Optimizarea Functional Constructiva a Franelor cu Discuri ale Troliilor de Foraj

Franele cu disc ( axiale )

1. Date tehnice

1.1    Introducere

1.2    Argument

1.3 Cerintele impuse si rolul franei cu disc in stemul de franare

1.4   Clasificare

 Cunstructia si dunctionarea franei su disc

1.6     Materiale folosite

1.7      Perspective de inlocuire a  franelor cu banda cu frane disc,

in mod special la instalatiile de foraj de mica adancime

Modul de calcul al franei cu disc

2. Metode si mijloace de predare

       –      Prezentarea

       –      Explicatia

– Conversatia

3. Materiale didactice

– Planse

– Machete

– Subansamble

– Piese

4.         Norme de securitate si sanatate

5. Bibliografie

Alexandru Popovici, Georgeta Claudia Niculae, Corneliu Dan Ene: ,,Calculul si constructia utilajului pentru forajul sondelor de petrol’’, Ed.Universitatii din Ploiesti 2005

GH. Fratila, E.Negrus, N.Chimu: ,,Manualul lacatusului mechanic auto’’, Ed. Didactica si pedagogica Bucuresti  1969

INTRODUCERE:

Sistemele de franare servesc al micsorarea vitezei, pana la o valoare dorita, sau in unele cazuri chiar la oprirea complete a sistemului de lucru, cand stationeaza. Eficacitatea sistemului de franare asigura punerea in valoare a performantelor de viteza ale sistemului ( masinii ), deoarece de el depinde siguranta functionarii cu viteze mari. Cu cat sistemul de franare este mai eficace, cu atat vitezele medii de deplasare sunt mai mari, iar indicele de exploatare are valori ridicate.

Cu cat rezistentele la inaintare sunt mai mari cu atat drumul parcurs de sistem ( masina ) din momentul dezlegarii motorului de transmisie si pana la oprirea complete va fi mai mic. Daca se creeaza o rezistenta suplimentara la inaintare cu ajutorul sistemului de franare, drumul parcurs pana la oprire se micsoreaza.

Pentru a nu se produce forte de franare prea mari, care ar depasi forta de aderenta, franarea instalatiei trebuie sa fie integrala, pentru aceastaintreg sistemul va fi franat si deci intreaga greutate a sistemului va devein o greutate aderenta.

In practica, deceleratiilecare se obtin, respective eficienta franelor, se apreciaza dupa timpul in care se opreste sistemul avand o anumita viteza.

In cazul blocarii sistemului, drumul parcurs pana la oprire este mai mare datorita faptului ca in aceeasi situatie coeficientul de aderenta dintre disc si placi, deci, trebuie avut in vedere ca franarea sa se faca progresiv fara a bloca sistemul, deoarece se uzeaza rapid elementele de frictiune ( disc si placi ), precum si pierderea stabilitatii sistemului de lucru.

In cazul in care viteza este prea mare, la franare nu trebuie dezlegat motorul de transmisie,deoarece, datorita frecarilor dintre organelle sale in miscare si depresiunii create, deasupra pistoanelor in cursa de aspiratie, prin inchiderea clapetei de acceleratie, ia nastere un moment rezistent care se opune miscarii sistemului ( masinii ).

1.2    Argument

Am ales aceasta tema deosebit de interesanta datorita faptului ca, in ultimul timp, franele cu disc sau pe scurt: franele disc, s- au raspandit in mod special in constructia de automobile, dar si in alte domenii de activitate, la constructia vagoanelor de cale ferata, inlocuind cu succes sabotii de frana,

( care se blocau frecvent si produceau zgomot mare in timpul franarii ), chiar si adaptarea franelor cu disc si folosirea lor cu succes in instalatiile petroliere, inlocuind sistemele clasice de franare cu tambur sau frana cu banda.

Deasemenea analizand si facand o statistica asupra avantajelor si dezavantajelor folosirii franelor cu disc, se poate vedea in mod cert, multiplele avantaje pe care le ofera fata de cele cateva dezvantaje.

