ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА КОМПОЗИЦИОННАЯ

Заявляемая полезная модель относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.
Известны тормозные композиционные колодки, содержащие металлический (стальной) каркас, фрикционный элемент и твердую вставку. (Интернет ресурс: fritex.ru>about/publications/Vagony.pdf УДК 629.4.077:597.3 Новые тормозные колесосберегающие колодки для подвижного состава, д.т.н. Вуколов Л.А., инженеры: Шпади Д.В., Налев И.А., Никитин В.А., Дружков Д.А., Мухин А.В.)
Металлический каркас состоит из одной детали - основной полосы, а иногда из двух деталей: основной полосы и приваренной к ней по внутренней стороне усиленной пластины. Основная полоса каркаса имеет внешний криволинейный контур по периметру готовой колодки, а в центре П-образный или полукруглый контур, образующий центральную бобышку. Центральная бобышка каркаса снабжена отверстиями под чеку. На основной пластине каркаса расположены также две боковые бобышки, служащие направляющими для чеки. Центральная бобышка служит для крепления тормозной колодки в тормозном башмаке посредством чеки, а направляющие (боковые бобышки) упрощают монтаж чеки. Усилительная пластина применяется для придания дополнительной жесткости каркасу и повышения надежности крепления каркаса с фрикционным элементом. Усилительная пластина снабжена отверстиями для приваривания к основной полосе, а также для затекания фрикционной смеси при формовании для повышения крепления с фрикционным элементом.
Тормозные композиционные колодки, по сравнению с чугунными, получили значительно более широкое применение, так как они имеют более высокий коэффициент трения, меньшее усилие нажатия и большую износостойкость, в несколько раз более высокий срок службы, меньший вес, а также обеспечивают бесшумное и плавное торможение подвижного состава.
Однако при эксплуатации тормозных композиционных колодок могут возникать отдельные дефекты, в том числе термические трещины на поверхности качения колес, износ поверхности качения колес, снижение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения (дождь, снег), а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса. На устранение данных недостатков ОАО «Фритекс» были разработаны композиционные полуметаллические колесосберегающие тормозные колодки со вставкой из специального чугуна с графитом шаровидной формы. (Патент RU 2309072, заявка 2006111290 от, 07.04.2006 г. МПК В61Н 7/02). Данная «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства» является прототипом заявляемого технического решения. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, и две бобышки по кроям, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, при этом твердая вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна, а отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20%.
Колодка обеспечивает сохранение поверхности качения колеса, а следовательно, повышенный срок службы колеса при сохранении повышенного срока службы колодок, а также обеспечивает стабильность и эффективность торможения при обычных и тяжелых условиях эксплуатации. Но имеет отдельные недостатки. В качестве материала для изготовления твердой вставки используется высокопрочный или ковкий чугун с графитом шаровидной формы. Шаровидная форма включений графита, имеющая наименьшее отношение поверхности к объему не оказывает такого сильного надрезывающего действия на металлическую основу колеса, как пластинчатая форма, и способствует уменьшению очищающего действия на колесо и не обеспечивают необходимого полирующего воздействия на колесо по устранению термических трещин и ползунов очистки поверхности колеса от термотрещин.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожных вагонов.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышение очищающего и полирующего воздействия твердой вставки на колесо без ухудшения работы тормозной колодки по прямому назначению, снижении образование наваров и наплывов.
3
Технический результат достигается тормозной колодкой композиционной, содержащей металлический каркас с П-образным выступом с наружной стороны в центральной его части и две бобышки по краям, композиционную фрикционную основу, твердую вставку, с определенным отношением рабочей поверхности вставки к общей рабочей поверхности колодки, при этом твердая вставка выполнена, как минимум, в виде двух фрикционных элементов из металлокерамического материала на основе железа, с коэффициентом трения близким по величине к коэффициенту трения композиционной фрикционной основы, и общим отношением рабочей поверхности фрикционных элементов к общей рабочей поверхности колодки в пределах от 30 до 80%, фрикционные элементы закреплены на плоских площадках сформированных на внутренней стороне металлического каркаса. Кроме этого, твердость фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа не менее 10 НВ 10/2452/30, плотность фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 4,5-4,8 г/см, предел прочности при сжатии фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа составляет не менее 15 МПа, структура материала фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа представляет собой перлитную основу с пластинчатым перлитом 3-6 балла по ГОСТ 8233-56 с включениями карбидов хрома, меди по границам зерен, а также свободного графита и фрикционного наполнителя, присутствием по границам зерен карбидная сетки 3-5 баллов ГОСТ 8233-56, и средним размером зерна в диапазоне 20-50 мкм, микротвердость основной перлитной структуры материала фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 320-380 HV 0,01, фрикционный элемент из металлокерамического материала на основе железа, на поверхности крепления к металлическому каркасу имеет припеченную металлическую пластину из стали, соединение фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа к металлического каркасу выполнено посредством склеивания, или металлургического или механического крепления, фрикционный элемент из металлокерамического материала на основе железа имеет форму призматоида, фрикционный элемент из металлокерамического материала на основе железа имеет форму тела вращения в виде усеченного конуса или цилиндра, или двух цилиндров различного диаметра.
