Исследование работы ленточного тормоза

Цель работы: изучение конструкции и порядка расчета ленточных тормозов. Определение теоретических и экспериментальных значений тормозных моментов простого, дифференциального и суммирующего ленточных тормозов.

Теоретическое обоснование

В ленточных тормозах торможение осуществляется при помощи гибкой стальной ленты, плотно охватывающей внешнюю поверхность тормозного шкива и закрепленной неподвижно относительно шкива.

В большинстве конструкций ленточных тормозов к рабочей поверхности стальной ленты для увеличения коэффициента трения прикрепляется фрикционная накладка. Изменяя натяжение ленты, регулируют момент сил трения тормоза. Для растормаживания ленточных тормозов используют электромагниты или усилия рабочего.

Различают простой, дифференциальный и суммирующий ленточные тормоза.

Простым ленточным тормозом называется такой тормоз, у которого один конец ленты (обычно набегающий) закреплен на неподвижной оси.

На рисунке 8.1 приведена расчетная схема простого тормоза. На основании уравнения равновесия тормозного рычага вес замыкающего груза с учетом потерь в шарнирах:

, (8.1)

где — вес тормозного рычага, Н;

— вес якоря электромагнита, Н;

— КПД рычажной системы ленточного тормоза, обычно принимают =0,90–0,95.

Тормозной момент ленточного тормоза

. (8.2)

Рисунок 8.1 — Расчётная схема простого тормоза

Для простого ленточного тормоза

, (8.3)

. (8.4)

При обратном направлении вращения тормозного шкива сила груза должна быть увеличена в раз. Это является недостатком простых ленточных тормозов.

Дифференциальным ленточным тормозом называется тормоз, в котором оба конца ленты закреплены на тормозном рычаге по обе стороны от оси его вращения. Усилие набегающего конца создаёт момент того же знака, что и замыкающий груз. В дифференциальном тормозе (рисунок 8.2) на рычаг при торможении воздействует разность моментов сил и .

На основании уравнения всех сил относительно точки О, приложенных к тормозному рычагу, с учетом потерь в шарнирах вес замыкающего груза

. (8.5)

Рисунок 8.2 — Расчётная схема дифференциального тормоза

Тормозной момент, развиваемый дифференциальным тормозом

. (8.6)

Для обеспечения нормальной работы дифференциального тормоза необходимо, чтобы разность действующих на рычаге моментов от натяжений набегающего и сбегающего концов тормозной ленты всегда оставалась положительной, т.е.

, (8.7)

т.к. ,

то . (8.8)

Если , то тормоз будет самозатягивающимся. Поэтому плечи и тормозного рычага нужно подбирать с соблюдением указанного неравенства. Рекомендуется принимать 3,5–4 с учетом возможного попадания на трущиеся поверхности влаги или пыли.

Так же, как в простом ленточном тормозе, изменение направления вращения тормозного шкива вызывает изменение соотношений моментов на тормозном рычаге (силы и меняются местами). При той же величине замыкающего груза тормозной момент уменьшается.

Следовательно, применение простого и дифференциальных ленточных тормозов при двухстороннем направлении вращении тормозного шкива является нецелесообразным.

Суммирующим ленточным тормозом называется такой тормоз, у которого оба конца ленты прикреплены к тормозному рычагу с одной стороны от оси его вращения и тормозной момент определяется суммой натяжения ленты и .

На рисунке 8.3 представлена рабочая схема суммирующего ленточного тормоза, обычно плечи делают одинаковыми.

Рисунок 8.3 — Расчётная схема суммирующего ленточного тормоза

Из уравнения моментов всех сил, приложенных к рычагу суммирующего тормоза относительно оси О для любого направления вращения тормозного шкива, вес замыкающего груза с учётом КПД

. (8.9)

Тормозной момент суммирующего ленточного тормоза

. (8.10)

Анализ формул показывает, что суммирующий ленточный тормоз не может быть самозатягивающимся, а его тормозное действие (эффект торможения при той же величине замыкающего груза) оказывается значительно меньшим, чем тормозящее действие дифференциальных и простых тормозов.

