В процессе торможения кинетическая энергия
движущегося груза и вращающихся масс механизма переходит в тепловую
энергию и вызывает нагревание тормоза. Одной из задач правильного
конструирования тормоза является ограничение нагрева поверхности трения,
который не должен превышать температуру, допускаемую для данного типа
фрикционного материала, поэтому каждое тормозное устройство необходимо
проверять по нагреву. Недооценка тепловых явлений в тормозах
грузоподъемных машин может привести к ненормальной работе тормоза и даже
аварии.
Проверку тормозов по нагреву иногда рекомендуют производить по величине
pv или fpv (здесь р — давление между трущимися поверхностями; v —
скорость скольжения). Этот метод проверки основан на ограничении
удельной работы трения в тормозе некоторой эмпирически установленной
величиной. Если удельная работа трения оказывается меньше или равна этой
эмпирической величине, то предполагается, что использование тормоза с
учетом нагрева и износа будет удовлетворительным. В действительности
произведение pv или fpv не отражает фактического режима работы и
загрузки механизма, не учитывает в должной мере свойств фрикционных
материалов и не может служить характеристикой нагревания тормоза. Более
правильным является проведение теплового расчета с учетом действительных
условий использования механизма грузоподъемной машины.
Попытки аналитического решения задачи нагрева и охлаждения тормоза,
работающего в повторно-кратковременном режиме, натолкнулись на
трудности, непреодолимые средствами современной математики вследствие
того, что тормоз не является однородным телом — отдельные элементы его
обладают различными теплофизическими параметрами и весьма сложной
конфигурацией. Кроме того, условия работы механизмов (частота
торможений, использование по грузоподъемности, потери на трение внутри
машины и т. п.) весьма различны для различных грузоподъемных машин.
Математическое описание процесса нагревания и охлаждения тормоза состоит
из сложной системы дифференциальных уравнений, определяющих
распространение теплоты в элементах тормоза и окружающей среде. Решение
этих уравнений возможно только при введении большого числа допущений,
снижающих точность расчета.
Одним из возможных путей решения поставленной задачи является применение
аппарата теории подобия, дающей возможность на основании синтеза методов
теоретической и экспериментальной физики получить обобщенные
критериальные уравнения, устанавливающие связь между факторами,
влияющими на процесс нагревания и охлаждения тормозного устройства [2].
Метод расчета по критериальным уравнениям позволяет методически
правильно провести работу по созданию новых конструкций тормозов с
учетом их теплового нагружения. Анализ критериальных уравнений ясно
показывает те факторы, изменение которых при
проектировании тормоза может привести к
необходимому снижению температуры трения, что в значительной мере
расширяет возможности конструктора. Критериальные уравнения могут
использоваться при необходимости проведения точных тепловых расчетов
тормозов. Для упрощенных расчетов можно использовать метод теплового
расчета, основанный на уравнении теплового баланса тормоза при его
работе в установившемся тепловом режиме. Этот метод базируется на
введении большого количества допущений и упрощений, однако дает
результаты, позволяющие оценить степень тепловой нагруженности тормоза
для большинства случаев практических расчетов. Для проведения расчета
рассматривается установившееся тепловое состояние тормоза, достигаемое в
процессе длительной работы в повторно-кратковременном режиме. При
достижении тормозом установившегося теплового состояния количество
теплоты, образующееся на поверхности трения, должно быть равно
количеству теплоты, отводимому от тормозного шкива конвекцией и
лучеиспусканием.
Тепловой поток (Вт) [количество теплоты (Дж), возникающее при торможении
в течение часа работы] определяется кинетической энергией поступательно
движущихся и вращающихся масс, а в механизмах подъема также и изменением
потенциальной энергии груза весом Gгр за одно торможение.
Вследствие того, что условия отвода теплоты
лучеиспусканием от внутренней поверхности шкива значительно хуже, чем от
внешней, то в предлагаемой методике расчета площадь внутренней
цилиндрической поверхности шкива не учитывают.
При вращении шкива значение коэффициента
теплоотдачи возрастает вследствие возникновения относительной скорости
между поверхностью теплоотдачи и окружающим воздухом. По Нуссельту,
коэффициент теплоотдачи Вт/(м2-К) в условиях вынужденной конвекции при
относительной скорости, поверхности трения тормозного шкива
Суммарный тепловой поток (Вт), отводимый от шкива
путем излучения и конвекции в течение часа,
должен быть больше теплового потока W, образующегося за это же время на
поверхности трения, или равен ему. Сравнивая тепловые потоки,
образующиеся на поверхности трения, с тепловым потоком, отводимым за то
же время от шкива, можно установить, правильно ли выбраны размеры
тормозного шкива или необходимо принять меры
для увеличения теплоотвода применением шкива с
охлаждающими ребрами или искусственной вентиляцией тормоза. При
искусственном обдуве коэффициент теплоотдачи а может быть увеличен до
23— 30 Вт/(м2- К).
Большинство грузоподъемных машин работает в сложном цикле нагружения при
наличии значительных перерывов в работе. Поэтому возможны случаи, когда
механизм прекращает работу раньше, чем будет достигнута установившаяся
температура нагревания. В таких случаях тормоз может быть использован
при значительно более интенсивном нагружении и задача теплового расчета
сводится к установлению допустимого времени Т непрерывной работы
механизма до достижения предельной допускаемой температуры За время Т в
тормозе образуется количество теплоты WT, идущее на нагрев тормозного
шкива и элементов тормоза и отводимое в окружающую среду.
Условно принято, что вследствие высоких
теплоизолирующих свойств асбофрикционных накладок вся теплота,
образующаяся при трении, проходит через шкив, нагревая его.
Этот метод теплового баланса, базирующийся на
опытных значениях коэффициента излучения и теплоотдачи (определяемых для
некоторых частных случаев), содержащий большое число допущений (так,
нагревающиеся элементы тормоза рассматриваются как материальные точки,
хотя температура, измеренная в различных местах тормозного шкива и
рычажной системы, имеет существенно различное значение), не может
претендовать на получение точных результатов и может быть принят только
для приближенных оценок теплового состояния тормоза.