Способ определения градиентов коэффициентов теплопередачи при оценке интенсивности теплообмена принудительного воздушно-жидкостного охлаждения трибосистемы ленточно-колодочного тормоза

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

Известен способ определения коэффициентов распределения тепловых потоков между парами трения различных типов фрикционных узлов в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок (варианты), который по первому варианту заключается в определении коэффициентов распределения тепловых потоков между парами трения серийных фрикционных узлов тормоза. По значениям коэффициентов теплопередачи в парах трения, находящихся в замкнутом или разомкнутом состоянии, определяют коэффициенты распределения теплоты α_Т.П.и α'_Т.П. между их элементами.

По второму варианту способ определения коэффициентов распределения тепловых потоков между парами трения ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок, в которых фрикционные накладки расположены на рабочей поверхности тормозного шкива и являются подвижными, заключается в определении коэффициентов распределения тепловых потоков между внешними и внутренними парами трения фрикционных узлов. По значениям коэффициентов теплопередачи в парах трения - внешних, находящихся в разомкнутом и замкнутом состоянии, внутренних в замкнутом состоянии, определяют коэффициенты распределения теплоты между металлическими элементами трения. Достигается расширение возможности тепловой динамики по регулированию тепловых потоков между элементами пар трения для целенаправленного выбора их материалов [1, аналог].

Однако в данном способе не представляется возможным оценивать воздушно-жидкостную систему охлаждения пар трения тормоза посредством градиентом коэффициентов теплопередачи.

Известен способ определения коэффициентов распределения тепловых потоков между парами трения фрикционных узлов в ленточно-колодочном тормозе буровой лебедки, оцениваемый отношением коэффициента теплоотдачи от матовой поверхности обода тормозного шкива к сумме коэффициентов теплоотдачи металлического и неметаллического элемента пары трения [2, прототип]. Однако в данном способе не реализуются процессы теплопередачи через элементы пары трения тормоза и не учитывается приповерхностный слой фрикционной накладки, а также камера с жидкостью.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенный способ определения градиентов коэффициентов теплопередачи при оценке интенсивности теплообмена принудительного воздушно-жидкостного охлаждения трибосистемы ленточно-колодочного тормоза имеет следующие отличительные признаки:

- с помощью коэффициентов теплопередачи через металлический и неметаллический элементы тормоза, а также воздушно-жидкостную систему их охлаждения определяется коэффициент распределения тепловых потоков между ними в любой момент времени;

- впервые оцениваются градиенты коэффициентов теплопередачи через многослойный объект трибосистемы тормоза с целью сравнения их между собой;

- впервые в расчетной схеме тепловой модели охлаждения трибосопряжения тормоза использованы термины "циркулирующий воздух между верхней и нижней частью обода шкива" и "слой воздуха, находящийся между нерабочей полированной поверхностью нижней части обода шкива и поверхностью жидкости, находящейся в камере";

- дополняет и расширяет возможности тепловой динамики по регулированию тепловых потоков в нижней части обода шкива при выборе материалов и жидкости по скрытой теплоте парообразования в камере многослойного объекта.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения градиентов коэффициентов теплопередачи при оценке интенсивности теплообмена принудительного воздушно-жидкостного охлаждения трибосистемы ленточно-колодочного тормоза

Повышение долговечности металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза достигается за счет снижения энергонагруженности их поверхностных слоев на 20…25% путем принудительного воздушно-жидкостного охлаждения составного тормозного шкива. Кроме того, рабочая поверхность накладки работает при температуре ниже допустимой (для полимерной накладки ФК-24А она равна 390°С), что позволяет уменьшить износ накладки на 10…12%.

Это достигается тем, что в способе определения градиентов коэффициентов теплопередачи при оценке интенсивности теплообмена принудительного воздушно-жидкостного охлаждения трибосистемы ленточно-колодочного тормоза, определение коэффициентов распределения тепловых потоков между составляющими трибосистемы выполняют в следующей последовательности:

- находят коэффициенты теплопередачи в теплообменных процессах через такие многослойные объекты, как:

«среда межконтактной зоны - металлический элемент (верхняя часть обода шкива) - омывающий воздух» определяется зависимостью вида

где α₁, α₂ - коэффициенты теплопередачи от: межконтактной среды к рабочей (полированной) поверхности металлического элемента трения; внешней (матовой) его поверхности к омывающему воздуху;

δ₁, λ₁ - толщина верхней части обода шкива и коэффициента теплопроводности его материала.

