ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILWAY VEHICLE BLOCK BRAKE

Изобретение относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.
Из уровня техники известны серийно изготавливаемые в настоящее время чугунные тормозные колодки, например, изготавливаемые по ГОСТ 1205-73 «Колодки чугунные, тормозные для вагонов и тендеров железных дорог широкой колеи. Конструкция и основные размеры», и композиционные тормозные колодки для железнодорожных вагонов. Композиционные тормозные колодки для железнодорожных вагонов изготавливаются в России двух видов:
- с металлическим каркасом из стальной полосы с П-образным выступом и с приваренной к ней усилительной пластиной;
- с сетчато-проволочным каркасом.
(см. Б.А.Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М., Химия 1982 г., стр.8-14).
Главным существенным внешним и конструктивным отличием композиционных колодок с сетчато-проволочным каркасом от композиционных колодок со стальным металлическим каркасом является то, что центральная бобышка у этих колодок изготовлена из композиционного материала с внутренним армированием, что резко повышает упругоэластические свойства колодки и, как следствие, ударно-вибрационную стойкость колодки и исключает отрыв композиционного материала от каркаса и разрушение каркаса в месте П-образного выступа.
Тормозные композиционные колодки, по сравнению с чугунными, получили значительно более широкое применение, так как они имеют более высокий коэффициент трения, меньшее усилие нажатия и износостойкость, в несколько раз более высокий срок службы, меньшую массу, стоимость, а также обеспечивают бесшумное и плавное торможение поезда.
Однако, при эксплуатации тормозных композиционных колодок могут возникать отдельные дефекты, в том числе: термические трещины на поверхности катания колес, износ поверхности катания колес, снижение тормозной эффективности колодок при попадании в зону трения дождя, снега, а также при наличии угольной, торфяной пыли или листьев на поверхности рельса.
Из уровня техники известны композиционные тормозные колодки, содержащие одну или несколько твердых вставок и предназначенные для снижения вышеуказанных недостатков композиционных тормозных колодок.
Известна колодка тормозная по авторскому свидетельству СССР №159186 (20f.1, МПК в61h, 1963 г.). Колодка тормозная для железнодорожного подвижного состава преимущественно композиционная содержит пару твердых вставок на фрикционной части. С целью увеличения эффективности взаимодействия колодки с ободом колеса, пара твердых вставок симметрично расположена относительно горизонтальной оси колодки и перекрывает ее фрикционную часть по всей ширине. Вставки удерживаются за счет сил трения, возникающих между ними и фрикционным материалом колодки. В описании к авторскому свидетельству на изобретение на фиг.1 изображена колодка тормозная, содержащая в тыльной ее части металлический каркас.
Конструкция указанных колодок не обеспечивает требуемой надежности при эксплуатации, так как при длительных и экстренных торможениях, особенно в жаркую погоду, происходит интенсивная передача тепла из зоны трения на поверхность твердых вставок, тем более, что вставки имеют более высокую теплопроводность, вследствие чего температура композиционного материала на поверхностях, контактирующих с твердыми вставками, резко возрастает и происходит выгорание и расплавление органических материалов, включая связующее, входящих в состав композиционной колодки, в связи с чем крепление вставок ослабевает, и они перестают выполнять свое назначение и могут выпасть из колодки.
Существенные признаки наиболее близкого аналога «две твердые вставки», «фрикционный материал» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Известна тормозная колодка по патенту на изобретение №2309072 (F16D 65/04, 2007 г.), содержащая металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу. 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%. Композиционные колесосберегающие тормозные колодки со вставкой из специального высокопрочного чугуна позволяют увеличить ресурс колеса, так как примененный тип чугуна имеет ферритную структуру и графит в виде шаровидных или соответственно хлопьевидных включений, высокие механические свойства, в т.ч. предел прочности и относительное удлинение, благодаря чему в процессе торможения при высоких температурах чугун плавится и заполняет микротрещины на поверхности колеса, предотвращая тем самым дальнейшее развитие этих трещин; способствует улучшению поверхности катания колеса и увеличению стойкости колес к образованию выщербин и других дефектов. Кроме того, вставка из специального чугуна из-за присущей ей абразивности оказывает при нормальных и низких температурах очищающее воздействие на колесо, увеличивает шероховатость поверхности катания колеса и повышает сцепление колеса с рельсом и стабильность эффективности торможения, особенно в осенне-весенний период.
