Bilim.techО проекте

Тормозная система и ретардер

Куда девается энергия 220-тонного самосвала на длинном спуске? Меняй уклон, скорость и ретардер и смотри, успеют ли перегреться рабочие тормоза.

01 Что это такое

Тормоз превращает энергию движения в тепло. На длинном спуске тепла так много, что рабочие тормоза не успевают его отдать, поэтому основную часть берет на себя ретардер.

Груженый самосвал массой 220 т, спускаясь в карьер на 180 м, должен куда-то деть столько энергии, сколько выделяется при сжигании 8–9 литров дизельного топлива. Если двигаться с постоянной скоростью, вся она уходит в тепло. Рабочие тормоза у карьерных машин масляные многодисковые: пакеты стальных и фрикционных дисков в закрытом корпусе, их непрерывно омывает и охлаждает масло. Они хороши для остановки, но длительно отдавать сотни киловатт не могут. Поэтому на спуске скорость держит ретардер: у механической трансмиссии гидродинамический (лопаточное колесо гонит масло, и оно нагревается), у дизель-электрической электрический (тяговые двигатели работают генераторами, ток уходит на решетки резисторов, их обдувает вентилятор).

СПУСК 2 КМ ПО УКЛОНУ 9 %, 220 Т, МДж388Потенциальная энергия m·g·h86Съело качение колес302Нужно погасить тормозамиретардертормозаКто гасит при 20 км/ч, если ретардер на 750 кВт
Высота спуска 180 м. 302 МДж за 6 минут спуска это около 840 кВт непрерывно, как мощность самого двигателя.
E
Энергия спуска, МДж. Потенциальная энергия m · g · h. Часть ее съедает сопротивление качению, остальное надо погасить.
P
Мощность торможения, кВт. Сколько энергии надо гасить каждую секунду. Чем быстрее спуск, тем больше P.
T
Температура масла тормозов, °C. Выше 120 °C масло и фрикционные накладки начинают разрушаться, эффективность тормозов падает.
02 Опыт
Пускай самосвал под уклон. Смотри на температуру тормозов. СПУСК В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
ТОРМОЖЕНИЕ

Доедут ли тормоза до низа съезда?

Рис. 6.5

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Мощность торможения P
Из нее на рабочие тормоза
Масло тормозов внизу
03 Формулы по буквам

Энергия, мощность и нагрев

Энергия и мощность считаются по законам механики (тема «Работа, энергия и мощность», в работе), а как тепло уходит из тормоза в масло и дальше в радиатор, разобрано в теме «Теплопередача». Числа под формулами берутся из опыта.

Сколько энергии надо погасить на всем спуске?

E = m · g · L · (i − f)

Высота спуска h = L · i, потенциальная энергия m · g · h. Колеса сами тормозят машину с силой качения m · g · f, это вычитаем. Остаток должен уйти в тепло.

E
энергия, которую гасят ретардер и тормоза, Дж
m
масса машины, кг
L
длина спуска, м
i
уклон, доля: 9 % это 0,09
f
сопротивление качению, 0,02 на укатанной дороге

Сколько каждую секунду?

P = m · g · (i − f) · v

Та же энергия, деленная на время спуска. Вдвое быстрее едешь, вдвое больше мощность. Поэтому скорость на спуске ограничивают по силе ретардера.

P
мощность торможения, Вт
v
скорость, м/с. 20 км/ч это 5,6 м/с
g
ускорение свободного падения, 9,81 м/с²

До какой температуры дойдут тормоза?

Tуст = Tокр + Pт / k

Тормоза греются, пока охлаждение не начнет уносить столько же тепла, сколько приходит. Если эта температура выше 120 °C, спуск должен быть короче, чем время прогрева τ, иначе перегрев.

Pт
мощность на рабочие тормоза: P минус то, что взял ретардер, кВт
k
сколько кВт отводит система охлаждения на каждый градус, здесь 3 кВт/°C
Tокр
температура воздуха, к которому уходит тепло, 20 °C. Масло в начале спуска 60 °C
τ
время прогрева: теплоемкость тормозов и масла, деленная на k, около 14 мин

Почему температура растет не бесконечно и почему все равно опасно

Тормоза с маслом вместе весят несколько тонн. Каждую секунду в них приходит Pт киловатт, а радиатор уносит k · (T − Tокр). Пока тормоза холодные, уносится мало, и температура растет быстро. Чем горячее, тем больше уносится, рост замедляется и кривая выходит на полку Tуст. Как быстро она к ней подходит, задает τ: за время τ проходится около двух третей пути.

Если без ретардера полка лежит выше 200 °C, длинный спуск обязательно перегреет масло. Масло окисляется, накладки дисков обугливаются, коэффициент трения падает, и тормоза перестают держать. Это называют фейдингом. Поэтому правило на карьере простое: скорость на спуске выбирают так, чтобы почти всю мощность забрал ретардер, а рабочие тормоза оставались холодными для экстренной остановки.

TустTокрприток Pтотвод k · (T − Tокр)TкВт
Где линия отвода догоняет приток, нагрев останавливается. Ретардер опускает линию притока.
04 Где и зачем это применяют

Чтобы самосвал спустился и смог остановиться

Допущения модели+

Скорость на спуске постоянная, сопротивление воздуха не учтено, f = 0,02. Рабочие тормоза и их масло считаются одним телом с теплоемкостью 2500 кДж/°C, охлаждение пропорционально разнице с воздухом (20 °C), k = 3 кВт/°C, масло в начале спуска 60 °C. Гидравлический ретардер дает до 750 кВт на скорости от 20 км/ч, ниже его мощность падает пропорционально квадрату скорости, потому что лопатки гонят масло медленнее. Электрический дает до 2400 кВт выше 10 км/ч. Реальные цифры у каждой машины свои и есть в руководстве по эксплуатации.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →