Результат интеллектуальной деятельности: Ленточно-колодочный тормоз с равнонагруженными лентами буровой лебедки

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровой лебедки.

Известен ленточно-колодочный тормоз буровой лебедки с тормозными лентами к которым с помощью крепежных планок, проходящих через продольные пазы ленты, устанавливаются фрикционные накладки. Между последними находятся распорные планки. На концах набегающей и сбегающей ветви имеются ушки, которые крепятся, соответственно, к мотылевым шейкам коленчатого вала и к балансирам [1, аналог]. Основным недостатком тормозной ленты является то, что соотношение натяжений набегающей ветви к сбегающей ветви составляет от 4,0 до 5,0.

Известен ленточно-колодочный тормоз, в котором тормозная лента состоит из набегающей и сбегающей ветви, рабочие поверхности которых облицованы фрикционным материалом. Сверху ветви ленты имеют выступы, которые связаны между собой подпружиненным болтовым соединением [2, прототип]. Тормозная лента имеет тот недостаток, что по ее периметру нельзя изменять натяжение участков ленты, и, как следствие, квазивыравнивать удельные нагрузки в парах трения тормоза.

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

- обеспечивается гашение ударных нагрузок в парах трения тормоза при первоначальном их взаимодействии за счет ограничивающих упругих элементов, установленных между внутренней поверхностью тормозной ленты и нерабочими поверхностями фрикционных накладок;

- наличие ограничивающих упругих элементов между боковыми поверхностями накладок, которые являются ограничителями их перемещения, позволяет отказаться от распорных планок в конструкции тормозной ленты, что существенно повысит их податливость;

- наличие крепежных упругих элементов между участками тормозной ленты и ее набегающей и сбегающей ветвями способствует мягкой посадке ленты с накладками на рабочую поверхность тормозного шкива;

- выполнение крепежными упругими элементами, имеющими переменную жесткость по периметру тормозной ленты и меньшую, чем ее жесткость, функции поглотителя энергии их деформации, сохраняя при этом заданное соотношение натяжения набегающей ветви натяжения (S_H) до натяжения сбегающей ветви (S_C) на концах ленты;

- снижение величин соотношения S_H/S_C по периметру тормозной ленты, содержащих две независимых ленты, позволяет квазивыравнять удельные нагрузки в парах трения тормоза и, как следствие, добиться равномерного износа рабочих поверхностей фрикционных накладок.

Цель изобретения - разгрузка набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты от растягивающих усилий за счет поглощения энергии деформации крепежными упругими элементами, имеющими переменную жесткость, изменяющуюся в сторону ее уменьшения от набегающего конца ленты к ее сбегающему концу для квазивыравнивания удельных нагрузок в парах трения тормоза.

Поставленная цель в ленточно-колодочном тормозе достигается тем, что каждая равнонагруженная тормозная лента выполнена составной и содержит такие части: концы с ушками и участками ленты со стороны набегающей и сбегающей ветви, и собственно набегающую и сбегающую ветви ленты и при этом к их концам, начиная со стороны набегающей ветви, приформированы крепежные упругие элементы с различными жесткостями, которые уменьшаются в сторону сбегающего конца ленты, и являются меньшими чем жесткости ветвей ленты.

Условиями работоспособности в ленточно-колодочном тормозе каждой равнонагруженной тормозной ленты со стороны набегающего конца является соблюдение соотношения

и, следуя в сторону сбегающей ветви ленты справедливым является соотношение

где S_H, S_C, S_Г - натяжение набегающей и сбегающей ветви и на границе между ними в тормозной ленте;

c₁, c₂, с₃ - жесткости первого, второго и третьего крепежных упругих элементов.

На фиг.1 показана кинематическая схема буровой лебедки с ленточно-колодочным тормозом; на фиг.2 - кинематическая схема ленточно-колодочного тормоза; на фиг.3 - поперечный разрез фиг.2 по А-А; на фиг.4 показан вид сверху ограничивающего упругого элемента; на фиг.5 проиллюстрирована равнонагруженная тормозная лента с фрикционными накладками и с оттяжными устройствами; на фиг.6 показан вид Б набегающего конца тормозной ленты с крепежным упругим элементом; на фиг.7 показаны зависимости величины S_H/S_C от угла обхвата (α) тормозной лентой шкива при различных динамических коэффициентах трения (f) между их парами трения тормоза.