«среда межконтактной зоны - приповерхностный слой фрикционной накладки - тело фрикционной накладки - тормозная лента - омывающий ее воздух» определяется зависимостью вида:

где α₃ - коэффициент теплоотдачи матовой поверхности тормозной ленты к омывающему воздуху;

δ_п, δ_н, δ_л - толщина: приповерхностного слоя фрикционной накладки, собственно накладки и тормозной ленты;

λ_п, λ_н, λ_л - коэффициенты теплопроводности: приповерхностного слоя накладки, собственно накладки и тормозной ленты;

по значениям коэффициентов теплопередачи в парах трения, находящихся в замкнутом или разомкнутом состоянии, определяют коэффициенты распределения теплоты α_Т.П. и α'_Т.П. между их элементами в процессе торможения

где К₁ - средняя величина коэффициентов теплопередачи в теплообменном процессе «среда межконтактной зоны - металлический элемент трения - омывающий его воздух» за период времени от начала до конца торможения;

К₂ - средняя величина коэффициентов теплопередачи в теплообменном процессе многослойного объекта "середа межконтактной зоны - приповерхностный слой фрикционной накладки - тормозная лента -омывающий ее воздух» за период времени от начала до конца торможения.

Определение коэффициентов распределения тепловых потоков между остальными составляющими трибосистемы выполняют в следующей последовательности:

- находят коэффициенты теплопередачи в теплообменных процессах через такие многослойные объекты, как:

«низ верхней части обода шкива - циркулирующий воздух в кольцевых цилиндрических объемах и в отверстиях перегородок - верх нижней части обода шкива» определяется зависимостью вида:

где α₄ - коэффициент теплоотдачи от низа и верха частей обода шкива омывающему их воздуху;

«омывающий циркулирующий воздух в кольцевых цилиндрических объемах и в отверстиях перегородок - низ нижней части обода шкива -омывающий воздух» определяется зависимостью вида

где α₅ - коэффициент теплоотдачи от матовой нерабочей поверхности обода шкива к омывающему воздуху;

«низ нижней части обода шкива, выполненного полированным, -воздушный зазор в камере - жидкость в различном фазовом состоянии» определяется зависимостью вида:

где α₆, α₇ - коэффициенты теплоотдачи от низа нижней части обода шкива к воздуху и от него к жидкости камеры шкива;

- «слой жидкости, находящейся в различном фазовом состоянии -кольцевая стенка камеры - омывающий воздух» определяется зависимостью вида:

где α₈, α₉ - коэффициенты теплоотдачи от жидкости, находящейся в различном фазовом состоянии к внутренней поверхности стенки и от ее наружной поверхности к омывающему воздуху;

δ_с, λ_с - толщина цилиндрической кольцевой стенки и коэффициент теплопроводности ее материала.

При этом градиенты коэффициентов теплопередачи в теплообменных процессах через многослойные объекты трибосистемы тормоза определяют по зависимостям вида:

где , протяженность зон действия каждого их рассмотренных коэффициентов теплопередачи.

На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1 (без воздухозаборников и системы отверстий в средней части обода шкива и в реборде); на фиг. 3 проиллюстрирован тормозной шкив с воздушно-жидкостной системой охлаждения со следующими условными обозначениями: С_Л - коэффициент излучения; Т₁ Т₂ - температуры полированных поверхностей: рабочих и нерабочих обода шкива; Т_Ж, Т_С - температуры: жидкости и омывающей воздушной среды; α_Ж, α_С - коэффициенты теплоотдачи от: жидкости к стенке камеры; стенки камеры к окружающему воздуху; h - толщина обода тормозного шкива; D - кольцевой диаметр камеры; рассматриваются два варианта: а -жидкость омывает внутреннюю стенку камеры; б - жидкость омывает полированную нерабочую поверхность обода шкива и внутреннюю стенку камеры; на фиг. 4 проиллюстрированы цилиндрические кольцевые перегородки со смещенными отверстиями на их диаметр (d); на фиг. 5 приведена схематическая тепловая модель воздушно-жидкостной системы охлаждения фрикционных узлов тормоза: 1,2- полированные поверхности обода шкива: рабочая; нерабочая; K_i - коэффициент теплопередачи в теплообменных процессах через многослойные объекты

Ленточно-колодочный тормоз с принудительной системой воздушно-жидкостного охлаждения состоит из подъемного вала 1, барабана 2 с фланцем 3, который крепится с помощью болтового соединения 4 к теплоизолированному выступу 5 тормозного шкива 6. Последний имеет реборды 7, рабочую 8 и нерабочую 9 поверхности. Рабочая поверхность 8 шкива в процессе торможения фрикционно взаимодействует с рабочими поверхностями 10 полимерных накладок 11, прикрепленных с помощью усиков 12 к тормозной ленте 13, имеющей набегающую (а) и сбегающую (б) ветви. Набегающая ветвь (а) ленты 13 с помощью резьбовой стяжки 14 крепится к опоре 15, а ее сбегающая ветвь (б) - к рычагу 16 управления тормозом.