Если обозначить величину отхода тормозной ленты от шкива через , а угол обхвата ленты шкива , то перемещение точки крепления на тормозном рычаге:

• для простого тормоза

, (8.11)

• для суммирующего тормоза при малых плечах

(8.12)

• для дифференциального тормоза

, (8.13)

. (8.14)

Тормозной электромагнит нужно подбирать так, чтобы величина работы, которую он может совершить (произведение усилия на величину хода ), была больше или равна произведению величины рабочего усилия тормоза на величину его хода.

Для простого тормоза

, (8.15)

• для дифференциального тормоза

(8.16)

• для суммирующего тормоза

(8.17)

где — КПД рычажной системы ( = 0,9–0,95);

k — коэффициент, учитывающий необходимость неполного использова ния хода якоря электромагнита;

— ход якоря;

— тяговое усилие электромагнита (величины и принимают по каталогу электромагнитов).

Величина радиального отхода тормозной ленты выбирается по таблице 8.1

в зависимости от диаметра тормозного шкива.

Таблица 8.1

Рекомендуемые значения радиального отхода тормозной ленты в зависимости от диаметра тормозного шкива

D, мм	100	200	300	400	500	600	700	800
, мм	0,8	0,8	1,0	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

Плечо приложения тягового усилия электромагнита:

для простого тормоза

, (8.18)

• для дифференциального тормоза

, (8.19)

• для суммирующего тормоза

. (8.20)

Для предварительного выбора размеров ленточных тормозов следует выбирать диаметры и ширину тормозных шкивов в зависимости от величины тормозного момента (таблица 8.2).

Таблица 8.2

Размеры шкивов в зависимости от величины тормозного момента

Размеры тормозного шкива, мм	Тормозной момент Тт, Н м
	70–86	140–160	180–210	285–400	640–800
Диаметр D Ширина В	200–250 70	300–350 90	400–450 90	500–700 110	800–1000 150

Ширина ленты назначается по допускаемому удельному давлению

, (8.21)

где определяется по формулам (8.3) и (8.7), а мм.

Величины допускаемых давлений принимают по таблице 8.3.

Таблица 8.3

Допускаемые давления между лентой и шкивом для ленточных тормозов

Материал		Допускаемое давление , МПа
ленты и её обкладки	шкива	стопорного	спускного
Сталь Тормозная асбестовая лента Вальцованный или прессованный и формированный материал Дерево	чугун или сталь — чугун	1,5 0,6 0,8 0,6	1,0 0,3 0,4 0,4

Толщина стальной ленты тормоза определяется расчетом на растяжение по максимальному натяжению (толщина фрикционной обкладки не учитывается)

, (8.22)

где d — диаметр заклепок, соединяющих ленту с деталью крепления ленты (обычно d =4–10 мм);

i — количество заклепок в одном ряду;

— допускаемое напряжение на растяжение, выбираемое в зависимости от материала (таблица 8.4)

Таблица 8.4

Допускаемое напряжение на растяжение тормозной ленты

Материал ленты	Допускаемое напряжение, МПа
Сталь Ст. 3 Сталь Ст. 4, сталь 20, сталь 25 Сталь Ст. 5, сталь 30, сталь 35 (нормализованные) Сталь Ст. 6, сталь 40, сталь 45 (нормализованные)	70,0 80,0 100,0 120,0

В случае, если стальная лента тормоза не содержит тормозной обкладки (что имеет место в неответственных механизмах с ручным приводом) и стальная лента трется по тормозному шкиву, то, учитывая её изнашивание, принимают толщину несколько большую, чем это определено расчетом по приведенной формуле.

