ШИНА ТОРМОЗНАЯ КОМПОЗИЦИОННАЯ С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ШУМА В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к путевым устройствам железнодорожного транспорта и предназначена для установки в устройства 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 B.C., 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 ТУ 14-1-3188-81 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 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. Вторым недостатком данной тормозной шины является высокий уровень шума, который может достигать более 120 дБ, что значительно больше допустимых значений. Высокое шумовое загрязнение, образующееся в процессе торможения, имеет широкий диапазон частот от 100 до 5000 Гц. Наиболее опасны для человека шумовые загрязнения в области высоких частот, свыше 1000 Гц.
Известна тормозная шина вагонного замедлителя, тормозная поверхность шины выполнена из пластичного фрикционного материала в виде отдельных элементов, закрепляемых на металлической основе. (Авторское свидетельство №137132 по заявке №652077 от 25.01.1960 г.) Наличие множества прижимных планок для крепления фрикционных элементов, крепежных шпилек, фрикционных элементов с внутренней резьбой значительно усложняют конструкцию тормозной шины, делая ее не технологичной и малонадежной в эксплуатации.
Известно техническое решение тормозной шины вагонного замедлителя, состоящей из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ по ТУ 14-1-3188-81, имеющей изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде сплошного желоба, контактная поверхность изнашиваемой части образована фрикционными элементами из порошкового композиционного сплава на основе железа, 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 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 RU №143886, заявка: 2014111090 от 25.03.2014 г., МПК В61К 7/02 «Тормозная шина вагонного замедлителя»).
Наличие фрикционных элементов позволяет повысить износостойкость контактной поверхности шины, снизить уровень шумового загрязнения. К недостаткам следует отнести не оптимизированный элементный химический состав фрикционных элементов, что затрудняет использование шины. Снижение уровня шума недостаточно в области высоких частот, свыше 1000 Гц.
Известно техническое решение малошумной тормозной шиной вагонного замедлителя, состоящей из концевой правой, концевой левой и средней шин обеспечивающих требуемую длину по тормозной балке, выполненных 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 фрикционного сплава на основе железа и составляет не более 80% от общей площади контактной поверхности, фрикционные элементы имеют форму тела вращения и закреплены в отверстиях, выполненных в изнашиваемой части шины, сплав фрикционных элементы имеют коэффициент трения в пределах 0,1-0,6, пористость не более 20%, и состоит из 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,
при этом средняя шина выполнена из раздельных элементов, имеющих длину, достаточную для закрепления на тормозной балке вагонного замедлителя, как минимум, двумя крепежными болтами, при этом концевая правая, концевая левая шины и каждый элемент средней шины, со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, имеет демпфирующую шумопоглощающую накладку. Кроме этого, фрикционный элемент выполнен составным, состоящим из головной части из фрикционного композиционного материала и подложки из стали, соединение головной части и подложки фрикционного элемента выполнено посредством припекания или посредством склеивания, отверстия для закрепления фрикционных элементов выполнены глухими или сквозными, сквозное отверстие для закрепления фрикционных элементов выполнено ступенчатым с большим диаметром со стороны контактной поверхности или с большим диаметром со стороны поверхности, обращенной к балке вагонного замедлителя, фрикционный элемент закреплен в отверстии запрессовкой или склеиванием или посредством шпильки или посредством штифта, фрикционный элемент установлен заподлицо с контактной поверхностью или с выступом относительно контактной поверхности, или с утоплением относительно контактной поверхностью, диаметр фрикционного элемента на контактной поверхности не превышает 80% ширины изнашиваемой части, фрикционные элементы в одной шине установлены различного диаметра или одного диаметра, фрикционные элементы в одной шине установлены с переменным шагом или с постоянным шагом, демпфирующая шумопоглощающая накладка выполнена однослойной или многослойной, однослойная накладка выполнена из базальтового полотна, многослойная накладка выполнена их склеенных между собой слоев базальтового полотна и стальных листов, толщина накладки составляет 0,5-2,5 мм. (Патент на полезную модель RU №167878, заявка: 201603003 от 29.01.2016, МПК В61К 7/02). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
В данном техническом решение малошумной тормозной шины вагонного замедлителя за основу принимается серийно выпускаемый профиль шины, изготовленной из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ по ТУ 14-1-3188-88. Наличие на контактной поверхности материала фрикционных элементов, не приводит образование облоя, являющегося дополнительным очагом появления шума. Фрикционные элементы в контактной зоне меняют 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 краям шины. Снижение физического износа, за счет исключения процессов адгезионного сваривания (схватывания) в паре трения «тормозная шина - обод колеса».
