RU2594267C1

RU2594267C1 - Device for belt-drum brake friction pairs cooling

Info

Publication number: RU2594267C1
Application number: RU2015122697/11A
Authority: RU
Inventors: Петр Сергеевич Красин; Николай Александрович Вольченко; Дмитрий Александрович Вольченко; Василий Степанович Скрыпнык; Дмитрий Юрьевич Журавлёв
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention refers to machine-building industry and can be used in belt-drum brakes of drill winches. Device comprises brake pulley, brake belt with friction linings, cooling device made as a heat tube and drive. Heat pipe consists of the first circular chamber being an evaporation zone, side walls of which are installed in longitudinal slots of pulley rim, and their inner surface is coated by non-shrinking sintering method with two-component capillary-porous powder material contacting in its turn with annular article with possibility of its vertical movement in the chamber, and the second circular chamber being a condensation zone which bottom wall is provided with fins. First circular chamber shares common annular wall with the second chamber, and side walls of annular chambers are interconnected via steam line and condensate line of different length.

EFFECT: increased service life of friction pairs due to increased efficiency of forced and conductive cooling.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.The invention relates to the field of engineering and can be used in tape-shoe brakes of drawworks.

Известен охлаждаемый ленточный тормоз, в котором достигается повышение эффективности принудительного охлаждения путем интенсификации теплообмена за счет устройства охлаждения, снабженного расположенной между зонами испарения и конденсации кольцевой перегородкой из пористого материала с выполненными в ней сквозными отверстиями, а кольцевая камера выполнена расширяющейся от свободного края обода тормозного шкива (аналог а.с. СССР №1218198А, кл. F16D 65/813 за 1986 г.). Недостатком данной конструкции охлаждаемого ленточного тормоза является то, что кольцевая перегородка не в состоянии перекрыть ни одну из зон тепловой трубы, что сказывается на ее эффективности.Known cooled belt brake, which achieves an increase in the efficiency of forced cooling by intensifying heat transfer due to a cooling device equipped with an annular partition made of porous material between the zones of evaporation and condensation with through holes made in it, and the annular chamber is made expanding from the free edge of the rim of the brake pulley (analogue of the USSR AS No. 1218198A, class F16D 65/813 for 1986). The disadvantage of this design of the cooled tape brake is that the annular partition is not able to block any of the zones of the heat pipe, which affects its effectiveness.

Известен охлаждаемый ленточный тормоз, преимущественно буровых лебедок, снабженный установленной на валу теплоизолированной шайбой и облицовкой из капиллярно-пористого материала, цилиндрическая камера выполнена герметичной с кольцевым карманом в средней ее части, на внутренней поверхности упомянутой камеры закреплена облицовка из капиллярно-пористого материала, а охлаждающее устройство выполнено в виде размещенной внутри цилиндрической камеры тепловой трубы с противоположно расположенными зонами конденсации и испарения, причем последняя размещена у внутренней поверхности обода тормозного барабана, цилиндрическая камера в месте расположения кольцевого кармана теплоизолирована от вала через упомянутую шайбу, на внешних торцевых поверхностях кольцевого кармана равномерно по окружности размещены ребра естественного охлаждения, а поперечное сечение упомянутого кольцевого кармана выполнено в виде усеченного конуса, вершина которого направлена к оси вала (прототип, а.с. СССР №1161732 А кл. F16D 65/813 за 1983 г.).Known cooled belt brake, mainly of drilling winches, equipped with a heat-insulated washer mounted on the shaft and a lining of capillary-porous material, a cylindrical chamber is sealed with an annular pocket in its middle part, a lining of capillary-porous material is fixed on the inner surface of the chamber, and a cooling the device is made in the form of a heat pipe placed inside a cylindrical chamber with oppositely located zones of condensation and evaporation, moreover the latter is located at the inner surface of the rim of the brake drum, the cylindrical chamber at the location of the annular pocket is insulated from the shaft through the said washer, ribs of natural cooling are evenly spaced on the outer end surfaces of the annular pocket, and the cross section of the said annular pocket is made in the form of a truncated cone, the apex which is directed to the axis of the shaft (prototype, AS USSR No. 1161732 And class F16D 65/813 for 1983).

