Frane cu saboti

Frane cu saboti

1. Constructia franelor cu saboti

Franele cu saboti se compun dintr-o roata de frana, montata pe unul din arborii mecanismului (in mod obisnuit pe arborele motor), doi saboti, avand suprafata de lucru cilindrica, de raza egala cu raza rotii de frana, elementul de franare (greutate sau arc), un sistem de parghii si aparatul de defranare (electromagnet sau ridicator electrohidraulic). Dimensiunile principale ale franelor sunt standardizate.

In continuare sunt prezentate constructiile catorva tipuri de frane cu saboti.

Franele cu saboti, cu contragreutate si electromagnet cu cursa lunga (fig. 6.6), se compun dintr-o roata de frana 1 sabotii 2 si 3 parghiile portsabot 4 si 5, tija 6 filetata la capete, triunghiul rigid 7, tija 8 parghia 9 contragreutatea 10 electromagnetul 11 suruburile de reglaj 12 si 13 si piulitele de reglaj 14 si 15.

Cand electromagnetul este deconectat, parghia 9 sub actiunea greutatii proprii, a greutatii armaturii electromagnetului si a contragreutatii, se roteste in jurul articulatiei A tragand in jos tija 8 Aceasta transmite triunghiului 7 o rotatie in sensul acelor de ceasornic. Ca urmare, parghia portsabot 5 se roteste in jurul articulatiei inferioare spre stanga, iar parghia 4 prin intermediul tijei 6 este rotita in jurul articulatiei inferioare spre dreapta, strangand sabotii pe roata de frana. Slabirea franei se realizeaza conectand electromagnetul. Astfel, miscarile descrise anterior se produc in sens invers, sabotii departandu-se de roata de frana. Suruburile de reglaj asigura indepartarea ambilor saboti prin reglarea cursei parghiilor portsabot. Reglarea franei se face cu ajutorul piulitelor de reglaj.

Franele descrise au o constructie simpla si sunt sigure in exploatare. Au insa un randament scazut, datorit numarului mare de articulatii. Uzura relativ rapida a articulatiilor produce un joc mare al parghiilor si ca urmare apare o utilizare incompleta a cursei armaturii mobile a electromagnetului. Datorita cursei lungi a electromagnetului, franarea este lenta.

Franele cu saboti, cu arc si electromagnet cu cursa scurta (fig. 6.7) se compun din roata de frana 1 sabotii 2 si 3 parghiile portsabot 4 si 5 bratara 6 tija 7 care strabate bratara si ambele parghii portsabot, electromagnetul 8 fixat pe parghia portsabot 4 si avand armatura mobila montata articulat, arcul principal 9 montat comprimat intre bratara 6 si saiba 10 fixata prin piulitele 11 pe tija 7 arcul auxiliar 12 surubul de reglaj 13 si piulitele de reglaj 14.

La deconectarea electromagnetului, arcul principal se destinde si prin tija 7 roteste parghia portsabot 5 iar prin bratara, parghia portsabot 4 strange sabotii pe roata de frana, indeparteaza armatura electromagnetului si comprima arcul auxiliar. La conectarea electromagnetului, armatura mobila, rotindu-se in jurul articulatiei sale, comprima arcul principal, incetand actiunea acesteia asupra parghiilor portsabot. Parghia portsabot 4 sub actiunea greutatii electromagnetului, se roteste spre dreapta, departand sabotul 3 de roata de frana. Parghia portsabot 5 sub actiunea arcului auxiliar care se destinde, se roteste spre stanga, departand sabotul 2 de roata de frana. Cursa sabotilor este limitata de surubul 13.

Acest tip de frane dau o franare mai rapida, au un randament mai bun si o durabilitate mai mare.

Ele se folosesc insa numai la momente de franare mici si mijlocii (M_f < 500 N∙m) deoarece au un raport mic de transmitere la sistemul de parghii.

La franele cu saboti, cu arc si ridicator electrohidraulic (fig. 6 8) franarea se
realizeaza prin destinderea arcului, inglobat in interiorul ridicatorului, intre pistonul si carcasa acestuia iar defranarea de face prin comprimarea arcului de catre pistonul ridicatorului, tija pistonului ridicatorului actionand direct atat la franare, cat si la defranare, asupra triunghiului rigid al franei. Franele cu ridicatori electrohidraulici, permit o frecventa foarte mare a conectarilor (pana la 600 conectari pe ora) si o reglare automata a momentului de franare, necesita cheltuieli de exploatare reduse, dar sunt mai scumpe decat cele cu electromagneti.

