ВТУЛКА ПОДВЕСКИ ТОРМОЗНОГО БАШМАКА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к производству втулок, имеющих низкий коэффициент трения, и может быть использована в подвесках тормозного башмака для всех видов рельсового транспорта: в пассажирских и грузовых железнодорожных поездах, трамваях, поездах метрополитена.
Известна втулка подвески тормозного башмака для рельсового транспорта (см. патент РФ №2298707 на изобретение «Втулка рычажной тормозной системы рельсового транспорта», МПК: F16C 13/04, B61H 13/34, заявлено 04.10.2005). Указанная втулка выполнена двухслойной из полимерных композиционных материалов, внутренний слой которой, является рабочим слоем скольжения и содержит волокнистый наполнитель, связующее и антиадгезив, причем в качестве связующего используется фенолоформальдегидная или крезолоформальдегидная смола в виде новолачной и/или резольной формы. Известная конструкция втулки по патенту РФ №2298707 на изобретение недостаточна надежна в эксплуатации из-за возможного расслоения ее слоев и, кроме того, выделяет при изготовлении вредные выбросы в окружающую среду свободного фенола, формальдегида и пыли.
В этом и заключается недостаток известного изобретения по патенту РФ №2298707 на изобретение.
Втулка по патенту 2298707 на изобретение выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа), поскольку по технической сущности и достигаемому эффекту она ближе других к заявляемой полезной модели.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности при эксплуатации и повышение экологической безопасности производства.
Технический результат заключается в уменьшении максимальной температуры трения, что увеличивает легкость скольжения, способствуя снижению износа втулок и обеспечивая увеличение срока службы, а также в улучшении условий производства втулок, за счет уменьшения вредных выбросов.
Указанная задача достигается тем, что втулка подвески тормозного башмака для рельсового транспорта, выполненная из композиционного материала, содержащего волокнистый наполнитель, связующее и антиадгезив, согласно полезной модели, втулка выполнена из композиционного материала, содержащего в качестве волокнистого наполнителя форполимер уретановый марки НИЦ-ПУ-5, в качестве антиадгезива - графит порошковый марки П, в качестве связующего - агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Форполимер уретановый марки НИЦ-ПУ-5
75,0-77,5
Графит порошковый марки П
0,5-0,6
Агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5
22,0-24,5.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют, что предлагаемая полезная модель неизвестна и не следует явным образом из изученного уровня техники, а, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Заявляемая полезная модель может быть изготовлена в условиях специализированных цехов машиностроительного предприятия вакуумным методом литья без давления с использованием стандартного отечественного или импортного оборудования, известных технологий и серийно выпускаемых промышленностью материалов. Изготовление вакуумным методом не дает воздушных пор, которые могут быть причиной разрыва, пробития стенки втулки при торможении.
Износившаяся втулка может быть заменена по месту эксплуатации без обращения в соответствующие ремонтные мастерские.
Возможность изготовления и использования предлагаемой полезной модели обеспечивает ей соответствие критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому устройству новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
При выборе материала для изготовления втулки из волокнистых полимерных композиционных материалов учитывалось, что они «представляют сложные системы, состоящие из армирующих волокон и полимерной матрицы (или связующего). Прочность таких материалов зависит от целого ряда физико-химических и технологических факторов, часто тесно связанных друг с другом. Ключевую роль в обеспечении прочности волокнистых композитов играет адгезионная прочность соединения «волокно-матрица», (см. Ю.Г. Богданова. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов. МГУ имени М.В. Ломоносова. - М., 2010, сайт nano.msu.ru). Экспериментально подбирались материалы «волокно-матрица» из ряда полимерных композиционных материалов, в результате чего были выбраны форполимер уретановый марки НИЦ-ПУ-5 ТУ 2253-179-07507802-2002 и агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5 ТУ 2413-178-07507802-2002 Выбранный агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5 представляет собой раствор 3,3-дихлор-4,4-диаминофениленметана (40%) в полиэфире (60%) - политетраметиленэфиргликоля (полифурита) (см. сайты http://www.vedco.ru/gtg_rf/gtd.php?id=30182636 и http://www.sibtender.ru/postav/product.asp?id=1444714&id=241000&sort=2). Предпочтение было отдано отечественным маркам, среди которых есть достойные, превосходящие по некоторым характеристикам импортные аналоги. Обращалось внимание на их физико-технические характеристики, например на твердость по Шору А, предел прочности при растяжении, диапазон рабочей температуры и другие. Они приведены в статье «Свойства полиуретанов различных марок» (см. сайт http://www.upkomplekt.ru/articles/1/). Втулка подвески тормозного башмака для рельсового транспорта, предназначенная для амортизации подвески при ее закреплении, работает в условиях интенсивного абразивного износа и высоких ударных давлений. Снижение влияния этих показателей на надежность работы втулки возможно обеспечением легкости скольжения втулки по металлическим поверхностям, с которыми она соприкасается. Следовало подобрать антиадгезив, снижающий верхний предел температур, возникающих при трении втулки о металл. Им стал графит порошковый марки П.
Материал втулки при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Форполимер уретановый марки НИЦ-ПУ-5
75,0-77,5
Графит порошковый марки П
0,5-0,6
Агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5
22,0-24,5
был установлен экспериментально и обеспечил необходимые показатели противоизносных и антифрикционных свойств трущихся деталей, что повысило надежность втулок при эксплуатации.
