ШИНА ТОРМОЗНАЯ СБОРНАЯ

Полезная модель относится к устройствам железнодорожного транспорта и предназначена для установки в устройствах регулирования скорости скатывания вагонов на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
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 В.С., Соколов В.Н. Устройства механизированных и автоматизированных сортировочных горок: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Транспорт, 1988. 132-133 с.).
Работа вагонных замедлителей совершается со значительными динамическими нагрузками, возникающими в узлах силовой системы и контакте «тормозная шина - обод колеса вагона». Динамические нагрузки носят пикообразный характер.
Для работы вагонных замедлителей важными являются две группы параметров: это параметры торможения вагонов, которые в значительной степени зависят от взаимодействия пары трения «тормозная шина - обод колеса вагона», основным из которых является коэффициент трения и параметры, влияющие на шумовое загрязнение, зависящие от состояния трущихся поверхностей шины и колеса железнодорожного вагона (сухие, влажные, с наличием масла, наличие в изнашиваемой части тормозной шины композиционных материалов снижающих уровень шума) и вибрационная составляющая, появляющееся при контакте «тормозная шина - обод колеса вагона» во время торможения отцепа.
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 30,0-50,0 МПа. В процессе торможения вагона контакт тормозных шин осуществляется с боковыми поверхностями 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 не подвергаются. 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 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 при уровне более 80 дБА. (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-silneishij-vizg-skrezhet-metalla-s).
К недостаткам тормозных шин относится не эффективное использование материала шины. Изнашиваемая часть шины составляет менее 20% от всего объема шины, при выработке изнашиваемого участка тормозной шины не более 30 мм, тормозная шина выбраковываются целиком и заменяются новой.
Известна композитная тормозная шина вагонного замедлителя, Г-образного профиля, имеющая изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба, для размещения головок болтов крепления, с монтажными отверстиями, изнашиваемая часть выполнена в виде отдельных фрикционных элементов, при этом, фрикционные элементы установлены в стальные планки с отверстиями для установки композиционных элементов, стальные планки имеют отверстия с резьбой для крепления к тормозной шине, со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, и со стороны установки стальных планок имеются демпфирующие вибропоглощающие накладки (патент на полезную модель RU №183379 по заявке №2017138916 от 09.11.2017 г. МПК B61K 7/02, «Композитная тормозная шина вагонного замедлителя).
К достоинству данного технического решения относится вторичное использование изношенных шин в качестве основы. Такое решение приводит к снижению стоимости тормозной шины, это достигается за счет того, что композиционные элементы первоначально устанавливаются в планки, затем планки крепятся болтами к тормозной шине. На тормозной шине, которая уже выработала весть объем изнашиваемой части, выполняется две операции, это фрезерование рабочей поверхности в плоскость и сверление отверстий под болты, для крепления планок.
Данная тормозная шина имеет и недостатки. Это низкая надежность крепления фрикционных элементов в стальной планке и крепления самой стальной планки к подошве тормозной шины. В процессе работы при высоких ударных нагрузках, вибрации и высоких значениях усилий на сдвиг стальных планок, возможно ослабление крепления стальной планки к шине с последующим отрывом стальной планки. Композиционные элементы устанавливаются на вибропоглощающий полимерный материал холодного отверждения в отверстия заведомо большего диаметра. При ударных нагрузках полимерный материал разрушается и это приводит к выпадению фрикционного элемента. Это может привести к разрушению всей тормозной шины и повреждению вагонного замедлителя.
