ФРИКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТОРМОЗНОЙ ШИНЫ ВАГОННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ

Полезная модель относится к путевым устройствам железнодорожного транспорта и предназначена для установки в устройствах 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 из стали, уровень шума может достигать более 120 дБА, что значительно больше допустимых значений. Высокое шумовое загрязнения образующееся в процессе торможения, имеет широкий диапазон частот, до 5000 Гц.
Известен фрикционный элемент тормозной шины для вагонных замедлителей, устанавливаемых на тормозных позициях сортировочных горок изнашиваемая часть шины выполнена в виде отдельных фрикционных элементов из композиционного материала с коэффициентом трения в пределах 0,10-0,18 и/или 0,18-0,40. (Патент на полезную модель №127023, по заявке 2012124548 от 14.06.2012 г., МПК B61K 7/02).
Недостаток данного технического решения заключается в сложной и дорогостоящей технологии изготовления фрикционных элементов. Фрикционный элементы, установленные в начале и в конце тормозной шины, и в середине шины имеют различную форму, фрикционные элементы изготавливаются двух видов, одни с коэффициентом трения в пределах 0,10-0,18 и вторые с коэффициентом трения в пределах 0,18-40, с коэффициентом трения в пределах 0,18-0,40 устанавливаются на вагонных замедлителях, устанавливаемых на вспомогательных тормозных позициях, с коэффициентом трения в пределах 0,10-0,18 на вагонных замедлителях, устанавливаемых на уклонных тормозных позициях.
Известно техническое решение тормозной шины с 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,
железо
остальное,
размер зерен порошков находится в пределах 0,5-500 мкм, пористость сплава составляет не более 20%.. (Патент на полезную модель №143886, заявка №2014111090 от 25.03.2014 г., МПК B61K 7/02).
Данное техническое решение тормозной шины вагонного замедлителя в технологическом плане значительно проще в изготовлении по сравнению с решением по патенту №127023. За основу принята серийно выпускаемая шина. Фрикционный элемент имеют простую геометрическую форму тела вращения. При наличии на контактной поверхности тормозной шины материала фрикционных элементов, значительно снижается образование облоя. Это обусловлено тем, что компоненты, которые имеются в составе фрикционных элементов, обеспечивают 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 контактной поверхности тормозной шины. Следствием данного механизма разрушения является наличие множества термических трещин и прижогов 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. В целом возрастает стойкость тормозной шины и снижается уровень шума при торможении вагонов на 10-15 дБ.
Однако следует отметить, что уровень шума, несмотря на его снижение, остается достаточно высоким, коэффициент трения имеет большой разброс значений в зависимости от элементного состава материала фрикционного элемента, это влияет на точность позиционирования вагонов после торможения, физико-механические свойства не оптимизированы.
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности работы вагонных замедлителей и улучшение экологической обстановки в районе работы сортировочных горок.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в снижении уровня шумового загрязнения в процессе торможения вагонов на сортировочных горках, повышении износостойкости фрикционного элемента при сохранении стабильности коэффициента трения при его высоком значении.
3
Технический результат достигается фрикционный элементом для тормозной шины вагонного замедлителя, характеризующийся тем, что выполнен в форме цилиндра, высотой 10-50 мм, диаметром 5,0-40 мм из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, пропитанного связующим фенольным порошкообразным, имеющего открытую пористость 16-20%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ, плотность 5,15-5,85 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6 и который содержит никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо при следующем содержании компонентов, мас. %:
никель
2,0-2,2
медь
2,0-3,0
барит
6,0-8,1
окись алюминия
3,0-5,1
графит
3,0-3,5
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, металлокерамический фрикционный самосмазывающийся материал состоит из, не менее 90%, пластинчатого перлита с включениями карбидов, цементита в виде разорванной сетки, углерода и соединений фрикционных добавок.
Шумовое загрязнение - это звуковые колебания, которые возникают в процессе торможения вагонов при их спуске с сортировочной горки и которые 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 (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, (https://democrator.ru/petition/kruglosutochnyj-silnejshij-vizg-skrezhet-metalla-s) существенное значение приобретает тот факт, что шумы различного спектрального состава при распространении звука в открытом пространстве вглубь территории жилой застройки имеют различную степень затухания. Поэтому с экологической точки зрения нежелательно воздействие шума такого частотного диапазона, который максимально достигнет селитебной территории. А это звуки, имеющие средние частоты. (Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, №1, стр. 299-305).
