычагу управления тормозом; ω - угловая скорость вращения шкива; r_ш, r - радиусы: рабочей поверхности шкива и кривошипа коленчатого вала; 1-12 - нумерация фрикционных накладок; на фиг.4 показана связь между синусоидальным законом изменения плоской электромагнитной волны при тлеющем и искровом разрядах, и эксплуатационными параметрами пар трения тормоза: б - амплитудой изменения удельных нагрузок (p, МПа) [π]; изменением поверхностных температур (t, °C) при нагревании (1) и вынужденном охлаждении (2) [π/2]; амплитудами изменения износов (U, мм) обода барабана (а) и фрикционной накладки (б) [π]; на фиг.5 проиллюстрирована эпюра удельных нагрузок при взаимодействии серийной накладки ленты с рабочей поверхностью шкива при r_ш<r_н; условные обозначения: S_н', S_c' - натяжение набегающего и сбегающего участков ветви тормозной ленты; F_тр - сила трения; δ - длина зоны контакта пар трения; b - толщина накладки; r_н - радиус рабочей поверхности накладки; f - динамический коэффициент трения; на фиг.6 приведены закономерности изменения во времени (τ) динамического коэффициента трения (f) для пары трения «металл-полимер» (при р=0.3 МПа, V=0/6 м/с); 1,2 - высокочастотная и низкочастотная составляющие «сухого» трения; 3 - кривая при «мокром» трении; 4 - систематизированная синусоидальная кривая; на фиг.7 показаны закономерности изменения кривых нагревания (экспериментальных 1, 2 и расчетных 1', 2') и естественного охлаждения (экспериментальных 1", 2" и расчетных 1'", 2'") при фазовых превращениях в приповерхностных слоях фрикционных материалов (а) ФК-24 (1) и шифра 143 (2); на фиг.8 и 9 показаны солитоновые эффекты на рабочих поверхностях фрикционных накладках при взаимодействии, соответственно, двух бегущих в одном направлении солитонов и связанной пары солитонов; условные обозначения: А, x - амплитуда и ширина волны; τ' - время импульсов; на фиг.10 проиллюстрированы закономерности изменения линейного износа (I_h) рабочих поверхностей фрикционных накладок ФК-24А при минимальной и максимальной удельных нагрузках (p) в парах трения тормоза в зависимости от их поверхностной температуры.

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.

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 набегающей 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 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 износ их рабочих поверхностей.

Плоская электромагнитная волна при тлеющем и искровом режимах разряда, которая возникает при генерировании электрического тока в парах трения ленточно-колодочного тормоза подчиняется синусоидальному закону ее изменения (см. фиг.4). Линейный износ (I_h) металлического (а) и неметаллического (б) фрикционных элементов характеризуется различными амплитудами их изменения с периодом π. Точно такая же зависимость только для металлополимерных пар трения тормоза является справедливой и для закономерности изменения удельных нагрузок, возникающих между ними (см. фиг.5). Что касается поверхностных температур пар трения и их вынужденного охлаждения, то кривые 1 и 2 (см. фиг.4) характеризуются одинаковой амплитудой их изменения с периодом π/2.

Закономерности изменения эпюр удельных нагрузок и их величин в парах трения у взаимосвязи со скоростью скольжения и поверхностной температурой влияют на:

- напряженно-деформированное состояние материалов под действием нормальной силы;

- напряженно-деформированное состояние, вызванное изменением структуры поверхностных и приповерхностных слоев материалов (дефектами);

- термическое напряженно-деформируемое состояние материалов; скорость изменения динамического коэффициента трения, и как следствие, тормозного момента;

- время циклов разрушения поверхностей и средние размеры частиц, что от них освобождаются;

- генерируемые прямые и обратные токи при взаимодействии контактирующих поверхностей;

- работу выхода электронов с металлического фрикционного элемента.

В энергетическом аспекте трение представляет собой процесс трансформирования поступающей в систему механической энергии в электрическую, тепловою и другие виды энергии. Перераспределение энергетических потоков на поверхностях пар трения тормозных устройств наблюдаются только в процессах самого трения и поэтому необходимо развивать и использовать in-situ методы исследований.

Изучение во времени зависимостей динамического коэффициента трения фрикционных узлов тормозных устройств (фиг.6) позволяет констатировать о динамической картине общего баланса подведенной и отведенной к трибосистеме энергии.

