ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
TRACTION ROLLING STOCK BRAKE SHOE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к тормозным колодкам тягового (локомотивы и мотовозы) подвижного состава, работающим с трибосопряжением не только с поверхностью качения колеса, но и с поверхностью гребня колеса («гребневая» колодка).
Аналогом заявляемого изобретения является гребневая тормозная колодка рельсового транспортного средства, включающая металлический каркас с двумя гребнями, размещенными на торцевых частях каркаса, тремя полимерными композиционными фрикционными элементами, два из которых размещены на гребнях каркаса колодки и зафиксированы к поверхностям гребней каркаса, а третий полимерный композиционный фрикционный элемент размещен на каркасе колодки и зафиксирован к поверхности каркаса (см. патент RU №133073, МПК В61Н 1/00, 2013 г.). Существенные признаки аналога «металлический каркас с двумя гребнями, полимерный композиционный фрикционный элемент, размещенный на каркасе колодки и зафиксированный к поверхности каркаса» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.
Недостатком аналога является снижение характеристик колодки при эксплуатации из-за образования дефектов рабочей поверхности колодки и поверхности качения колеса по причине отсутствия в колодке элементов, сглаживающих дефекты, очищающих поверхность качения колеса и не допускающих шаржирования рабочей поверхности колодки, то есть препятствующих негативным эксплуатационным воздействиям на трибосопряжение.
Другим аналогом заявляемого изобретения является тормозная колодка, содержащая стальной каркас, основную дугообразную чугунную часть и профильную чугунную (гребневую) часть с выполненным в ней ручьем, колодка снабжена многочисленными цилиндрическими вставками, закрепленными сваркой на стальном каркасе, абразивность материала, из которого выполнены вставки, превышает абразивность материала, из которого выполнена колодка, при этом вставки, размещенные в тороидальной части колодки, выполнены из фрикционного композиционного материала с металлической матрицей, а вставки, находящиеся в профильной части колодки, выполнены из антифрикционного композиционного материала с металлической матрицей (см. патент RU №126300, МПК В61Н 1/00, 2012 г.). Существенные признаки аналога «стальной каркас, дугообразная часть, профильная часть с выполненным в ней ручьем, вставка, закрепленная на стальном каркасе» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.
Недостатком аналога являются низкие эксплуатационные характеристики колодки, требующие высокого давления в тормозной системе, что обусловливает выполнение колодки из чугуна, обладающего более низким коэффициентом трения по сравнению с полимерными фрикционными композитами, а также сложностью изготовления колодки, обусловленной многочисленностью вставок и необходимостью «металлургического» подхода к изготовлению колодки (заливка чугуном).
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является тормозная колодка тягового подвижного состава, содержащая стальной каркас с двумя гребнями и фрикционный элемент, включающий основную часть и профильную часть из полимерного композиционного фрикционного материала, при этом основная часть выполнена с двумя чугунными вставками из немагнитного чугуна, размещенными радиально к рабочей поверхности основной части вне центральной и концевых частей колодки таким образом, что при эксплуатации колодки вставки контактируют с поверхностью качения колеса и не контактируют с гребнем колеса (см. патент RU №2563519, МПК В61Н 1/00, 2015 г.). Существенные признаки наиболее близкого аналога «стальной каркас с двумя гребнями, фрикционный элемент из полимерного композиционного фрикционного материала, включающий основную часть и профильную часть, основная часть выполнена с чугунной вставкой, размещена вставка таким образом, что при эксплуатации колодки вставка контактирует с поверхностью качения колеса и не контактирует с гребнем колеса» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.
Недостатком наиболее близкого аналога являются низкие эксплуатационные характеристики колодки при ее установке на уже находящийся в эксплуатации подвижной состав, у которого из-за износа поверхностей качения колес диаметр поверхностей качения уменьшен. Возможность изгибания каркаса под действием нажимного усилия в сочетании с высокой сжимаемостью и восстанавливаемостью полимерного композиционного материала, из которого изготовлен фрикционный элемент колодки, позволяет под действием усилий, прижимающих колодку к колесу при торможении, компенсировать разницу в кривизне рабочей поверхности колодки и поверхности качения колеса. Но применяемое в колодке расположение вставок из практически не сжимаемого при этих усилиях чугуна не позволяет осуществить достаточной компенсации ни в центральной части колодки, ни в ее торцевых частях, поскольку компенсации препятствует размещение вставок в зонах жесткой фиксации гребней к стальному каркасу. Это не дает возможности изгиба каркаса для хотя бы частичной компенсации разницы в кривизне рабочей поверхности колодки и поверхности качения колеса.
Другим недостатком наиболее близкого аналога, также обусловленным расположением вставок в зонах жесткого соединения гребней каркаса с каркасом, является возможность повышенного износа внешней (по отношению к поверхности качения) поверхности гребня колеса, что снижает эксплуатационный ресурс колеса. Поскольку при прижатии колодки к колесу твердые (практически несжимаемые) чугунные вставки стремятся (из-за неортогональности направления действия нажимной силы и поверхности качения колеса) сместиться в сторону от гребня по этой поверхности, то возникает смещающее усилие на гребни, что заставляет их сильнее прижимать полимерный композиционный фрикционный материал ручья к внешней поверхности гребня (отсюда и повышенный износ этой поверхности).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик колодки при ее установке на уже находящееся в эксплуатации колесо (замена колодок), путем повышения возможности деформации торцевых частей колодки под действием нажимного усилия с компенсацией разницы кривизны рабочей поверхности колодки и поверхности качения колеса, за счет уменьшения количества вставок, изменения места расположения и изменения месторасположения гребней колодки и их размеров. Таким путем также достигается и повышение эксплуатационного ресурса гребня колеса, так как снижается давление фрикционного композиционного материала на его внешнюю поверхность.