AVANTAJE:

–          Obtinerea aceleiasi franari, indifferent de sensul de rotatie su de mers;

–          Reducerea greutatii nesuspendate a ansamblului de franat;

–          Presiune uniform ape toata suprafata de frecare;

–          Nu produc zgomot in timpul franarii;

–          Realizeaza reglarea automata a jocului intre saboti si disc, printr – o constructie foarte simpla;

–          Jocul dintre saboti si disc este foarte mic, ceea ce asigura intrarea in functiune mai devreme a franelor, cu cateva sutimi de secunda.

DEZAVANTAJE:

–           Datorita faptului ca franele cu disc nu prezinta efectul de autoamplificare, efortul de apasare va trebui sa fie mai mare.

CERINTELE IMPUSE SI ROLUL FRANEI CU DISC IN SISTEMUL DE FRANARE

Orice sistem de franare trebuie sa corespunda urmatoarelor cerinte principale:

–          Sa asigure o franare totala si sigura;

–          Sa fie capabil de anumite deceleratii impuse;

–          Franarea sa fie progresiva, fara socuri;

–          Sa nu necesite din partea operatorului un effort prea mare la actionarea ei;

–          Efortul aplicat la mecanismul de comanda al sistemului de franare sa fie proportional cu deceleratia,pentru a permite operatorului sa obtina o intensitate dorita a franarii;

–          Forta de franare sa acioneze in ambele sensuri de rotatie;

–          Franarea sa nu se faca decat la interventia operatorului;

–          Efectul franarii sa nu fie influentat de sarcina de lucru;

–          Sa se asigure evacuarea caldurii care ia nastere in timpul franarii;

–          Sa nu permita uleiului si impuritatilor sa patrunda intre suprafetele de frecare;

–          Sa permita imobilizarea sarcinii la efortul maxim;

–          Sa se regleze usor sau chiar in mod automat;

–          Sa aiba constructive simpla, usor de intetinut;

–          Sa  functioneze fara zgomot.

CLASIFICAREA SISTEMELOR DE FRANARE

Dupa locul unde este creat momentul de franare ( de dispunere a franelor

propriu –zisa ),se deosebesc:

–          Frane pe roti

–          Frane de transmisie.

– Franele troliului de foraj

Din punct de vedere constructive,franele pot fi:

–          Cu banda

–          Cu tambur ( radiale )

–          Cu disc ( axiale )

Dupa mecanismul de comanda franele pot fi:

       – cu comanda directa, la care pentru franare se foloseste efortul operatorului;

cu servocomanda, unde efortul operatorului este folosit numai pentru comanda unui agent exterior care produce forta necesara franarii.

Franele troliului de foraj

Functiile indeplinite de frane in cadrul instalatiilor de foraj sunt:

–          Sustinerea in repaus in carligul instalatiei a garniturii de foraj, a coloanelor de burlane, etc.;

–          Absorbirea energiei la introducerea prajinilor sau burlanelor, ( functia de reglare a coborarii sau de incetinire a miscarii );

–          Franarea si oprirea complete a sarcinii in procesul coborarii;

–          Reglarea apasarii pr sapa, prin mentinerea greutatii unei parti a garniturii de prajini intinsa ( preluata de carligul instalatiei de foraj );

In ceea ce priveste principiul constructive, tipurile de frane folosite la instalatiile de foraj sunt:

–          Frana mecanica ( de obicei cu banda FB )

–          Frana hidraulica FH;

–          Frana electromagnetic FE;

–          Frana cu pulbere FP.

Din punct de vedere functional, franele se pot grupa in:

a.      Frane de oprire si blocare ( frana cu banda, cu disc, cu saboti );

b.      Frane de reglare ( frane hidraulice sau electromagnetice );

Curbele caracteristice de functionare ale acestor tipuri de frane sunt prezentate in figura urmatoare:

 Observatii:

1.      Pentru toate tipurile de frane folosite in cadrul unei instalatii de foraj, este necesara existent sistemului de racier, deoarece energia mecanica absorbita se transforma in energie termica.

De exemplu, la coborarea unei garniture de foraj de Fc =2000Kn pe lungimea unui pas, l =36m, in durata de timp  t = 20 s, se dezvolta o putere :

 P= ( 2000 · 36/20 )= 3600 kW si o energie ( care trebuie preluata de catre frana )

E= 2000· 36 = 72000Kj.

2.      Racirea realizandu- se cu apa, debitul acesteia trebuie ales astfel incat aceasta sa nu se incalzeasca peste 80° C.