Под нерабочей поверхностью 9 обода шкива 6 расположена камера 17 занимающая объем от первой радиальной боковой стенки 18, расположенной со стороны свободного края обода шкива 6 и до второй радиальной боковой стенки 19, находящейся возле выступа 5 шкива 6. Сверху первая радиальная боковая стенка 18 находится в пазе стенки 19 торца реборды 7 и через герметизационную прокладку 20 с помощью болтов 21 крепится по ее периметру к ободу шкива 6. Вторая радиальная боковая стенка 19 заведена с натягом в круговой паз 22. Снизу стенки 18 и 19 соединены между собой цилиндрическим кольцом 23. Заправка камеры 17 производится жидкостью 24 через впускной клапан 25, а стравливается в атмосферу образовавшийся пар в камере 17 через выпускной клапан 26.

Камера 17 заполнена жидкостью 24 на 2/3 ее объема и над ней нерабочая поверхность 9 обода шкива 6 выполнена полированной. К левой реборде 7 по ее периметру подключены воздухозаборники 27, расположенные с постоянным шагом, которые соединены с отверстиями 28 в реборде 7. Отверстия 28 выполнены под углом в реборде 7 в виде сопел Лаваля. Последние связаны с первым цилиндрическим кольцевым объемом 29 расположенным в середине толщины обода шкива 6. Количество цилиндрических кольцевых объемов 29 в ободе шкива 6 зависит от его ширины. Между цилиндрическими кольцевыми объемами 29 находятся кольцевые перегородки 30, в которых выполнены горизонтальные отверстия 31. Последние по периметру перегородок 30 смещены на величину их диаметра. Последний цилиндрический кольцевой объем 29 подключен к отверстиям 32, выполненным в виде конфузоров по периметру рабочей поверхности обода шкива 6 его защемленного края.

Ленточно-колодочный тормоз с принудительной воздушной системой охлаждения работает следующим образом.

При вращении тормозного шкива 6 с большой скоростью в направлении стрелки при спуске колонны бурильных труб в скважину (не показаны) до включения механического ленточно-колодочного тормоза воздухозаборники 27 способствуют образованию следующих воздушных потоков: на входе - сопла Лаваля - первый цилиндрический кольцевой объем 29 -горизонтальные отверстия 31 в кольцевой перегородке 30; на выходе -последний цилиндрический кольцевой объем 29 - перпендикулярные отверстия 31 (конфузоры) к рабочей поверхности 8 обода шкива 6. Интенсификация воздушного конвективного теплообмена происходит в остальных цилиндрических кольцевых объемах 29 за счет того, что горизонтальные отверстия 31 по периметру перегородок 30 смещены на величину их диаметра. Такое конструктивное решение способствует большому количеству скоростных воздушных потоков, которые ударяясь об поверхности очередной перегородки 29, завихряются и тем самым увеличивают воздухообмен, и как следствие, их охлаждать, а затем уже они попадают в очередные отверстия 31 перегородок 30, в которых происходит ускорение воздушных потоков.

Таким образом, осуществляется отвод теплоты от верхней части тормозного шкива 6 за счет циркуляции в нем множества воздушных потоков, омывающих кольцевые перегородки 30, являющихся тепловыми мостиками между верхней и нижней частью тормозного шкива 6, что способствует снижению в них глубинного температурного градиента. Кроме того, имеет место кондуктивный теплообмен между нижней частью обода тормозного шкива 6 и стенками камеры 17.

Остановимся на предложенном конструктивном решении применительно к тормозному шкиву, касающегося полированной нерабочей поверхности его обода, расположенной над жидкостью камеры (фиг. 3а).

Анализ интенсивности теплообмена от металлических элементов фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза указывает на то, что коэффициенты теплоотдачи отличаются по модулю и закону изменения и зависят от линейной скорости обода тормозного шкива. Кроме того, матовые и полированные поверхности металлического элемента трения омываются различными по химическому составу и термодинамическими параметрами средами. С указанных поверхностей металлического элемента трения осуществляется теплоотдача лучеиспусканием омывающему их воздуху.

Согласно закону Стефана-Больцмана коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется из выражения

где T_Н - температура нагревания поверхностей металлического элемента трения, К; Т_В - температура окружающей среды, К; С_Л - коэффициент излучения, Вт/(м² К⁴).

