ИЗНОСОУСТОЙЧИВАЯ ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРЕНИЯ ДЛЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к локомотивам и вагонам относится, к части исполнительного (фрикционного) механизма тормозной рычажной передачи.
Тормозные колодки (накладки) являются важнейшим элементом механической части тормоза, обеспечивающими необходимое трение при их прижатии к колесу для образования тормозного момента на колесной паре. От них зависит эффективность торможения, и, следовательно, безопасность движения - это вызывает ряд требований к их качеству и характеристикам:
- наличие стабильного и высокого коэффициента трения в широком диапазоне скоростей и сил нажатий;
- минимальный износ на единицу тормозного пути для снижения объема работ по замене колодок на подвижном составе;
- возможность длительных торможений без утраты фрикционных свойств;
- отсутствие недопустимых тепловых и других воздействий на колесную пару или диск, повреждающих их поверхность;
- неизменность фрикционных характеристик при попадании влаги на колодки;
- простота установки при замене из-за износа или смены типа тормозных колодок;
- исключение возникновения на поверхности колеса токонепроводящих включений (третьего тела), а также снижающих коэффициент его сцепления с рельсами;
- отсутствие вредных для человека продуктов износа и возможности самовозгорания колодок [1].
От качества и конструкции тормозных колодок зависит сокращение тормозных путей, повышение скоростей и безопасность движения. Тормозные колодки должны иметь высокий коэффициент трения, малозависящий от скорости, высокую износостойкость и стабильно работать в разных климатических условиях [2].
По форме исполнения на подвижном составе наибольшее распространение получили безгребневые 1 (фиг.1) и гребневые 2 (фиг.2) чугунные стандартные тормозные колодки.
Безгребневые колодки применяются на грузовых и пассажирских вагонах. На локомотивах в основном применяются гребневые колодки, т.к. из-за тягового оборудования невозможно соединить их попарно триангелями или тормозными балками, исключающими смещение колодок с поверхности катания колес, как это выполнено на вагонах. Поскольку поверхность катания колес имеет конусообразный вид и при нажатии на колодку, кроме нормальной силы, возникает еще и боковая сила, гребневая колодка удерживается на колесе от сползания с помощью специального фигурного паза 3 (фиг.2), который ложиться на гребень колеса, и не предназначен для создания дополнительного тормозного эффекта [1].
В процессе торможения поезда происходит преобразование его кинетической энергии в другие виды: тепловую, электрическую и т.д. При фрикционном торможении выделяющееся тепло нагревает трущиеся детали и рассеивается в окружающей среде. Опыт эксплуатации тормозных систем, особенно с увеличением скорости движения, показывает, что тепловая напряженность процессов торможения влияет на долговечность и повреждаемость фрикционных узлов.
При торможении процесс трения тормозной колодки и колеса происходит в точках их фактического контакта. Суммарная площадь этих контактов составляет лишь незначительную величину геометрической площади, перекрываемой тормозной колодкой. Выделение тепла происходит лишь в точках фактического контакта, плотности тепловых потоков и температурные вспышки в них могут достигать больших величин, что при плохом теплоотводе вызывает свечение поверхности трения и переход металла в этих точках в пластическое состояние. При этом происходит деформация металла либо его быстрый износ, и место температурной вспышки перемещается в соответствии с изменением контактных удельных давлений. Вследствие малой площади фактического контакта, недостаточного теплоотвода из зоны трения и температурных вспышек происходит возникновение на поверхности трения колодок более высоких средних температур, чем на колесе, при которых дополнительно снижается прочность материала колодки, и металл подвергается интенсивным пластическим деформациям [6]. В таких условиях трения происходит быстрый тепловой износ поверхностей колеса и колодки. При этом скорость износа определяется возникновением и развитием высокой температуры в зоне трения.
В связи с этим основная проблема состоит в том, что чугунные колодки быстро изнашиваются, это снижает безопасность движения поезда по перегону (спуску) и увеличивает затраты на их обслуживание в эксплуатации при их замене и изготовлении. Образующиеся в процессе износа чугунные микрочастицы в зоне трения колодки и колеса являются относительно крупными, что оказывает дополнительный эффект увеличения интенсивности износа в тормозном узле «Колодка-Колесо», а их перемещение в зоне трения колодки и колеса в процессе движения снижает коэффициент трения колодки о поверхность катания колеса. Это влияет на уменьшение эффективности механического торможения и увеличения тормозного пути. Например, на крутых затяжных спусках, износ чугунных колодок за спуск составляет 7-9 мм [2]. Наличие фигурного паза на гребневой колодке дополнительно способствует увеличению интенсивности износа рабочей поверхности гребня колеса и образования на поверхности гребня термических трещин, возникающих в результате резкого торможения с большим нажатием колодки на гребень колеса [4, 5]. Все это происходит в результате некачественной регулировки тормозной рычажной передачи и не выдерживания технологии производства новых колодок.