Однако, у данной конструкции колодки при эксплуатации в условиях ударно-вибрационных нагрузок имеет место отрыв фрикционного элемента от металлического каркаса, а иногда разрушение металлического каркаса в месте П-образного выступа. Кроме того, наличие только одной твердой вставки в центральной части колодки сужает функциональные возможности этой композиционной тормозной колодки с использованием вставки из высокопрочного или ковкого чугуна.
Известное техническое решение используется по тому же назначению и имеет общие с заявляемой колодкой существенные признаки: «композиционный фрикционный элемент», «твердая вставка из высокопрочного или ковкого чугуна».
Известна тормозная колодка железнодорожного транспорта по патенту РФ на полезную модель №69597, содержащая: композиционный фрикционный элемент, проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный элемент тыльной стороны колодки, по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки, твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и запрессованную в композиционный фрикционный элемент. Колодка с тыльной ее стороны содержит металлическую сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент, вставка в верхней нерабочей части имеет паз с ее тыльной стороны, запрессованный фрикционным композиционным материалом с отверстием для пропуска чеки, и консоли, симметрично расположенные по длине вставки с каждой ее стороны, причем верхняя нерабочая часть вставки вставлена в проволочный каркас и защемлена в нем.
В рассматриваемой конструкции колодки впервые обеспечено гибкое защемление тыльной нерабочей части твердой вставки в отверстиях проволочного каркаса за счет непараллельности и неперпендикулярности его сторон с одновременным выполнением вставляемых в отверстия проволочного каркаса частей вставки специальной формы, с экспериментально подобранными размерами, а также снабжением нерабочей части вставки специальными выемками, выступами, уклонами, консолями и другими формами, обеспечивающими защемление и зацепление вставки с проволочным каркасом.
Гибкое защемление твердой вставки в проволочном каркасе, наряду с внутренним армированием центральной бобышки проволочным каркасом и элементами твердой вставки, и запрессовывание металлических элементов в эластичном композиционном фрикционном элементе, например, на каучуковом связующем, обуславливает способность колодки в процессе эксплуатации к упругоэластическим деформациям, в пределах, возможных для композиционного фрикционного элемента.
Поэтому данная конструкция тормозной колодки имеет высокую ударно-вибрационную стойкость, что обуславливает высокую прочность колодки. Поскольку крепление вставки к проволочному каркасу выполнено в нерабочей тыльной части колодки с одновременным наличием паза с тыльной стороны вставки и консолей с обеих сторон по длине вставки, то колодка обладает высокой стойкостью против образования единых вертикальных сквозных трещин в месте контакта композиционного фрикционного элемента с твердой вставкой по причине их разной теплопроводности, а следовательно, имеет максимальный ресурс в эксплуатации по сравнению с рассмотренными аналогами.
В качестве недостатков рассматриваемой колодки следует отметить наличие только одной вставки, что не дает возможности ее применения там, где требуется тормозная колодка с двумя твердыми вставками.
Известное техническое решение используется по тому же назначению и имеет общие с заявляемой колодкой существенные признаки: «композиционный фрикционный элемент», «проволочный каркас»; «твердая вставка»; «колодка с тыльной ее стороны содержит металлическую сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент».
Известна колодка тормозная композиционная для железнодорожного подвижного состава с разнесенными вставками (варианты) по патенту РФ на полезную модель №67045.
В данной колодке, содержащей одно или двухслойный композиционный фрикционный элемент, закрепленный на сетчато-проволочном каркасе, имеются чугунные или стальные вставки, разнесенные относительно оси колодки. Как видно из фиг.1, 2, приведенных в описании к данному патенту, колодка содержит две чугунные или стальные вставки, одна из которых расположена в одной половине колодки, а вторая - в другой половине колодки.
Недостатками данной колодки являются следующие. Конструкция данной колодки имеет недостаточную прочность, так как в процессе эксплуатации у рассматриваемой колодки образуются сквозные трещины от рабочей до тыльной поверхности колодки на границе между вставкой и композиционным фрикционным элементом, вследствие их разной теплопроводности. Как только трещина между композиционным фрикционным элементом и твердой вставкой доходит от рабочей до тыльной поверхности колодки и становится сквозной, то твердая вставка повисает на проволочном каркасе и колодка разрушается.
Под действием ударно-вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации у рассматриваемой колодки быстро образуются трещины на границе контакта вставок с композиционным материалом из-за разности их плотности и теплопроводности и большого расстояния от оси колодки до твердых вставок, взаимодействующих с поверхностью катания колеса, по сравнению с колодкой, у которой это расстояние меньше.
По этой причине рассматриваемая колодка имеет очень большую минимальную толщину колодки, разрешенную для эксплуатации, при которой сквозные трещины еще не образовались и которая, в свою очередь, обуславливает очень небольшой ресурс колодок.
Соединение стальных, а особенно чугунных вставок, со стальным проволочным каркасом путем сваривания, пайки или совмещенного с проволочным каркасом литья дорогостоящая и трудоемкая операция, а скрепление типа замок-защелка недостаточно понятно, так как не пояснено ни в описании, ни в чертежах.
Согласно описанию полезной модели вставки данной колодки выполнены из стали и чугуна, которые не восстанавливают поверхность катания колеса в процессе обычного торможения путем заполнения микротрещин на поверхности катания колеса, например, расплавленной сталью и расплавленным чугуном, и тем самым не препятствуют их дальнейшему развитию и не позволяют увеличить ресурс колеса.
Существенные признаки наиболее близкого аналога «две твердые вставки», «одно- или двухслойный композиционный фрикционный элемент», «проволочный каркас» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая тормозная колодка, является повышение прочности и надежности конструкции тормозной колодки, повышение ресурса колодки при эксплуатации, стабильности эффективности торможения, а также восстановление поверхности катания колеса при торможении, то есть повышение ресурса колеса.
Поставленную задачу решает предлагаемая тормозная колодка для железнодорожного транспортного средства, содержащая:
- одно- или двухслойный композиционный фрикционный элемент;
- две твердые вставки;
- проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный материал тыльной части колодки по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки;
- при необходимости металлическую сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент тыльной поверхности колодки.
Твердые вставки выполнены и размещены в колодке следующим образом.
Тыльная часть каждой из двух твердых вставок имеет консоли, расположенные с каждой стороны вставки по ее длине, а тыльная нерабочая часть каждой из двух твердых вставок имеет паз по длине вставки, что обеспечивает уменьшение сквозных вертикальных трещин на границе контакта композиционного фрикционного элемента с твердой вставкой. Одна из двух консолей каждой из вставок загнута в сторону тыльной поверхности колодки и размещена в центральной бобышке по обе стороны от оси колодки, и, таким образом, перекрывает загнутую консоль другой вставки по длине колодки в середине длины колодки. Это позволяет исключить образование поперечной вертикальной трещины в центральной бобышке, увеличить площадь крепления твердой вставки в приформованном к ней композиционном фрикционном элементе, за счет центральной бобышки, а следовательно, увеличить прочность крепления твердых вставок в колодке и увеличить минимальную толщину колодки, разрешенную для эксплуатации, а значит увеличить ресурс колодки.
Каждая из вставок может быть защемлена в проволочном каркасе и вставки вместе с каркасом запрессованы в композиционном элементе таким образом, что тыльные поверхности консолей вставок, за исключением размещенных в центральной бобышке, находятся в одной плоскости с поверхностью перфорированной жести тыльной стороны колодки.
Для этого каждая из вставок вставлена и защемлена в одной из рамок проволочного каркаса и имеет в тыльной нерабочей части равную или меньшую рамке ширину и снабжена выступами и/или выемками для дополнительного ограничения перемещения вставок в проволочном каркасе по высоте и/или длине и/или ширине, а длина и/или ширина вставки в месте выступов больше длины и/или ширины рамки.
Твердые вставки могут быть выполнены из высокопрочного или ковкого чугуна, которые восстанавливают поверхность катания колеса в процессе торможения.
Твердые вставки расположены в колодке таким образом, что их нерабочая тыльная поверхность при эксплуатации соприкасается непосредственно или через перфорированный тыльник с поверхностью выступающих частей «пяток» башмака тормозной колодки, в котором она установлена, т.е. в непосредственной близости от центральной бобышки.
Предусмотренное конструкцией колодки минимальное расстояние между двумя частями твердых вставок, контактирующих с поверхностью катания колеса, позволяет минимизировать разрушающий эффект в колодке под действием ударных и вибрационных нагрузок из-за разности плотности и теплопроводности композиционного материала и твердых вставок.
