ШИНА ТОРМОЗНАЯ ВАГОННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ, 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 важным является процесс торможения, который определяется коэффициентом трения пары «тормозная шина - обод колеса вагона». Данный процесс сопровождается значительным шумовым загрязнением, зависящим от состояния трущихся поверхностей шины и колеса железнодорожного вагона: сухие, влажные, маслянистые, и другие загрязнения, а также наличием в изнашиваемой части тормозной шины композиционных материалов, снижающих уровень шума.
Скорость входа отцепов на замедлитель на горках достигает 28-30 км/ч, усилия нажатия шин на колесо достигают 200 кН. В процессе торможения вагона, контакт тормозных шин осуществляется с боковыми поверхностями последовательно набегающих колес. Согласно ГОСТ 9036-59 и 4835-59 внутренние поверхности бандажей обрабатываются по 3 классу чистоты, а наружные поверхности механической обработке не подвергаются, что может приводить к образованию на боковой поверхности колес наката до 5 мм большой твердости (НВ ≈ 300). В процессе взаимодействия тормозных шин с колесами вагона происходит интенсивный износ, вибрация и как следствие шумовое загрязнение окружающей среды.
Шумовое загрязнение - это звуковые колебания, которые возникают в процессе торможения 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- (300-4000 Гц) и высокочастотные (свыше 1000 Гц). Широко известно, что по физиологическому воздействию на человека наиболее опасен высокочастотный шум в диапазоне частот от 1000 до 4000 Гц при уровне более 80 дБА, что подтверждается многочисленными опытами и отражено в существующих нормативных документах. В условиях урбанизированных территорий, когда источник шума расположен недалеко от жилых кварталов, такие звуки как свист и скрежет металла по металлу доставляют значительный дискомфорт людям, (https://democrator.m/petition/kruglosutochnyi -silneishii-vizg-skrezhet-metalla-s).
С экономической стороны недостаткам тормозных шин является не эффективное использование материала шины. Изнашиваемая часть шины составляет менее 20% от всего объема шины, и при выработке изнашиваемого участка тормозной шины не более 30 мм, тормозная шина заменяется новой, изношенная часть идет в металлолом.
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 В61K 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 предлагаемой 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, выполненную 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, масс. %:
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 молибдена
1,7-1,6
Железо
Остальное
3
2
5,0/1226/10
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 В61K 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
2
3
Известно техническое решение шины тормозной вагонного замедлителя, восстановленной, характеризующейся тем, что имеет Г-образный профиль, подошву с монтажными сквозными и глухими отверстиями, изнашиваемую часть в виде стальных планок, имеющих сквозные ступенчатые отверстия для монтажа к подошве, сквозные и глухие отверстия с установленными фрикционными элементами, где отверстия ступени меньшего диаметра равны по диаметру и соосны с отверстиями подошвы для монтажа к изнашиваемой части, а в отверстие ступени большего диаметра впрессован фрикционный элемент, сквозные отверстия в стальных планках равны по диаметру и соосны с глухими отверстиями подошвы, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстия стальных планок до контакта с установленными фрикционными элементами, монтаж стальной планки к подошве проведен горячей клепкой, 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 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 10-30 мм, диаметром 5,0-40,0 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, масс. %: 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 1,6-17, железо - остальное. Кроме этого, металлокерамический фрикционный самосмазывающийся материал пропитан 30%-ным спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л и подвергнут отверждению при температуре 120-160°С, монтажные отверстия подошвы для монтажа стальной планки горячей клепкой имеют фаски, стальные цилиндры выполнены из стали с высокими демпфирующими свойствами, высотой 3-26 мм, подошва имеет сквозные отверстия, равные по диаметру и соосные со сквозными отверстиями в стальных планках с установленными фрикционными элементами, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстия стальных планок до контакта с фрикционными элементами, предел прочности фрикционного элемента на срез равен не менее 80 МПа, стальная планка состоит из отдельных элементов высотой 50 мм, шириной 40 мм, длиной 300-900 мм. (Патент на полезную модель RU №196946 по заявке 2020100911 от 25.02.2020 г. МПК В61K 7/02, «Шина тормозная вагонного замедлителя, восстановленная»). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком данного технического решения является недостаточное снижение шумового загрязнения.
Задачей заявляемого технического решения по шине тормозной вагонного замедлителя является повышения эффективности работы вагонных замедлителей на механизированных и автоматизированных сортировочных горках и улучшение экологической обстановки в районе сортировочных горок.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении технологичности изготовления тормозной шины, снижении шумового загрязнения.