Известна тормозная шина вагонного замедлителя ремонтная, Г-образного профиля, имеющая подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба для размещения головок болтов крепления, монтажные отверстия и изнашиваемую часть выполненую из стальных планок со сквозными отверстиями с установленными в них композиционными элементами и отверстия для монтажа к подошве тормозной шины, отличающаяся тем, что отверстие в стальной планке для монтажа к подошве тормозной шины выполнено ступенчатым, ступень отверстия меньшего диаметра равна по диаметру и соосна с отверстием в подошве для монтажа стальной планки, в отверстие ступени большего диаметра впрессован композиционный элемент, монтаж стальной планки к подошве проведен горячей клепкой, при этом в подошве со стороны установки планки, дополнительно выполнено глухое отверстие равное по диаметру и соосное с отверстием в стальной планке для установки композиционного элемента, а композиционный элемент впрессован в отверстие стальной планки с заходом в глухое отверстие в подошве. Кроме этого, композиционный элемент выполнен из порошкового материала методом спекания, в состав которого входят, мас. %:
никель
2,0-2,2
медь
2,5-2,6
графит
3,0-5,1
окись алюминия
3,0-3,1
бария сульфат
6,0-8,1
дисульфид молидена
1,7-1,6
остальное
железо,
3
2
плотность композиционного элемента равна 5,15-5,85 г/см, твердость композиционного элемента равна (55-120) НВ, предел прочности композиционного элемента на срез равен не менее 80 МПа, предел прочности композиционного элемента на сжатие равен не менее 230 МПа, отверстия для монтажа стальной планки горячей клепкой с внешней стороны шины и внешней стороны планки имеют фаски, удельное давление запрессовки композиционного элемента составляет 14-15 кН/см, композиционные элементы впрессованы в стальную планку с шагом 43 мм и имеют диаметр 36 мм. (патент на полезную модель RU №186258. по заявке 2018133513 от 21.09. 2018 г., МПК B61K 7/02, «Тормозная шина вагонного замедлителя, ремонтная».
Крепление стальных планок с впрессованными в них композиционными элементами, к основанию тормозной шины горячей клепкой повышает надежность крепления. Замена болтовых соединений клепкой позволяет исключить возможность ослабления крепления стальной планки к шине с последующим отрывом стальной планки. Однако дополнительное выполненное глухих отверстий в основании шины со стороны установки планки равное по диаметру и соосное с отверстием в стальной планке для установки композиционного элемента с заходом в глухое отверстие в подошве является существенным недостатком. Такая установка композиционного элемента в стальную планку и подошву шины позволяет исключить вероятность среза стальной планки, но снижает вероятность использования подошвы многократно. Трудоемка разборка тормозной шины. Не экономно используется композиционный материал, который остается в отверстии основания шины
Известно техническое решение тормозной шиной вагонного замедлителя сборной, Г-образного профиля, имеющей подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба для размещения головок болтов крепления, монтажные отверстия, для крепления к балке вагонного замедлителя, площадку с отверстиями для монтажа к подошве тормозной шины изнашиваемой части состоящей из стальных планок, в которых выполнены ступенчатые сквозные отверстия для монтажа к подошве тормозной шины горячей клепкой, меньший диаметр которых служит для монтажа, а больший для впрессовывания в них композиционных элементов, и отверстия служащие для впрессовывания композиционных элементов при этом, площадка с отверстиями для монтажа к подошве тормозной шины со стороны крепления к стальной планке имеет продольный паз, в который входит продольный выступ, выполненный на стальной планке, а отверстия служащие для впрессовывания композиционных элементов в стальной планке, выполнены глухими. Кроме этого, все композиционные элементы, для впрессовывания в отверстия стальной планки, выполнены одного размера, композиционный элемент выполнен из порошкового материала методом спекания, в состав которого входят, мас. %:
никель
1,5-2,5
медь
1,5-3,0
графит
3,0-5,1
окись алюминия
3,0-5,1
бария сульфат
6,0-8,5
дисульфид молидена
1,5-1,8
железо
остальное
3
2
Плотность композиционного элемента равна 5,0-6,0 г/см, твердость композиционного элемента равна (50-125) НВ5,0/1226/10, предел прочности композиционного элемента на сжатие равен не менее 200 МПа, отверстия для монтажа стальной планки горячей клепкой с внешней стороны шины и внешней стороны стальной планки имеют фаски, удельное давление запрессовки композиционного элемента составляет 14-15 кН/см, композиционные элементы впрессованы в стальную планку с шагом 43 мм и имеют диаметр 36 мм и высоту 35 мм, подошва и стальная планка имеет полимерное покрытие для снижения уровня шума при контакте тормозной шины с ободом колеса железнодорожного вагона (патент на полезную модель RU № 190780 по заявке 2019104658 от 19.02. 2019 г., МПК B61K 7/02, «Тормозная шина вагонного замедлителя, ремонтная». Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность, и упростить технологию крепления стальных планок с впрессованными в них композиционными элементами, к основанию тормозной шины за счет выполнения площадки для монтажа к подошве тормозной шины с продольным пазом, который входит продольный выступ, выполненный на стальной планке. Это без потери механической прочности, позволяет многократно использовать подошву тормозной шины.