Недостатком данной конструкции ленточного тормоза является то, что в тепловой трубе не разделены зоны испарения и конденсации, что существенно влияет на эффективность принудительного охлаждения.The disadvantage of this design of the belt brake is that the evaporation and condensation zones are not separated in the heat pipe, which significantly affects the efficiency of forced cooling.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:Compared with the analogue and prototype, the proposed technical solution has the following distinctive features:

- использование в зоне испарения подвижного кольцевого изделия, выполненного из капиллярной структуры, обеспечивающего перекрытие ее поверхностей, что способствует интенсификации процессов паро- и конденсатообразования в тепловой трубе;- the use in the evaporation zone of a movable ring product made of a capillary structure, providing overlapping of its surfaces, which contributes to the intensification of the processes of vapor and condensate formation in the heat pipe;

- интенсивное охлаждение обода тормозного шкива, способствующее уменьшению его поверхностных и глубинных температурных градиентов и, как следствие, снижению термонапряжений;- intensive cooling of the rim of the brake pulley, contributing to a decrease in its surface and deep temperature gradients and, as a result, a decrease in thermal stresses;

- повышение эффективности торможений за счет недостижения материалами поверхностных слоев полимерной накладки допустимой температуры из-за принудительного охлаждения металлополимерных пар трения тормоза;- increasing the efficiency of braking due to the materials not reaching the surface layers of the polymer lining of the permissible temperature due to forced cooling of metal-polymer brake friction pairs;

- повышение долговечности металлополимерных пар трения тормоза.- increased durability of metal-polymer brake friction pairs.

Задачей изобретения является разработка устройства для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза.The objective of the invention is to develop a device for cooling the friction pairs of the tape-shoe brake.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы пар трения путем повышения эффективности принудительного, кондуктивного и вынужденного охлаждения.The technical result of the present invention is to increase the service life of friction pairs by increasing the efficiency of forced, conductive and forced cooling.

Технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, содержащее тормозной шкив, тормозную ленту с фрикционными накладками, охлаждающее устройство, выполненное в виде тепловой трубы, расположенное на нерабочей поверхности обода тормозного шкива, и привод, отличающееся тем, что тепловая труба состоит из первой кольцевой камеры, являющейся зоной испарения, боковые стенки которой установлены в продольные пазы обода шкива, а на их внутренние поверхности нанесен методом безусадочного спекания двухкомпонентный капиллярно-пористый порошковый материал, соприкасающийся, в свою очередь, с кольцевым изделием, изготовленным из вышеуказанного материала, с возможностью его вертикального перемещения в камере, имеющим в поперечном сечении перевернутую П-образную форму, в вертикальных составляющих которых выполнены несквозные пароотводные каналы, а в горизонтальной составляющей - конденсатоотводные сквозные отверстия, и второй кольцевой камеры, являющейся зоной конденсации, нижняя кольцевая стенка которой выполнена с оребрением, при этом первая кольцевая камера имеет общую кольцевую стенку со второй камерой, а боковые стенки кольцевых камер соединены между собой посредством паропровода и конденсатопровода, имеющих различную длину.The technical result is achieved in that the device for cooling the friction pairs of the tape-shoe brake containing a brake pulley, a brake belt with friction linings, a cooling device made in the form of a heat pipe, located on the idle surface of the rim of the brake pulley, and a drive, characterized in that the heat pipe consists of a first annular chamber, which is an evaporation zone, the side walls of which are installed in the longitudinal grooves of the pulley rim, and is applied by shrink-free method on their inner surfaces sintering is a two-component capillary-porous powder material in contact with, in turn, an annular product made of the above material, with the possibility of its vertical movement in a chamber having an inverted U-shape in cross section, in the vertical components of which non-through vapor channels are made, and in the horizontal component - condensate drainage through holes, and the second annular chamber, which is a condensation zone, the lower annular wall of which is made with a rib rhenium, while the first annular chamber has a common annular wall with the second chamber, and the side walls of the annular chambers are interconnected by means of a steam pipe and a condensate pipe having different lengths.