Franele semiautomate sunt dimensionate pentru sarcina nominala. La valori mai mici ale acesteia, conducatorul macaralei nu poate interveni in desfasurarea procesului de franare, iar oprirea mecanismului se produce mai repede, ceea ce da nastere la suprasolicitari in elementele mecanismului si ale constructiei metalice a macaralei.

O franare lina si exacta se poate obtine numai prin frane comandate. Acestea insa nu pot fi utilizate in mecanismele de ridicare, la care, pentru siguranta, este necesar montarea franelor normal inchise.

Franele comandate, normal deschise, sunt utilizate in mecanismele de translatie si de rotatie, in special la macaralele cu motor unic de antrenare.

Schema unei frane comandate este data in figura 6.9. Strangerea franei se realizeaza prin apasarea pedalei 1 care actioneaza asupra pistonului cilindrului de presiune, montat in rezervorul tampon 2. Uleiul sub presiune este impins prin conducta 3 in cilindrul de lucru 4, al carui piston actioneaza asupra sistemului de parghii al franei 5. Slabirea franei se realizeaza prin arcul 6 la incetarea actiunii asupra pedalei. Aceasta este readusa in pozitia initiala de catre arcul 7. La incetarea actiunii asupra pedalei, uleiul revine in rezervorul tampon al cilindrului de presiune.

Instalatia de frana este prevazuta cu un rezervor de ulei 8.

2. Organele franelor cu saboti

Ca roata de frana se foloseste in mod curent cuplajul elastic dintre motorul si reductorul mecanismului, frana montandu-se pe jumatatea cuplajului dinspre reductor. In cazul in care frana este montata pe celalalt capat al arborelui electro-motorului, se folosesc roti de frana construite din otel turnat cu o duritate a suprafetei de lucru de cel putin 300 HB.

Sabotii se construiesc din fonta si se captusesc pe suprafata de lucru cu un material special, care se fixeaza pe sabot prin suruburi sau nituri cu cap inecat. Sabotii se pot monta rigid sau articulat pe parghiile portsabot. Raspandire mai larga au capatat-o sabotii montati articulat, deoarece in cazul unui montaj mai putin corect rotirea sabotului in jurul articulatiei asigura contactul captuselii cu roata de frana pe intreaga suprafata, micsorand astfel uzura si permitand o franare buna.

Rotirea arbitrara a sabotului in jurul articulatiei (sub actiunea greutatii proprii) in timpul slabirii franei, ca si cea data de forta de frecare la franare, este impiedicata de un surub montat in parghia portsabot (fig. 6.10 a), sau de un dispozitiv cu frecare, montat in corpul sabotului (fig. 6.10 b) sau al parghiei portsabot (fig. 6.10 c).

Captuseala sabotilor este confectionata din ferodou, material realizat dintr-o tesatura de fire de azbest si sarma de cupru sau alama, impregnata cu bitum. Coeficientul de frecare intre ferodou si otel sau fonta, in cazul frecarii uscate, este μ = 0,37, pentru temperaturi pana la 200°C. Pentru valori mai mari ale temperaturii, valoarea coeficientului de frecare scade sensibil. Pentru o durabilitate normala a ferodoului, este necesar ca presiunea dintre sabot si roata de frana sa nu depaseasca valorile p_a 6 MPa, pentru franele de oprire, si p_a = 0,3 MPa, pentru franele de coborare. Ferodoul poate fi inlocuit cu un material realizat prin presare din fibre de azbest si, cauciuc, acest material realizand un coeficient de frecare μ = 0,42 la temperaturi pana la 220°C, cu aceleasi presiuni admisibile. De asemenea, se pot utiliza captuseli metalo-ceramice, care au un coeficient de frecare (in contact cu otelul) μ = 0,60,76 si o presiune admisibila p_a = 0,8 MPa la o viteza tangentiala v = 20 m/s. Materialele metalo-ceramice sunt destul de rezistente la uzura si prezinta avantajul ca temperatura nu are influenta asupra coeficientului de frecare.

Parghiile si tijele franei se executa din otel lat sau rotund, iar uneori din otel turnat. Parghiile executate din otel turnat sant mai scumpe, dar mai rigide. Pentru calcul, tensiunea admisibila la incovoiere poate fi luata σ_a = 4080 MPa, iar la tractiune σ_a = 3050 MPa, valorile mici utilizandu-se la frane de dimensiuni mai mici.

