12. 4. Расчет ленточного тормоза
Тормозной момент, создаваемый ленточным тормозом в результате трения между фрикционными колодками и тормозными шкивами, должен удовлетворять условию
(12.1)
где
—
вращающий момент, Н
м;
— коэффициент запаса торможения.
Вращающий момент зависит от нагрузки на крюке и возрастает по мере углубления скважины. Расчетная величина вращающего момента определяется весом наиболее тяжелой колонны труб, принимаемым с некоторым запасом, равным допускаемой нагрузке на крюке:
(12.2)
где
—
допускаемая нагрузка на крюке талевого
механизма буровой установки, Н;
—
вес подвесных частей талевого механизма,
Н;
—
средний диаметр навивки каната на
барабан, м;
—
к.п.д. подъемного вала лебедки;
—
к.п.д. талевого механизма;
—
кратность оснастки талевого механизма.
Запас
торможения принимается
в зависимости от режима работы лебедки.
Учитывая крайне редкое использование
лебедки при нагрузках, равных допускаемой
нагрузке на крюке, в расчетах ленточного
тормоза достаточен коэффициент запаса
торможения [
]=
1,5.
Тормозной момент, создаваемый ленточным тормозом:
(12.3)
где Т
—
натяжение набегающего конца ленты, Н;
t
—
натяжение сбегающего конца ленты, Н;
—
диаметр тормозного шкива, м; г — число
тормозных шкивов.
Натяжение t сбегающего конца ленты зависит от усилия на рукоятке тормоза, соотношения плечей рычагов и к.п.д. привода тормоза. Натяжение Т набегающего конца ленты с достаточной для практических расчетов точностью определяется по известной формуле Эйлера, устанавливающей соотношение между усилиями на концах гибкой нити:
(12.4)
где
—
коэффициент трения между шкивом и
тормозной колодкой;
—
угол обхвата тормозного шкива лентой,
рад.
После подстановки значений Т и t формула (12.3) принимает вид
(12.5)
Некоторые авторы рекомендуют другие формулы для расчета тормозного момента, полученные из условия равновесия отдельных тормозных колодок, установленных в ленточном тормозе.
Контактное давление (в Па) возникает в результате натяжения ленты между шкивом и тормозными колодками:
(12.6)
где S — текущее натяжение ленты, Н; В — ширина тормозной колодки, м.
Максимальное контактное давление возникает от натяжения набегающего конца ленты (S = T):
По дуге обхвата тормозного шкива контактное давление изменяется и на сбегающем конце ленты имеет минимальную величину:
Для обеспечения достаточной долговечности фрикционной пары контактное давление не должно превышать допускаемого значения:
По допускаемому контактному давлению предельное натяжение набегающего конца ленты составляет:
Подставляя значение предельного натяжения ленты в формулу (XII.5), можно определить величину тормозного момента ленточного тормоза по допускаемому контактному давлению:
(12.7)
Из полученной формулы следует, что при заданном допускаемом контактном давлении, зависящем от материалов фрикционной пары, тормозной момент ленточного тормоза возрастает пропорционально ширине и квадрату диаметра тормозного шкива. Согласно этому, при проектировании тормозной момент лебедок выгоднее повышать за счет диаметра тормозных шкивов, чем путем увеличения их ширины. Коэффициент трения фрикционной пары в степенной зависимости влияет на величину тормозного момента. Поэтому тормозные колодки должны обладать высокими фрикционными свойствами, сохраняющимися при нагреве в результате
Таблица 12.2
Значения
Угол обхвата |
Коэффициент трения , |
|||||
градус |
рад |
0.2 |
0.25 |
0.3 |
0.35 |
0.4 |
270 |
4,71 |
2,57 |
3.25 |
4,10 |
5.20 |
6,60 |
300 |
5,23 |
2,85 |
3,72 |
4,81 |
6,24 |
8,12 |
330 |
5,75 |
3,16 |
4,25 |
5,63 |
7.48 |
10,01 |
345 |
6,02 |
3,33 |
4,50 |
8,09 |
8,32 |
11,10 |
трения.
В случае обрыва одной из лент тормоза контактное давление возрастает вдвое, что приводит к ускоренному износу фрикционной пары. Нельзя допускать длительную эксплуатацию лебедки с одной тормозной лентой. При проектировании ленточных тормозов лебедок предварительно выбирают материалы фрикционной пары, угол обхвата и ширину тормозной ленты.
Диаметр
тормозного шкива, согласно формуле
(12.7), с учетом необходимого тормозного
момента (
и
допускаемого контактного давления
(12.8)
В табл.
12.2 приведены значения
в зависимости от коэффициента трения
и угла обхвата шкивов.
В табл. 12.3 приведен пример расчета тормозного момента и размеров ленточного тормоза буровой лебедки.
Усилие на тормозной рукоятке (в Н) рассчитывается из равенства моментов относительно оси тормозного вала (рис. 12.5):
откуда
где
l—
длина рычага управления тормозом, мм;
r
— радиус кривошипа коленчатого вала,
мм;
— угол поворота рычага от вертикали;
— угол между кривошипом и лентой;
— к.п.д. рычажной системы (при
качественном изготовлении шарниров
).
Свободный
ход ленты тормоза (в мм) зависит от угла
обхвата и радиального зазора между
колодками и тормозными шкивами:
(
—
радиальный зазор, мм).
П
о
мере износа фрикционной пары увеличивается
радиальный зазор и соответственно
возрастают свободный ход ленты и угол
поворота тормозной рукоятки. При
чрезмерном увеличении угла поворота
рукоятки необходимо регулировать
радиальный зазор между шкивом и тормозными
колодками.
Рис. 12.5 Схема усилий, действующих на ленточный тормоз
Таблица 12.3.
Расчет тормозного момента и выбор размеров ленточного тормоза буровой лебедки
Исходные и расчетные величины |
Единицы измерения |
Обозначения |
Способ определения |
Численное значение |
Максимальная нагрузка |
Н |
|
Задано |
12 |
Вес подвижных частей талевой системы |
Н |
|
» |
6 |
Кратность оснастки |
|
|
» |
8 |
Диаметр барабана |
м |
|
» |
0,7 |
Коэффициент запаса торможения |
|
|
Принимаем |
1,5 |
к п. д. подъемного вала |
|
|
По табл. 16.7 |
0,97 |
Материал колодок |
|
|
ФК-24А |
|
Коэффициент трения |
|
|
По табл. 12.1 |
0,3 |
Угол обхвата |
рад |
|
Принимаем |
4,71 |
Число тормозных лент |
|
|
» |
2 |
Средний диаметр навивки |
м |
|
|
0,78 |
Допускаемое контактное давление |
Па |
|
Принимаем |
12 |
Тормозной момент |
Нм |
|
По формуле (12.2) |
0,9 |
Ширина тормозной колодки |
м |
|
Принимаем |
0,22 |
Натяжение концов тормозной ленты: |
|
|
|
|
сбегающего |
Н |
|
По формуле (12.5) |
0,52 |
набегающего |
Н |
|
По формуле (12.4) |
1,64 |
Согласно формуле (12.9), усилие на рукоятке тормоза зависит от отношения радиуса кривошипа и длины тормозного рычага. С уменьшением этого отношения усилие, необходимое для торможения, снижается. Наибольшая длина рычага составляет примерно 1500 мм и ограничивается удобством управления рукояткой. Радиус кривошипа составляет не менее 40 мм и должен быть достаточным для создания радиального зазора между тормозным шкивом и колодками при растормаживании. Усилие на рукоятке тормоза, согласно ГОСТ 12.2.041—79, не должно превышать 250 Н.