ШИНА ТОРМОЗНАЯ ВАГОННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ, ВОССТАНОВЛЕННАЯ

Полезная модель относится к устройствам железнодорожного транспорта и предназначена для установки в устройствах регулирования скорости скатывания отцепов (вагонов) на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
Применяемые в настоящее время устройства регулирования скорости отцепов оборудованы тормозными балками, располагаемыми по обе стороны от рельсов, и осуществляют торможение за счет зажатия колес вагонов тормозными шинами, закрепленными на балках. Тормозные шины изготавливаются из стали 50ХГ ГОСТ 14959-79 по ТУ 14-1-3188-81 методом прокатки, в поперечном сечении имеют Г-образную форму, имеют подошку для крепления к балке и изнашиваемую часть, крепятся к балкам замедлителя шинными болтами. Шины используются в состоянии поставки (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.).
Работа вагонных замедлителей совершается со значительными динамическими нагрузками, возникающими в узлах силовой системы и контакте «тормозная шина - обод колеса вагона». Динамические нагрузки носят пикообразный характер. Для работы вагонных замедлителей важными являются две группы параметров: это параметры торможения вагонов, которые в значительной степени зависят от взаимодействия пары трения «тормозная шина - обод колеса вагона», основным из которых является коэффициент трения и параметры шумового загрязнения, зависящие от состояния трущихся поверхностей шины и колеса железнодорожного вагона (сухие, влажные, с наличием масла, наличие в изнашиваемой части тормозной шины композиционных материалов). Скорость входа отцепов на замедлитель на горках достигает 28-30 км/ч, усилия нажатия шин на колесо достигают 200 кН, а давление на их наружной поверхности 30,0-50,0 МПа. В процессе торможения вагона контакт тормозных шин осуществляется с боковыми поверхностями последовательно набегающих колес, у которых согласно ГОСТ 9036-59 и 4835-59 внутренние поверхности бандажей обрабатываются по 3 классу чистоты, а наружные поверхности механической доводочной обработке не подвергаются. В процессе эксплуатации на наружной боковой поверхности колес образуется накат до 5 мм большой твердости (НВ≈300). Поэтому в процессе взаимодействия колес вагона и тормозных шин происходит интенсивный износ последних и шумовое загрязнение окружающей среды. Шумовое загрязнение - это звуковые колебания, которые возникают в процессе торможения вагонов при их спуске с сортировочной горки и 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 при уровне более 80 дБА. (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, такие звуки как, свист и скрежет металла по металлу доставляют дискомфорт людям. (https://democrator.ru/petition/kruglosutochnyj-silnejshij-vizg-skrezhet-metalla-s).
К недостаткам тормозных шин относится не эффективное использование материала шины. Изнашиваемая часть шины составляет менее 20% от всего объема шины, при выработке изнашиваемого участка тормозной шины не более 30 мм, тормозная шина выбраковываются целиком и заменяются новой.
Известно техническое решение тормозной шиной вагонного замедлителя, состоящее 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%. Наличие композиционных вставок позволяет значительно повысить стойкость шины и снизить уровень шума на 10-15 дБА. (Патент на полезную модель №143886, заявка №2014111090 от 25.03.2014, МПК B61K 7/02, «Тормозная шина вагонного замедлителя).
Недостаток данного технического решения заключается в высокой стоимости шины, не технологичности установки композиционных элементов в изнашиваемую часть шины. Используется новая горячекатаная шина полного профиля. Композиционные элементы устанавливаются в отверстия, на это требует дополнительная механическая обработка.
Известна композитная тормозная шина вагонного замедлителя, Г-образного профиля, имеющая изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба, для размещения головок болтов крепления, с монтажными отверстиями, изнашиваемая часть выполнена в виде отдельных фрикционных элементов, при этом, фрикционные элементы установлены в стальные планки с отверстиями для установки композиционных элементов, стальные планки имеют отверстия с резьбой для крепления к тормозной шине, со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, и со стороны установки стальных планок имеются демпфирующие вибропоглощающие прокладки (Патент на полезную модель 183379 по заявке №2017138916 от 09.11.2017 г. МПК B61K 7/02 «Композитная тормозная шина вагонного замедлителя»).