Bolturile articulatiilor se executa din OLC 45 sau OLC 60, cu o duritate a suprafetei de lucru de 300-350 HB. Presiunea dintre bolturi si elementele montate pe ele nu trebuie sa depaseasca valoarea p_a = 3 MPa.

Contragreutatile franelor cu franarea prin greutate se executa din Fc OO. Arcurile franelor cu franarea prin arc se executa din otel special pentru arcuri Arc 3 sau Arc 4.

Comanda franelor semiautomate se realizeaza prin electromagneti (cu cursa lunga sau cu cursa scurta) si prin ridicatori electrohidraulici.

Electromagnetii cu cursa lunga, de curent alternativ trifazat (fig. 6.11), se compun dintr-o armatura 1 care la conectarea electromagnetului este atrasa de cele trei bobine 2 si executa o miscare de translatie. La armatura este fixata tija 3. Armatura si bobinele sunt inchise in carcasa 4 prevazuta cu cutia cu cleme 5. Electromagnetul dispune de un amortizor pneumatic 6 pentru micsorarea socurilor la conectare si deconectare. Forta de tractiune este de 2002400 N, iar cursa armaturii de 2550 mm.

Electromagnetii cu cursa scurta, de curent alternativ monofazat (fig. 6.12), se compun din placa de fixare 1 jugul magnetic 2 armatura mobila 3 si bobina fixa 4 La conectarea electro-magnetului, armatura mobila, atrasa de bobina, executa o miscare de rotatie in jurul articulatiei O. Forta de actionare asupra arcului este de 120240 N, cursa armaturii de 6 mm, iar unghiul de rotire de 58°.

Ridicatorul electrohidraulic (fig. 6.13) se compune din cilindrul hidraulic cu simpla actiune 1 pistonul 2 pompa 3 electromotorul 4 tija 5 a pistonului, carcasa 6 si arcul de franare 7. Carcasa este umpluta cu ulei de transformator, folosit ca lichid de lucru pentru cilindrul hidraulic si ca mediu de racire pentru motor. La conectarea motorului, pompa, antrenata de motor, aspira uleiul din spatiul de deasupra pistonului si il refuleaza, sub presiune, sub piston. Acesta, ridicandu-se, prin tija sa, actioneaza asupra triunghiului rigid al franei, in sensul defranarii. in acelasi timp, pistonul comprima arcul de franare.

La deconectarea motorului, arcul de franare destinzandu-se readuce pistonul in pozitia initiala, iar acesta, prin tija sa, actioneaza asupra triunghiului rigid al franei, in sensul franarii. In acelasi timp, lichidul de lucru este trimis din spatiul de sub piston, in cel de deasupra lui.

Forta de tractiune a ridicatoarelor electrohidraulice tipizate este de 400 2100 N, iar cursa tijei de 5060 mm.

5.2.3. Calculul franelor cu saboti

La strangerea sabotului pe roata de frana, presiunea nu se repartizeaza in mod uniform in lungul sabotului, legea de repartitie a presiunii depinzand de modul de montare a sabotilor pe parghiile portsabot.

In cazul sabotului montat articulat la parghia portsabot, presiunea p intr-un punct oarecare are valoarea:

, (6.3)

in care: p_max' este presiunea maxima care apare in punctul determinat de intersectia rotii cu dreapta care uneste centrul rotii cu articulatia sabotului; p_max' - presiunea maxima care apare in punctele decalate cu 90° fata de dreapta care uneste centrul rotii cu articulatia sabotului; α - unghiul format de raza care trece prin punctul considerat, cu dreapta care uneste centrul rotii cu articulatia sabotului.

In figura 6.14 a este aratata distributia presiunii pe semicircumferinta, iar in figura 6.14 b - distributia presiunii pe lungimea sabotului.

Adoptarea legii de distributie a presiunii conform relatiei (6.3) conduce la faptul ca fortele N (rezultanta fortelor normale elementare) si T = μ∙N (rezultanta fortelor de frecare elementare) sunt aplicate in interiorul sabotului, in punctul A la distanta L de centrul rotii, iar dreapta OA este decalata in sens invers miscarii cu unghiul β_x (fig. 6.15). Unghiul β_x este dat de relatia:

. (6.4)

Distanta L are valoarea:

. (6.5)

Rezultanta S a fortelor N si T trece prin articulatia sabotului, ceea ce corespunde conditiei de echilibru.