На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз, продольный разрез (без кольцевых камер и паро- и конденсатопроводов); на фиг. 2 - разрез Α-A на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на узлы тепловой трубы.In FIG. 1 shows a tape-shoe brake, a longitudinal section (without annular chambers and steam and condensate pipelines); in FIG. 2 is a section Α-A in FIG. one; in FIG. 3 - view B on the nodes of the heat pipe.

Ленточно-колодочный тормоз с устройством охлаждения состоит из подъемного вала 1, барабана 2, фланец 3 которого крепится с помощью болтового соединения 4 к выступу 5 тормозного шкива 6. Последний имеет реборды 7 и рабочую 8 и нерабочую 9 поверхности. Рабочая поверхность 8 шкива 6 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.The tape-brake brake with a cooling device consists of a lifting shaft 1, a drum 2, a flange 3 of which is fastened with a bolt connection 4 to the protrusion 5 of the brake pulley 6. The latter has flanges 7 and a working 8 and a non-working 9 surface. The working surface 8 of the pulley 6 during braking frictionally interacts with the working surfaces 10 of the polymer linings 11, attached with the help of the antennae 12 to the brake belt 13, which has running (a) and running (b) branches. The oncoming branch (a) of the tape 13 is attached to the support 15 with the help of a threaded tie 14, and its running branch (b) is attached to the brake control lever 16.

Устройство для охлаждения тормоза расположено на нерабочей поверхности 9 обода тормозного шкива 6, в котором с его торца свободного края и на 2/3 длины обода в сторону защемления выполнены продольные пазы 17 по периметру. В продольные пазы 17 обода шкива 6 посажены с натягом боковые стенки 18, в которых внутренние поверхности покрыты капиллярно-пористой структурой 19. Боковые стенки 18 и кольцевая стенка 20 образуют первую кольцевую камеру 21. При этом стенки 18 и 20 имеют одинаковую толщину. В первой кольцевой камере 21 находится кольцевое изделие 22, являющееся капиллярной структурой, полученной методом безусадочного спекания двухкомпонентного капиллярно-пористого порошкового материала, и имеющее в поперечном сечении перевернутую П-образную форму. Кольцевое изделие 22 имеет вертикальные составляющие 23, в которых выполнены несквозные пароотводящие каналы 24, а в горизонтальной составляющей 25 - конденсатоотводящие сквозные отверстия 26. Кольцевое изделие 22 имеет возможность вертикального перемещения в первой кольцевой камере 21 и таким образом взаимодействует с капиллярно-пористой структурой 19 боковых стенок 18. Во второй кольцевой камере 26 верхняя кольцевая стенка 20 является общей для кольцевых камер 21 и 26 и нижняя кольцевая стенка 27 выполнена тоньше по сравнению с другими стенками второй кольцевой камеры 26 и на ней расположены ребра 28. В боковых стенках камер 21 и 26 выполнены сквозные отверстия 29 и 30, на которых нарезана резьба (на фиг. 3 не показана). В отверстия 29 и 30 завинчиваются штуцеры 31 с прокладками (на фиг. 3 не показаны), соответственно, паропроводов 32 и конденсатопроводов 33.A device for cooling the brake is located on the idle surface 9 of the rim of the brake pulley 6, in which longitudinal grooves 17 are made along the perimeter from its end face of the free edge and by 2/3 of the length of the rim to the pinch side. Side walls 18 are tightened in longitudinal grooves 17 of the pulley rim 6, in which the inner surfaces are covered with a capillary-porous structure 19. The side walls 18 and the annular wall 20 form the first annular chamber 21. The walls 18 and 20 have the same thickness. In the first annular chamber 21, there is an annular article 22, which is a capillary structure obtained by non-shrink sintering of a two-component capillary-porous powder material, and having an inverted U-shaped cross section. The annular article 22 has vertical components 23 in which non-through steam exhaust channels 24 are made, and in the horizontal component 25 there are condensate exhaust through holes 26. The annular article 22 is capable of vertical movement in the first annular chamber 21 and thus interacts with the capillary-porous side structure 19 walls 18. In the second annular chamber 26, the upper annular wall 20 is common to the annular chambers 21 and 26, and the lower annular wall 27 is thinner than other walls w A second annular chamber 26 and ribs 28 are located on it. Through holes 29 and 30 are made in the side walls of the chambers 21 and 26, on which a thread is cut (not shown in Fig. 3). Fittings 31 with gaskets (not shown in FIG. 3) are screwed into the holes 29 and 30, respectively, of the steam lines 32 and the condensate lines 33.

