Результат интеллектуальной деятельности: ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ С "ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ" В ОБОДЕ ШКИВА

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

Известна система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, в которой узлы выполнены в виде термобатарей, термоэлементы которых состоят из графитовых колец и металлических дисков со сквозными отверстиями на боковых поверхностях, через которые они надеваются на теплоизолированные цилиндрические штыри, завинченные в тело одной из реборд, а вторая реборда при этом крепится к цилиндрическим штырям с помощью гаек, стягивая таким образом систему колец, образующих обод шкива [патент на изобретение RU 2268418, F16D 65/813, 2006, Б.И. №02 [аналог]]. Однако данная система обладает инерционностью и не обеспечивает снижение температурных градиентов обода шкива как на его рабочей поверхности? так и по толщине.

Известен ленточно-колодочный тормоз буровой лебедки, в котором при спуске колонны бурильных труб в скважину, в процессе торможения на поверхностях его металлополимерных пар трения развиваются температуры, которые достигают 800°C и более [Джанахмедов А.Х. Нефтяная трибология / А.Х. Джанахмедов. - Баку: Элм, 2003. - С. 38 [прототип]]. Указанная энергонагруженность влияет на износо-фрикционные свойства металлополимерных пар трения тормоза и, как следствие, на эффективность. Возникающие при этом градиенты температуры в ободе тормозного шкива из-за его неравномерного прогрева существенно влияют на долговечность элементов трения.

Задача изобретения - повышение теплоустойчивости пар трения ленточно-колодочного тормоза.

Технический результат изобретения - повышение долговечности пар трения ленточно-колодочного тормоза за счет снижения температурных градиентов в их элементах путем целенаправленного кондуктивного охлаждения с применением «тепловых мостиков» в ободе шкива.

Технический результат достигается тем, что для снижения температурных градиентов в ободе тормозного шкива выполнены теплоотводящие узлы в виде «тепловых мостиков», представляющих собой системы тонких теплопроводных радиальных цилиндрических колец, простирающихся через всю толщину обода шкива, между которыми расположены энергоемкие цилиндрические кольца с различными диаметрами, которые и составляют слои обода шкива, разделены между собой цилиндрическими теплоизоляционными кольцами. При этом материалы тонких теплопроводных радиальных цилиндрических колец имеют по величине самый высокий коэффициент теплопроводности, нежели материалы слоев обода шкива, теплопроводность которых увеличивается от верхнего к нижнему слою, обеспечивая тем самым сток генерируемой теплоты кондуктивным теплообменом к нижнему слою обода шкива в процессе электротермомеханического трения фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:

- с увеличением энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза наблюдается повышение эффективности кондуктивного охлаждения за счет разных величин коэффициентов теплопроводности материалов цилиндрических колец, составляющих слои обода, которые разделены теплоизоляционными кольцами;

- возможность использования для отвода теплоты от пар трения тормоза радиальных теплопроводных колец, которые пронизывают слои обода, обеспечивая продольный подвод теплоты к ним и, как следствие, достигается снижение температурных градиентов за счет равномерного прогрева системы энергоемких теплопроводных колец, из которых составлен обод шкива;

- достигается разъединение множества вертикальных тепловых токов и переориентация их в горизонтальные тепловые токи с ускоренным подводом к наружной поверхности нижнего слоя обода шкива за счет кондуктивного теплообмена в схеме «система теплопроводных радиальных цилиндрических колец - система теплопроводных цилиндрических колец слоев», что способствует снижению поверхностных температурных градиентов на рабочей поверхности шкива;

- возможность снижения температурных градиентов не только за счет конструктивных параметров системы теплопроводных цилиндрических колец, но и посредством изменения теплофизических свойств их материалов;

- повышается эффективность электротермомеханического трения и ресурса пар трения за счет снижения их энергонагруженности.

На фиг. 1 изображен общий вид ленточно-колодочного тормоза с «тепловыми мостиками» в ободе шкива; на фиг. 2 - вид А на фрикционные узлы в рабочем состоянии; на фиг. 3 показан поперечный разрез обода (без реборд) с «тепловыми мостиками». На фиг. 3 использованы следующие обозначения: λ₁ - приведенный коэффициент теплопроводности материалов рабочего слоя обода шкива; λ₂, λ₃, λ₄ - коэффициенты теплопроводности материалов слоев обода шкива; λ₅, λ₆ - коэффициенты теплопроводности материалов теплоизоляционных колец; λ₇ - коэффициент теплопроводности металлических колец; q - генерируемый тепловой поток на рабочей поверхности обода шкива.

Ленточно-колодочный тормоз с «тепловыми мостиками» в ободе шкива содержит разборный тормозной шкив 1, имеющий, собственно, обод 2 с рабочей 3 и нерабочей 4 поверхностями. «Тепловые мостики» выполнены в виде системы тонких теплопроводных радиальных цилиндрических колец 5, простирающихся через всю толщину обода 2 шкива 1, между которыми расположены энергоемкие цилиндрические кольца с различными диаметрами, которые и составляют слои (I-й, II-й и III-й) обода 2 шкива 1, и разделены между собой цилиндрическими теплоизоляционными кольцами 6. По бокам обода 2 шкива 1 имеются реборды 7. Тормозной шкив 1 расположен на подъемном валу 8. С рабочей поверхностью 3 обода 2 шкива 1 взаимодействуют при торможении рабочие поверхности 10 фрикционных накладок 9. Последние крепятся с помощью усиков 11 к тормозной ленте 12, имеющей набегающую (а) и сбегающую (б) ветви. Сбегающая ветвь (б) тормозной ленты 12 с помощью винтовых стержней 13 крепится к опоре 14. При этом набегающая ветвь (а) тормозной ленты 12 прикреплена к рычагу управления 15.