Износ колодок в условиях эксплуатации существенно зависит от силы их нажатия, материала, вида и длительности торможения, наличия третьего тела (продуктов износа тормозной колодки и колеса), регулировки рычажной передачи, положения колодки относительно поверхности катания колеса, как в тормозном, так и в тяговом режиме, температурным режимом процесса торможения и рядом других факторов.
Температурный режим процесса торможения характеризуется плотностью теплового потока и возникающими температурами зависящие от начальной скорости торможения, замедлений, величины тормозных сил, материала трущихся пар и условий теплоотдачи в окружающую среду. При больших скоростях движения в режиме торможения на условия теплоотдачи в зоне трения колодки и колеса всегда обращается особое внимание. Так как происходит быстрый и интенсивный нагрев поверхности катания колеса, что с одной стороны вызывает перераспределение напряжений в ободе колеса, его ослабление с последующим возможным проворотом относительно колесного центра (при бандажной конструкции) вследствие неравномерности температурного поля, а с другой стороны появляются значительные напряжения сжатия, которые могут превосходить предел упругости и вызывать пластические деформации поверхности катания. После охлаждения в таких случаях возникают напряжения растяжения металла. Многократные нагружения знакопеременными напряжениями приводят к термическим трещинам усталости на поверхности катания, прогрессивно развивающимся в глубину колеса, особенно при переходе в зону, имеющую напряжения растяжения. Все это служит критерием допускаемой эффективности торможения и типа тормозной системы при высокой скорости торможения.
Поэтому сохранение температурного режима на поверхности трения тормозной системы без изменения ее конструкции при увеличении скорости требует удлинения тормозного пути пропорционально кубу скорости [6].
В эксплуатации чугунные тормозные колодки локомотивов и вагонов довольно быстро изнашивается до критической толщины, что ведет к необходимости их замены [1]. Однако, в современных условиях эксплуатации тормозных колодок локомотивов и вагонов, невозможно обеспечить визуальный контроль ее износа, а следовательно, и своевременную их замену.
Таким образом, наиболее близким прототипом является чугунная тормозная колодка локомотива и вагона [1, 3].
В настоящее время толщину тормозной колодки контролирует помощник машиниста линейкой или штангенциркулем на стоянке локомотива, что вызывает большие затраты времени и составляет большую трудоемкость.
пр
Предлагается модифицировать конструкцию тормозных колодок вагонов 4 (фиг.3) и локомотивов 4 (фиг.4), путем осуществления на рабочей поверхности N прорезей на расстоянии L друг от друга глубиной Н до величины предельного износа (которая зависит от условий эксплуатации подвижного состава и устанавливается местными инструкциями) под углом α. Наличие прорезей позволит визуализировать остаточный ресурс и обеспечить с меньшими затратами времени выявления изношенных колодок в эксплуатации без дополнительных измерительных инструментов, тем самым обеспечивается их своевременная замена и повышается безопасность движения поездов.
в
Выражение величины износа ΔH тормозной колодки по толщине для случая экстренного торможения за время t до полной остановки, определяется по формуле [6]
к
где α - коэффициент распределения теплового потока, показывает какая часть возникающего при трении тепла поступила в колодку;
т
В - тормозная сила;
Δh - средняя разрушаемая высота выступов фактического контакта;
0
υ - начальная скорость торможения;
А - механический эквивалент тепловой работы;
χ - коэффициент фактической площади контакта;
k
F - геометрическая площадь контакта колодки и колеса;
max
Δτ - повышение температуры до значения, при котором происходит разрушение выступов шероховатости (зависит от материала колодки и является константой);
пср
Δτ - среднее повышение рабочей поверхности трения колодки;
λ - коэффициент теплопроводности;
γ - удельный вес нагреваемого колеса;
с - удельная теплоемкость колеса.
Из формулы (1) видно, что предлагаемая конструкция способствует эффективному удалению третьего тела (чугунных микрочастиц износа) из зоны трения 7 (фиг.5), что позволяет уменьшить среднюю разрушаемую высоту выступов фактического контакта Δh в процессе торможения, тем самым уменьшается интенсивность износа колодки и увеличивается ее коэффициент трения, повышающий эффективность торможения.
Среднее повышение рабочей поверхности трения колодки можно определить по следующей формуле
п
где Δτ - избыточная температура поверхности, на которой выделяется тепло.
п
Изменение температуры (Δτ) к моменту времени t, вызываемое количеством тепла q(t)dt, выделяющимся на единице поверхности
С учетом отдачи тепла с поверхности трения в окружающую среду имеем
a
где q - количество тепла, выделяющееся на единице поверхности в единицу времени (плотность теплового потока) в начале процесса повышения температуры;
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности трения в окружающую среду.
к
л
Коэффициент теплоотдачи с нагретой поверхности в окружающую среду определяется как сумма коэффициентов теплоперехода конвекцией α и излучением α
л
л
Коэффициент теплоотдачи излучением α зависит от приведенной степени тона цветовой гаммы (темный, светлый) излучающей поверхности колодки, абсолютной температуры колодки и окружающей температуры среды. В модифицированной конструкции колодки коэффициент теплоотдачи излучением α не рассматривается, так как незначительно влияет на износ колодки, потому что организуется слабый отвод тепла из зоны трения поверхности катания колеса и колодки в окружающую среду.