Использованы следующие условные обозначения:

R_ш, D_ш - радиус и диаметр рабочей поверхности тормозного шкива;

r - радиус кривошипа коленчатого вала;

ω - угловая скорость вращения шкива;

S_H, S_C - натяжение набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты.

Кинематическая схема буровой лебедки с ленточно-колодочным тормозом содержит: 1 - рычаг управления; 2, 3 - тормозные ленты с серийными фрикционными накладками; 4 - тормозной шкив; 5 - барабан; 6, 9, 10 - мотылевые шейки коленчатого вала; 7 - кран бурильщика; 8 - пневмоцилиндр; 11 - балансир.

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.1) 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 средней части тормозной ленты 2, взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного шкива 4. Фронт взаимодействия распространяется в сторону фрикционных накладок 3 набегающей ветви тормозной ленты 2.

Промежуточная стадия торможения характеризуется дальнейшим распространением фронта взаимодействия в сторону фрикционных накладок 3 сбегающей ветви 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 6 коленчатого вала 10 тормоза. Величину давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре 8 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 тормозных лент 2, обеспечивая при этом равномерный и одновременный обхват ими тормозных шкивов 4. Благодаря шаровым шарнирам реализация нагрузок от тормозных лент 2 к балансиру 11 при этом не изменяется.

Наиболее слабым звеном в тормозном узле являются фрикционные накладки. Они изготавливаются в виде отдельных деталей, которые могут крепиться различными способами (например, с помощью планок) относительно гибкой стальной ленты. При установке на ленте накладок с постоянным шагом их количество всегда четное (12; 16; 18; 20; 22; 26).

Ленточно-колодочный тормоз с равнонагруженными лентами буровой лебедки содержит тормозную ленту 2, к которой крепятся фрикционные накладки 3, имеющие наружную 12 и рабочую 13 поверхности. В тело накладок 3 заведены крепежные пластины 14, которые армируются проволокой 15. На наружной поверхности 12 накладок 3 по ее бокам выполнены лыски 16, на которые одеваются ограничивающие упругие элементы 17. Последние изготавливаются из теплостойкой плотной резины. Фрикционные накладки 3 крепятся к тормозной ленте 2 с помощью крепежных пластин 14, пропущенных через ее продольные пазы 18.

Ограничивающие упругие элементы 17 служат ограничителями для фрикционных накладок 3, которые с помощью крепежных пластин 14, перемещаются в продольных пазах 18 тормозной ленты 2. Кроме того, ограничивающие упругие элементы 17 являются гасителями ударных нагрузок между тормозной лентой 2 и фрикционными накладками 3 при взаимодействии последних с рабочей поверхностью тормозного шкива 4.

Тормозная лента 2 состоит из следующих частей: участка со стороны конца набегающей ветви 19; участка со стороны конца сбегающей ветви 22. Тормозная лента 2 имеет также набегающую 20 и сбегающую 21 ветви. Со стороны набегающего и сбегающего конца ленты 2 крепятся с помощью болтового соединения 27 к ушкам 23. С другой стороны участки со стороны концов набегающей 19 и сбегающей 22 ветви заформированы в крепежные упругие элементы 24 и 26. С другой стороны в указанные крепежные упругие элементы 24 и 26 заформированы концы нижней части набегающей 20 и сбегающей 21 ветви. У верхней части концы ветвей с обеих сторон заформированы в крепежный упругий элемент 25 для прочного соединения, который располагается между укороченными по ширине фрикционными накладками 3. Для прочного соединения упругих крепежных элементов 24 (первый), 25 (второй) и 26 (третий) с концами коротких и длинных участков тормозной ленты 2 применяются болтовые соединения 27.

Для размыкания составной тормозной ленты 2 после завершения торможения используются подрессоренные оттяжные устройства 28, которые прикреплены к набегающей 19 и сбегающей 21 ветви ленты 2.

