ТОРМОЗНАЯ ШИНА ВАГОННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ

Полезная модель относится к путевым устройствам железнодорожного транспорта и предназначено для установки в устройства регулирования скорости скатывания отцепов (вагонные замедлители) на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
Известны тормозные шины, применяемые на всех типах вагонных замедлителей изготовленных из Г-образного стального профиля (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). Тормозные шины изготовляются из проката сортовой конструкционной горячекатаной Стали 50ХГ по ТУ14-1-3188-81 определенного профиля с содержанием углерода 0.47-0.49%, хрома 0.97-1,01%, никеля 0.10-0.14%. Тормозную шину, по функциональному назначению, условно можно разбить на две части, это изнашиваемая рабочая часть и подошва для крепления, в виде сплошного желоба, имеющая монтажные отверстия для шинных болтов и размещения головок шинных болтов.
Недостатком данной тормозной шины является большой объем механической обработки рабочей части тормозной шины и малый срок службы шины. Рабочая часть шины составляет менее 20% от всего объема шины, при выработке изнашиваемого участка тормозной шины более 30 мм, тормозная шина выбраковываются целиком и заменяются новой, при этом приходится отвинчивать боле 30 гаек с шинных болтов крепящих шину к тормозным балкам. При торможении тормозными шинами, изготовленными из стали, уровень шума может достигать более 120 Дцб, что значительно больше допустимых значений. Высокое шумовое загрязнения образующееся в процессе торможения, имеет широкий диапазон частот, до 5000 Гц.
Известна тормозная шина вагонного замедлителя, тормозная поверхность шины выполнена из пластического фрикционного материала в виде отдельных элементов, укрепляемых на металлической основе. (Авторское свидетельство №137132 по заявке №652077 от 25.01.1960 г.) Наличие дополнительных прижимных планок для крепления фрикционных элементов, крепежных шпилек, фрикционных элементов с внутренней резьбой значительно усложняют конструкцию тормозной шины, делая ее не технологичной и дорогостоящей.
Наиболее близким техническим решением является тормозная шина для вагонных замедлителей, устанавливаемых на тормозных позициях сортировочных горок, состоящая из изнашиваемой части и подошвы в виде сплошного желоба, для размещения головок шинных болтов, имеющего монтажные отверстия для шинных болтов, при этом изнашиваемая часть выполнена в виде отдельных фрикционных элементов из композиционного материала с коэффициентом трения в пределах 0,10-0,18 и/или 0,18-0,40. Подошва имеет резьбовые отверстия для крепления прижимных планок и два бурта, один служит для удержания фрикционного элемента, имеет ряд впадин для фиксации фрикционного элемента от смещения в продольном направлении, второй служит для упора прижимных планок, фрикционный элемент закреплен в сплошном желобе подошвы с помощью, не менее, двух прижимных планок, имеет в нижней части в поперечном сечении форму трапеции с углами наклона боковых поверхностей 3-35°, фрикционный элемент имеет выступ для фиксации в подошве от смещения в продольном направлении. (Патент на полезную модель №127023 «Тормозная шина вагонных замедлителей устанавливаемых на тормозных позициях сортировочных горок»).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа
Наличие фрикционных элементов позволяет в 3-4 раза повысить износостойкость контактной поверхности шины, снизить уровень шумового загрязнения, но значительно усложняет конструкцию тормозной шины. Дополнительные прижимные планки, крепежные болты, фрикционные элементов сложной геометрической формы значительно снижают жесткость тормозной шины. Ослабление одного крепежного болта фрикционного элемента может привести к существенным поломкам всего вагонного замедлителя. Данная тормозная шина является не технологичной и дорогостоящей в изготовлении и в обслуживании и не надежной в работе в условиях постоянной вибрации и ударных нагрузок, действующих на шину вагонного замедлителя.