к
Коэффициент теплоотдачи конвекцией α вычисляется в зависимости от критериев Рейнольдса Re и Прандтля Рr [6].
Критерий Рейнольдса для поверхности катания вращающегося колеса определяется из выражения
в
где γ, Z - удельный вес и абсолютная вязкость обтекающего колесо воздуха;
υ - скорость движения потока воздуха (напрямую зависит от скорости движения подвижного состава).
Критерий Прандтля зависит от характеристик воздуха, обтекающего колесо
р
где с - удельная теплоемкость воздуха (при постоянном давлении);
в
λ - коэффициент теплопроводности воздуха.
Физические характеристики воздуха, входящие в критерии Прандтля и Рейнольдса, принимаются при температуре охлаждаемой поверхности.
Формула для расчета коэффициента теплоотдачи вынужденной конвекцией (υ>0) имеет вид
Для использования формулы (8) применительно к охлаждению тел различной геометрической формы ее удобно преобразовать, подставив значение критерия Рейнольдса, к виду
k
пср
max
Наличие же прорезей предлагаемой конструкции колодки уменьшает интенсивность их износа ΔН, особенно при больших скоростях движения, путем улучшения температурного режима за счет повышения эффективности отвода тепла из зоны трения в окружающую среду. В процессе движения нагоняемый под колодку холодный воздух 8 (фиг.5) нагревается и эффективно уходит в окружающую среду через прорези на рабочей поверхности колодки 6 (фиг.5), вследствие чего происходит увеличение коэффициента конвективного излучения α, что уменьшает среднюю температуру трения рабочей поверхности колодки Δτ, тем самым увеличивается время для достижения максимальной температуры Δτ, при которой происходит разрушение выступов фактического контакта, согласно формуле (1). В типовой колодке при увеличении начальной скорости торможения интенсивность ее нагрева возрастает.
Уменьшение средней температуры в зоне трения так же уменьшает вероятность проворота бандажа относительно колесного центра и образования поверхностных напряжений в бандаже, что очень важно при высокоскоростном движении подвижного состава.
Для исключения термических трещин и уменьшения интенсивности износа рабочей поверхности гребня колеса, дополнительно предлагается модифицировать гребневую колодку локомотива путем замены сплошного фигурного паза колодки 3 (фиг.2) тремя зацепами 5 (фиг.4). Зацепы будут выполнять туже функцию, что и сплошной фигурный паз, но оказываемое силовое воздействие на рабочую поверхность гребня будет существенно ниже. Это возможно осуществить за счет того, что сам фигурный паз колодки дополнительных тормозных усилий не создает.
Таким образом, существует два варианта выполнения износоустойчивой тормозной колодки для скоростного движения, в первом случае для локомотива (фиг.4), во втором для вагона (фиг.3).
Технический результат предлагаемых вариантов конструкции колодок локомотива и вагона в эксплуатации, достигается за счет:
- повышение уровня безопасности движения поездов, за счет увеличения надежности торможения, в связи со своевременной заменой предельно износившейся колодки;
- уменьшение интенсивности износа тормозных колодок за счет своевременного удаления продуктов износа и улучшения температурного режима работы колодки;
- экономия материалов при изготовлении новых колодок;
- возможность применения конструкции колодки при скоростном движении без увеличения тормозного пути локомотива;
- повышение эффективности торможения и уменьшение интенсивности износа колодок за счет своевременного удаления продуктов фрикционного износа из зоны соприкосновения колодки и поверхности катания колеса;
- уменьшение вероятности проворота бандажа относительно колесного центра и образования напряжений на его поверхности;
Для варианта исполнения конструкции колодки локомотива достигается дополнительный технический результат:
- уменьшение износа гребней колесных пар;
- уменьшение вероятности образования термических трещин на рабочей поверхности гребня колеса.
Список литературы:
1. Автоматические тормоза подвижного состава / В.Р.Асадченко -Москва: Маршрут, 2006. - 392 с.
2. Автоматические тормоза подвижного состава / В.И.Крылов, В.В.Крылов - Москва: Транспорт, 1983. - 360 с.
3. ГОСТ 1205-73 Колодки чугунные, тормозные для вагонов и тендеров, железных дорог широкой колеи «Конструкция и основные размеры»
4. Тормоза железнодорожного подвижного состав: Вопросы и ответы / В.Г.Иноземцев М.: Транспорт, 1987. - 207 с.
5. Механическая часть электрического подвижного состава / Д.К.Минов - Москва, 1959 - 384. с.
6. Теоретические основы проектирования и эксплуатации автотормозов. / В.М.Казаринов, В.Г.Иноземцев, В.Ф.Ясенцев - Москва: Транспорт, 1968, 400 с.