Влияние колодки сказывается не только на разрушении контактных поверхностей в системе «тормозная колодка-колесо», но и системе в «колесо-рельс». Колесо подвергается износу, как со стороны тормозной колодки, так и со стороны рельса. Авторами предлагаемого технического решения были проведены исследования поверхности катания железнодорожного колеса вагона находящегося в контакте с тормозными колодками, изготовленными из различных материалов. Механизм образования микротрещин на различных участках контактной поверхности колеса зависит от материала колодки. Контактные повреждения, в виде трещин и выщерблин, с максимальной глубиной проникновения до 1,5 мм ускоряют не только износ колеса, но и рельса. При дальнейшем развитии трещин происходит отслаивание (отрыв) участков поверхности колеса в виде отдельных твердых частиц. В дальнейшем они работают как абразивные частицы, приводящие к интенсивному износу, как поверхности колеса, так и поверхности катания рельса. Образование абразивных частиц происходит в несколько стадий. Это зарождение микротрещин, которое происходит постепенно в результате усталостных явлений. Микротрещины начинают развиваться задолго до того, как произойдет образование абразивных частиц, и их отделения от поверхности. Длительность процесса накопления дефектов материала колеса, занимает значительную часть, доходя до 90% времени процесса разрушения. Чтобы не доводить до появления на контактной поверхности (поверхность катания) колеса абразивных частиц, данная поверхность должна постоянно подвергаться очистке от загрязнения и удалению поверхностного дефектного слоя. Такое удаление происходит в процессе торможения заявляемой тормозной колодкой, имеющей более высокую абразивную стойкость по сравнению с материалом обода колеса вагона. Кроме этого тормозная колодка должна обладать рядом физических свойств, способных выполнить задачу по очистке поверхности катания вагонного колеса. К таким свойствам в первую очередь относятся твердость основы металлокерамического материала фрикционных элементов колодки и микротвердость отдельных компонентов материала. В процессе спекания фрикционных элементов из металлокерамического материала на основе железа с добавлением карбидообразующих элементов, например, хрома, молибдена и свободного графита, фосфора, образуется материал с таким соотношением свойств по твердости и микротвердости. На Фиг. 1 и Фиг. 2 показаны различия контактных поверхностей колеса, сформированных в процессе торможения тормозными колодками изготовленных из различных материалов. На фиг. 1 показана поверхность образованная колодкой имеющая фрикционный элемент из металлокерамического материала на основе железа с добавлением карбидообразующих элементов, например, хрома, молибдена и свободного графита, фосфора. Образование медных прослоек значительно улучшает теплопроводность металлокерамических элементов колодки, что приводит к снижению температуры в зоне контакта, тем самым колодка более эффективно тормозит при более высоких скоростях движения состава, при сохранении высокого коэффициента трения всех составных частей колодки, т.е. повышается ее износостойкость. На фиг. 2 показана поверхность образованная колодкой имеющая фрикционный элемент из чугуна.
Отношение площади рабочей поверхности фрикционных элементов к общей площади рабочей поверхности тормозной колодки может варьироваться в широких пределах исходя из фрикционно-износных свойств композиционной фрикционной основы и фрикционных элементов и составляет от 30 до 80%.
Фрикционный элемент из металлокерамического материала на основе железа может иметь форму, аналогичную форме композиционной фрикционной основы, форму призматоида, так и форму тела вращения.
Соединение металлокерамического фрикционного элемента на основе железа, изготовленного методом порошковой и металлического каркаса может быть выполнено посредством склеивания, металлургического или механического крепления.
На Фиг. 3 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства с металлокерамическим фрикционным элементом в форме призматоида с композиционной фрикционной основой, где
1 - металлический каркас,
2 - П-образный выступ,
3 - отверстие под чеку для крепления колодки в тормозном узле,
4 - композиционная фрикционная основа,
5 - металлокерамической фрикционной элемент, на основе железа изготовленный методом порошковой металлургии в форме призматоида.
На Фиг. 4 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства с металлокерамическим фрикционным элементом в форме тела вращения с композиционной фрикционной основой, где
1 - металлический каркас,
2 - П-образный выступ,
3 - отверстие под чеку для крепления колодки в тормозном узле,
4 - композиционная фрикционная основа,
5 - металлокерамической фрикционной элемент, на основе железа изготовленный методом порошковой металлургии в форме тела вращения.
Изготовление тормозных колодок состоящих из фрикционных элементов на основе железа методом порошковой металлургии, в сочетании с композиционной основой колодки на основе полимеров позволяет значительно повысить срок службу колодки и безопасность движения транспортных средств.