Задачей заявляемого технического решения по тормозной шине вагонного замедлителя является повышения эффективности работы вагонных замедлителей на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в снижения трудоемкости изготовления тормозной шины, в повышении надежности крепления фрикционных элементов, работающих в условиях постоянной вибрации и ударных нагрузок, в снижении затрат на изготовлении и обслуживание в процессе эксплуатации за счет исключения обслуживания и замены тормозных шин.
Технический результат достигается тормозной шиной вагонного замедлителя, состоящей из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали, имеющего изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя выполненную в виде сплошного желоба, для размещения головок шинных болтов, с монтажными отверстиями, контактная поверхность изнашиваемой части образована фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава, при этом контактная поверхность изнашиваемой части шины, образованная фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава, составляет не более 80% от общей площади контактной поверхности, фрикционные элементы имеют форму тела вращения и закреплены в отверстиях, выполненных в изнашиваемой части шины, фрикционные элементы имеют коэффициент трения в пределах 0,1-0,6. композиционный сплав фрикционных элементов тормозной шины содержит мас.%:
Никель
1.0-3.5
Медь
1.5-10.0
Графит
0.8-5.0
Дисульфид молибдена
1.0-3.0
Оксид алюминия
1.0-5.0
Сульфат бария
1.5-10.5,
размер зерен порошков находится в пределах 0,5-500 мкм, пористость сплава составляет не более 20%. Кроме этого, шина имеет изогнутость по длине контактной поверхностью наружу со стрелой прогиба не более 3-15 мм, фрикционный элемент выполнен составным, состоящим головной части из фрикционного композиционного сплава и подложки из стали, соединение головной части и подложки фрикционного элемента выполнено посредством припекания или посредством склеивания, отверстия для закрепления фрикционных элементов выполнены глухими или сквозными, сквозное отверстие для закрепления фрикционных элементов выполнено ступенчатым с большим диаметром со стороны контактной поверхности или с большим диаметром со стороны поверхности, прилегающей к раме вагонного замедлителя, фрикционный элемент закреплен в отверстии запрессовкой или склеиванием или посредством шпильки или посредством штифта, фрикционный элемент установлен заподлицо с контактной поверхностью или с выступом относительно контактной поверхности, или с утоплением относительно контактной поверхностью, диаметр фрикционного элемента на контактной поверхности не превышает 80% ширины изнашиваемой части фрикционные элементы в одной шине установлены различного диаметра или одного диаметра, фрикционные элементы в одной шине установлены с переменным шагом или с постоянным шагом, фрикционный элемент дополнительно содержит оксид кремния.
Предлагаемое техническое решение тормозной шиной вагонного замедлителя в технологическом плане значительно проще в изготовлении по сравнению с прототипом. За основу принимается серийно выпускаемая шина. Отсутствуют прижимные планки, дополнительные крепежные болты, фрикционные элементы имеют простую геометрическую форму тела вращения. Они технологичны в изготовлении и позволяют устанавливать их в тормозной шине различными способами, выполнять их составными, состоящими головной части из фрикционного композиционного сплава и подложки из стали. Соединение головной части и подложки фрикционного элемента выполняется простыми технологическими приемами, кроме этого, изогнутость тормозной шины, позволяет дополнительно подвергать сжатию фрикционные элементы при креплении тормозной шины к тормозной балке. При выпрямлении шины со стрелкой прогиба 3-15 мм при установке шины обеспечивается дополнительное упругое деформирование фрикционного элемента в отверстии. Это позволяет избежать ослабления крепления фрикционного элемента допущенного при его первоначальной установке. При торможении вагона путем защемления тормозными шинами с двух сторон обода, котящегося колеса по рельсу, создаются условия, когда направление действия силы трения на фрикционные элементы меняется на 180°, т.е. сила трения пытается расшатать фрикционный элемент, установленный в отверстие. Чтобы не происходило выпадение фрикционного элемента в процесс торможения, должен обжат со всех сторон.