Однако для того чтобы первая 21 и вторая 26 камеры стали зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы, их необходимо заполнить теплоносителем 34, а 1/3 объема первой камеры 21 вакуумировать. Технологически операции выполняются следующим образом. Перед сборкой устройства охлаждения через сквозные отверстия с резьбой 30 заливают жидкий теплоноситель 34 (например, 25% раствор аммиака) во весь объем второй полости камеры 26 и в полость первой камеры 21 до уровня, отвечающего нижней кромке отверстия с резьбой (на фиг. 3 не показано), в которое устанавливается обратный клапан 35, через который устройство охлаждения вакуумируется. Объем полостей первой 21 и второй 26 кольцевых камер, соединяемых паропроводами 32 и конденсатопроводами 33, зависит от энергонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза.However, in order for the first 21 and second 26 chambers to become zones of evaporation (c) and condensation (d) of the heat pipe, they must be filled with coolant 34, and 1/3 of the volume of the first chamber 21 is evacuated. Technologically, operations are performed as follows. Before assembling the cooling device through the threaded through-holes 30, liquid coolant 34 (for example, 25% ammonia solution) is poured into the entire volume of the second cavity of the chamber 26 and into the cavity of the first chamber 21 to a level corresponding to the lower edge of the threaded hole (in Fig. 3 shown) into which a check valve 35 is installed through which the cooling device is evacuated. The volume of the cavities of the first 21 and second 26 annular chambers connected by steam lines 32 and condensate lines 33 depends on the energy load of the friction pairs of the tape-shoe brake.

Таким образом, первая кольцевая камера 21 с размещенным в ней изделием 22 и вторая кольцевая камера 26 являются, соответственно, зонами испарения (в) и конденсации (г) тепловой трубы и с соединяющими их звеньями, т.е. паропроводами 32 и конденсатопроводами 33. При этом одной из поверхностей зоны испарения (в) является "условно-открытая" горячая поверхность тепловой трубы, т.е. нерабочая поверхность 9 тормозного шкива 6.Thus, the first annular chamber 21 with the article 22 placed therein and the second annular chamber 26 are, respectively, the evaporation (c) and condensation (d) zones of the heat pipe and with the links connecting them, i.e. steam lines 32 and condensate lines 33. In this case, one of the surfaces of the evaporation zone (c) is a “conditionally open” hot surface of the heat pipe, i.e. idle surface 9 of the brake pulley 6.

Ленточно-колодочный тормоз с устройством охлаждения работает следующим образом.Band brake with a cooling device operates as follows.