3.      La sistemul de franare cu disc, racirea se face simplu, cu ajutorul curentilor de aer, practicandu –se diferite sisteme de ventilatie.

Schema constructiv functional a franei cu disc, este prezentata in figura de mai jos.

Discul este confectionat din fonta sau otel, iar placile de frana sunt captusite cu material de frictiune ( ferodou sau retinax ).Caracteristicile acestor material sunt prezentzte in tzbelul 1.

Tabelul 1.

CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA FRANEI CU DISC

( Fig 1 )

Acest sistem de franare se compune din discul 4 montat pe butucul rotii 2 si cadrul ( clestele ) 5, in care se gasesc pistoanele 6, prevazute cu garniture de frecare 1.

Cadrul monobloc este fixat de fuzeta rotii sau de un dispozitiv rigid

Fig. 1 Schema si principiul de functionare a franei cu disc.

–         

Principiul de functionare al acestei frane este asemanator cu cel al franei cu tambur. La apasarea pedalei de frana, lichidul intra , prin conducta 3, in cilindi receptori 7 si apasa pistoanele 6 cu garniturile 1 pe discul 4, producand franarea. Etansarea pistoanelor este asigurata de garniture 8.

Fig. 2 Partile componente ale unei frane cu disc.

In fig.2 ,sunt reprezentate partile component ale unei frane cu disc, cu cilindru hidraulic. Ea este compusa din discul 1, fixat pe butucul rotii, si sabotii ( placile ferodou ) garniturile de frecare3, 4, montate in cadrul monobloc 5.

La apasarea pedalei de frana, pistonul cilindrului apasa sabotul garniturii de ferecare 3 pe disc, iar sabotul, ( placa ) 4  apasa pe disc prin deplasarea cadrului spre dreapta.

Cadrul este fixat in suportul 2, cu ajutorul bratelor 6, iar suportul, la randul lui, este fixat de fuzeta sau de un support rigid.

1.6 MATERIALE FOLOSITE 

REGLAREA AUTOMATA A JOCULUI DINTRE SABOTI SI DISC.

1.7      Perspective de inlocuire a  franelor cu banda cu frane disc,

in mod special la instalatiile de foraj de mica adancime

In figura 3, este reprezentat mecanismul cel mai utilizat pentru reglarea automata a jocului. In pistonul

1.8 Modul de calcul al franei cu disc

Determinarea eforturilor in frana cu disc.

Sistemul de forte la frana cu disc este schematizat in fig…., unde s-au folosit notatiile: T este efortul de apasare pe disc;Tμ- efortul maxim; t- valoarea minima a lui T; Αm unghiul dintre extremitatile placilor de ferodou, F – efortul in capatul activ al cablului, pentru compensarea caruia este necesar un moment de franare Mf, Fi – forta active la levierul franei.

            Pentru a stabili corelatia intre momentul de franare si eforturile in placi, se va folosi relatia lui Euler:

T = teμα

T= tμαM

Ecuatia de echilibru a momentelor fortelor ce actioneaza asupra placilor de frana este:

FD= Mf= (TM – t )Df/ 2,

Unde Deste diametrul active al discului.

Momentul de franare Mf se considera la valoarea sa maxima, care poate fi cea calculata in cazul efortului cel mai mare ce actioneaza in timpul franarii,( caz in care se ia in considerare doar componenta statica Ms, cu valoarea corespunzatoare acestei sarcini ).

Diametrul discului de frana se adopta constructive:

Df = 1,8….2,8 ) Dr,

in care ) Dr, este diametrul rotii.

O alta dimensiune importanta a discului de frana este latimea acestuia, care, preliminar, se poate adopta conform relatiei:

Bf = ( 0,19….0,20 )Df.

Din relatiile rezulta efortul la partea active a placilor

t = 2 Mf/Df1-μαM,

Iar efortul maxim in capatul fix al benzii, TM, va fi:

TM = Mf 2 μαM/1-e μαM.

Forta de apasare a dispozitivului de franare F1, este data de relatia:

F1= rt/l.

Dimensionarea franei cu disc

Calculul termic al franei cu disc

Ce face un sistem de franare?

Simplu – Incetineste si opreste masina. Multi au o parere gresita despre cum functioneaza franele unei masini – acestea apasa discul sau tamburul si presiunea incetineste masina. Dar asta e doar o parte din procesul de franare.