К достоинству данного технического решения относится вторичное использование изношенных шин в качестве основы. Такое решение приводит к снижению стоимости тормозной шины, это достигается также за счет того, что композиционные элементы первоначально устанавливаются в планки, затем планки крепятся болтами к тормозной шине. На тормозной шине, которая уже выработала весть объем изнашиваемой части, выполняется две операции, это фрезерование рабочей поверхности в плоскость и сверление отверстий под болты, для крепления планок. Данная тормозная шина имеет и недостатки. Это низкая надежность крепления фрикционных элементов в стальной планке и крепления самой стальной планки к подошве тормозной шины. В процессе работы при высоких ударных нагрузках, вибрации и высоких значениях усилий на сдвиг стальных планок, возможно ослабление крепления стальной планки к шине с последующим отрывом стальной планки. Композиционные элементы устанавливаются на вибропоглощающий полимерный материал холодного отверждения в отверстия заведомо большего диаметра. При ударных нагрузках полимерный материал разрушается и это приводит к выпадению фрикционного элемента. Это может привести к разрушению всей тормозной шины и повреждению вагонного замедлителя.
Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа (Патент на полезную модель 186258 по заявке №2018133513 от 21.09.2018 г. МПК B61K 7/02 «Тормозная шина вагонного замедлителя ремонтная) тормозная шина вагонного замедлителя ремонтная, Г-образного профиля, имеющая подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде желоба для размещения головок болтов крепления, монтажные отверстия и изнашиваемую часть, выполненную из стальных планок со сквозными отверстиями с установленными в них композиционными элементами и отверстия для монтажа к подошве тормозной шины, при этом отверстие в стальной планке для монтажа к подошве тормозной шины выполнено ступенчатым, ступень отверстия меньшего диаметра равна по диаметру и соосна с отверстием в подошве для монтажа стальной планки, в отверстие ступени большего диаметра впрессован композиционный элемент, монтаж стальной планки к подошве проведен горячей клепкой, при этом в подошве со стороны установки планки, дополнительно выполнено глухое отверстие равное по диаметру и соосное с отверстием в стальной планке для установки композиционного элемента, а композиционный элемент впрессован в отверстие стальной планки с заходом в глухое отверстие в подошве. Кроме этого, композиционный элемент выполнен из порошкового материала методом спекания, в состав которого входят, масс. %:
Никель
2,0-2,2
Медь
2,5-2,6
Графит
3,0-5,1
Окись алюминия
3,0-3,1
Бария сульфат
6,0-8,1
Дисульфид молибдена
1,7-1,6
Остальное
железо,
3
2
плотность композиционного элемента равна 5,15-5,85 г/см, твердость композиционного элемента равна (55-120) НВ5.0/1226/10, предел прочности композиционного элемента на срез равен не менее 80 МПа, предел прочности композиционного элемента на сжатие равен не менее 230 МПа, отверстия для монтажа стальной планки горячей клепкой с внешней стороны шины и внешней стороны планки имеют фаски, удельное давление запрессовки композиционного элемента составляет 14-15 кН/см, композиционные элементы впрессованы в стальную планку с шагом 43 мм и имеют диаметр 36 мм.
К достоинству данного технического решения относится повышение надежности крепления стальных планок с впрессованными в них композиционными элементами, к основанию тормозной шины за счет монтажа стальной планки к подошве горячей клепкой. Замена болтовых соединений клепкой позволяет исключить возможность ослабления крепления стальной планки к шине с последующим отрывом стальной планки. Выполнение дополнительного глухого отверстие со стороны установки планки равного по диаметру и соосного с отверстием в стальной планке для установки композиционного элемента, установка композиционного элемента запрессовкой в отверстие стальной планки с заходом в глухое отверстие в подошве позволяет исключить вероятность среза стальной планки. Выполнение отверстия в стальной планке для монтажа к подошве тормозной шины ступенчатым, где ступень отверстия меньшего диаметра равна по диаметру и соосна с отверстием в подошве для монтажа стальной планки горячей клепкой, а в отверстие ступени большего диаметра впрессован композиционный элемент, что повышает износостойкость тормозной шины, достигая максимально возможным получение контактной рабочей поверхности шины образованной композиционными элементами. Снижение шума на 10-15 дБ вагонного замедлителя обусловлено уменьшением свариваемости (схватывания), между трущимися поверхностями тормозной шины и обода колеса железнодорожного вагона за счет наличия на поверхности контакта неметаллических образований, антифрикционных добавок присутствующих в составе материала композиционных элементов.
