система и способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза

Формула изобретения

1. Система для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащая тормозную ленту с фрикционными накладками, тормозной шкив с вмонтированными в него охлаждающими узлами, выполненными в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в отверстиях тормозного шкива, отличающаяся тем, что парное количество теплоизолированных термоэлементов расположено по ширине шкива и равно ширине фрикционной накладки и при этом батареи находятся равномерно по периметру шкива со стороны его нерабочей поверхности.

2. Система по п.1 отличается тем, что в термобатареях-термоэлектрогенераторах холодные спаи, начиная со второго, соединены попарно между собой П-образными теплообменниками, а их горячие спаи - попарно между собой металлическими пластинами; в термобатареях-термоэлектрохолодильниках холодные спаи термоэлементов соединены попарно между собой, а их горячие спаи, начиная со второго, попарно металлическими перемычками.

3. Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащего тормозную ленту с фрикционными накладками, а также охлаждающие узлы, расположенные равномерно по периметру тормозного шкива на его нерабочей поверхности, состоит в том, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих их термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью и при этом две термобатареи-термоэлектрогенераторы установлены между термобатареями-термоэлектрохолодильниками, причем крайние термоэлементы, т.е. их холодные спаи термобатарей-термоэлектрогенераторов соединены между собой параллельно для увеличения ими вырабатываемой силы тока, а крайние термоэлементы, т.е. их горячие спаи, термобатарей-термоэлектрохолодильников подсоединены к источнику постоянного тока (аккумуляторной батарее).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отводят теплоту от термобатарей-термоэлектрогенераторов посредством П-образных теплообменников, а от термобатарей-термоэлектрохолодильников - охлаждением рабочей поверхности шкива, находящейся под ними, обеспечивая при этом рост градиента температур между охлаждаемыми поверхностями шкива, интенсифицируя при этом его принудительное охлаждение.

Описание изобретения к патенту

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

Известен ленточно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением (аналог), содержащий тормозную ленту с металлическими фрикционными накладками, шкив и систему охлаждения, выполненную в виде термоэлементов стержней с проводимостями n-типа и р-типа и радиаторов, причем термоэлементы-стержни радиально пропущены одними концами через тело шкива, расположены в два ряда по ширине шкива заподлицо с его рабочей поверхностью и теплоизолированы от него, вторые концы термоэлементов-стержней размещены в сепараторах, а радиаторы установлены со стороны вторых концов термоэлементов-стержней, которые соединены между собой с возможностью обеспечения параллельно-последовательного соединения в результате образования горячего спая концами термоэлементов с металлическими фрикционными накладками тормозной ленты при торможении. Данное техническое решение имеет тот недостаток, что отвод теплоты от фрикционных узлов тормозов производится только в процессе торможения.

Известно устройство для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащее охлаждающие узлы, расположенные на набегающей и сбегающей ветви тормозной ленты с фрикционными накладками, тепловую трубу, расположенную по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности и связанную с упомянутыми охлаждающими узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов, которые выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, и при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Отвод теплоты от холодных спаев батареи производится с помощью тепловой трубы, имеющей прямоугольное сечение (Пат. на изобрет. 2134368 (Россия), F 16 D 65/813, 1999, БИ №22, (прототип)). В данном техническом решении проиллюстрировано только кратковременное снижение теплонагруженности фрикционных узлов тормоза, что является недостаточно эффективным средством для тяжелонагруженных тормозных устройств.

Известен способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащего тормозную ленту, включающую в себя набегающую и сбегающую ветви, на которых расположены охлаждающие узлы, которые выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термобатареи, установленные на набегающей ветви ленты, работают в режиме термоэлектрохолодильника, а термобатареи, установленные на сбегающей ветви, работают в режиме термоэлектрогенератора, сущность которого состоит в том, что на набегающей ветви ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника питания постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемой термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников. При этом отвод теплоты от холодных спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрогенераторов, и от горячих спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрохолодильников, производится с помощью тепловой трубы (Пат. на изобрет. 2134368 (Россия), F 16 D 65/813, 1999, БИ №22 (аналог-прототип)). Данное техническое решение имеет тот недостаток, что в нем решена проблема только кратковременного выравнивания теплонагруженности фрикционных узлов тормозов.

