ТОРМОЗНАЯ ШИНА С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ШУМА, УСТАНАВЛИВАЕМАЯ НА ТОРМОЗНЫЕ БАЛКИ ВАГОННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ

Полезная модель относится к путевым устройствам железнодорожного транспорта и предназначено для установки в устройствах регулирования скорости скатывания отцепов (вагонов) на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
Основное назначение сортировочных горок - поддержание требуемых временных интервалов между скатывающимися с горки отцепами, достаточных для перевода соответствующих стрелок, и реализация расчетных скоростей отцепов на позициях, обеспечивающих скорости отцепов, достаточные для того, чтобы, во-первых, они докатились до расчетной точки, а во-вторых, чтобы скорость соударения отцепов в парке не превышала 5 км/ч (1,39 м/с).
Применяемые в настоящее время устройства регулирования скорости отцепов оборудованы тормозными балками, располагаемыми по обе стороны от рельсов, и осуществляют торможение за счет зажатия колес вагонов тормозными шинами, закрепленными на балках. Тормозные шины изготавливаются из стали 50ХГ ГОСТ 14959-79 по ТУ 14-1-3188-81 методом прокатки, в поперечном сечении имеют Г-образную форму и крепятся к балкам замедлителя шинными болтами. Шины используются в состоянии поставки. (Сагайтис B.C., Соколов В.Н. Устройства механизированных и автоматизированных сортировочных горок: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Транспорт, 1988. 132-133 с.). Данная шина принята в качестве прототипа.
Все недостатки данной шины обусловлены условиями работы тормозных шин установленных в вагонных замедлителях и свойствами материала шины.
Работа вагонных замедлителей сопровождается значительными динамическими нагрузками, возникающими в узлах силовой системы и контакте «тормозная шина - обод колеса вагона». Динамические нагрузки носят пикообразный характер.
Эффективность торможения вагонов замедлителями в значительной мере зависит от параметров взаимодействия пары трения «тормозная шина - обод колеса вагона», основным из которых является коэффициент трения. В зависимости от состояния трущихся поверхностей шины и колеса (сухие, влажные, с наличием масла и др.) он может колебаться в широком диапазоне от 0,05 до 0,18 и составлять в среднем 0,1 (Шейкин В.П. Эксплуатация механизированных сортировочных горок М.: Транспорт.1992. 240 с.), это один из главных недостатков.
Работа тормозных шин, взаимодействующих с ободом колеса вагона, характеризуется тяжелыми условиями, поскольку замедлители эксплуатируются круглосуточно и в любое время года. Скорость входа отцепов на замедлитель на горках достигает 28-30 км/ч, усилия нажатия шин на колесо достигают 200 Кн, а давление на их наружной поверхности достигает (30,0-50,0) МПа. Следует также иметь в виду, что в процессе торможения вагона контакт тормозных шин осуществляется с боковыми поверхностями бандажей последовательно набегающих колес, у которых согласно ГОСТ 9036-59 и 4835-59 внутренние поверхности бандажей обрабатываются по 3 классу чистоты, а наружные поверхности механической доводочной обработке вообще не подвергаются. Более того, в процессе эксплуатации на наружной боковой поверхности колес образуется накат до 5 мм большой твердости (НВ ≈300). Поэтому в процессе взаимодействия колес вагона и тормозных шин происходит интенсивный износ последних и шумовое загрязнение окружающей среды. Шумовое загрязнение - это звуковые колебания, которые возникают в процессе торможения вагонов при их спуске с сортировочной горки и которые создают дискомфорт человеку. К ним относятся такие звуки как, свист и скрежет металла по металлу. По частотному диапазону различают шумы низко- (до 300 Гц), средне- (300÷1000 Гц) и высокочастотные (свыше 1000 Гц). Широко известно, что по физиологическому воздействию на человека наиболее опасен высокочастотный шум (особенно в диапазоне частот от 1000 до 4000 Гц), что подтверждается многочисленными опытами и отражено в существующих нормативных документах. Однако в условиях урбанизированных территорий, когда источник шума расположен не далеко от жилых кварталов, такие звуки, как свист и скрежет металла по металлу, доставляют дискомфорт людям. (https://democrator.ru/petition/kruglosutochnyj-silnejshij-vizg-skrezhet-metalla-s). Шумовое загрязнение это второй главный недостаток.