Cercetarile referitoare la distributia presiunii in lungul sabotilor au aratat caracterul procesului de franare, rezultatele obtinute fiind verificate de practica exploatarii franelor. Totusi, valorile mici ale unghiului β_x (β_x=36°) si ale distantei L (L=1,061,12∙R fac ca in practica de proiectare sa nu se utilizeze metoda exacta a calculului franei, mult mai laborioasa, ci metoda aproximativa, bazata pe repartitia uniforma a presiunii in lungul sabotului si pe aplicarea fortelor N si T in punctul de intersectie al rotii cu dreapta care uneste centrul rotii cu articulatia sabotului.

Rezultatele obtinute pe baza acestei metode, mai simple, sunt pe deplin acceptabile, deoarece diferentele date de variatia coeficientului de frecare in timpul exploatarii sunt comparabile cu corectarile pe care le introduce utilizarea metodei exacte de calcul.

In continuare se exemplifica metoda aproximativa de calcul pentru tipurile de frana utilizate mai frecvent.

La frana cu saboti fixati articulat pe parghiile portsabot, cu franare prin greutate si defranare prin electromagnet cu cursa lunga (fig. 6.16), la deconectarea electromagnetului, sub actiunea contragreutatii G, a greutatii G_p a parghiei acesteia si a greutatii G_a a armaturii mobile a electromagnetului, in tija verticala apare forta S. Aceasta roteste triunghiul rigid, in articulatiile acestuia actionand fortele T si R. Forta T se transmite prin tija, parghiei portsabot din stanga, iar forta R actioneaza asupra parghiei portsabot din dreapta. Sub actiunea componentelor orizontale H (egale intre ele) parghiile portsabot se rotesc, strangand sabotii pe roata de frana. Ca urmare, intre saboti si roata de frana apar fortele normale N si N si fortele de frecare F μ∙N₁ si F μ∙N , unde μ este coeficientul de frecare dintre saboti si roata de frana.

Fortele normale N actioneaza de la sabot spre roata, iar fortele de frecare F in sens invers sensului de rotatie al rotii. Reactiunile normale N ale rotii actioneaza de la roata spre sabot, iar reactiunile fortelor de frecare F asupra sabotului actioneaza in sensul rotirii rotii de frana. Datorita montarii articulate a sabotilor la parghiile portsabot, fortele normale se transmit in articulatiile sabotilor.

Introducand in articulatiile fiecarui sabot doua forte de sens contrar, paralele si egale cu F respectiv F2 fortele barate F₁ si respectiv F formeaza cupluri, care tind sa roteasca sabotii fata de articulatiile lor, rotire impiedicata de dispozitivele prezentate in figura 6.10. Fortele nebarate F respectiv F actioneaza asupra parghiilor portsabot.

Din conditia de echilibru a parghiei portsabot din stanga rezulta:

,

de unde:

. (6.6)

Din conditia de echilibru a parghiei portsabot din dreapta rezulta:

de unde:

. (6.7)

Momentul de franare va fi:

(6.8)

Momentul de franare trebuie sa fie mai mare decat momentul de torsiune la arborele franei, adica:

,

sau:

, (6.9)

in care β este un coeficient de siguranta la franare in functie de regimul de functionare al mecanismului (β = 1,52).

Din relatia (6.8) rezulta:

.

Din conditia de echilibru a triunghiului rigid rezulta:

. (6.10)

Din conditia de echilibru a parghiei contragreutatii rezulta valoarea contra-greutatii:

. (6.11)

Forta de tractiune Z a electromagnetului rezulta din conditia de echilibru a parghiei contragreutatii (pentru S O):

. (6.12)

Pentru a tine seama de frecarile din articulatii, valorile G a contragreutatii si Z a fortei de tractiune se maresc cu aproximativ 10 % fata de cele rezultate din calcul.

Cursa h a armaturii mobile a electromagnetului trebuie sa asigure deplasarea radiala a fiecarui sabot cu distanta ε fata de roata de frana (ε ≈ 1 mm).

Admitand o crestere de 10 % pentru preluarea jocurilor din articulatii si a elasticitatii sistemului de parghii si tije al franei, cursa armaturii va fi data de relatia:

. (6.13)

Pe baza fortei de tractiune si a cursei armaturii mobile, electromagnetii se aleg din catalog.

La strangerea sabotilor pe roata de frana, rezultantele fortelor care actioneaza asupra acesteia vor fi (fig. 6.17):

Fortele U₁ si U sunt paralele. Daca se introduc in centrul rotii de frana cate doua forte de sens contrar, paralele si egale cu U si respectiv U₂, fortele barate U si respectiv U formeaza cuplurile de franare, iar arborele rotii de frana va fi solicitat la incovoiere de forta:

(6.14)

Eforturile care actioneaza in barele, si articulatiile franei sunt (fig. 6.16):

;

;

;

;

;

.