Внешняя работа, подводимая к трибосистеме, затрачивается на упругое и пластическое деформирования поверхностных слоев и на образование микротермобатарей, которые работают в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников, и как следствие, прямого нагревания и охлаждения поверхностных и приповерхностных слоев пар трения тормозных устройств. Другие виды трансформации механической энергии при низких скоростях скольжения пар трения тормозов являются несущественными (например, излучение). Работа трения зависит от площади фактического контакта и от физико-механических и химических свойств поверхностных и приповерхностных слоев материалов пар трения тормозных устройств, которые упрочняются и разупрочняются в процессе трения сравнительно медленно. Поэтому часть кривой 2 (фиг.6) динамического коэффициента трения, которая описывается низкочастотной составляющей, связанная с поступающей в трибосистему механической энергией. Последняя затрачивается на ее перераспределение и обеспечение работы микротермобатарей, которые генерируют электрическую энергию с последующим ее превращением в тепловую в приповерхностных слоях элементов фрикционных узлов тормозных устройств.

Природа высокочастотной составляющей (кривая 1 на фиг.6), по нашему мнению, связана с дискретностью контакта, а высокочастотные пики динамического коэффициента трения отвечают мгновенно происходящим энергетическим процессам в контактируемых поверхностным слоях, которые являются источником теплоты и холода, за счет генерирования в них прямых и обратных токов. Кривые 1, 2 и 3 (фиг.6) содержат информацию о влиянии направления тока, генерируемого в парах трения «металл-полимер», на величину динамического коэффициента трения. При прохождении прямых микротоков от контактирующих поверхностей обода тормозного шкива к рабочим поверхностям фрикционных накладок (анодно-поляризованные поверхности накладок) f оказывается всегда больше (см. фиг.6 интервалы времени (510-520) с и (550-570) с для кривых 1 и 2), чем у катодно-поляризованных участках поверхностей накладок, материал которых находится при температурах выше допустимой температуры, и при этом возникают обратные микротоки (см. фиг.6 интервал времени (510-580) с для кривой 3). Причем во всех случаях/снижается с увеличением плотности тока j_n на контакте пар трения тормозных устройств. Динамический коэффициент трения катодно-поляризованных участков фрикционных накладок всегда меньше динамического коэффициента трения их анодно-поляризованных участков, т.е. (f_a>f_k), при возрастании j_n изменяется для разных материалов по-разному.

На фиг.6 приведена систематизированная синусоидальная кривая с одинаковой амплитудой с периодом 2π, которая описывает высокочастотную (кривая 1) и низкочастотную (кривая 2) составляющие «сухого» трения.

Таким образом, переполяризация участков фрикционных накладок в парах трения тормозных устройств вызывает инверсию микротоков и изменение их величин, и как следствие, изменение динамического коэффициента трения, характеризующего энергетические процессы в их поверхностных и приповерхностных слоях пар трения.

Электрические токи, генерируемые на поверхности трения взаимодействующих металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза, нагревают их приповерхностные слои и проникают в них вглубь. Таким образом, генерируемые на поверхности трения токи способствуют возникновению поверхностной температуры, а проникающая вглубь пар трения теплота способствует развитию объемной температуры. Возникающие при взаимодействии пар трения разрядные токи способствуют развитию температур вспышки.

На фиг.7 представлены закономерности изменения кривых нагревания и вынужденного охлаждения при фазовых превращениях в приповерхностных слоях фрикционных материалов ФК-24А (1) и шифра 143 (2), испытанных на модельном ленточно-колодочном тормозе в стендовых условиях. Из графических зависимостей, приведенных на фиг.7 следует, что поверхностные температуры при нагревании и вынужденном охлаждении пар трения тормоза имеют одинаковые амплитуды с периодом π/2.

На графических зависимостях (см. фиг.7) представлены кривые нагревания при фазовых превращениях в приповерхностных слоях фрикционных материалов шифров ФК-24А и 143. В качестве связующего компонента в первом материале использована формальдегидная смола, а во втором - каучук.

Установлено, что экспериментальные значения температур (от 250 до 475°С) эффектов превращения несколько ниже расчетных значений в интервале времени от 515 до 1050 с. Наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными значениями температур (до 40°С) наблюдалось для материала шифра 143 при нагружении пар трения тормоза продолжительностью 750 с. Расчетные и экспериментальные значения температур естественного охлаждения приповерхностных слоев указанных материалов отличаются незначительно.