De fapt, intregul sistem este un mecanism de schimbare a diferitelor energii ce actioneaza asupra masinii. Cand masina merge cu viteza, aceasta are energie cinetica. Cand apesi pedala de frana, placutele sau sabotii apasa asupra discului sau tamburului, transformand aceasta energie cinetica intr-una termica. Franele se incalzesc, se racesc si energia dispare.

Si acum, putina fizica – acest schimb de energii se refera la Prima lege a Temodinamicii, sau Legea Conservarii de Energie. Aceasta spune ca energia poate fi doar convertita. In cazul franelor, aceasta se transforma din energie cinetica in energie termica. Nu incercam sa facem o lectie de fizica, dar daca vrem sa achizitionam un sistem de franare performant, menit sa ne salveze viata, trebuie sa stim cum functioneaza.

Termodinamica si eficienta franelor

Sper ca pana acum v-ati convins ca sunteti pe un site de tuning. O sa ne limitam de data aceasta la franele cu disc, acestea fiind subiectul unui eventual "brake-swapping" (schimbare de frane), gasindu-se totodata in masinile puternice, de peste 100 CP. Franele cu tambur se regasesc pe puntile spate ale masinilor de dimensiuni reduse, cu motoare economice, care nu fac obiectul subiectului de fata.

Masina dotata cu frane pe disc

Cu siguranta, fiecare dintre noi s-a confruntat cu situatia in care franele masinii sa nu mai fie eficiente deloc. Este vorba de efectul "brake fade" sau, in traducere libera, franare slaba. Un efect care survine cand franele devin foarte incinse. Un caz bun de exemplu ar fi cel in care conducem masina (sau motocicleta) pe un drum de munte, la coborare folosindu-ne mai mult de frane decat de motor pentru a incetini. In timp ce masina coboara, pe un drum cu serpentine, franele sunt foarte solicitate. Acestea se incalzesc in timp ce incetinesc masina. Dar daca continuam sa franam, placutele de frana se incalzesc fara a avea sansa de a se raci. Se ajunge astfel in momentul in care atunci cand apesi pedala de frana, masina nu mai incetineste. De ce?

Discurile sunt fierbinti deja si nu pot sa mai absoarba si mai multa energie termica ( in competitiile de la LeMans ati vazut cu siguranta cum se inrosesc discurile). Aici trebuie sa analizam mai atent placutele de frana.

In orice placuta de frana vom gasi materialul de frictiune, de cele mai multe ori numit ferodou. Este de fapt un praf (pe care il putem gasi si pe jante) tinut laolalta sub forma metalica de o rasina speciala. In momentul in care placuta devine prea fierbinte, rasina din care este facut materialul incepe sa se vaporizeze, formand un gaz. Gazul acesta trebuie sa se disipe undeva, neputand ramane intre placuta si disc, asa ca formeaza un strat subtire intre cele doua. Efectul este similar cu acvaplanarea, atunci cand mergi prea repede pe ploaie. Placutele pierd contactul cu discul, frecarea se reduce. Voila! Avem efectul de franare slaba. Ce facem? Tragem pe dreapta si asteptam cateva minute sa se raceasca franele, ca sa le revina capacitatea de a absorbi din nou caldura.

Discuri incarcate cu energie termica, inrosite , de la franare excesiva

Insa cel mai intalnit mod de franare slaba nu se datoreaza emanarii de gaz din placutele de frana. Cauza este aceeasi – placutele se incalzesc prea mult. Modelele cele mai noi de placute de frana emana gaze mai putine, insa caldura acestora se transmite in etrier, discurile de frana fiind deja prea incinse pentru a mai absorbi caldura. Odata ajunsa in etrier, energia termica incepe sa "fiarba" la propriu lichidul de frana. Cand se intampla asa ceva, se formeaza bule de aer in lichidul de frana. Cum aerul se poate comprima, dar lichidul de frana nu , ajungem sa apasam pedala de frana, uneori pana in podea, fara ca masina sa incetineasca atat cat ne dorim, sau deloc. Aceasta se intampla pentru ca pedala comprima aerul format in tevile lichidului de frana, in loc sa apese placutele pe disc. Et voila, din nou!