Для обеспечения плотного прилегания ленты к тормозному шкиву ширина тормозной ленты не должна быть более 120 мм при диаметре шкива

D >1000 мм и не более 100 мм при D<1000 мм. Если установлены более широкие ленты более 120 мм, то рекомендуется для обеспечения лучшего применения ставить две более узкие, а, следовательно, и более гибкие ленты. Толщину ленты следует принимать не более 5 мм, так как при большей толщине трудно обеспечить равномерное прилегание фрикционной обкладки к тормозному шкиву. Если все же установлена лента толщиной более 5 мм, рекомендуется изготовлять ее из двух частей, соединенных шарниром.

Крепление концов ленты рассчитывают на смятие заклепок и стальной ленты в отверстиях для заклепок и на срез заклепок, принимая допустимые напряжения по таблице 8.5.

Для регулирования зазора и подтягивания ленты по мере износа фрикционного материала на сбегающем конце ленты устанавливают винтовую стяжку.

Таблица 8.5

Допускаемые напряжения среза и смятия для заклепок

Материал заклепок	Допускаемые напряжения, МПа
	Среза	Смятия
Сталь Ст. 2 Сталь Ст. 3	50,0 60,0	110,0 130,0

При проектировании тормоза следует иметь в виду, что концы тормозной ленты должны образовывать с тормозным рычагом углы, близкие к прямым, чтобы устранить дополнительные усилия на ось рычага и уменьшить необходимые усилия для замыкания перемещения точек крепления ленты к рычагу.

Ленточные тормоза имеют широкое распространение в ряде крановых сооружений (например, стреловые краны) вследствие простоты конструкции, компактности и способности развивать большие тормозные моменты, возрастающие с увеличением угла обхвата до . При этом лента навивается на шкив в 1,5–2,0 оборота по винтовой линии.

Ленточные тормоза обладают рядом недостатков, из-за которых они вытесняются более рациональными конструкциями колодочных тормозов. К недостаткам ленточных тормозов следует отнести:

1. Ленточный тормоз создаёт значительное усилие, избегающее тормозной вал, по величине, равной геометрической сумме натяжений ленты и .

2. Неравномерно распределено давление, а следовательно, и износ по поверхности ленты.

3. Тормозной момент простого и дифференциального ленточного тормоза зависит от направления вращения тормозного шкива, поэтому применение их ограничено только механизмами подъёма. Момент суммирующего тормоза не зависит от направления вращения шкива, но требует большего усилия замыкания.

4. Обрыв тормозной ленты во время работы может привести к аварии.

Расчет ленточного тормоза производится в следующей последовательности:

1. Задаются материалом трущихся поверхностей и находят коэффициент трения (лента асбестовая по чугуну или стали — 0,35; вальцовая лента — 0,42; чугун по чугуну и сталь по стали — 0,15).

2. По таблице 8.2 в зависимости от тормозного момента выбирают размеры шкивов, диаметр D и ширину В, причем диаметр шкива следует назначать из следующего стандартного ряда: 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; (мм).

3. Задаются углом обхвата лентой шкива в пределах (1–1,5) (рис. 8.1).

4. Принимают величину плеча а для простого и а₁ (рисунок 8.2) дифференциального тормозов, равной половине диаметра шкива, а для суммирующего тормоза плечи a’ (рисунок 8.4) принимают равными четверти диаметра. Плечо а₂ (рисунок 8.2) для дифференциального тормоза принимается равным (0,25–0,35) а₁.

5. Задавшись согласно таблице 8.1 значением радиального отхода тормозной ленты , по формулам (8.11–8.14) определяют перемещение точки крепления ленты на тормозном рычаге.

6. Согласно таблице 8.1 приложения IX подбирают электромагнит таким образом, чтобы выполнялись условия уравнений (8.15–8.17).

7. По формулам (8.18–8.20) определяют плечо приложения тягового усилия электромагнита .

8. Принимают плечо приложения замыкающего груза .

9. Из формул (8.4, 8.6, 8.10) выражают и определяют его численное значение.

10. В соответствии с данными таблицы 8.21 определяют ширину ленты, а по формуле 8.22 ее толщину, которая должна находиться в пределах мм.

11. Крепление концов ленты и заклепки проверяют по напряжениям среза и смятия, принимая значения допускаемых напряжений согласно таблице 8.4.