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 5,0-40 мм. Изготовление фрикционного элемента высотой менее 10 мм и диаметром менее 5,0 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.
Снижения уровня шума достигали за счет создания условий взаимодействий в зоне контакта «шина-обод вагонного колеса», когда основным механизмом износа становится абразивный, не только в контакте с фрикционными элементам, но и в контакте с контактной поверхностью из стали 50ХГ. При этом данный механизм должен реализоваться на максимально большей площади тормозной шины. Создание данных условий не должно приводить к снижению высокой износостойкость тормозной шины, а также должно способствовать сохранению высокого и максимально стабильного значения коэффициента трения. Элементный состав материала остался таким же, как и в материале прототипа, но количественно процентный состав ингредиентов изменился. Фрикционный элемент изготавливается методом спекания из смеси порошков
содержащего никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо при следующем содержании компонентов, мас. %:
никель
2,0-2,2
медь
2,0-3,0
барит
6,0-8,1
окись алюминия
3,0-5,1
графит
3,0-3,1
дисульфид молибдена
1,6-1,7
железо
остальное
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 нижеуказанных величин, приводит к снижению износостойкости фрикционного элемента, а увеличение данных параметров, выше указанных величин, получаем материал с нестабильным и не высоким коэффициентом трения. Минимальный разброс ингредиентов фрикционного состава по элементному составу позволил получить высокие значения коэффициента трения и высокую его стабильность.
Ранее отмечалось, что техническое решение по прототипу, имеющее фрикционные элементы в тормозной шине позволяет повысить износостойкость шины и снизить уровень шумового загрязнения при работе данных шин по сравнению с традиционно изготовляемыми шинами из стали 50ХГ. Дальнейшее понижение уровня шумового загрязнения при работе вагонных замедлителей достигается пропиткой металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-ОПЛ ТУ2257-111-05015227-2006 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.
Определение физико-механических свойств материала фрикционного элемента проводили по стандартным методикам.
Исследования уровня звука.
Нормирование шума проводили по интегральному показателю (уровню звука) в дБА, (по всему диапазону частот) уровня шума, измеренного по шкале А шумомера. Этот показатель называют уровнем звука и обозначается дБА. Шкала А шумомера предназначена для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, приблизительно соответствующего линиям равной громкости звуков, и отражает его субъективное восприятие человеком.
2
Уровень звука исследовался на стенде, установленном на токарном станке по схеме «диск-палец». Диск ∅ 390 мм, изготовленный из ст.50ХГ, твердость 250-270 НВ. Палец- образец в виде цилиндра с площадью торца ≈1,04 см изготовлен из:
1) стали 50ХГ - образец вырезался из материала шины тормозной, применяемой на сортировочных горках;
2) материала фрикционного элемент - образец вырезался из фрикционного элемента, изготовленного для тормозной шины прототипа;
3) материала фрикционного элемент пропитанный 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л и подвергнут отверждению при температуре 120-160°С - образец вырезался из фрикционного элемента изготовленного для тормозной шины предлагаемого технического решения и затем пропитывался 30% спиртовым раствором связующего фенольного СФП-011Л ТУ2257-111-05015227-2006 и подвергался отверждению при температуре 120-160°С.
Режимы испытаний.
Режим 1. Скорость скольжения пальца по диску. V лин. ≈ 0,6 м/с (по ∅ 380, n=40 об/мин), Усилие прижатия Р=500 Н.
Режим 2. V лин. ≈ 2,5 м/с (по ∅ 380, V=125 об/мин), Р=500 Н.
2
2
Усилие прижима пальца к поверхности диска составляло 500 Н. При диаметре контактной площадки примерно 1,04 см в зоне контакта создавалось удельное давление 480 Н/см, что соответствовало удельному давлению в зоне контакта тормозной шины и обода колеса вагона при усилии нажатия тормозной шины вагонного замедлителя на колесо вагона - 100 кН.
Образец испытывался путем периодического прижатия пальца к диску по схеме: подвод пальца к диску - прижатие пальца к диску с усилием 500 Н-отвод пальца от диска до разрыва контакта. Проводилось 5-7 прижатий пальца к диску. Продолжительность прижатия порядка 10 сек.