Средняя шина выполняется из раздельных элементов, имеющих длину, достаточную для закрепления на тормозной балке вагонного замедлителя, как минимум, двумя крепежными болтами. В среднем, для различных типов вагонных замедлителей, длина такого элемента составит от 600 мм до 1000 мм, что в 2-3 раза меньше имеющихся 2000-2700 мм. Меньшая длина элементов позволит упростить операцию запрессовки фрикционных элементов и крепление на тормозной балке вагонного замедлителя, однако, такое исполнение средней шины допустимо не на всех моделях вагонных замедлителей. Крепление более короткого элемента средней шины, как минимум, двумя болтовыми соединениями, неприемлемо для вагонных замедлителей, так как технические требования на крепление шины к балке вагонного замедлителя предусматривает, как минимум, крепление по концам шины и в середине для увеличения жесткости. Наличие демпфирующих шумопоглощающих накладок на концевой правой, концевой левой шинах и каждом тормозном элементе средней шины, со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, дополнительно снижают высокочастотные колебания шин, являющихся источником шумового загрязнения на механизированных и автоматизированных сортировочных горках. Однако использование предлагаемых шумопоглощающих материалов для изготовления накладок экономически нецелесообразно и нетехнологично. Накладки, выполненные однослойными, из базальтового полотна, или многослойными, выполненными их склеенных между собой слоев базальтового полотна и стальных листов, при толщине накладки 0,5-2,5 мм резко снижают жесткость крепления тормозной шины к балке. Демпфирующая шумопоглощающая накладка со стороны, обращенной к балке вагонного замедлителя, из данных материалов, не выдерживает ударно-вибрационных нагрузок. Ударные нагрузки, возникающие в момент зажима обода колеса железнодорожного вагона тормозными шинами, в момент соприкосновения тормозной шины и обода колеса приводят к деформации накладок, и ослаблению крепления тормозной шины, что не допустимо, при ослаблении крепления шины к балке, так как возможен срез крепежных болтов. К недостаткам данного технического решения следует отнести не достаточное снижение шума, коэффициент трения имеет большой разброс значений.
Задачей заявляемого технического решения по тормозной шине вагонного замедлителя является повышения эффективности работы вагонных замедлителей на механизированных и автоматизированных сортировочных горках.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении жесткости крепления тормозной шины, при сохранении высокого уровня снижения шумового загрязнения.
2
3
Технический результат достигается шиной тормозной композиционной с пониженным уровнем шума в области высоких частот, состоящей из концевой правой, концевой левой и средней шин, имеющих длину, достаточную для закрепления на тормозной балке вагонного замедлителя, выполненных из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали, имеющих изнашиваемую часть и подошву для крепления к тормозной балке вагонного замедлителя, выполненную в виде сплошного желоба, для размещения головок шинных болтов, с монтажными отверстиями, на подошве концевой правой, концевой левой и средней шин, со стороны обращенной к балке вагонного замедлителя установлены прокладки из высокодемпфирующей стали толщиной 0,1-6,0 мм со сквозными отверстиями, выполненными соосно с монтажными отверстиями подошвы, предназначенными для крепления к тормозной балке, контактная поверхность изнашиваемой части образована фрикционными элементами, составляет не более 80% от общей площади контактной поверхности, фрикционные элементы запрессованы в отверстия, выполненные в изнашиваемой части шины, с усилием 14-15 кН/см, выполнены в форме цилиндра высотой 10-50 мм, диаметром 5,0-40 мм, из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ, 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, мас. %:
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
2
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, накладка из высокодемпфирующей стали выполнена однослойной, накладка из высокодемпфирующей стали выполнена многослойной, фрикционные элементы, запрессованные в отверстия, выполненные в изнашиваемой части, с усилием 14-15 кН/см, дополнительно имеют штифтовое крепление.