Результаты расчета по формуле (1) представлены на фиг. 4 а, б, из которых следует коэффициент ад увеличивается с повышением температуры.

Установлено, что величина отношения коэффициентов излучения матовой поверхности к полированной должна быть равна отношению площадей охлаждаемой к нагреваемой поверхности металлического элемента трения. По ее значению можно судить о наступлении его установившегося теплового состояния.

В виде соотношений получаем: для ленточно-колодочного тормоза без учета (2) и с учетом (3) нерабочей полированной поверхности обода тормозного шкива (тормозной шкив изготовлен из стали)

В табл. 1 приведены площади поверхностей теплообмена серийного тормозного шкива ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки У2-5-2.

* Примечание: Площадь рабочей поверхности тормозного шкива: в числителе - перекрываемой накладками, в знаменателе - не перекрываемой накладками.

Процентное расхождение между величинами отношений для первого случая составило 23,0%, 8,15% - для второго.

Ленточно-колодочный тормоз с принудительной жидкостной системой охлаждения работает следующим образом.

При нажатии на рычаг 16 управления тормозом происходит затягивание тормозной ленты 13 и рабочие поверхности 10 полимерных накладок 11 взаимодействуют с рабочей поверхностью 8 тормозного шкива 6, что способствует генерированию теплоты на их поверхностях. При этом значительная часть теплоты поглощается шкивам 6, который является аккумулятором тепловой энергии. В свою очередь, тормозной шкив 6 состоит из верхней и нижней части, которые между собой соединены кольцевыми перегородками 30. Последние играют роль тепловых мостиков по выравниванию энергонагруженности верхней и нижней части тормозного шкива. Передача теплоты в кондуктивном теплообмене от нижней части обода тормозного шкива к элементам камеры способствует ее отводу в жидкость.

Рассмотрим два случая взаимодействия полированной нерабочей поверхности 9 обода шкива 6 с жидкостью 24 камеры 17.

Первый случай проиллюстрирован на фиг. 3а, когда жидкость 24 не омывает полированную нерабочую поверхность 9 обода тормозного шкива 6 и между их поверхностями образовался зазор. Из полированной нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6 осуществляется лучистый теплообмен: подводится лучистый поток от полированной рабочей поверхности 8 обода тормозного шкива бив соответствии с законом Стефана-Больцмана отводится поток собственного излучения плотностью непосредтвенно к поверхности абсолютного черного тела, т.е. жидкости 24. В этом случае также имеет место слабый конвективный теплообмен, поскольку при вращении шкива 6 за счет центробежных сил капли жидкости все таки попадают на полированную нерабочую поверхность 9 обода шкива 6, на которой сразу превращаются в пар. Таким образом, в данном случае имеет слабый конвективный и сильный лучистый теплообмены, которые снижают энергонагруженность обода тормозного шкива.

Второй случай показан на фиг. 3б, когда жидкость 24 находится на полированной нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6. В этом случае сильным является конвективный теплообмен при взаимодействии слоев жидкости 24 с полированной нерабочей поверхностью 9 обода шкива 6 при слабом их лучистом теплообмене.

Из фиг. 3 а и б следует, что тепловое состояние частей тормозного шкива, находящихся на разных полюсах в вертикальной плоскости, является неодинаковым из-за изменения термодинамических параметров жидкости и омывающего воздуха, что и способствует изменению их градиентов, и как следствие, интенсификации кондуктивного, конвективного и радиационного теплообмена в предложенной системе охлаждения.

Таким образом, при работе в режимах вращения тормозного шкива или фрикционного взаимодействия пар трения ленточно-колодочного тормоза имеют место следующие виды теплообмена:

- в первом режиме - конвективный воздушный и жидкостной, кондуктивный, а также лучистый с рабочей и нерабочей поверхностью (полированной) обода тормозного шкива;

- во втором режиме - конвективный воздушный и жидкостной, кондуктивный, а также лучистый с полированной нерабочей поверхности обода тормозного шкива.

Перечисленные виды теплообмена в неодинаковой степени влияют на энергонагруженость пар трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки, а в конечном итоге снижают их энергонагруженость, и как следствие, долговечность рабочих поверхностей.

Согласно тепловой модели фрикционного узла (лента+накладка+обод, состоящий из двух частей, которые соедены между собой перемычками+камера с жидкостью (фиг. 5) определяют коэффициенты теплопередачи в теплообменных процессах через такие многослойные объекты, как:

- «среда межконтактной зоны - металлический элемент (верхняя часть обода шкива) - омывающий воздух» определяется зависимостью вида

где α₁, α₂ - коэффициенты теплопередачи от: межконтактной среды к рабочей (полированной) поверхности металлического элемента трения; внешней (матовой) его поверхности к омывающему воздуху;

δ₁, λ₁ - толщина верхней части обода шкива и коэффициента теплопроводности его материала.