Тормозной шкив 1 собирается из вертикальных столбцов, в которые входят энергоемкие цилиндрические кольца различного диаметра, переложенные цилиндрическими теплоизоляционными кольцами 6 в горизонтальной плоскости, и в вертикальной плоскости - тонкими радиальными теплопроводными кольцами 5. К торцам крайних столбцов примыкают реборды 7. Последние и слои обода 2 шкива 1 стягиваются болтовыми соединениями (на фиг. 1 не показаны).

В процессе электротермомеханического трения при импульсной и длительной передаче теплоты от слоя к слою обода шкива существенную роль играет их термическое сопротивление. Чем больше расстояние от рабочей поверхности обода шкива до его середины, тем меньше внутреннее термическое сопротивление из-за ослабления теплового тока, прошивающего толщину очередного слоя обода.

Величина поверхностной температуры зависит не только от числа спуско-подъемных операций, выполняемых ленточно-колодочным тормозом буровой лебедки, но и от физико-химических свойств приповерхностных слоев их металлополимерных пар трения. Установлено, что в начале спуска бурового инструмента генерируемая электрическая и тепловая энергия затрачивается на прогрев обода шкива. При этом прирост температуры в ободе шкива является минимальным, но зато в дальнейшем он возрастает за счет увеличения времени торможения и слабой вынужденной конвективной и радиационной теплоотдачей от матовой поверхности шкива скоростными токами омывающей среды. Причиной является увеличение работы торможения, выполняемой узлами трения и способствующей полному прогреву обода шкива в процессе спуска колонны бурильных труб в скважину. Таким образом, на начальной стадии торможения в большинстве случаев необходимо регулировать величину градиента температуры по толщине обода шкива (поперечное регулирование). В дальнейшем при полном прогреве обода шкива будет наблюдаться, в основном, прирост температуры на рабочей поверхности обода шкива, а следовательно, и величины поверхностного градиента температуры (продольное регулирование).

Особенностью поперечного и продольного регулирования тепловых потоков, пронизывающих слои (I-й, II-й и III-й) обода 2 шкива 1, является следующее условие: λ₁<λ₂<λ₃<λ₄, а для теплоизоляционных колец λ₅<λ₆. В свою очередь, λ₇>λ₁; λ₂; λ₃ и λ₄. Предложенные ограничения величин коэффициентов теплопроводности материалов позволяют интенсивно отводить тепловой поток q не только верхним слоем (I-м) обода 2 шкива 1, но и с помощью радиальных теплопроводных колец 5 к внутреннему слою (II) обода 2 шкива 1. Кроме того, на пути следования теплового потока происходит потеря энергии от боковых поверхностей теплопроводных колец 5 на нагревание среднего слоя (II-го) обода 2 шкива 1. Наличие цилиндрических теплоизоляционных колец 6 между I-м и II-м слоями и II-м и III-м слоями позволяют ограничить их кондуктивный теплообмен между собой в поперечном направлении. В то же время усиливается эффект продольного кондуктивного теплообмена за счет взаимодействия боковых поверхностей радиальных теплопроводных колец 5 с боковыми поверхностями энергоемких колец, составляющих обод 2.

Таким образом, за счет деления обода шкива на кольца, сформированных в слои, с помощью радиальных теплопроводных цилиндрических колец и теплоизоляционных колец, разделяющих слои обода, т.е. путем его разбивки на элементы с незначительной металлоемкостью, достигается существенное уменьшение градиентов температуры по толщине обода и по его рабочей поверхности посредством поперечного и продольного регулирования их энергонагруженности.

Ленточно-колодочный тормоз с «тепловыми мостиками» в ободе шкива работает следующим образом.

При нажатии на рычаг 15 происходит перемещение тормозной ленты 12 с фрикционными накладками 10 для взаимодействия их микровыступов с микровыступами рабочей поверхности 3 тормозного шкива 1. Первыми при этом взаимодействуют с микровыступами шкива 1 микровыступы рабочих поверхностей 9 накладок 10 набегающей ветви (а) тормозной ленты 12, а потом уже сбегающей ветви (б), при этом на их поверхностях одновременно генерируются как электрические, так и тепловые токи, в результате чего поверхностные температуры зон взаимодействия металлополимерных пар трения становятся одинаковыми, а следовательно, их поверхностные температурные градиенты равны. В дальнейшем из-за различных величин коэффициентов теплопроводности материалов обода 2 тормозного шкива 1 и фрикционных накладок 10 большая часть теплоты уходит на нагревание системы теплопроводных цилиндрических колец, суммарная энергоемкость которых намного меньше из-за наличия между ними продольных кольцевых теплоизоляторов 6, нежели серийного обода шкива. При этом происходит снижение температурных градиентов как по поверхности системы теплопроводных цилиндрических колец, так и по их толщине.

Таким образом, использовав принцип суперпозиции в элементах трения тормоза «генерирование - сток» теплоты, достигается предложенным кондуктивным решением повышение темпа вынужденного охлаждения за счет применения кондуктивного теплообмена по схеме «система тонких теплопроводных радиальных цилиндрических колец 5 - система теплопроводных энергоемких цилиндрических колец», составляющих обод 2 шкива 1.

Интенсивное кондуктивное охлаждение пар трения ленточно-колодочного тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить температурные градиенты как на поверхности, так и по толщине теплопроводных цилиндрических колец и, как следствие, увеличить ресурс пар трения фрикционных узлов тормоза.