ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILROAD VEHICLE BRAKING CLAMP

Изобретение относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.
Из уровня техники известны композиционные тормозные колодки железнодорожных транспортных средств.
По патенту РФ на изобретение №2309072 известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, причем 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%.
Композиционные колесосберегающие тормозные колодки со вставкой из специального высокопрочного чугуна позволяют увеличить ресурс колеса, так как примененный тип чугуна имеет ферритную структуру и графит в виде шаровидных или соответственно хлопьевидных включений, высокие механические свойства, в т.ч. предел прочности и относительное удлинение, благодаря чему в процессе торможения при высоких температурах чугун плавится, намазывается на поверхность колеса и заполняет микротрещины на поверхности колеса, предотвращая тем самым дальнейшее развитие этих трещин; способствует улучшению поверхности катания колеса и увеличению стойкости колес к образованию выщербин и других дефектов. Кроме того, вставка из специального чугуна из-за присущей ей абразивности оказывает при нормальных и низких температурах очищающее воздействие на колесо, увеличивает шероховатость поверхности катания колеса и повышает сцепление колеса с рельсом и стабильность эффективности торможения, особенно в осенне-весенний период.
Однако при данной конструкции колодки при сильных вибрациях и морозах имеет место отрыв фрикционного элемента от металлического каркаса, а иногда разрушение металлического каркаса в месте П-образного выступа.
Известное техническое решение используется по тому же назначению и имеет общие с заявляемой колодкой существенные признаки: «металлический каркас», «композиционный фрикционный элемент» и «твердая вставка из высокопрочного или ковкого чугуна».
Известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ на полезную модель №69597, содержащая композиционный фрикционный элемент, проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный элемент тыльной стороны колодки, по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки, твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и запрессованную в композиционный фрикционный элемент. Колодка с тыльной ее стороны содержит металлическую сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент, вставка в верхней нерабочей части имеет паз с ее тыльной стороны, запрессованный фрикционным композиционным материалом с отверстием для пропуска чеки и консоли, симметрично расположенные по длине вставки с каждой ее стороны, причем верхняя нерабочая часть вставки вставлена в проволочный каркас и защемлена в нем.
В известной конструкции колодки длина вставки в месте консолей больше длины центральной бобышки, но меньше расстояния между боковыми бобышками.
У этой колодки нерабочая часть вставки имеет выемку на боковой стороне по ширине вставки, а на другой боковой стороне - выступ, защемлена в проволочном каркасе с двух сторон по длине, с двух сторон по ширине и с одной стороны по высоте таким образом, что тыльная поверхность вставки в центральной бобышке находится в одной плоскости с нижней поверхностью сетки или перфорированной жести.
У рассматриваемой колодки консоли являются неотъемлемой частью вставки, так как отлиты вместе со вставкой и находятся в теле композиционного элемента под перфорированной жестью, впрессованной в композиционный элемент.
Поэтому известная колодка обладает прочной и надежной конструкцией, однако ее теплоотдача в окружающую среду недостаточна, что не позволяет обеспечить максимальный отвод тепла из зоны контакта колодки с колесом, и, как следствие, снижает ресурс колеса и колодки.
Известное техническое решение используется по тому же назначению и имеет общие с заявляемой колодкой существенные признаки: «металлический каркас», «композиционный фрикционный элемент» и «твердая вставка с консолями».
Известна колодка тормозная композиционная для железнодорожного подвижного состава с разнесенными вставками (варианты) по патенту РФ на полезную модель №67045.
В данной колодке, содержащей одно или двухслойный композиционный фрикционный элемент, закрепленный на сетчато-проволочном каркасе, имеются чугунные или стальные вставки, разнесенные относительно оси колодки. Как видно из чертежей фиг.1, 2, приведенных в описании к данному патенту, колодка содержит две чугунные или стальные вставки, покрытые с тыльной стороны колодки тонким слоем композиционного материала и перфорированным тыльником.
Недостатками данной колодки являются следующие. Конструкция данной колодки имеет небольшую теплоотдачу в окружающую среду, а также недостаточную прочность, так как в процессе эксплуатации у рассматриваемой колодки образуются сквозные трещины от рабочей до тыльной поверхности колодки на границе между вставкой и композиционным фрикционным элементом, вследствие их разной теплопроводности. Как только трещина между композиционным фрикционным элементом и твердой вставкой доходит от рабочей до тыльной поверхности колодки и становится сквозной, то твердая вставка повисает на проволочном каркасе и колодка разрушается.
