ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ТВЕРДОЙ ВСТАВКОЙ ИЗ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Заявляемая полезная модель относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.
Известны тормозные композиционные колодки, содержащие металлический (стальной) каркас, фрикционный элемент и твердую вставку. (Интернет ресурс: fritex.ru>about/publications/Vagony.pdf УДК 629.4.077:597.3 Новые тормозные колесосберегающие колодки для подвижного состава, д.т.н. Вуколов Л.А., инженеры: Шпади Д.В., Налев И.А., Никитин В.А., Дружков Д.А., Мухин А.В.)
Металлический каркас состоит из одной детали - основной полосы, а иногда из двух деталей: основной полосы и приваренной к ней по внутренней стороне усиленной пластины. Основная полоса каркаса имеет внешний криволинейный контур по периметру готовой колодки, в центре П-образный или полукруглый контур, образующий центральную бобышку. Центральная бобышка каркаса снабжена отверстиями под чеку. На основной пластине каркаса расположены также две боковые бобышки, служащие направляющими для чеки. Центральная бобышка служит для крепления тормозной колодки в тормозном башмаке посредством чеки, а направляющие (боковые бобышки) упрощают монтаж чеки. Усилительная пластина применяется для придания дополнительной жесткости каркасу и повышения надежности крепления каркаса с фрикционным элементом. Усилительная пластина снабжена отверстиями для приваривания к основной полосе, а также для затекания фрикционной смеси при формовании для повышения крепления с фрикционным элементом.
Тормозные композиционные колодки, содержащие металлический (стальной) каркас, фрикционный элемент с полимерным композитом ТИИР, имеющий статический коэффициент трения 0,37-0,47 и колодки из чугуна твердую вставку из различных модификаций чугуна имеющие коэффициент трения 0,10-0,14, по сравнению с чугунными колодками, получили значительно более широкое применение, так как они имеют более высокий коэффициент трения, меньшее усилие нажатия. Усилие нажатия на чугунную колодку составляет около 4 тонн, усилие нажатия на композиционную колодку с твердыми вставками из чугуна составляет 1,0-1,5 тонны.
Появилось много технических решений совмещающих в качестве тормозного элемента фрикционный элемент с полимерным композитом и твердые вставки. Известны тормозные колодки железнодорожного транспортного средства, содержащие металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки, по патентом РФ №2188347 В61Н 1/00, 2001 г., №2340806, В61Н 1/00, 2008 г.) и патентам на полезную модель №52957, F16D 65/04, 2006 г., №76409 F16D 65/04, 2008 г. Композиционные колодки, содержащие металлический каркас, фрикционный элемент и твердую вставку имеют большую износостойкость более высокий срок службы, меньший вес, а также обеспечивают бесшумное и плавное торможение подвижного состава.
При эксплуатации тормозных композиционных колодок без твердых вставок, могут возникать отдельные дефекты, в том числе термические трещины на поверхности качения колес, повышенный износ поверхности качения колес, снижение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения (дождь, снег), а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса.
Известно техническое решение, которое направлено на повышение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения, а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас, одно- или двухслойный композиционный фрикционный элемент и вставку или несколько вставок, выполненных из материала с меньшей износостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, при этом вставка или вставки выполнены из материала с большим коэффициентом трения, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки. Вставка выполнена из композиционного фрикционного материала с большей термостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, по меньшей мере, один из наполнителей композиционного фрикционного материала металлический. Композиционный фрикционный материал вставки или вставок изготавливается на основе смоляного связующего или комбинированного (смола и каучук), а композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки изготавливается на основе каучукового связующего. Поэтому вставка или вставки имеют большую твердость и термостойкость, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, так как смоляное связующее по сравнению с каучуковым увеличивает твердость и термостойкость композиционного материала. (Патент RU 88753, заявка 2009128116 от 20.07.2009 г. МПК В61Н 7/04).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что оно не способствует защите от разрушения вагонного колеса. Такой эффект обусловлен свойствами материала колодки. В основном износ вагонного колеса происходит в результате постоянного контакта с рельсом. Контакт тормозной колодки с поверхностью колеса, происходит в процессе торможения, в такие периоды износ вагонного колеса происходит более интенсивно. В зависимости от свойств материала тормозной колодки интенсивность износа контактной поверхности колеса может быть замедлена а может его приводить к его интенсификации.
Имея более высокий коэффициент трения, на контактной площади вставки происходит более интенсивное выделение тепла и повышение температуры, таким образом, в центральной части колодки имеется площадь поверхности с температурой выше, чем на рабочей поверхности основного композиционного элемента.