Предложенное техническое решение по сравнению с аналогом и прототипом имеет следующие существенные отличительные признаки:

- достигается эффективное снижение теплонагруженности тормозного шкива как в процессе торможений, так и в интервале времени между ними за счет работы термобатарей в режимах термоэлектогенераторов и термоэлектрохолодильников;

- уровень теплонагруженности узлов тормоза регулируется эффективностью батарей, их количеством и схемой подключения между собой в периоды замкнутого и разомкнутого состояния тормоза;

- батареи-термоэлектрогенераторы и батареи-термоэлектрохолодильники работают в автономном режиме;

- простота, надежность и компактность конструкции.

Задача изобретения - упрощение конструкции, надежность и экономичность использования, а также принудительное охлаждение пар трения тормоза для улучшения его эксплуатационных параметров и повышения ресурса фрикционных накладок путем выравнивания теплонагруженности фрикционных узлов тормозов.

Поставленная задача достигается тем, что в системе для охлаждения тормоза парное количество термоэлементов расположено по ширине шкива и равно ширине фрикционной накладки, и при этом термобатареи находятся равномерно по периметру шкива со стороны его нерабочей поверхности. В термобатареях-термоэлектрогенераторах холодные спаи термоэлементов, начиная со второго, соединены попарно между собой П-образными теплообменниками, а их горячие спаи - попарно между собой металлическими пластинами; в термобатареях-термоэлектрохолодильников холодные спаи термоэлементов соединены попарно между собой, а их горячие спаи, начиная со второго, соединены попарно металлическими перемычками. Способ охлаждения тормоза состоит в том, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, и при этом две термобатареи-термоэлектрогенераторы установлены между термобатареями-термоэлекрохолодильниками; причем крайние термоэлементы, т.е. их холодные спаи термобатарей-термоэлектрогенераторов, соединены между собой параллельно для увеличения ими вырабатываемой силы тока, а крайние термоэлементы, т.е. их горячие спаи термобатарей-термоэлектрохолодильников, подсоединены к источнику постоянного тока (аккумуляторной батареи). Отвод теплоты от термобатарей-термоэлектрогенераторов производится посредством П-образных теплообменников, а от термобатарей-термоэлектрохолодильников - охлаждением рабочей поверхности шкива, находящейся под ними, а рост градиента температур между охлаждающими поверхностями шкива ведет к интенсификации его охлаждения.

На фиг.1 показан фрагмент ленточно-колодочного тормоза с системой термоэлектрического охлаждения; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А (пары трения с термобатареями-термоэлектрогенераторами) фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез по В-В (пары трения с термобатареями-термоэлектрохоло-дильниками) фиг.1; на фиг.4 и 5 - схемы работы термобатарей в режимах термоэлектрогенераторов и термоэлектрохолодильников.