Соединение стальных, а особенно чугунных вставок, со стальным проволочным каркасом путем сварки, пайки или совмещенного с проволочным каркасом литья дорогостоящая и трудоемкая операция, а скрепление типа замок-защелка недостаточно понятно, так как не пояснено ни в описании, ни в чертежах.
Согласно описанию полезной модели вставки данной колодки выполнены из стали и чугуна таких марок, которые не восстанавливают поверхность катания колеса в процессе обычного торможения путем заполнения микротрещин на поверхности катания колеса, например, расплавленной сталью и расплавленным чугуном, и тем самым не препятствуют их дальнейшему развитию и не позволяют увеличить ресурс колеса.
Существенные признаки аналога «две твердые вставки», «одно или двухслойный композиционный фрикционный элемент» и «проволочный каркас» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Наиболее близким аналогом является известная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ на полезную модель №69177, содержащая композиционный фрикционный элемент, металлический каркас из стальной полосы и приваренную к нему вставку, расположенную в центральной части колодки, проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный элемент тыльной стороны колодки, по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки, центральную бобышку с отверстием под чеку и две боковые бобышки, выполненные из композиционного фрикционного материала, причем металлический каркас из стальной полосы выполнен шириной меньше ширины проволочного каркаса, изогнут по радиусу тыльной поверхности колодки и запрессован в тыльную поверхность колодки с обеих сторон твердой вставки между боковыми бобышками и центральной бобышкой, причем твердая вставка снабжена пазом, открытым со стороны ее тыльной поверхности, вставлена в проволочный каркас и запрессована в центральной бобышке таким образом, что ее тыльная поверхность находится в одной плоскости с тыльной поверхностью центральной бобышки.
Стальной каркас в наиболее близком аналоге выполнен из двух стальных полос, приваренных к вставке с каждой стороны по ее длине, которые являются консолями вставки.
Данная конструкция колодки с твердой вставкой, например из высокопрочного чугуна, позволяет увеличить теплоотдачу от чугунной вставки и колеса в окружающую среду за счет приваренных к ней консолей (каркаса из стальной полосы), выходящих на тыльную поверхность колодки, а также обеспечивает стабильность эффективности торможения и высокий ресурс колодки и колеса.
Однако конструкция данной колодки недостаточно совершенна, так как проволочный каркас не соединен с твердой вставкой с приваренными к ней консолями, в связи с чем при брикетировании и вулканизации колодки под давлением имеет место небольшое перемещение и поворот их относительно друг друга, кроме того, из-за отсутствия соединения проволочного каркаса с твердой вставкой с приваренными к ней консолями прочность конструкции колодки в конце эксплуатации колодки недостаточна, в связи с чем имеет место увеличенная минимально допустимая толщина колодки, разрешенная для эксплуатации.
Нижеуказанные существенные признаки наиболее близкого аналога являются общими с существенными признаками заявляемой колодки: «композиционный фрикционный элемент», «проволочный каркас», «твердая вставка с соединенными с ней консолями (с соединенным с ней металлическим каркасом)».
Задачей, на решение которой направлена заявляемая тормозная колодка, является увеличение прочности конструкции колодки путем соединения, по крайней мере одной твердой вставки с проволочным каркасом, а также с сохранением высокой теплоотдачи колодки в окружающую среду, в том числе за счет консолей, выполненных в виде металлических пластин, выходящих на тыльную поверхность колодки и соединенных с твердой вставкой, выполненной из высокопрочного или ковкого чугуна.
Технический результат, достигаемый при эксплуатации заявляемой колодки, заключается в увеличении ресурса колодки и ресурса колеса и снижении затрат по их замене.
Поставленную задачу решает тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая:
- по меньшей мере, однослойный композиционный фрикционный элемент;
- проволочный каркас, впрессованный в тыльную часть колодки;
- по крайней мере, одну твердую вставку, снабженную с каждой стороны по ее длине консолями, из которых, по крайней мере одна изготовлена отдельно, соединена с твердой вставкой и выходит на тыльную поверхность колодки.
Каждая из вставок имеет консоли по длине вставки с обеих ее сторон и паз по длине вставки в верхней нерабочей ее части, запрессованный композиционным материалом с целью уменьшения возможности образования единой вертикальной трещины в месте контакта композиционного элемента со вставкой.
Часть консолей, кроме отлитых со вставкой и являющихся ее неотъемлемой частью, или все консоли твердой вставки могут быть изготовлены отдельно и соединены со вставкой, например в виде, приваренных к ним, металлических, преимущественно стальных пластин, выходящих на тыльную поверхность колодки с целью значительного увеличения теплоотдачи в окружающую среду.