Снижение шума вагонного замедлителя обусловлено уменьшением свариваемости (схватывания), между трущимися поверхностями тормозной шины и обода колеса железнодорожного вагона за счет наличия на поверхности контакта неметаллических образований, антифрикционных добавок присутствующих в составе материала композиционных элементов, а также наличием полимерного покрытия для снижение уровня шума при контакте тормозной шины с ободом колеса железнодорожного вагона. Предлагаемое техническое решение позволяет на 10-15 дБ, понизить уровень шума в области высоких частотных колебаний.
Данная тормозная шина имеет недостаток, выраженный в незначительном снижении уровня шума, в области высоких частотных колебаний. Нанесение на подошву и стальную планку полимерного покрытия, для снижения уровня шума, за счет вязкоупругого внутреннего трения при деформации слоев эластомера, не позволяет значительно снизить уровень шума. Однако наличие полимерного покрытия снижает жесткость крепления тормозной шины к балке. Отсутствие жесткого механического крепления демпфирующего полимерного покрытия к тормозной шине создает опасность отслаивания, за счет температурных перепадов, сильной вибрации в течение длительного периода эксплуатации и, как следствие, нивелируется эффект шумопонижения, и возникает опасность среза крепежных элементов из-за появления зазоров между балкой и шиной.
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности работы тормозной шины вагонного и улучшение экологической обстановки в районе сортировочных горок.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышение жесткости крепления стальных планок с впрессованными в них фрикционными элементами, к балке вагонного замедлителя и основанию тормозной шины, при сохранении высокого уровня снижения шумового загрязнения на сортировочных горках в широком частотном диапазоне.
2
3
Указанный технический результат достигается шиной тормозной вагонного замедлителя, сборной в виде Г-образного профиля, имеющая подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба для размещения головок болтов крепления с монтажными сквозными отверстиями, площадку, в которой выполнен продольный паз, и отверстия для закрепления на ней горячей клепкой изнашиваемой части, состоящей из стальных планок, имеющих продольный выступ, входящий в продольный паз площадки, ступенчатые сквозные отверстия, меньший диаметр, которых служит для монтажа к подошве, а больший - для впрессовывания фрикционных элементов, и глухие отверстия, для впрессовывания фрикционных элементов, между подошвой и тормозной балкой установлена прокладка из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной (0,1-6) мм, со сквозными отверстиями, выполненными соосно с монтажными отверстиями подошвы для крепления к балке, фрикционные элементы запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины, с усилием 14-15 кН/см, выполнены в форме цилиндра высотой 30-50 мм, диаметром 5,0-36,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ5,0/1226/10, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, содержащего: никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо, при следующем содержании компонентов, мас. %:
никель
2,0-2,2
медь
2,5-2,6
барит
6,0-6,1
окись алюминия
1,5-3,1
графит
1,5-3,1
дисульфид молибдена
1,6-1,7
железо
остальное
Кроме этого, металлокерамический фрикционный самосмазывающийся материал пропитан 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л и подвергнут отверждению при температуре 120-160°С, между подошвой и изнашивающей частью установлена прокладка из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной (0,1-6) мм, монтажные отверстия подошвы для монтажа стальной планки горячей клепкой имеют фаски, предел прочности фрикционного элемента на срез равен не менее 80 Мпа, предел прочности фрикционного элемента на сжатие равен не менее 230 Мпа, стальная планка состоит из отдельных элементов высотой - 50 мм, шириной - 40 мм, длиной (500-600) мм, прокладка из высокодемпфирующей стали выполнена однослойной, прокладка из высокодемпфирующей стали выполнена многослойной.