Известно техническое решение тормозной шины, состоящей из изнашиваемой части и сплошного желоба с отверстиями для болтов крепления. Изнашиваемую часть тормозной шины изготавливают из отдельных фрикционных элементов из композиционного материала с коэффициентом трения в пределах 0,10-0,18 или 0,18-0,40. Решение направлено на повышение эффективности торможения вагона. (Патент RU 2504493 по заявке 2012120909 от 22.05.2012, МПК B61K 7/02).
Недостаток данного технического решения тормозной шины заключается в ее не технологичности. Тормозные шины имеет большую длину от 1000 до 2000 мм. Изготовить фрикционные элементы таких размеров сложно и очень дорого, поэтому фрикционные элементы и изготавливают меньших размеров. Изнашиваемую часть делают составной, при этом падает жесткость шины, она не выдерживает ударных нагрузок.
Известно техническое решение тормозная шина вагонного замедлителя состоит из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали, имеющего изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя с монтажными отверстиями. Контактная поверхность изнашиваемой части образована фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава и составляет не более 80% от общей площади контактной поверхности. Фрикционные элементы имеют форму тела вращения и закреплены в отверстиях, выполненных в изнашиваемой части шины. Достигается снижение трудоемкости изготовления тормозной шины, повышение надежности крепления фрикционных элементов, снижение затрат на изготовление и обслуживание тормозных шин, увеличение износостойкости фрикционной пары «тормозная шина - колесо», а также сохранение стабильности коэффициента трения. (Патент RU 2554032, заявка: 2014111088 от 25.03.2014, МПК B61K 7/02).
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности торможения вагона и улучшение экологической обстановки в районе сортировочных горок, снижение эксплуатационных затрат.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении уровня шумового загрязнения в процессе торможения, повышение точности позиционирования вагонов на путях сортировочной горки за счет стабилизации коэффициента трения в процессе торможения снижения трудоемкости изготовления шины.
Технический результат достигается тормозной шиной с пониженным уровнем шума, устанавливаемой на тормозные балки вагонного замедлителя механизированных и автоматизированных сортировочных горок, состоящей из изнашиваемой части и подошвы в виде сплошного желоба, имеющего монтажные отверстия для шинных болтов, при этом головки шинных болтов, удерживающие подошву, расположены в желобе, изнашиваемая часть имеет глухие отверстия, отличающаяся тем, что глухие отверстия заполнены вибропоглощающим полимерным материалом. Кроме этого, вибропоглощающий полимерный материал выполнен на основе эпоксидных смол холодного отверждения, центры глухих отверстий расположены на параллельных чередующихся отрезках, под углом наклона к продольной оси контактной поверхности шины, угол наклона чередующихся отрезков составляет 30-45°, шаг чередования равен длине отрезка умноженного на косинус угла наклона, расстояние между центрами соседних отверстий, расположенных на одном отрезке, превышает диаметр отверстия на 2-5 мм, диаметр отверстий составляет 5-15 мм, вибропоглощающий полимерный материал, в своем составе, имеет фрикционные и антифрикционные компоненты.
Основное отличие предлагаемого технического решения по тормозной шине от прототипа заключается в том, что глухие отверстия, выполненные в изнашиваемой части тормозной шины, заполнены вибропоглощающим полимерным материалом, на основе эпоксидных смол холодного отверждения, центры глухих отверстий расположены на параллельных чередующихся отрезках, под углом наклона к продольной оси контактной поверхности шины, угол наклона чередующихся отрезков составляет 30-45°, шаг чередования равен длине отрезка умноженного на косинус угла наклона, расстояние между центрами соседних отверстий, расположенных на одном отрезке, превышает диаметр отверстия на 2-5 мм, диаметр отверстий составляет 5-15 мм, вибропоглощающий полимерный материал, модифицируют таким образом, что он увеличивает силу трения скольжения контактных поверхностей шины и обода колеса железнодорожного вагона и гасит высокочастотные вибрации шины. При этом значительно уменьшается износ, снижается тепловая напряженность контакта, и шумовое загрязнение окружающей среды, шум и визг снижается не только по частоте колебаний, но и величине.