Недостатком данного технического решения является, то, что значительная часть композиционного элемента, установка которого производится запрессовкой в отверстие стальной планки с заходом в глухое отверстие в подошве, используется не по назначению. Изготовление композиционного элемента большей высоты не позволяет унифицировать композиционные элементы, делать их все одного размера, и значительно экономить материалов и энергии при их изготовлении.
Задачей заявляемого технического решения по шине тормозной вагонного замедлителя является повышения эффективности работы вагонных замедлителей на механизированных и автоматизированных сортировочных горках и улучшение экологической обстановки в районе сортировочных горок,
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышение жесткости крепления стальных планок с впрессованными в них композиционными элементами, к балке вагонного замедлителя, снижении затрат на изготовлении композиционных элементов, при сохранении высокого уровня снижения шумового загрязнения.
2
3
Технический результат достигается шиной тормозной вагонного замедлителя, восстановленной, имеющей Г-образный профиль, подошву с монтажными сквозными и глухими отверстиями, изнашиваемую часть в виде стальных планок, имеющих сквозные ступенчатые отверстия для монтажа к подошве, сквозные и глухие отверстия с установленными фрикционными элементами, где отверстия ступени меньшего диаметра равны по диаметру и соосны с отверстиями подошвы для монтажа к изнашиваемой части, а в отверстие ступени большего диаметра впрессован фрикционный элемент, сквозные отверстия в стальных планка равны по диаметру и соосны с глухими отверстиями подошвы, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстия стальных планок до контакта с установленными фрикционными элементами, монтаж стальной планки к подошве проведен горячей клепкой, между подошвой и тормозной балкой установлена прокладка из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной (0,1-6) мм, со сквозными отверстиями, выполненными соосно с монтажными отверстиями для крепления к балке, фрикционные элементы запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины с усилием 14-15 кН/см, выполнены в форме цилиндра высотой 10-30 мм, диаметром 5,0-40,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ5,0/1226/10, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, содержащего: никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо, при следующем содержании компонентов, масс. %:
Никель
2,0-2,2
Медь
2,5-2,6
Барит
6,0-6,1
Окись алюминия
1,5-3,1
Графит
1,5-3,1
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°C, между подошвой и изнашивающей частью установлена прокладка из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной (0,1-6) мм, со сквозными отверстиями, выполненными соосно с глухими отверстиями подошвы и сквозными ступенчатыми отверстиями в стальной планке, монтажные отверстия подошвы для монтажа стальной планки горячей клепкой имеют фаски, стальные цилиндры, выполнены из стали с высокими демпфирующими свойствами, высотой (3-26) мм, подошва имеет сквозные отверстия равные по диаметру и соосные со сквозными отверстиями в стальных планках с установленными фрикционными элементами, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстие стальных планок до контакта с фрикционными элементами, предел прочности фрикционного элемента на срез равен не менее 80 МПа, предел прочности фрикционного элемента на сжатие равен не менее 230 МПа, стальная планка состоит из отдельных элементов высотой - 50 мм, шириной - 40 мм, длиной (300-900) мм, прокладка из высокодемпфирующей стали выполнена многослойной.
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 10-30 мм и диаметром 5-40 мм. Изготовление фрикционного элемента высотой менее 10 мм и диаметром менее 5 мм экономически не целесообразно, превышение высоты фрикционного элемента более 30 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.
3
Снижения уровня шума достигается за счет изменения условий взаимодействий в контактной зоне системе «шина-обод вагонного колеса», основным механизмом износа становится абразивный. Такой механизм реализуется не только в контакте с фрикционными элементами, но и частично в контакте с контактной поверхностью из стали 50ХГ. При этом данный механизм реализуется практически на всей площади тормозной шины, при этом снижается износ тормозной шины, сохраняется высокий коэффициент трения и повышается его стабильность. Для получения высокого и стабильного коэффициента трения в пределах 0,4-0,6 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 до значений, которые нижеуказанных величин, приводит к снижению износостойкости фрикционного элемента, а увеличение данных параметров до параметров, которые выше указанных величин, получаем материал с нестабильным и не высоким коэффициентом трения. Фрикционный элемент изготавливается методом спекания из смеси порошков содержащего никель, медь, барит, окись алюминия, барит, графит, дисульфид молибдена и железо.