Вагонный замедлитель подвергается в процессе эксплуатации различным механическим воздействиям - например, ударным нагрузкам и воздействию вибрации, возникающим в момент контакта тормозной шины и обода колеса спускаемого с горки вагона в период затормаживания. Как правило, ударное воздействие приводит к колебаниям изделия в диапазоне повышенных амплитуд упругой деформации материала.
Уровень шума при торможении вагонов на сортировочных горках определяются не только динамическими характеристиками упругой системы вагонных замедлителей, но и условиями контакта тормозной шины с ободом колеса железнодорожного вагона, которые в большей степени зависит от материала тормозной шины его элементного состава, структуры и физико-механических свойств. При торможении вагонов на сортировочных горках шум имеют широкий спектр частот от 200 до 6500 Гц. Авторами установлено, что в этом спектре имеются всплески разной интенсивности в области 600-800 и 3000-4000 Гц. Именно на снижении интенсивности шумов в данных диапазонах частот и направлено предлагаемое техническое решение. Определены оптимальные размеры фрикционных элементов, высота и диаметр. Оптимизацию проводили из условия: контактная площадь шины, занимаемая фрикционными элементами, должна быть максимальной, при сохранении достаточной прочности самой тормозной шины и обеспечение длительного срока эксплуатации. Исходя из этих условий, фрикционные элементы должны выполняться в форме цилиндра, высотой 10-50 мм и диаметром 5-40 мм. Изготовление фрикционного элемента высотой менее 10 мм и диаметром менее 5 мм экономически не целесообразно, превышение высоты фрикционного элемента более 50 мм и диаметра более 40 мм делают шину не жесткой, что приводит к интенсивному износу и повышению вибрации при торможении, что не безопасно для работы вагонного замедлителя.
3
Снижения уровня шума достигается за счет изменения условий взаимодействий в контактной зоне системе «шина-обод вагонного колеса», основным механизмом износа становится абразивный. Такой механизм реализуется не только в контакте с фрикционными элементам, но и частично в контакте с контактной поверхностью из стали 50ХГ. При этом данный механизм реализуется практически на всей площади тормозной шины, при этом снижается износ тормозной шины, сохраняется высокий коэффициент трения и повышается его стабильность. Для получения высокого и стабильного коэффициента трения в пределах 0,4-0,6 и высокой износостойкости фрикционного элемента, материал должен иметь следующие значения параметров физико-механических свойств: открытая пористость 16-20%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ, плотность 5,55-6,05 г/см. Данные параметры были оптимизированы технологическими режимами спекания фрикционного элемента. Снижение указанных параметров до значений, которые нижеуказанных величин, приводит к снижению износостойкости фрикционного элемента, а увеличение данных параметров до параметров, которые выше указанных величин, приводит получению материала с нестабильным и не высоким коэффициентом трения. Фрикционный элемент изготавливается методом спекания из смеси порошков содержащего никель, медь, барит, окись алюминия, барит, графит, дисульфид молибдена и железо.
Дальнейшее понижение уровня шумового загрязнения при работе вагонных замедлителей достигается пропиткой металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-ОПЛ и подвергнут отверждению при температуре 120-160°С.