Система охлаждения ленточно-колодочного содержит тормозной шкив 1 с рабочей 2 и нерабочей 3 поверхностями, фрикционные накладки 4 с рабочей поверхностью 5, которые с помощью усиков 6 прикреплены к тормозной ленте 7. В теле шкива 1 по его ширине выполнены сквозные отверстия 8, в которые установлены полупроводниковые элементы 9 и 10 с n-и р-типом проводимости. Термоэлементы 9 и 10 теплоизолированы от тела шкива 1 с помощью втулок 11 и выведены почти заподлицо его рабочей поверхности 2. При этом термоэлементы 9 и 10 соединены между собой попарно утопленными металлическими пластинами 12, составляющими с рабочей поверхностью 2 шкива 1 единое целое. Термоэлементы 9 и 10 с металлическими пластинам 12 образуют горячий спай термобатареи. С другого конца термоэлементы 9 и 10, выступая над рабочей поверхностью 7 шкива 1, начиная со второго термоэлемента 10, соединены между собой попарно П-образными теплообменниками 13. В этом случае термоэлементы 10 и 9 совместно с теплообменниками 13 образуют холодный спай термобатареи. Крайние термоэлементы 9 и 10 имеют выводы, которые подключаются параллельно к аналогичным клеммам термобатареи, в результате чего получаем внешнюю электрическую цепь (не показана). Такие термобатареи работают в режиме термоэлектрогенератора. В термобатареях-термоэлектрохолодильниках горячие спаи крайних термоэлементов 9 и 10 со стороны нерабочей поверхности 3 шкива 1 подключены к аккумуляторной батарее 14, а термоэлементы, начиная со второго, попарно соединены между собой металлической перемычкой 16. Холодный спай термобатареи-термоэлектрохолодильника выполнен аналогично горячему спаю термобатареи-термоэлектрогенератора. Аккумуляторная батарея 14 своим подключением к термоэлементам 9 и 10 образует внешнюю электрическую цепь 17. Подзарядка аккумуляторных батарей 14 осуществляется подключением к клеммам 15 источника постоянного тока. Термобатареи-термоэлектрогенераторы и термобатареи-термоэлектрохолодильники расположены на нерабочей поверхности 3 шкива 1 симметрично, что не ведет к его разбалансировке. Количество батарей и их схема подключения между собой зависят от теплонагруженности ленточно-колодочного тормоза. Управление последним осуществляется посредством рычага 18.

Для реализации способа охлаждения рассмотрим принцип работы термобатареи, составленной из двух полупроводниковых материалов с n-и р-типом проводимости (фиг.4). Если при взаимодействии рабочих поверхностей 2 шкива 1 и рабочих поверхностей 5 накладок 4 температура металлической пластины 12 увеличивается по сравнению с температурой Т₀ холодных спаев термоэлементов 9 и 10 (Т>Т ₀), то тепловая энергия атомов их горячих спаев возрастает. Эта энергия расходуется на переход электронов в свободное состояние. В результате на горячем спае термоэлементов 9 и 10 появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном спае, заряжая его отрицательно. Вследствие теплового движения атомов в термоэлементе 10 часть электронов уносится из горячей зоны. На их месте появляются свободные (незанятые) места-дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок как положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившиеся места (дырки) могут электроны, имеющие близкие к дырке значения энергии. Но электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются новые дырки. Таким образом, происходит перемещение дырок к холодному спаю термоэлемента 10, и он заряжается положительно. При замыкании электрической цепи в ней появляется электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором.

Если по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (Т=Т₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг.5, то свободные электроны начнут перемещаться в термоэлементе 9 от спая а к спаю в, причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим током. Движение электронов от спая а к спаю в сопровождается переносом энергии. На спае а электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию; на спае в, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки полупроводника, они отдают ему энергию. В связи с этим спай а охлаждается, а спай в нагревается. Причем скопление электронов на спае в способствует тому, что он заряжается отрицательно, а спай а - положительно.

В термоэлементе 10 с дырочной проводимостью направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая а’ к спаю в’, вследствие чего дырки ускоряются. Как уже отмечалось, образовавшиеся вакантные места могут занять электроны с уровнем энергии, близким к энергии дырки, поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается у спая в’. Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере движения от спая в’ к спаю a’ вдоль ветви термоэлемента 10 энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение осуществляется за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего спай a’ охлаждается. Скопление электронов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, при этом спай в’ заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока через термобатарею приводит к возникновению перепада температур на ее спаях. На спае a’ поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, на спае в’ выделяется теплота. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее спае можно получить очень низкие температуры. Таким образом, получили термоэлектрохолодильник.