Solutii de racire a franelor

Cum eliminam franarea slaba? Fie facem loc pe undeva gazului format de placute sa iasa, fie gasim o modalitate mai eficienta de a raci discurile de frana. Asa s-au inventat discurile de frana stantate (cu santuri mici) sau perforate.

Discurile care au o suprafata ce prezinta adancituri subtiri nu franeaza mai bine sau mai slab in esenta, insa permit gazului emanat sa iasa dintre placute si disc. La fel si cu cele perforate – gaurile permit gazului sa iasa si sa disipe caldura mai repede. Asadar, astfel de discuri permit placutei sa ramana in contact cu discul, oprind masina in timp util.

Discurile de frana

Discurile de frana au fost inventate in anul 1902 in Anglia, dar au fost folosite sub forma actuala de catre Citroen, in anul 1954, pe modelul DS. Masinile din fabrica au mai multe feluri de discuri de frana.

Modelele mai vechi sau cele slab motorizate au pe puntea fata discuri de frana simple, dintr-o singura bucata de otel care nu permite caldurii sa dispara nicaieri. Exemple de masini care au discuri de frana simple – BMW E36 318, Dacia Logan, Smart, Fiat Brava, etc. In general, aceste discuri de frana se regasesc pe masinile care nu se preteaza unui mers sportiv sau cu franari dese si violente, sau se regasesc pe puntile spate ale celor puternice.

Al doilea tip de discuri de frana, poate cel mai intalnit, este discul ventilat, care este de fapt un disc dublu, cu un mic spatiu intre cele doua discuri, pe unde poate circula aerul. Energia termica este preluata de aer si franele ventilate se racesc mai usor.

Discurile stantate nu sunt de obicei discuri stoc, venite din fabrica pe masina. Sunt cateva modele care fac exceptie de la regula, cum ar fi VW Golf VR6, care vine cu astfel de discuri din fabrica.

Discurile de frana perforate nu sunt nici ele stock pe multe masini, dar modelele cele mai rapide au astfel de discuri – Porsche 911, Lamborghini, Ferrari, M5, M3, etc. Mai gasim totodata discuri care sunt si ventilate si stantate si perforate, in acelasi timp.

O solutie pentru a avea frane mai reci, asadar o franare eficienta, este sa folosim discuri ventilate, stantate sau perforate, fie o combinatie intre cele 3 variante. Se racesc mai usor, asa ca franam mai bine. O alta solutie este sa folosim discuri de frana mai mari in diametru. Suprafata mai mare absoarbe mai multa caldura, suprafata de frecare fiind astfel mai mare. Simplu.

Sistemul de franare – componente

Un sistem de franare cu discuri este unul destul de complex – discul propriu-zis, placutele de frana si etrierul. Franele standard au etriere care apasa asupra placutei de frana cu unul sau mai multe pistonase. Acolo unde este nevoie de mai multa forta, adica in masinile sportive, pot fi folosite trei sau mai multe pistonase. Sau, la masini mai mari si grele, chiar 4 placute de frana pe acelasi disc, fiecare cu pistonasul sau. Motocicletele au de obicei intre 3 si 6 pistonase care apasa placutele de frana. Furtunele de frana sunt si ele importante, cele de competitie putand fi imbracate in material metalic, ce nu permite dilatarea acestora. Mai departe de furtunele (racordurile) de frana, sunt tevile si pompa, despre care nu detaliem, ca rare sunt cazurile in care sa se ajunga la modificarea acestora.

Sistem de franare Brembo cu disc ventilat si stantat

Placutele de frana sunt si ele de mai multe feluri si compozitii:

1 – organice – sunt cele obisnuite, intalnite pe toate masinile stock, se uzeaza incet si nu produc sunet. Dezavantajul este ca nu functioneaza bine cand se incalzesc.

2 – semi-metalice (sinterizate) – un compromis intre uzul de strada si curse, cu 40% fibre metalice. Astfel de placute doteaza de fabrica modelul Subaru Impreza WRX. Nu functioneaza insa asa de bine cand sunt reci, insa sunt eficiente cand se incalzesc.

3 – metalice – numai pentru uzul de circuit sau competitie, scot sunete ascutite si arunca mult span, nu functioneaza deloc bine cand sunt reci.

4 – ceramice – acestea au 15% fibre metalice in compozitie, dar au cupru in loc de otel, metal c