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 способствуют генерированию теплоты на их поверхностях. При этом значительная часть теплоты поглощается ободом шкива 6, который является аккумулятором тепловой энергии. Теплоноситель 34, находящийся в первой кольцевой камере 21, под действием центробежных сил омывает нерабочую поверхность 9 шкива 6, являющуюся зоной испарения (в) "условно-открытой" горячей поверхностью тепловой трубы, при этом теплоноситель нагревается и испаряется. Сконденсированный теплоноситель 34 движется по капиллярным структурам 19 внутренних поверхностей боковых стенок 18 и по вертикальным составляющим кольцевого изделия 22, при этом часть парообразного теплоносителя 34 подается по пароотводному каналу 24 к кольцевой стенке 20 первой камеры 21. В то же время часть парообразного теплоносителя 34 по паропроводу 32, который намного длиннее конденсатопровода 33, движется в зону конденсации (г) второй кольцевой камеры 26. При этом большая часть парообразного теплоносителя 34 в нижней части паропровода 32 в сконденсированном состоянии попадает в зону конденсации (г) второй кольцевой камеры 26, вращение вокруг оси обода тормозного шкива 6 обуславливает появление центробежного ускорения, одна из составляющих сил которого заставляет сконденсировавший теплоноситель 34 возвращаться из зоны конденсации (г) в зону испарения (в). Кроме того, за счет центробежных ускорений поверхность раздела жидкой и парообразной фаз становится гладкой и устойчивой.When the brake control lever 16 is pressed, the brake tape 13 is tightened and the working surfaces 10 of the polymer linings 11 interact with the working surface 8 of the brake pulley 6, which contributes to the generation of heat on their surfaces. In this case, a significant part of the heat is absorbed by the rim of the pulley 6, which is the accumulator of thermal energy. The coolant 34 located in the first annular chamber 21, under the action of centrifugal forces, washes the idle surface 9 of the pulley 6, which is the evaporation zone (c) of the "conditionally open" hot surface of the heat pipe, while the coolant is heated and evaporates. The condensed coolant 34 moves along the capillary structures 19 of the inner surfaces of the side walls 18 and along the vertical components of the annular article 22, while a part of the vaporous coolant 34 is supplied through the steam channel 24 to the annular wall 20 of the first chamber 21. At the same time, a part of the vaporous coolant 34 is provided through the steam line 32, which is much longer than the condensate line 33, moves into the condensation zone (d) of the second annular chamber 26. In this case, most of the vaporous coolant 34 in the lower part of the steam pipe 32 in ndensirovannom state enters the condensation zone (z) of the second annular chamber 26 around the rotation axis of the rim brake pulley 6 causes the appearance of centrifugal acceleration, one component of which force causes the condensed heat transfer fluid 34 returning from the condensing zone (z) in the evaporation zone (a). In addition, due to centrifugal accelerations, the interface between the liquid and vapor phases becomes smooth and stable.

Однако управляющее воздействие в данном типе тепловой трубы с подвижным кольцевым изделием 22, являющимся своего рода поршнем в первой кольцевой камере 21, зависит от того, на сколько его высокотеплопроводная капиллярно-пористая структура перекроет противоположные кольцевые поверхности зоны испарения (в). Так при "прилипании" торцов вертикальных составляющих 23 кольцевого изделия 22 интенсифицируются процессы парообразования теплоносителя 34. В другом случае при "прилипании" торца горизонтального составляющего 25 кольцевого изделия 22 к общей горизонтальной кольцевой стенке 20 зон испарения (в) и конденсации (г) интенсифицируются процессы конденсации теплоносителя 34. Более того, двигаясь вниз, кольцевое изделие 22 будет соскабливать конденсат из капиллярной структуры 19 внутренних поверхностей боковых стенок 18 и насыщать им свои боковые поверхности вертикальных составляющих 23.However, the control action in this type of heat pipe with a movable annular article 22, which is a kind of piston in the first annular chamber 21, depends on how much its highly thermally conductive capillary-porous structure overlaps the opposite annular surfaces of the evaporation zone (c). So, with the “sticking” of the ends of the vertical components 23 of the annular article 22, the processes of vaporization of the coolant 34 are intensified. In the other case, with the “adhesion” of the end of the horizontal component 25 of the ring product 22 to the common horizontal annular wall 20 of the evaporation (c) and condensation (d) zones, the processes are intensified condensation of the coolant 34. Moreover, moving down, the annular product 22 will scrape off the condensate from the capillary structure 19 of the inner surfaces of the side walls 18 and saturate its side ones on top vertical components 23.