Наличие контактной поверхности изнашиваемой части шины образованной фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава с коэффициентом трения 0,1-0,6 и стальной поверхности сочетающей в себе высокий коэффициент трения и прочность, позволяют значительно повысить износостойкость шины в целом, довести ее до периода равного периоду работы вагонного замедлителя до его замены, что составляет 20-25 лет. При обслуживании вагонного замедлителя не проводятся работы связанные с заменой тормозной шины и ее обслуживанием. Если поверхность изнашиваемой части шины образованной фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава составляет более 80% от общей площади контактной поверхности, резко снижается жесткость шины и ее износостойкость. Тоже самое происходит при выполнение диаметра фрикционного элемента превышающего 80% ширины контактной поверхности рабочей изнашиваемой части. Кроме этого, ослабевает жесткость крепления фрикционного элемента, что является причиной интенсивного износа.
На шине, изготовленной из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ по ТУ 14-1-3188-88, в процессе торможения, образуется облой, (заусенец) вследствие пластического течения металла. С верхней части шины облой срезается вручную, с нижней части, ввиду его труднодоступности, не срезают. Наличие облоя, приводит к дополнительному появлении шума. При наличии на контактной поверхности материала фрикционных элементов, образование облоя не происходит. Это обусловлено тем, что компоненты, которые имеются в составе фрикционных элементов обеспечивают, при ударных нагрузках и вибрации в условиях трения «начального периода приработки», смену механизма изнашивания тормозной шины. При контакте «сталь по стали», без наличия фрикционных элементов, реализуется адгезионный, высокотемпературный, с характерным высокочастотным, и высоким уровнем звука, механизм разрушения тормозной шины. Следствием данного механизма разрушения является наличие множества трещин на контактной поверхности тормозной шины и пластическое течение металла с образование облоя по краям шины. Фрикционные элементы в контактной зоне меняет механизм разрушение шины, основным механизмом износа становится абразивный. Об этом свидетельствует снижение уровня шума при торможении, отсутствие на стальной части поверхности шины микротрещин и отсутствие облоя по кроям шины.
Технический результат достигается также за счет того, что фрикционный элемент выполнен из порошковый фрикционный сплав на основе железа, содержащий следующие компонентов, мас.%:
Никель
1,8-2,4
Медь
2,3-2,9
Графит
1,3-1,9
Дисульфид молибдена
1.3-2,0
Оксид алюминия
1,2-2,0
Сульфат бария
5,5-6,5
Кроме этого, размер зерен порошков находится в пределах 0,5-200 мкм, пористость сплава составляет не более 20%., оксид алюминия введен в виде микролита ЦМ-322 имеет размер зерен 0,5-1,5 мкм.
В режиме трения в условиях постоянного «начального периода приработки», при ударных нагрузках и вибрации, характеризуемого малой длительностью процесса (1-5 сек) и большим усилием прижатия (до 15 тс) тормозной шины к ободу колеса, компоненты фрикционного сплава выполняют следующие функции.
Железо является основным связующим компонентом, матрицей и обеспечивает общую прочность и теплостойкость фрикционного сплава.
Никель растворяется в феррите, повышая его твердость и прочность, одновременно увеличивая вязкость феррита.
Часть меди, при спекании растворяется в феррите, тем самым упрочняя его и повышая сопротивление атмосферной коррозии. Часть меди содержится в материале в виде частиц свободной меди, улучшая фрикционные свойства композита. Медь в составе фрикционных материалов на основе железа повышает теплопроводность увеличивает коэффициент трения.
Графит имеет сложную структуру и в процессе трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей.
Дисульфид молибдена служит в процессе трения твердой смазкой, препятствующей молекулярному схватыванию поверхностей, и способствует повышению общей прочности сплава.
Оксид алюминия обеспечивает заданный коэффициент трения и его стабильность.
Сульфат бария стабилизирует фрикционные свойства и снижает интенсивность процесса схватывания в паре трения «фрикционный элемент - бандаж колеса».
Заявленная совокупность компонентов, вводимых в предлагаемый состав в предлагаемом соотношении, обеспечивают повышение износостойкости и стабильности коэффициента трения при работе в условиях постоянного «начального периода приработки», при ударных нагрузках и вибрации.
Снижение физического износа, за счет исключения процессов адгезионного сваривания (схватывания) в паре трения «тормозная шина - обод колеса», позволяет значительно, порядка на 10-15 дБ, понизить уровень шума.
Вне зависимости от скорости движения отцепа, наличие фрикционных элементов предлагаемого состава с более высоким и стабильным,
коэффициентом трения в сочетании со сталью 50ХГ. Позволяют получить дополнительный технический результатом заключающийся повышение точности позиционирования вагонов на путях сортировочной горки.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан фрагмент проката тормозной шины, на фиг. 2, 3, 4, 5 показан разрез тормозной шины по месту установки фрикционного элемента, на фиг. 6 показан характерный вид адгезионного изнашивания боковой поверхности вагонного колеса при торможении шинной из стали 50ХГ, на фиг. 7 показан характерный вид абразивного изнашивания боковой поверхности вагонного колеса, при торможении шиной с фрикционными вставками, на фиг.8 показан характерный вид изнашивания контактной поверхности тормозной шины, на фотографии показано соединение двух шин установленных на вагонном замедлителе, справа шина с фрикционными вставками, слева - шина из стали 50ХГ, видны характерные наплывы, микротрещины.
Тормозной шина вагонного замедлителя, состоит из горячекатаного профиля 1 Г-образной формы из стали, изнашиваемой части 1.1 в которой установлены фрикционные элементы 2 образующею контактную поверхность 1.2. Фрикционные элементы 2 имеют форму тела вращения и закреплены в отверстиях выполненных в изнашиваемой части 1.1, при этом образованная фрикционными элементами 2 из порошкового композиционного сплава контактная поверхность, составляет не более 80% от общей площади контактной поверхности 1.2, фрикционные элементы 2 имеют коэффициент трения в пределах 0,1-0,6. Шина имеет изогнутость по длине контактной поверхностью наружу со стрелой прогиба не более 3-15 мм, фрикционный элемент 2 может быть выполнен составным, состоящим головной части 2.1 из фрикционного композиционного сплава и подложки 2.2 из стали. Соединение головной части 2.1 и подложки 2.2 фрикционного элемента выполнено посредством припекания, или склеивания. Отверстия для закрепления фрикционных элементов 2 выполняются глухими или сквозными гладкими или ступенчатыми. Фрикционный элемент 2 закреплен в отверстии запрессовкой, склеиванием, посредством шпильки, штифта, установлен заподлицо с контактной поверхностью с выступом относительно контактной поверхности, с утоплением относительно контактной поверхностью, диаметр фрикционного элемента 2 на контактной поверхности 1.2 не превышает 80% ширины изнашиваемой части 1.2. Возможна установка фрикционных элементов 2 в одной шине различного диаметра, или одного диаметра, с переменным шагом, или с постоянным шагом.
Исследования фрикционных характеристик проводились в условиях постоянного «начального периода приработки», на машине трения ИИ5018. График торможения на машине имитировал схему торможения реальной шины в шинном замедлителе, а также в условиях опытной эксплуатации.
2
По результатам испытаний установлено, что коэффициент трения скольжения, а также линейный износ образца, изготовленных по предлагаемому техническому решению, при равном числе контактов торможения в условиях постоянного «начального периода приработки», превосходит аналог и тормозную шину без фрикционных вставок. Давление в зоне контакта образцов соответствовало 50 кг/см
Тормозная шина имеет повышенную износостойкость и улучшенные триботехнические характеристики при работе в условиях постоянного «начального периода приработки», что обеспечивает более высокую надежность и долговечность тормозной шины вагонного замедлителя для механизированных сортировочных горок.
Опытная партия тормозных шин, изготовленная на машиностроительных заводах страны по предлагаемому техническому решению и установленная на сортировочной горке проходит дальнейшие эксплуатационные испытания.