Приведенные ниже существенные признаки заявляемой колодки являются отличительными от наиболее близкого аналога:
- «Каждая из двух твердых вставок имеет, по крайней мере, по одной консоли в тыльной части колодки с каждой стороны по длине вставки, причем, по меньшей мере, одна из консолей каждой из вставок расположена в центральной бобышке по обе стороны от середины длины колодки».
- «Каждая из твердых вставок может быть защемлена в проволочном каркасе».
- «Твердые вставки могут быть расположены в колодке таким образом, что их нерабочая тыльная поверхность при эксплуатации соприкасается с поверхностью выступающих частей башмака тормозной колодки, в котором она установлена, в непосредственной близости от центральной бобышки».
- «Твердые вставки могут быть выполнены из высокопрочного или ковкого чугуна».
На фиг.1 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, где:
1 - композиционный фрикционный элемент, состоящий из одного или двух продольных слоев в зависимости от варианта изготовления колодки;
2 - проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в
композиционный фрикционный материал тыльной части колодки по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки;
3 - металлическая сетка или перфорированная жесть, впрессованная в композиционный фрикционный элемент тыльной поверхности колодки (в случае ее использования в конструкции колодки);
4, 5 - две твердые вставки;
6 - центральная бобышка;
7 - вспомогательные бобышки;
8 - отверстие под чеку в центральной бобышке;
9 - паз со стороны рабочей поверхности колодки (только для варианта изготовления колодки с пазом).
На фиг.2 изображен общий вид сетчато-проволочного каркаса с защемленными в нем твердыми вставками.
На фиг.3 изображен общий вид твердой вставки, где:
4, 5 - две твердые вставки, отличающиеся размерами, так как рамки отличаются друг от друга шириной;
11 - консоль загнутая;
12 - консоли прямые;
13 - выступы в консолях;
14 - выступы в твердой вставке;
15 - консоль короткая;
16 - паз по длине вставки в тыльной нерабочей части.
На фиг.4 изображена схема установки колодки в башмак тормозной колодки. 17 - башмак тормозной колодки; 18 - колодка тормозная; 19 - чека.
Технология изготовления тормозной колодки может предусматривать следующие этапы (операции):
- изготовление (отливка) вставок из высокопрочного или ковкого чугуна;
- изготовление заготовки из перфорированной жести при необходимости ее использования в конструкции колодки;
- изготовление и сварка проволочного каркаса из проволоки;
- сборка проволочного каркаса с твердыми вставками путем защемления;
- изготовление композиционных фрикционных материалов для рабочего и нерабочего слоев;
- поочередная укладка в пресс-форму заготовки из перфорированной жести, проволочного каркаса с твердыми вставками, навески нерабочего слоя с разравниванием и рабочего слоя с разравниванием композиционных фрикционных материалов и с последующим формованием под давлением в прессе;
- вулканизация колодок в пресс-форме под давлением и при температуре;
- сверление отверстий под чеку в тормозной колодке.
В исключительных случаях при использовании ржавых или загрязненных металлической арматуры и вставок из чугуна или при выполнении особых требований по прочности колодки может выполняться очистка арматуры и вставок обезжириванием или в пескоструйных аппаратах и промазка клеем по обычным известным технологиям с целью улучшения адгезии и крепления металлической арматуры с композиционным элементом.
Все операции, кроме предлагаемой сборки проволочного каркаса со вставками, достаточно подробно описаны в технической литературе (см. Б.А.Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М., Химия, 1982 г., и в представленных аналогах).
Твердые вставки расположены в колодке таким образом, что их нерабочая тыльная поверхность при эксплуатации соприкасается непосредственно или через перфорированный тыльник с поверхностью выступающих частей «пяток» башмака тормозной колодки, в котором она установлена, т.е. в непосредственной близости от центральной бобышки.
Твердые вставки могут быть выполнены из высокопрочного или ковкого чугуна, путем отливки требуемой формы, например, способом точного литья в соответствии с изображением фиг.2, не требующей дальнейшей механической обработки.
Изготовление твердых вставок из высокопрочного или ковкого чугуна позволит, как указывалось выше, не только стабилизировать эффективность торможения в осенне-весенний период и очищать поверхность катания колеса, но и восстанавливать ее в процессе обычного торможения.