Система охлаждения ленточно-колодочного тормоза работает следующим образом. При замыкании тормоза посредством рычага управления 18 на рабочих поверхностях взаимодействующих пар, т.е. шкива 1 и фрикционных накладок 4, генерируется значительное количество теплоты. Большая часть теплоты поглощается тормозным шкивом 1 из-за высокого значения коэффициента теплопроводности его материала. При этом в термобатарее-термоэлектрогенераторе нагреваются металлические пластины 12 и от них часть теплоты уходит путем теплопроводности через термоэлементы 9 и 10 к холодным спаям термобатарей, а затем передается П-образным теплообменникам 13, от которых рассеивается в окружающую среду при вращении шкива 1. В то же время перепад температур Т и Т₀ между горячим и холодным спаем термобатареи-термоэлектрогенератора ведет к тому, что на ее холодных спаях возникает термо-ЭДС, и благодаря подключению выводов термоэлементов 9 и 10 к клеммам другой батареи-термоэлектрогенератора образуется замкнутая электрическая цепь, способствующая протеканию термоэлектрического тока. Последний поглощает определенное количество теплоты от общего количества, генерируемого на взаимодействующих поверхностях тормоза. Незначительная часть генерируемой теплоты расходуется на нагревание 9 и 10 термобатареи.

К термобатарее, работающей в режиме термоэлектрохолодильника, т.е. к ее горячим термоэлементам 9 и 10, подключен источник постоянного тока, т.е. аккумуляторная батарея 14. При этом термоэлемент 9 с электронной проводимостью подсоединен к положительной клемме, а термоэлемент 10 с дырочной проводимостью к отрицательной клемме аккумуляторной батареи 14. В этом случае ток обратного направления будет выделять теплоту на горячем спае термоэлементов 9 и 10 термобатареи и отнимать теплоту от металлических перемычек 16, контактирующих с телом шкива 1, т.е. посредством холодного спая термобатареи.

При размыкании тормоза термобатареи продолжают работать, однако с разной эффективностью охлаждения. Так интенсивность охлаждения термобатарей-термоэлектрогенераторов падает из-за снижения поверхностной температуры шкива 1. В то же время интенсивность охлаждения термобатарей-термоэлектрогенераторов увеличивается из-за постоянной подачи электрического тока от аккумуляторных батарей 14 на термоэлементы 9 и 10, т.е. на горячие спаи термобатареи, и охлаждения металлических перемычек 16, а вместе с ними и тормозного шкива 1.

Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза состоит в том, что параллельное подключение двух соседних термобатарей-термоэлектрогенераторов позволяет получить замкнутую электрическую цепь с протекающим по ней не пульсирующим и увеличенным термоэлектрическим током. В результате чего поглощается некоторое количество теплоты от общего количества теплоты, генерируемого на взаимодействующих поверхностях тормоза. При этом спаренные термобатареи-термоэлектрогенераторы находятся между отдельными термобатареями-термоэлектрохолодильниками. При замкнутом и разомкнутом тормозе эффективность охлаждения тормозного шкива 1 термобатареями разная. Так, батарей-термоэлектрогенераторов она растет при замкнутом тормозе и падает при его разомкнутом состоянии. В батарее-термоэлектрохолодильников эффективность охлаждения обратная, т.е. падает при замкнутом тормозе и повышается при его разомкнутом состоянии. Отмеченное обстоятельство и позволяет постоянно поддерживать градиент температур между участками шкива 1, на которых установлены термобатареи по его периметру, что способствует интенсификации теплообмена от рабочей 2 и нерабочей 3 поверхностей тормозного шкива 1.

Таким образом, применение предложенного технического решения благодаря эффективному принудительному охлаждению тормоза при его замкнутом и разомкнутом состоянии позволяет улучшить эксплуатационные параметры фрикционных узлов, а также ресурс их пар трения.