В процессе торможения вагонов, вагонным замедлителем в окружающее пространство выделяется значительное шумовое загрязнение с уровнем шума более 120 дБ, в широком диапазоне до 5000 Гц. Шум оказывает значительное влияние на здоровье и поведение человека. Наиболее опасен шум в диапазоне частот 3000÷5000 Гц. Данная частотная составляющая образуется в процессе торможения в момент отрыва сварившихся частиц обода колеса вагона с частицами тормозной шины вагонного замедлителя. Процесс схватывания и вырыв частиц, происходит непрерывно, поскольку процесс приработки в трущейся паре «колесо - тормозная шина» идет постоянно и отсутствует период «установившегося износа», когда износ трущихся поверхностей минимален. При отсутствии данного периода, износ тормозной шины происходит более интенсивно, так как она постоянно находится в контакте с различными обводами колес.
Работа тормозной шины, у которой изнашиваемая часть имеет глухие отверстия, заполненные вибропоглощающим полимерным материалом на основе эпоксидных смол холодного отверждения, не будет бесшумной, но меняется частотный спектр шума, значительно уменьшается область высоких частот (визг) и снижается в область более низких частот, в целом уменьшается уровень шума, за счет присутствия в полимерном материале фрикционных и антифрикционных добавок.
Снижение шума обусловлено уменьшением свариваемости (схватывания), между трущимися поверхностями за счет наличия на поверхности контакта неметаллических образований, антифрикционных добавок. Предлагаемое техническое решение позволяет снизить физический износа за счет снижения процессов схватывания в трущейся паре «колесо - тормозная шина», и на 20-25 дБА, понизить уровень шума.
На фиг. 1 представлены два графика изменения уровня шума при трении образцов. На графике 1 представлена зависимость изменения уровня шума при трении образцов, изготовленных по предлагаемому техническому решению. На графике 2 представлена зависимость изменения уровня шума при трении образцов, изготовленных по прототипу из стали 50ХГ. Результаты получены при испытаниях в лабораторных условия. Режим Fast - режим быстрой записи. В течение одной секунды, уровень звука измеряется три раза. Например, измерения на пятой секунде: 5с-1, 5-2, 5-3, говорит о том, что в течение пятой секунды были сделаны три измерения уровня шума.
Испытания показали, что предлагаемое техническое решение позволяет снизить уровень шума, исключить его всплески.
На фиг. 2 показан общий вид тормозной шины, вид со стороны контактной поверхности 1, на контактной поверхности выделен фрагмент I, профиль которого представлен на фиг. 3.
На фиг. 3 показан профиль тормозной шины по сечению, проходящему через два глухих отверстия, заполненных вибропоглощающим полимерным материалом.
На фиг. 4 показан фрагмент контактной поверхности, показанной на фиг. 1, показывающий расположение глухих отверстий.
Тормозная шина состоит из изнашиваемой части 1 и подошвы 2 в виде сплошного желоба, имеющего монтажные отверстия (на фигурах не показаны) для шинных болтов. Изнашиваемая часть 1 имеет глухие отверстия 3, заполненные вибропоглощающим полимерным материалом 4. Шина со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, имеет демпфирующую вибропоглощающую накладку 5. Вибропоглощающий полимерный материал 4 выполнен на основе эпоксидных смол холодного отверждения. Центры глухих отверстий 3 расположены на параллельных чередующихся отрезках L, под углом α=30°-45° наклона к продольной оси контактной поверхности шины. Шаг S=L*Cosα. Расстояние S между центрами соседних отверстий, расположенных на одном отрезке L, превышает диаметр отверстия d на 2-5 мм. Диаметр d отверстий составляет (5-15) мм, глубина h не более 30 мм. Вибропоглощающий полимерный материал в своем составе имеет фрикционные и антифрикционные компоненты.
Тормозная шина с пониженным уровнем шума устанавливается на тормозные балки всех видов вагонного замедлителя механизированных и автоматизированных сортировочных горок. Тормозные позиции спускной части сортировочных горок оборудуют балочными вагонными замедлителями. Замедлители работают по принципу клещей, образованных одноплечими и двуплечими рычагами. Концы рычагов соединены с корпусом и поршнем пневматических тормозных цилиндров. При заполнении цилиндров сжатым воздухом клещи сжимаются, шины давят с двух сторон на обод колеса и происходит торможение вагона.
Изготовлена опытная партия тормозных шин, проведены приемочные испытания. Конструкторской документации присвоена литера O1.