С целью обеспечения очищающего, полирующего и восстанавливающего воздействия на поверхность катания колеса на всей площади поверхности контакта колодки с колесом поперечное сечение колодки со вставкой имеет форму, не отличающуюся от формы колодки в других ее поперечных сечениях. Для исключения поломки пресс-форм, а также в соответствии с техническими требованиями на колодку, габарит вставки в поперечном сечении может предусматриваться на несколько мм меньше, чем у композиционного фрикционного элемента.
Соединение твердых вставок с проволочным каркасом может осуществляться способом совмещенного с проволочным каркасом литья, способами сварки или пайки или связывания проволокой, синтетическим шнуром, тесьмой и другими способами, а также способом гибкого защемления в проволочном каркасе.
Гибкое защемление твердых вставок в проволочном каркасе, наряду с внутренним армированием центральной бобышки проволочным каркасом и элементами твердых вставок, и запрессовывание металлических элементов в эластичном композиционном фрикционном элементе, например на каучуковом связующем, обуславливает способность колодки в процессе эксплуатации к упруго эластическим деформациям, в пределах, возможных для композиционного фрикционного элемента.
Поэтому данная конструкция тормозной колодки имеет высокую ударно-вибрационную стойкость, что обуславливает высокую прочность колодки. Поскольку крепление вставки к проволочному каркасу выполнено в нерабочей тыльной части колодки с одновременным наличием паза с тыльной стороны вставки и консолей с обеих сторон по длине вставки, то колодка обладает высокой стойкостью против образования единых вертикальных сквозных трещин в месте контакта композиционного фрикционного элемента с твердыми вставками по причине их разной теплопроводности, а следовательно, имеет максимальный ресурс в эксплуатации по сравнению с рассмотренными аналогами.
При сборе вставок с проволочным каркасом способом гибкого защемления в нем, каждую из твердых вставок поочередно, вручную поворачивают примерно на 30° по отношению к ширине проволочной рамки, т.е. вдоль рамки, и заводят вставку длинной стороной по длине рамки снизу в рамку таким образом, чтобы загнутая консоль вставки заходила в отверстие между рамками, а проволока длинной стороны рамки находилась выше выступа твердой вставки, но ниже двух выступов консолей, т.е. между ними.
Путем дальнейшего поворота вставки в горизонтальное положение и одновременно с небольшим усилием вручную оттягивая вторую проволоку рамки от первой (т.е. увеличивая тем самым ширину рамки), заводят далее следующие два выступа консолей вставки, переводя их из положения «под проволокой» в положение «над проволокой». Затем отпускают проволоку из оттянутого положения в обычное и, тем самым, фиксируют вставку в проволочном каркасе.
При необходимости, с помощью пневматического пресса в штампе или каким-либо другим способом выполняют дополнительно фиксирующий изгиб проволочной рамки с одновременным защемлением в ней двух вставок вместе или поочередно.
Дополнительно к защемлению вставок в проволочном каркасе допускается связывание вставок между собой проволокой, синтетическим шнуром и т.п., в центральной бобышке, для чего во вставках могут быть предусмотрены специальные выемки.
После формования с фрикционным композиционным материалом в прессе под давлением и вулканизации колодок в пресс-форме под давлением и при температуре вставки вместе с сетчато-проволочным каркасом будут запрессованы в композиционном фрикционном элементе таким образом, что тыльные поверхности консолей вставок, за исключением размещенных в центральной бобышке, находятся в одной плоскости с поверхностью перфорированной жести или тыльной стороны колодки.
Выполнение заявляемой тормозной колодки новой конструкции с признаками, указанными в отличительной части формулы, позволяет повысить стабильность эффективности торможения, прочность конструкции колодки и увеличить ресурс колодок и колес в эксплуатации.
Прочная, надежная конструкция композиционной тормозной колодки с твердыми вставками из специального высокопрочного или ковкого чугуна, в свою очередь, позволит добиться стабильной эффективности торможения, в том числе при обледенении и в дождь, повысить теплоотдачу в окружающую среду, обеспечить очищающее, полирующее и восстанавливающее воздействие на поверхность катания колеса, заполнять мельчайшие трещины на поверхности катания колеса чугуном при его расплавлении при высоких температурах и, тем самым, предотвращать их дальнейшее развитие и, как следствие, повысить ресурс работы колеса и ресурс колодки.