Для достижения указанного технического результата в тормозной колодке тягового подвижного состава, содержащей стальной каркас с двумя гребнями и фрикционный элемент, включающий выполненные из полимерного композиционного фрикционного материала основную и профильную части, при этом основная часть выполнена с чугунной вставкой, размещенной в основной части таким образом, что при эксплуатации колодки вставка контактирует с поверхностью качения колеса и не контактирует с гребнем колеса, гребни стального каркаса размещены в центральной части колодки, при этом длина гребневой части колодки (профильная часть колодки с выполненным в ней ручьем) выбрана из соотношения: , где  - длина гребневой части колодки, D - длина колодки, вставка размещена в центральной части колодки в зоне промежутка между гребнями каркаса, толщина вставки выбрана из соотношения: L=0,9÷1,4N, где L - толщина вставки, N - длина промежутка между гребнями каркаса, при этом в промежутке между гребнями каркаса размещен полимерный композиционный фрикционный материал.
Существенные признаки заявляемого изобретения «гребни каркаса размещены в центральной части колодки, при этом длина гребневой части колодки выбрана из соотношения: , где  - длина гребневой части колодки, D - длина колодки, вставка размещена в центральной части колодки в зоне промежутка между гребнями каркаса, толщина вставки выбрана из соотношения: L=0,9÷1,4N, где L - толщина вставки, N - длина промежутка между гребнями каркаса, в промежутке между гребнями каркаса размещен полимерный композиционный фрикционный материал» являются отличительными от признаков наиболее близкого аналога.
На фиг. 1 представлена колодка, вид со стороны стального каркаса. На фиг. 2 представлено продольное сечение А-А колодки. На фиг. 3 представлено поперечное сечение Б-Б по центральной части колодки.
Колодка тягового подвижного состава включает стальной каркас 1 с двумя гребнями 2. Гребни каркаса размещены в центральной части колодки. Длина  гребневой части колодки составляет от 0,5 до 0,7 длины D колодки. На каркасе зафиксирован фрикционный элемент 3. Фрикционный элемент выполнен из композита, включающего полимерную матрицу и различные дисперсные, в том числе волокнистые, наполнители. Фрикционный элемент состоит из основной части 4, имеющей сложную форму, и профильной части 5, в которой выполнен ручей 6. Основная часть снабжена чугунной вставкой 7, размещенной в центральной части колодки радиально к рабочей поверхности 8 основной части в зоне промежутка 9 между гребнями каркаса. Толщина L вставки составляет от 1 до 1,4 длины N промежутка между гребнями каркаса. В промежутке между гребнями размещен полимерный композиционный фрикционный материал, вследствие чего образуется непрерывный ручей по всему гребню колодки. Торцевые части 10 колодки не имеют гребня. Чугунная вставка поверхностью 11 при эксплуатации колодки контактирует с поверхностью качения колеса (после истирания приработочного слоя 12), но не контактирует с гребнем колеса в течение всего периода эксплуатации. Вставка не выходит в профильную часть фрикционного элемента, поверхность ручья которого контактирует с гребнем колеса при эксплуатации. Гребни каркаса и профильная часть фрикционного элемента образуют гребень колодки 15.
Конкретным примером заявляемой колодки тягового подвижного состава является колодка тормозная композиционная с глубоким захватом из полимерного фрикционного композита URALATI-3018. Колодка снабжена центральной вставкой из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Изготавливаться заявляемая колодка может известными методами, например приформовыванием формовочной смеси к металлическому каркасу, на котором предварительно зафиксирована, например сваркой, чугунная вставка.
Выполнение колодки заявляемой конструкции позволяет улучшить эксплуатационные характеристики при установке новой колодки на колесо, уже бывшее в эксплуатации (то есть изношенное), с уменьшенным радиусом поверхности качения. Размещение вставки в центральной части колодки позволяет при эксплуатационном нажимном усилии за счет изгибания торцевых частей каркаса, на которых нет гребней, обеспечить необходимую кривизну рабочей поверхности основной части фрикционного элемента колодки (за счет сжимаемости полимерного фрикционного композита). Отсутствие гребней на торцевых частях каркаса и наличие промежутка между гребнями облегчает такую деформацию, а заполнение этого промежутка полимерным композиционным фрикционным материалом сохраняет монолитность фрикционного элемента колодки как по основной, так и по профильной его части, что и обеспечивает отсутствие изменений трибосопряжения при таких деформациях. В совокупности эксплуатационные характеристики пары трения колодка-колесо повышаются, особенно в случае использования новых колодок на уже эксплуатирующихся колодках (замена колодок на станциях при обслуживании состава).