Отвержденная связующее фенольное порошкообразное находясь в порах фрикционного элемента, при трении попадает на контактную поверхность из стали 50ХГ тормозной шины, снижая долю адгезионного механизма разрушения данной поверхности, доминирующим механизмом становится абразивный. Об этом свидетельствует снижение уровня шума при торможении, отсутствие на стальной части поверхности шины очагов прижогов и микротрещин. Увеличение доли абразивного износа шины приводит к более стабильному коэффициенту трения.
Наличие прокладки, толщиной (0,1-6,0) мм, выполненные из стали с высокими демпфирующими свойствами, между подошвой и тормозной балкой, подошвой и изнашивающей частью, позволяет, с одной стороны эффективно бороться с вибрацией и шумовым загрезнением и значительно снизить уровень шума под воздействиям ударно-вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации, с другой стороны, благодаря тому, что они обладают высокими механическими свойствами, высокой конструкционной жесткостью, жестко крепить на балке вагонного замедлителя тормозную шину, уменьшая ее вибрацию. Вибрационное воздействие на конструкцию вагонного замедлителя, как правило, происходит в диапазоне малых амплитуд упругой деформации материала, которые максимально снижают прокладки с высокими демпфирующим свойствами, что в совокупности с шинами, имеющие композиционные вставки, снижающие уровень шума, позволяют максимально снизить интенсивность шума, излучаемого вагонными замедлителями сортировочных горок. Прокладки выполнялись из высокодемпфирующей стали 01Ю5Т и высокодемпфирующей стали 16ХМТЮБ-ВИ. Наличие в прокладке сквозных отверстии выполненных соосно с монтажными отверстиями подошвы предназначенными для крепления к тормозной балке позволяет позиционировать прокладку относительно подошвы и балки, при установки тормозной шины на вагонозамедлитель.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежности и упростить технологию крепления стальных планок с впрессованными в них фрикционными элементами, к основанию тормозной шины за счет выполнения площадки для монтажа к подошве тормозной шины с продольным пазом, который входит продольный выступ, выполненный на стальной планке. Это так же, без потери механической прочности, позволяет многократно использовать подошву тормозной шины.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана шина тормозная сборная, на фиг. 2 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой,, на фиг. 3 сечение Б-Б тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой, фиг. 4 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью, фиг. 5 сечение Б-Б тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью
3
2
Шина тормозная сборная состоит: из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ, имеющего подошву 1 с установленной прокладкой 2 из высокодемпфирующей стали 16ХМТЮБ-ВИ толщиной 0,1-6,0 мм со стороны обращенной к балке вагонного замедлителя (на фиг. не показана), площадку 3 в которой выполнен продольный паз и отверстия для закрепления на ней горячей клепкой изнашиваемой части, изнашиваемую часть, в виде стальных планок 4, высотой - 50 мм, шириной - 40 мм, длиной (500-600) мм, в которых выполнен продольный выступ, имеющих сквозные ступенчатые отверстия для установки фрикционных элементов 5 и монтажа к подошве 1 и глухие отверстия для установки фрикционных элементов 5. Фрикционные элементы 5 выполнены в форме цилиндра высотой 30-50 мм, диаметром 5,0-36,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ5,0/1226/10, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, содержащего: никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо, пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного. Фрикционные элемент 5 запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины с усилием 14-15 кН/см.
Применение демпфирующей стали, обладающей высоким уровнем демпфирующей способности в диапазонах амплитуд упругой деформации материала, позволяет дополнительно снизить уровень шума и повысить жесткость крепления тормозной шины к балке вагонного замедлителя. Демпфирующая сталь, обладает высокими механическими свойствами, что позволяет сохранять высокую динамическую жесткость крепления тормозной шины и вагонного замедлителя в целом.
Разработана техническая документация изготовлена опытная партия тормозных шин для испытания в условия сортировочных горок Исследования шумовых характеристик проводились в составе вагонного замедлителя К3-5пк на механизированной сортировочной горке Южно-Уральской Железной Дороге. Опытная партия тормозных шин, изготавливалась на инструментально механическом заводе в Комсомольске-на-Амуре.