Неравномерно замедленный режим вращения обода шкива 6 при резком торможении вызывает колебания теплоносителя в первой 21 и во второй 26 кольцевых камерах, что при противоточном движении потоков пара и жидкости вызывает срыв капель из капиллярных структур 19 с внутренних поверхностей боковых стенок 18 и кольцевого изделия 22 и их перенос в зону конденсации (г). Для устранения этого эффекта в первой кольцевой камере 21 имеется в кольцевом изделии 22 горизонтальная составляющая 25, которая выполняет функции гасителя жидкого теплоносителя 34, благодаря ее вертикальному перемещению под действием центробежных сил при вращении обода шкива 6. Сквозные отверстия 26 позволяют связывать жидкость и пар друг с другом.Unevenly slowed down rotation mode of the pulley rim 6 during sharp braking causes the coolant to oscillate in the first 21 and second 26 ring chambers, which, when the flow of steam and liquid flows countercurrently, causes droplets to drop from the capillary structures 19 from the inner surfaces of the side walls 18 and the ring article 22 and their transfer to the condensation zone (g). To eliminate this effect, in the first annular chamber 21 there is a horizontal component 25 in the annular product 22, which acts as a quencher of the liquid coolant 34, due to its vertical movement under the action of centrifugal forces when the rim of the pulley 6 is rotated. Through holes 26 allow liquid and steam to be connected to each other friend.

Интенсифицируется эффект "тепловой трубы" за счет кондуктивного и вынужденного естественного теплообмена. Отвод теплоты от тела тормозного шкива 6 осуществляется по следующей схеме: боковые стенки 18 - кольцевая стенка 20 (первая кольцевая камера 21) - вторая кольцевая камера 26 - нижняя кольцевая стенка 27 камеры 26 - ребра 28. При этом выполнение кольцевой стенки 27 тонкой способствует стоку теплоты и, как следствие, ее подводу к ребрам 28 и от их развитых поверхностей отводу к скоростным токам омывающего воздуха.The effect of the "heat pipe" is intensified due to the conductive and forced natural heat transfer. Heat removal from the body of the brake pulley 6 is carried out according to the following scheme: side walls 18 - annular wall 20 (first annular chamber 21) - second annular chamber 26 - lower annular wall 27 of the chamber 26 - ribs 28. In this case, the execution of the annular wall 27 thin contributes to drain heat and, as a consequence, its supply to the fins 28 and from their developed surfaces to the high-speed currents of the washing air.

Основной движущей силой в тепловой трубе является градиент температуры и давления, возникающий за счет изменения термодинамического состояния теплоносителя.The main driving force in the heat pipe is the temperature and pressure gradient arising due to changes in the thermodynamic state of the coolant.

Таким образом, за счет эффекта "тепловой трубы" достигнуто принудительное охлаждение тормозного шкива с привлечением дополнительных процессов кондуктивного и вынужденного теплообмена.Thus, due to the “heat pipe” effect, forced cooling of the brake pulley is achieved with the use of additional processes of conductive and forced heat transfer.

Claims

A device for cooling a friction pair of a tape-brake brake containing a brake pulley, a brake belt with friction linings, a cooling device made in the form of a heat pipe, located on the idle surface of the rim of the brake pulley, and a drive, characterized in that the heat pipe consists of a first annular a chamber, which is an evaporation zone, the side walls of which are installed in the longitudinal grooves of the pulley rim, and on their inner surfaces a two-component capillary-porous sintering method is applied powder material in contact with, in turn, an annular product made of the above material, with the possibility of its vertical movement in a chamber having an inverted U-shaped in cross section, in the vertical components of which non-through vapor channels are made, and in the horizontal component - condensate drain through holes, and a second annular chamber, which is a condensation zone, the lower annular wall of which is made with fins, while the first annular chamber them an annular wall common with the second chamber, and the side wall of annular chambers are interconnected by means of steam and condensate pipes having different lengths.