2
3
Технический результат достигается шиной тормозной вагонного замедлителя, сборной, имеющей Г-образный профиль, подошву с монтажными сквозными и глухими отверстиями выполненную из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной 19-20 мм, изнашиваемую часть в виде стальных планок, имеющих сквозные ступенчатые отверстия для монтажа к подошве, где отверстия ступени меньшего диаметра равны по диаметру и соосны с отверстиями подошвы для монтажа к изнашиваемой части, а в отверстие ступени большего диаметра впрессован фрикционный элемент, и сквозные отверстия с установленными фрикционными элементами, при этом сквозные отверстия в стальных планках равны по диаметру и соосны с глухими отверстиями подошвы, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстия стальных планок до контакта с установленными фрикционными элементами, монтаж стальной планки к подошве проведен горячей клепкой, фрикционные элементы запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины, с усилием 14-15 кН/см, выполнены в форме цилиндра высотой 10-40 мм, диаметром 5,0-40,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала. Кроме этого, фрикционные элементы содержат никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо, при следующем содержании компонентов, масс. %: 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 1,6-17, железо - остальное, фрикционные элементы имеют открытую пористость 16-20%, пропитаны раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л и подвергнуты отверждению при температуре 120-160°С, фрикционные элементы имеют твердость по Бринеллю 50-120 НВ5,0/1226/10, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, стальные цилиндры выполнены из стали с высокими демпфирующими свойствами высотой 10-20 мм, подошва имеет сквозные отверстия, равные по диаметру и соосные со сквозными отверстиями в стальных планках с установленными фрикционными элементами, в которые впрессованы стальные цилиндры, выполнены из стали с высокими демпфирующими свойствами высотой 10-30 мм, заходящие в сквозные отверстие стальных планок до контакта с фрикционными элементами, предел прочности фрикционного элемента на срез равен не менее 80 МПа, стальная планка состоит из отдельных элементов длиной 300-900 мм.
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 выполнением подошвы тормозной шины из стали 01Ю5Т толщиной 19-20 мм, обладающей высокими демпфирующими свойствами, в области высоких частот. Повышение технологичности достигается изготовлением подошвы (основания) из проката в виде полосы. Предлагаемое техническое решение позволяет понизить уровень шума более чем 15 дБ.
Наличие подошвы (основания) тормозной шины, выполненной из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной 19-20 мм, позволяет, с одной стороны, эффективно бороться с вибрацией и шумом, с другой стороны, благодаря тому, что сталь 01Ю5Т обладает высокими механическими свойствами, высокой конструкционной жесткостью, жестко крепить на балке вагонного замедлителя тормозную шину, уменьшая ее вибрацию.
3
Для получения высокого и стабильного коэффициента трения в пределах 0,4-0,5 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 5,15-5,85 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, получаем материал 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.
Пропитка металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала 30%-ным спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-ОПЛ с отверждением при температуре 120-160°С, позволяет дополнительно снизить уровень шума возникающего при контакте обода колеса вагона с металлической частью тормозной шины.
Отвержденное связующее фенольное порошкообразное, находясь в порах фрикционного элемента, при трении попадает на контактную поверхность стальных планок 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.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан вид на контактную поверхность тормозной шины вагонного замедлителя; на фиг.2 - сечение А-А тормозной шины на фиг.1, показана установка стальных цилиндров; на фиг.3 - сечение Б-Б тормозной шины на фиг.1, показано соединение клепкой стальных планок к подошве.
Шина тормозная вагонного замедлителя, сборная Г-образного профиля имеет подошву 1 из высокодемпфирующей стали 01Ю5Т толщиной 19 мм, с выполненными монтажными сквозными и глухими отверстиями, изнашиваемую часть в виде стальных планок 2 высотой 50 мм, шириной 40 мм, длиной (300-900) мм, с выполненными сквозными ступенчатыми отверстиями для монтажа к подошве 1, сквозные и глухие отверстия с установленными фрикционными элементами 3 и стальными цилиндрами 4. Фрикционные элементы 3 выполнены в форме цилиндра высотой 10-30 мм, диаметром 5,0-40,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, имеющего открытую пористость (16-20)%. Цилиндры 4 выполнены высотой (3-26) мм, из стали 01Ю5Т, обладающей высокими демпфирующими свойствами. Монтаж стальной планки 2 к подошве 1 проведен горячей клепкой.
Разработана техническая документация, изготовлена опытная партия тормозных шин для испытания в условиях сортировочных горок. Исследования шумовых характеристик проводились в составе вагонного замедлителя КЗ-5ПК на механизированной сортировочной горке Южно-Уральской Железной Дороге. Опытная партия тормозных шин изготавливалась на Инструментально-механическом заводе в Комсомольске-на-Амуре.