При естественном охлаждении на конденсированное состояние элементарных объемов приповерхностных слоев фрикционных накладок (находящихся при температуре выше допустимой для их материалов) влияет наличие солитонов (см. фиг.8 и 9), т.е. структурно устойчивых уединенных волн в нелинейной диспергирующей среде. Солитон ведет себя подобно частицам. При взаимодействии между собой или с некоторыми другими возмущениями (силой трения) солитоны не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной. Структура солитона поддерживается стационарной за счет баланса между действием нелинейной системы и дисперсии.

Установлено, что солитоны могут сохранять свою структуру длительное время при наличии небольшого затухания или в результате плавного цилиндрического искривления фронта волны в пространстве между взаимодействующими парами трения тормозных устройств.

Солитоны, как и частицы, могут образовывать связанные состояния из двух или более импульсов (фиг.8 и 9).

В системе из многих солитонов происходит сложное стохастическое движение частиц в пространстве между взаимодействующими парами трения тормозных устройств. Согласно фиг.8 и 9 солитоны в межконтактном зазоре пар трения тормоза распространяются с различными амплитудами, имеющими разную длину волны, с периодом π.

Закономерности изменения линейного износа (I_h, мм) рабочих поверхностей фрикционных накладок ФК-24А при минимальной и максимальной удельной нагрузке (p) в парах трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки У2-5-5 в зависимости от их поверхностной температуры (t) наглядно иллюстрируются на фиг.10. Из последней следует, что с увеличением поверхностной температуры в зоне контакта пар трения тормоза линейный износ рабочей поверхности фрикционной накладки уменьшается. При этом износы рабочей поверхности обода шкива и фрикционной накладки изменяются по различным амплитудам с периодом π.

Таким образом, на основе электродинамики установлены закономерности изменения эксплуатационных параметров пар трения ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок, изменяющиеся с различными амплитудами с периодом от π/2 до 2π.

Источники информации

1. Пат. России 2357131 С2, кл. F16D 49/08 за 2009 г. [аналог].

2. Винницкий М.М. Рациональное управление спускоподъемными операциями / М.М. Винницкий. - М.: Недра, 1978. - С.103-105 [прототип].

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок. Способ заключается в том, что при контактно-термическом взаимодействии рабочих поверхностей тормозных шкивов и фрикционных накладок генерируются электрические токи, подчиняющиеся синусоидальному закону изменения плоской электромагнитной волне при тлеющем и искровом режимах разрядов. Закономерности изменения эксплуатационных параметров пар трения во времени происходят с различными амплитудами, описываемыми для удельных нагрузок периодом π, динамического коэффициента трения периодом 2π, поверхностных температур при нагревании и вынужденном охлаждении периодом π/2, а также солитонов-импульсов с различной длиной волны периодом в межконтактном зазоре пар трения, износов рабочей поверхности обода шкива и фрикционной накладки периодом. Достигается возможность установления закономерностей изменения эксплуатационных параметров пар трения лспточно-колодочпых тормозов буровых лебедок, изменяющихся с различными амплитудами с периодом π/2 до 2π на основании электродинамической теории трения и износа. 10 ил.

Способ электродинамического установления закономерностей изменения эксплуатационных параметров металлополимерных пар трения ленточно-колодочных тормозов буровой лебедки, содержащих барабан лебедки, покоящейся на подъемном валу, с торцов барабана установлены тормозные шкивы, рабочие поверхности которых огибают тормозные ленты с установленными на их дуге обхвата с равномерным шагом фрикционными накладками, разделенными между собой распорными планками, при этом концы сбегающих ветвей тормозных лент через тяги присоединены к балансиру, а концы набегающих ветвей - к мотылевым шейкам коленчатого вала, который связан через передаточное устройство с рычагом управления тормозом, отличающийся тем, что при контактно-термическом взаимодействии рабочих поверхностей тормозных шкивов и фрикционных накладок генерируются электрические токи, подчиняющиеся синусоидальному закону изменения плоской электромагнитной волны при тлеющем и искровом режимах разрядов, и при этом закономерности изменения эксплуатационных параметров пар трения во времени происходят с различными амплитудами, описываемыми для: удельных нагрузок периодом π, динамического коэффициента трения периодом 2π, поверхностных температур при нагревании и вынужденном охлаждении периодом π/2, а также солитонов - импульсов с различной длиной волны с периодом π в межконтактном зазоре пар трения, износов рабочей поверхности обода шкива и фрикционной накладки периодом π.