На фиг.7 проиллюстрированы зависимости величины S_H/S_C=e^fa от угла обхвата (α) тормозной лентой шкива при различных динамических коэффициентах трения (f) между их парами трения. По данной графической зависимости представляется возможным определять один из параметров соотношения S_H/S_C при заданном втором. Необходимо обратить внимание на то, что основание натурального логарифма (е) и угол обхвата лентой тормозного шкива (α) являются постоянными величинами, а динамический коэффициент трения (f) - переменной величиной. По данным академика А.Х. Джанахмедова ленточно-колодочные тормоза буровых лебедок работают в интервалах: f=0,3-0,35; α=(270-290)°; и S_H/S_C=4,0-5,0. Определение натяжения набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты в различных видах ленточно-колодочных тормозов при различных типах фрикционных узлов в них является предметом особых исследований.

Выбор крепежных упругих элементов 24, 25 и 26 для тормозной ленты 2 производится следующим образом. Зная i-ые натяжения тормозной ленты 2 со стороны ее набегающей ветви 20, и на границе между ветвями и в ее сбегающей ветви 21 по графической зависимости, приведенной на фиг.7, находят натяжения ветвей ленты 2. Со стороны набегающей ветви 20 ленты 2 справедливо соотношение вида

Следуя по периметру сбегающей ветви 21 ленты 2 выдерживаем соотношения вида

где S_Г - натяжение тормозной ленты в ее сечении I-I (см. фиг.5); отвечающему границе между набегающей и сбегающей ее ветвью;

c₁, c₂, с₃ - жесткости первого, второго и третьего крепежных упругих элементов.

Таким образом, наличие первого, второго и третьего крепежных упругих элементов с различными жесткостями, являющихся поглотителями энергии их деформации между двумя ветвями ленты, позволяет снизить соотношение S_H/S_C по ее длине, оставляя нетронутым указанное соотношение на концах ветвей ленты.

Ленточно-колодочный тормоз с равнонагруженными тормозными лентами буровой лебедки работает следующим образом. Перемещением рукоятки 1 осуществляется поворот коленчатого вала 10, в результате которого бурильщик затягивает равнонагруженные тормозные ленты 2 с крепежными упругими элементами 24, 25 и 26 и с фрикционными накладками 3. Последние и садятся на тормозные шкивы 4. При этом прикладываемое натяжение участка набегающей ветви (S_H) ленты 2 за процесс торможения все время увеличивается, а натяжение участка ее сбегающей ветви (S_C) 21 все время остается постоянным. При этом находящаяся между двумя крепежными упругими элементами 24 и 25 набегающая ветвь 20 ленты 2 не несет растягивающей нагрузки. Энергию деформации от растягивающей нагрузки поглощают крепежные упругие элементы 24 и 25: первый - большую, а второй - меньшую энергию, из-за того, что они имеют различную жесткость. Аналогичная картина наблюдается между двумя крепежными упругими элементами 25 и 26, ограничивающими сбегающую ветвь 21 ленты 2. Третий крепежный упругий элемент 26 за время торможения имеет постоянную энергию деформации от растягивающей нагрузки. После завершения процесса торможения оттяжные рессорные устройства 28 отводят равнонагруженные тормозные ленты 2 от рабочих поверхностей тормозных шкивов 4. После всего крепежные упругие элементы 24, 25 и 26 занимают свое первоначальное положение, т.е. сжимаются на тормозной ленте 2.

Таким образом, каждая равнонагруженная тормозная лента за счет наличия в ней трех крепежных упругих элементов, имеющих меньшую жесткость, чем лента, превратилась в две независимые тормозные ленты, по которым достигается квазивыравнивание удельных нагрузок в парах трения тормоза, и как следствие, достигается выравнивание износа рабочих поверхностей фрикционных накладок.

Источники информации

1. Ленточно-колодочные тормозные устройства / [А.А. Петрик, Н.А. Вольченко, Д.А. Вольченко и др.]. - Краснодар: из-во Кубанск. государств, технолог, ун-та. - Том 2. - 2007. - 173 с. (аналог).

2. Тормозные устройства: Справочник / М.П. Александров, А.Г. Лысяков, В.Н. Федосеев, М.В. Новожилов: Под общ. ред. М.П. Александрова. - М.: Машиностроение, 1985. - 126 с., рис.3.24в (прототип).