В свою очередь, указанная совокупность существенных признаков обеспечила достижение технического результата: уменьшение максимальной температуры трения и увеличение легкости скольжения, способствуя уменьшению износа втулок и обеспечивая повышение надежности при эксплуатации, а также улучшение условий производства втулок, благодаря снижению вредных выбросов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором представлен общий вид втулки в разрезе в сборе с кронштейном боковой рамы, валиком и подвеской тормозного башмака.
Втулка 1, внутри которой установлен валик 2, снабжена с одного конца выступом 3 с фаской, а с другого конца снабжена фланцем 4, наружная поверхность которого прижата к кронштейну 5 крепления боковой рамы (на черт, не показана) вагона. Фаска на выступе 3 облегчает установку втулки 1 в проушину 6 подвески тормозного башмака, а фланец 4 не дает втулке 1 выпасть из проушины 6. Валик 2, кронштейн 5 и проушина 6 выполнены металлическими. На фигуре чертежа показаны предохранительная шайба 7 и втулка 8 фенолпластовая, к торцу которой прижат фланец 4.
Трущимися поверхностями, создающими пару трения, являются внутренняя поверхность втулки 1 и наружная поверхность валика 2, наружная поверхность фланца 4 с торцем втулки 8 фенолпластовой и кронштейном 5 крепления боковой рамы вагона, а также наружная поверхность втулки 1, соприкасающаяся с проушиной 6.
Были изготовлены три образца втулок, представленных в Таблице 1, с разным процентным содержанием компонентов, мас.%.
Таблица 1
Компонент
1-й образец
2-й образец
3-й образец
Форполимер уретановый марки НИЦ-ПУ-5
78
76
71
Графит порошковый марки П
0,3
0,5
0,8
Агент сшивающий марки НИЦ-ПУ-5
21,7
23,5
28,2
В первом образце содержание форполимера уретанового марки НИЦ-ПУ-5 выбрано выше заявленного предела, содержание остальных компонентов находятся ниже предела. Во втором образце содержание всех компонентов находится внутри предела. В третьем образце содержание форполимера уретанового марки НИЦ-ПУ-5 выбрано ниже заявленного предела, содержание двух других компонентов выбраны выше заявленного предела. При меньшем процентном содержании форполимера уретанового марки НИЦ-ПУ-5 образец имеет большую твердость и при минусовых температурах приобретает хрупкость, что способствует быстрому износу. Кроме того, втулка не будет сгибаться и будут затруднения при установке ее в проушину подвески. При большем процентном содержании форполимера уретанового марки НИЦ-ПУ-5 образец имеет меньшую твердость и быстрее изнашивается. При меньшем процентном содержании графита порошкового марки П увеличивается сила трения и выше температура, что приводит к быстрому износу. При большем процентном содержании графита порошкового марки П происходит оседание графита на поверхностях валика подвески тормозного башмака, что вызывает повышенный износ втулки. При нормальном процентном содержании агента сшивающего марки НИЦ-ПУ-5 втулка получается средней мягкости и равномерно изнашивается, то есть служит надежно, так как физические свойства материала втулки не меняются, а при большем процентном содержании агента сшивающего марки НИЦ-ПУ-5 втулка получается более твердая и при минусовых температурах более хрупкая, подверженная более быстрому износу. Втулка, подверженная быстрому износу, ненадежна в эксплуатации.
Вышеуказанные образцы были подвергнуты испытаниям в условиях, максимально приближенных к реальным условиям. Втулки устанавливались в проушину подвески, и в них устанавливался валик. Испытания длились 2 часа, скорость вращения валика равнялась 3000 оборот/мин. Результаты испытаний сведены в Таблицу 2.
Таблица 2
1-й
2-й
3-й
НИЦ-
Характеристика
образец
образец
образец
ПУ-5
Твердость по Шору А, усл. ед.
80-84
90-91
95-98
88-95
Предел прочности при растяжении, МПа, не менее
19,7
19,6
19,9
19,6
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее
370
355
350
350
Верхний температурный режим, не более +100°C
89
80
75
+100°C
Показатели характеристик образцов сравнивались с характеристиками полиуретана НИЦ-ПУ-5, поскольку его характеристики близки к характеристикам материала прототипа.
В образце 1 твердость по Шору А - низкая, предел прочности и относительное удлинение превышены, температурный режим не превышает норму. Втулка мягкая, имела повышенный износ.
В образце 2 практически все показатели в пределах нормы, в том числе температурный режим. Втулка упругая, эластичная. Износ незаметен.
В образце 3 твердость по Шору А достигла верхнего предела, предел прочности вышел за верхний предел, относительное удлинение в норме и температурный режим не выше +100°С. Втулка твердая. Износ незаметен. Были сложности в установке втулки в проушину подвески из-за ее твердости.
Пример изготовления втулки.
Все компоненты композиционного материала в соответствии с качественным и количественным их соотношением смешиваются в вакуумной машине до получения однородной массы в течение 5 минут со скоростью вращения лепестков машины не менее 1500 оборотов/мин при температуре +24°C. Затем композиционный материал заливают в разъемные пресс-формы и ставят в электрическую печь для обжига при температуре +80°C. Нагрев в печи продолжается в течение четырех часов до достижения наружного отверждения, после чего пресс-формы перемещают в электрическую печь с температурой +40°C, где держат 20 часов до полного отверждения. На одну втулку весом 35 г расходуется форполимера уретанового марки НИЦ-ПУ-5 26,25-27,125 г, графита порошкового марки П 1,75-2,1 г, агента сшивающего марки НИЦ-ПУ-5 7,7-8,575.
Преимущества заявляемой полезной модели:
- надежность в эксплуатации;
- повышение экологической безопасности производства;
- снижение износа втулок;
- увеличение срока службы.