Усилие прижатия контролировали по динамометру, измерения уровня звука проводили шумомером-анализатором спектра «ЭКОФИЗИКА-110А (Белая)», зав. №БА160209. Дата поверки 12.04.2016 г.
На фиг. 1 представлен характер изменений максимального уровня шума в контакте «палец-диск» при трении на скорости 0,6 м/с, и прижатием образца к диску с усилием 500 Н. Образец под номером 1-2 без пропитки, образец под номером 1-4 пропитан. Испытания проводились в течении 10 сек. В течении одной секунды шумомером фиксировался уровень звука три раза. Из характера полученных распределений уровня шума видно, что не пропитанный образец на четвертой секунде испытаний имеет скачек уровня звука. Пропитанный образец таких сачков повышения уровня звука не имеет. Образец и стали 50ХГ на данных режимах имеет уровень шума в пределах 90-112 дБ А.
Результаты испытаний фрикционных элементов при регистрации звука представлены в таблице 1.
Испытания на износостойкость
Износостойкость исследовали на стенде, установленном на токарном станке по схеме «диск-палец». Диск ∅ 100 мм, изготавливался из образца, вырезанного из колеса железнодорожного вагона.
Палец- образец изготавливался аналогично образцам при исследовании звука.
Режимы испытаний.
Скорость скольжения пальца по диску выбиралась в диапазоне скоростей контакта отдельных тачек тормозной шины и колеса вагона.
Режим 1. V лин. ≈ 3,77 м/с (по ∅ 80, V=900 об/мин), Р=250 Н.
Режим 2. V лин. ≈ 5,77 м/с (по ∅ 80, V=900 об/мин), Р=500 Н.
Режим 3. V лин. ≈ 5, 65 м/с (по ∅ 90, V=1200 об/мин), Р=250 Н.
Режим 4. V лин. ≈ 2,59 м/с (по ∅ 90, V=550 об/мин), Р=500 Н.
Режим 5. V лин. ≈ 0,94 м/с (по ∅ 60, V=300 об/мин), Р=500 Н.
Режим 6. V лин. ≈ 0,64 м/с (по ∅ 40, V=300 об/мин), Р=500 Н.
Усилие прижима образца 250 Н соответствовало удельному давлению в зоне контакта тормозной шины и обода колеса вагона при усилии нажатия тормозной шины вагонного замедлителя на колесо вагона - 50 кН.
3
Испытания проводились по схеме аналогичной при исследовании звука. Проводилось 10 прижатий пальца к диску. Износостойкость оценивали по изменению объема пальца, мм. В таблице 2 представлены результаты испытаний на износостойкость.
Определение коэффициента трения.
Определение коэффициента трения проводили на машине трения ИИ 5018 по схеме «колесо-колодка».
Колесо диаметром 40 мм изготавливалось из образца, вырезанного из колеса железнодорожного вагона.
2
Колодка - образец, в форме цилиндра, контактная площадь которого была примерно равна 0,5 см изготавливался аналогично образцам при исследовании звука.
Режимы испытания.
Режим 1. V лин. ≈ 4,2 м/с (по ∅ 40, V=2000 об/мин).
Режим 2. V лин. ≈ 3,0 м/с (по ∅ 40, V=1433 об/мин).
Режим 3. V лин. ≈ 1,5 м/с (по ∅ 40, V=716 об/мин).
Нагрузка на палец подбиралась из условия создания в зоне контакта удельных давлений соответствующих удельному давлению в зоне контакта тормозной шины и обода колеса вагона при усилии нажатия тормозной шины вагонного замедлителя на колесо вагона, соответственно 20 кН, 50 кН, 70 кН, 100 кН и 120 кН. Продолжительность испытания на установившемся режиме составляла 2 сек.
В таблице 3 представлены результаты испытаний на определение коэффициента трения
Анализ данных приведенных в таблицах 1-3 позывает, что пропитка материала фрикционного элемента 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л ТУ2257-111-05015227-2006 и подвергнутого отвеждению при температуре (120-140)°С, стабилизирует коэффициент трения, приводит к снижению уровня шума и повышению износостойкости.