Шумовое загрязнение - это звуковые колебания, которые возникают в процессе торможения вагонов при их спуске с сортировочной горки и которые приносят 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.
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 5-40 мм. Изготовление фрикционного элемента высотой менее 10 мм и диаметром менее 5 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.
3
Снижение 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 элементам, 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 5,55-6,05 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, приводит получению материала 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 при следующем содержании компонентов, мас. %:
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
Дальнейшее понижение уровня шумового загрязнения при работе вагонных замедлителей достигается пропиткой металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала 30% спиртовым раствором связующего фенольного порошкообразного СФП-011Л ТУ 2257-111-05015227-2006 и подвергнут отверждению при температуре 120-160°С. Отвержденное 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.
Наличие прокладки, толщиной (0,1-6,0) мм, выполненной из стали с высокими демпфирующими свойствами, между подошвой и тормозной балкой, позволяет, с одной стороны, эффективно бороться с вибрацией и шумовым загрязнением и значительно снизить уровень шума, возникающий под воздействиям ударно-вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации, с другой стороны, благодаря тому, что они обладают высокими механическими свойствами, высокой конструкционной жесткостью, жестко крепить на балке вагонного замедлителя тормозную шину, уменьшая ее вибрацию. Вибрационное воздействие на конструкцию вагонного замедлителя, как правило, происходит в диапазоне малых амплитуд упругой деформации материала, которые максимально снижают прокладки с высокими демпфирующими свойствами, что в совокупности с шинами, имеющие композиционные вставки, снижающие уровень шума, позволяют максимально снизить интенсивность шума, излучаемого вагонными замедлителями сортировочных горок. Прокладки выполнялись из высокодемпфирующей стали 01Ю5Т и высокодемпфирующей стали 16ХМТЮБ-ВИ. Наличие в прокладке сквозных отверстий, выполненных соосно с монтажными отверстиями подошвы, предназначенными для крепления к тормозной балке, позволяет позиционировать прокладку относительно подошвы и балки, при установке тормозной шины на вагонозамедлитель.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан фрагмент тормозной шины; на фиг. 2 показан разрез тормозной шины по месту сечения А-А; на фиг. 3 - разрез тормозной шины по месту сечения А-А, вариант фрикционные элементы, запрессованы в отверстия, дополнительно имеют штифтовое крепление.
3
Шина тормозная композиционная состоит: из горячекатаного профиля Г-образной формы из стали 50ХГ, имеющего подошву 1 с 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); изнашиваемой части 3 с запрессованными в отверстия фрикционными элементами 4, выполненными в форме цилиндра высотой 10-50 мм, диаметром 5,0-40 мм из металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала пропитанного раствором связующего фенольного порошкообразного, имеющего открытую пористость (16-20)%, твердость по Бринеллю 50-120 НВ, плотность 5,55-6,05 г/см, коэффициент трения 0,4-0,6, содержащего никель, медь, барит, окись алюминия, графит, дисульфид молибдена и железо; контактной поверхности 5 изнашиваемой части 3 образованной фрикционными элементами 4, составляющими не более 80% от общей площади контактной поверхности 5; штифт 6.
Применение демпфирующей стали, 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.
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 г. Комсомольске-на-Амуре.