Дальнейшее понижение уровня шумового загрязнения при работе вагонных замедлителей достигается пропиткой металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л и подвергнут отверждению при температуре 120-160°C.
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.
Установка между подошвой и тормозной балкой прокладки из стали с высокими демпфирующими свойствами, толщиной (0,1-6) мм, обладающей высоким уровнем демпфирующей способности в диапазонах амплитуд упругой деформации материала, позволяет дополнительно снизить уровень шума и повысить жесткость крепления тормозной шины к балке вагонного замедлителя. Демпфирующая сталь обладает высокими механическими свойствами, что позволяет сохранять высокую динамическую жесткость крепления тормозной шины и вагонного замедлителя в целом и использовать ее для изготовления цилиндров, которые впрессовываются с заходом в глухое отверстие в подошве. Установка в сквозные отверстия в стальных планок равных по диаметру и соосных с глухими отверстиями подошвы или сквозными отверстиями подошвы стальных цилиндров, заходящих в сквозные отверстия подошвы до контакта с установленными фрикционными элементами позволяет минимизировать вариант среза крепежных элементов, экономить дорогостоящий материал фрикционных элементов и сделать шину более технологичной так как фрикционные элементы изготавливаются одного типа размера. Прокладки и стальные цилиндры изготавливались из высоко демпфирующей стали 01Ю5Т и высокодемпфирующей стали 16ХМТЮБ-ВИ.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана шина тормозная вагонного замедлителя восстановленная, на фиг. 2 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой, на фиг. 3 сечение Б-Б тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой, фиг. 4 сечение В-В тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой, фиг. 5 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью, фиг. 6 сечение Б-Б тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью, фиг. 7 сечение В-В тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью, фиг. 8 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой, подошва имеет сквозные отверстия равные по диаметру и соосные со сквозными отверстиями в стальных планках с установленными фрикционными элементами, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстие стальных планок до контакта с фрикционными элементами, фиг. 9 сечение А-А тормозной шины фиг. 1 вариант прокладка установлена между подошвой и тормозной балкой и подошвой и изнашиваемой частью, подошва имеет сквозные отверстия равные по диаметру и соосные со сквозными отверстиями в стальных планках с установленными фрикционными элементами, в которые впрессованы стальные цилиндры, заходящие в сквозные отверстие стальных планок до контакта с фрикционными элементами.
3
2
Шина тормозная восстановленная состоит: из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ, имеющего подошву 1 с выполненными монтажными сквозными и глухими отверстиями и установленной прокладкой 2 из высокодемпфирующей стали 16ХМТЮБ-ВИ толщиной 0,1-6,0 мм со стороны обращенной к балке вагонного замедлителя (на фиг. не показана); изнашиваемую часть в виде стальных планок 3 высотой - 50 мм, шириной - 40 мм, длиной (300-900) мм, с выполненными сквозными ступенчатыми отверстия для монтажа к подошве 1, сквозные и глухие отверстия с установленными фрикционными элементами 4 и стальными цилиндрами 5. Фрикционные элементы 4 выполнены в форме цилиндра высотой 10-30 мм, диаметром 5,0-40,0 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ5,0/1226/10, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, содержащего: никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо, пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного, имеют предел прочности на срез равный не менее 80 МПа и предел прочности на сжатие равный не менее 230 МПа, запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины с усилием 14-15 кН/см. Цилиндры 5, выполнены высотой (3-26) мм, из стали 16ХМТЮБ-ВИ обладающей высокими демпфирующими свойствами, впрессованы в глухие или сквозные отверстиями подошвы 1, заходят в сквозные отверстия стальных планок 3, выполненные равными по диаметру и соосными с отверстиями подошвы 1, до контакта с установленными в стальных планках 3 фрикционными элементами 4. Монтаж стальной планки 3 к подошве 1 проведен горячей клепкой.
Исследования шумовых характеристик проводились в составе вагонного замедлителя КЗ-5пк на механизированной сортировочной горке Южно-Уральской Железной Дороге. Опытная партия тормозных шин, изготавливалась на Инструментально Механическом Заводе в Комсомольске-на-Амуре.