- «среда межконтактной зоны - приповерхностный слой фрикционной накладки - тело фрикционной накладки - тормозная лента - омывающий ее воздух» определяется зависимостью вида:

где α₃ - коэффициент теплоотдачи матовой поверхности тормозной ленты к омывающему воздуху;

δ_п, δ_н, δ_л - толщина: приповерхностного слоя фрикционной накладки, собственно накладки и тормозной ленты;

λ_п, λ_н,λ_л - коэффициенты теплопроводности: приповерхностного слоя накладки, собственно накладки и тормозной ленты.

По значениям коэффициентов теплопередачи в парах трения, находящихся в замкнутом или разомкнутом состоянии, определяют коэффициенты распределения теплоты α_Т.П. и α'_Т.П. между их элементами в процессе торможения

где К₁ - средняя величина коэффициентов теплопередачи в теплообменном процессе «среда межконтактной зоны - металлический элемент трения - омывающий его воздух» за период времени от начала до конца торможения;

К₂ - средняя величина коэффициентов теплопередачи в теплообменном процессе многослойного объекта "середа межконтактной зоны - приповерхностный слой фрикционной накладки - тормозная лента - омывающий ее воздух» за период времени от начала до конца торможения.

В дальнейшем производят определение коэффициентов распределения тепловых потоков между остальными составляющими трибосистемы выполняют в следующей последовательности:

- «низ верхней части обода шкива - циркулирующий воздух в кольцевых цилиндрических объемах и в отверстиях перегородок - верх нижней части обода шкива» определяется зависимостью вида:

где α₄ - коэффициент теплоотдачи от низа и верха частей обода шкива омывающему их воздуху.

- «омывающий циркулирующий воздух в кольцевых цилиндрических объемах и в отверстиях перегородок - них нижней части обода шкива - омывающий воздух» определяется зависимостью вида

где α₅ - коэффициент теплоотдачи от матовой нерабочей поверхности обода шкива к омывающему воздуху.

- «низ нижней части обода шкива, выполненного полированным, - воздушный зазор в камере - жидкость в различном фазовом состоянии» определяется зависимостью вида:

где α₆, α₇ - коэффициенты теплоотдачи от низа нижней части обода шкива к воздуху и от него к жидкости камеры шкива.

- «слой жидкости, находящейся в различном фазовом состоянии -кольцевая стенка камеры - омывающий воздух» определяется зависимостью вида:

где α₈, α₉ - коэффициенты теплоотдачи от жидкости, находящейся в различном фазовом состоянии к внутренней поверхности стенки и от ее наружной поверхности к омывающему воздуху;

δ_с, λ_с - толщина цилиндрической кольцевой стенки и коэффициент теплопроводности ее материала.

При этом градиенты коэффициентов теплопередачи в теплообменных процессах через многослойные объекты трибосистемы тормоза определяют по зависимостям вида:

где протяженность зон действия каждого их рассмотренных коэффициентов теплопередачи.

Известно, что градиентная теория распространяется на тормозные моменты, удельные нагрузки, механические и температурные напряжения, поверхностные и объемные температуры, и т.д. Однако до сего времени ни в отечественной, ни в зарубежной технической литературе не встречалось понятие «градиент коэффициента теплопередачи многослойного объекта».

Согласно тепловой модели воздушно-жидкостной системы охлаждения фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза (фиг. 5) между коэффициентами теплопередачи должно соблюдаться условие К₂<К₁>К₃; К₄<К₅>К₆. При этом свойствам возбуждающего фактора обладает коэффициент теплопередачи К₅ Объясняется это тем, что жидкость, находящаяся в камере может быть в разных фазовых состояниях. Численные величины коэффициентов теплопередачи в многослойном объекте трибосистемы будут определены после проведения экспериментальных исследований.

Таким образом, предложенное техническое решение дополняет и расширяет возможность тепловой динамики по регулированию и управлению тепловыми потоками в многослойной трибосистеме путем правильного выбора материала нижний части обода шкива и подбора жидкости для камеры с достаточной энергоэмкостью.

Источники информации:

1. Патент РФ 2386061, кл F16D 65/813, б.и. №10, 2010 г. [аналог].

2. Гинзбург А.Г. Коэффициент распределения тепловых потоков при торможении. В кн.: Расчет и испытание фрикционных пар. -Машиностроение, 1974, №4. - С. 37-41 [прототип].