Daca la frana considerata parghiile portsabot sunt indreptate astfel incat distanta b sa fie nula, fortele normale pe cei doi saboti N₁ si N devin egale, iar ca rezultat, arborele nu mai este solicitat la incovoiere (ΔU = 0).

Roata de frana, respectiv cuplajul elastic, se alege in functie de momentul de franare cerut, facandu-se calcule de verificare a franei la presiune si la incalzire.

Verificarea la presiunea admisibila se face cu ajutorul relatiei:

, (6.15)

in care: N este cea mai mare dintre cele doua forte normale; A - suprafata de frecare dintre sabot si roata.

Suprafata de frecare este data de relatia:

, (6.16)

in care: D este diametrul rotii de frana; B - latimea rotii; β - unghiul de infasurare a sabotului (frecvent 90°, mai rar 70°).

Verificarea franelor la incalzire este deosebit de importanta pentru buna functionare a mecanismului. In literatura de specialitate sunt indicate diferite metode pentru calculul exact al incalzirii franelor. O metoda aproximativa, care da rezultate bune in practica, este cea prin care se limiteaza valoarea produsului p∙v unde p este presiunea efectiva dintre roata si sabot, exprimata in MPa, iar v viteza periferica a rotii de frana, exprimata in m/s. Pentru franele de oprire produsul p∙v este limitat la 5 MPa∙s, iar pentru cele de coborare la 2,5 MPa∙s.

La frana cu saboti articulati, cu franarea prin arc si defranarea prin electro-magnet cu cursa scurta (fig. 6.18), in cazul cand electromagnetul este deconectat, greutatea G_a a armaturii mobile produce un moment fata de articulatia A. Acest moment este echilibrat de momentul reactiunilor H care apar in punctele A si B de sprijin (trasate punctat in figura). Greutatea armaturii da, in concluzie, nastere in articulatiile superioare ale parghiilor portsabot (punctele A si C la doua forte H (trasate cu linie continua in figura), care tind sa slabeasca frana. Arcul principal, montat comprimat, face ca in punctele C si D sa apara fortele K in sensul strangerii franei, iar arcul secundar da nastere fortelor k_max, aplicate in aceste puncte, in sensul slabirii franei. La contactul dintre saboti si roata de frana apar fortele N N₂ si F , F₂ care se transmit in articulatiile sabotilor la parghiile portsabot.

Din conditia de echilibru a parghiei portsabot din stanga rezulta:

sau

.

Deoarece:

,

rezulta:

. (6.17)

Din conditia de echilibru a parghiei portsabot din dreapta rezulta:

,

sau:

. (6.18)

Momentul de franare are expresia:

. (6.19)

Din relatia (6.19) rezulta:

.

Dar:

si deci:

. (6.20)

Valoarea k_max a arcului auxiliar se alege in limitele 2080 N.

Electromagnetul cu cursa scurta se alege pe baza momentului dezvoltat si a unghiului de rotatie al armaturii mobile.

La conectarea electromagnetului, arcul principal sufera o comprimare suplimentara, valoarea fortei dezvoltata de el crescand la K_max, iar arcul auxiliar se destinde, forta dezvoltata de el scazand la k (fig. 6.19). Ambele forte actioneaza in tija franei, avand sensuri contrare. Forta K_max tinde sa indeparteze armatura mobila.

Din conditia de echilibru a acesteia rezulta valoarea necesara a momentului electromagnetului:

. (6.21)

Valoarea unghiului de rotatie a armaturii mobile este data de relatia:

. (6.22)

Cursa sabotului e se alege sub 1 mm. Valorile de catalog ale momentului si unghiului de rotatie trebuie sa fie mai mari decat cele rezultate din calcul, pentru a se tine seama de frecarile din articulatii si de uzura captuselii sabotilor.

Valorile fortelor K_max si k se calculeaza pe baza caracteristicilor arcurilor respective. Din figura 6.20 rezulta:

(6.23)

Valoarea comprimarii suplimentare este data de relatia:

. (6.24)

La frana cu franare prin arc si defranare prin ridicator electrohidraulic (fig. 6.8), forta de calcul a arcului, respectiv forta de tractiune a ridicatorului se determina cu relatia (6.10). Cursa tijei pistonului ridicatorului este data de relatia:

. (6.25)