Вставка, имеет более высокую термостойкость, по сравнению с термостойкостью основного композиционного элемента, это приводит к образованию большей разности температур на контактных поверхностях вставки и поверхности основного композиционного элемента. Таким образом, в контакте с поверхность колеса находится тело, имеющее на контактной поверхности два очага с различной температурой, что в сочетании с контактными давлениями приводит к интенсивному зарождению термических микротрещин на поверхности колеса в виде волосовин.
Разрушение поверхностного слоя вагонного колеса происходит вследствие зарождения и развития микротрещин, вызывающих отслаивание микроскопических участков материала. Трещины зарождаются вследствие высоких контактных нагрузок и высоких температур в поверхностном слое. Первоначально появляются точечные дефекты по границам деформированных зерен. В дальнейшем происходит их слияние и образование волосовин, которые при дальнейшей деформации материала колеса прорастают на поверхность. (Диссертация Шакиной А.А. стр. 68 Ресурс в интернете (https://sovet.knastu.ru/media/file/u1NfL7.pdf).
Вставка, выполненная из материала с меньшей износостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки разрушается в результате температурной деструкции полимерной матрицы с образованием множества трещин. Это ведет к образованию вырывов вместе с наполнителем, в том числе, и частицами металла. Образовавшиеся частицы очищают поверхность колеса, но такая очистка не является значительной, так как их твердость частиц ниже твердости колеса. Происходит, в основном, полирование поверхности без удаления дефектного слоя с контактной поверхности колеса.
На устранение данных недостатков ОАО «Фритекс» были разработаны композиционные полуметаллические колесосберегающие тормозные колодки со вставкой из специального чугуна с графитом шаровидной формы. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, и две бобышки по кроям, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, при этом 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%. (Патент RU 2309072, заявка №2006111290 от, 07.04.2006 г. МПК В61Н 7/02). Данная «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства» является прототипом заявляемого технического решения.
Колодка обеспечивает сохранение поверхности качения колеса, а следовательно, повышенный срок службы колеса при сохранении повышенного срока службы колодок, а также обеспечивает стабильность и эффективность торможения при обычных и тяжелых условиях эксплуатации. Но имеет отдельные недостатки. В качестве материала для изготовления твердой вставки используется высокопрочный или ковкий чугун с графитом шаровидной формы. Шаровидная форма включений графита, имеющая наименьшее отношение поверхности к объему не оказывает такого сильного надрезывающего действия на металлическую основу колеса, как пластинчатая форма, и не способствует уменьшению очищающего действия на колесо и не обеспечивают необходимого полирующего воздействия на колесо по устранению термических трещин и ползунов очистки поверхности колеса от термических трещин.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожных вагонов, обеспечение оптимальных фрикционных характеристик тормозной колодки.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышение очищающего воздействия твердой вставки на колесо без ухудшения работы тормозной колодки по прямому назначению.
10/2451/30
50
50
3
Технический результат достигается тормозной колодкой железнодорожного транспортного средства с твердой вставкой из металлокерамического материала, содержащей металлический каркас с П-образным выступом с наружной стороны в центральной его части и две бобышки по краям, композиционную фрикционную основу, имеющую основную и боковую рабочие поверхности, твердую вставку, закрепленную на металлическом каркасе в центральной части колодки, при этом твердая вставка, имеет трапецеидальную форму в сечении продольной плоскостью и трапецеидальную форму в сечении горизонтальной плоскостью, с большей стороной трапеции на боковой рабочей поверхности, выполнена из фрикционного композиционного металлокерамического материала на основе железа, содержащего по массе %: медь - 11-12, углерод - 14-16, окись алюминия - 3-4, хром - 1,5-2,5, железо - остальное, имеющего пористость не более 10%. Кроме этого, материал на основе железа имеет мелкозернистую структуру с размером зерна 15-70 мкм, имеет твердость по Бринелю (14-20)НВ , микротвердость основы (230-250)HV, состоящей из пластинчатого перлита с медными прослойками по границам зерен и микротвердость включений (700-900)HV, состоящих из карбидных соединений хрома, материала вставки фрикционной из композиционного металлокерамического на основе железа находится имеет в пределах 4,5-4,8 г/см, материал вставки фрикционной из композиционного металлокерамического материала на основе железа имеет предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, соединение фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа и металлического каркаса выполнено посредством склеивания, металлургического или механического крепления, коэффициент трения фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 0,43-0,65, общая площадь рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет не менее 15%, абразивная стойкость вставки выше абразивной стойкости колеса железнодорожного транспортного средства, вставка пропитана кремнийорганическим гидрофобизатором, острые углы трапеции в сечении горизонтальной плоскостью, равны (60-89.5) градуса.
Влияние колодки сказывается не только на разрушении контактных поверхностей в системе «тормозная колодка-колесо», но и системе в «колесо-рельс». Колесо подвергается износу, как со стороны тормозной колодки, так и со стороны рельса. Авторами предлагаемого технического решения были проведены исследования поверхности катания железнодорожного колеса вагона находящегося в контакте с тормозными колодками, изготовленными из различных материалов. Механизм образования микротрещин на различных участках контактной поверхности колеса зависит от материала колодки. Контактные повреждения, в виде трещин и выщерблин, с максимальной глубиной проникновения до 1,5 мм ускоряют не только износ колеса, но и рельса. При развитии трещин происходит отслаивание (отрыв) участков поверхности колеса в виде отдельных твердых частиц. В дальнейшем они работают как абразивные частицы, приводящие к интенсивному износу, как поверхности колеса, так и поверхности катания рельса. Образование абразивных частиц происходит в несколько стадий. Это зарождение микротрещин, которое происходит постепенно в результате усталостных явлений. Микротрещины начинают развиваться задолго до того, как произойдет образование абразивных частиц, и их отделения от поверхности. Длительность процесса накопления дефектов материала колеса, занимает значительную часть, доходя до 90% времени процесса разрушения.
Чтобы не доводить до появления на контактной поверхности (поверхность катания) колеса абразивных частиц, данная поверхность должна постоянно подвергаться очистке от загрязнения и удалению поверхностного дефектного слоя. Повышение очищающего и полирующего воздействия твердой вставки на колесо без ухудшения работы тормозной колодки по прямому назначению, достигается постоянным удаление поверхностного слоя в процессе торможения заявляемой тормозной колодкой, имеющей более высокую абразивную стойкость по сравнению с материалом обода колеса вагона. Абразивность фрикционной композиционной металлокерамической вставки обеспечивается наличием в составе материла абразивных частиц в виде карбидов и оксидов, также наличием пор, имеющих острые кромки. В процессе спекания фрикционных элементов из металлокерамического материала на основе железа с добавлением окиси алюминия, карбидообразующего элемента хрома, свободного графита, и меди образуется материал имеющего высокие фрикционные свойства, коэффициент трения в пределах 0,43-0,65). Твердая вставка, имеет трапецеидальную форму в сечении продольной плоскостью и трапецеидальную форму в сечении горизонтальной плоскостью, с большей стороной трапеции на боковой рабочей поверхности. Такое исполнение вставки, позволяет создать наклон ребра твердой вставки, на основной и боковой рабочих поверхностях, что позволяет более эффективно производить очистку от загрязнения и удаления поверхностного дефектного слоя с поверхности колеса железнодорожноготранспорта.
Соединение металлокерамического фрикционного элемента на металлическом каркасе, выполнено посредством склеивания, металлургическим (пайка и др.) или механическим (винтами) креплением. Высокое сцепление поверхностей вставки с композиционной фрикционной основой, может быть выполнено любым известным способом, общепринятым в области техники порошковой металлургии, в частности, выполнением ступенек, впадин, и других элементов. Вставка пропитана кремнийорганическим гидрофобизатором, что исключает контакт композиционного материала с водой.. Поверхностная обработка материалов кремнийорганическими соединениями основана на нерастворимости образующихся полимерных пленок в воде Вставка, гидрофобизированная кремнийорганическим соединениями, практически не увеличиваются в весе, полностью сохраняют свою пористость.
На фиг. 1 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства с фрикционной металлокерамической вставкой на основе железа с композиционной фрикционной основой, на фиг. 2 сечение вставки, в виде трапеции, в горизонтальной плоскости, большая сторона трапеции направлена в строну гребня колеса железнодорожного транспортного средства, где
1 - металлический каркас,
2 - П-образный выступ,
3 - направляющая под чеку для крепления колодки в тормозном узле,
4 - композиционная фрикционная основа,
5 - металлокерамической фрикционной элемент на основе железа изготовленный методом порошковой металлургии, композиционной фрикционной основой,
Ф - острый угол трапеции в сечении горизонтальной плоскостью, равны (60-89.5) градуса.
Изготовление тормозных колодок состоящих из композиционной основой колодки на основе полимеров в сочетании с твердой вставки из фрикционного композиционного металлокерамического материала на основе железа изготовленной методом порошковой металлургии, с повышенным очищающим воздействием на колесо, позволяет значительно повысить срок службу колодки и безопасность движения транспортных средств.