При этом, по крайней мере, одна твердая вставка соединена с проволочным каркасом, например защемлена в нем.
Гибкое защемление тыльной нерабочей части твердой вставки в отверстиях проволочного каркаса обеспечивается за счет непараллельности и неперпендикулярности его сторон с одновременным выполнением вставляемых в отверстия проволочного каркаса частей вставки специальной формы, с экспериментально подобранными размерами, а также выполнением в нерабочей части вставки специальных выемок, выступов, уклонов, консолей и других форм, обеспечивающих защемление и зацепление вставки с проволочным каркасом.
Гибкое защемление твердой вставки в проволочном каркасе и запрессовывание ее с консолями и сетчато-проволочным каркасом в эластичном композиционном фрикционном элементе, например на каучуковом связующем, обуславливают способность колодки в процессе эксплуатации к упругоэластическим деформациям, в пределах, возможных для композиционного фрикционного элемента.
Поэтому данная конструкция тормозной колодки имеет высокую ударно-вибрационную стойкость, что обуславливает высокую прочность колодки.
Твердые вставки могут быть выполнены из высокопрочного или ковкого чугуна, что обеспечит стабильность эффективности торможения в любых погодных условиях и восстановление поверхности катания колеса в процессе обычного торможения.
Нижеприведенные существенные признаки заявляемой колодки являются отличительными от существенных признаков наиболее близкого аналога: «твердая вставка соединена с проволочным каркасом», «твердая вставка защемлена в проволочном каркасе», «твердая вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна».
На фиг.1 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства (один из возможных вариантов, вид А-A), где:
1 - композиционный фрикционный элемент, состоящий из одного или двух продольных слоев;
2 - консоль, изготовленная из стальной пластины;
3 - твердая вставка;
4 - проволочный каркас;
5 - центральная бобышка с отверстием под чеку;
6 - боковые бобышки;
7 - уклон на боковой тыльной нерабочей части вставки;
8 - паз в тыльной нерабочей части вставки;
9 - выемка в боковой тыльной нерабочей части вставки.
На фиг.2 схематично изображена схема сборки твердой вставки с приваренными к ней консолями из стальной полосы с проволочным каркасом тормозной колодки железнодорожного транспортного средства.
Технология изготовления тормозной колодки предусматривает следующие этапы:
- изготовление (отливка) вставки из чугуна;
- изготовление консолей из стальной полосы способом штамповки;
- приварка твердой вставки к стальным консолям;
- изготовление и сварка проволочного каркаса из проволоки;
- сборка твердой вставки с приваренными к ней стальными консолями с проволочным каркасом;
- изготовление композиционных фрикционных материалов для рабочего и нерабочего слоев;
- поочередная укладка в пресс-форму проволочного каркаса, твердой вставки с приваренными к ней консолями, навески нерабочего слоя с разравниванием и рабочего слоя с разравниванием композиционных фрикционных материалов и с последующим формованием под давлением в прессе;
- вулканизация колодок в пресс-форме под давлением и при температуре;
- сверление отверстий под чеку в тормозной колодке;
- маркировка колодок, например струйным принтером, со стороны наружной боковой поверхности колодок в нерабочей части колодки с нанесением линии индикатора износа (линии максимально возможного износа колодки по толщине).
Подробное описание выполнения всех операций изложено достаточно подробно в книге Б.А.Ширяева «Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов». М., Химия, 1982 г., стр.8-13, 70, а также в вышеприведенных аналогах заявляемой колодки и других. Твердая вставка вручную вставлена и защемлена с двух сторон в поперечном направлении в отверстии проволочного каркаса, образованном между отогнутыми наружу концами двух замкнутых рамок и с двух сторон в продольном направлении в отверстии во внутренней рамке проволочного каркаса в центральной его части и с одной стороны в вертикальной плоскости, в выемке боковой стороны. С противоположной боковой стороны проволочный каркас в центральной его части только укладывается нижней стороной на выступ. Твердая вставка защемляется таким образом, что тыльная поверхность вставки находится в одной плоскости с тыльной поверхностью центральной бобышки.
Для этого вставка со стороны ее вертикальной поверхности имеет выемку, в которую установлена одна из сторон рамок проволочного каркаса, а с криволинейной стороны вставка от тыльной ее поверхности до выступа, образованного за счет разницы ее ширины в нерабочем и рабочем сечениях, имеет вогнутую внутрь поверхность или уклон. Длина вставки на тыльной ее поверхности равна длине отверстия в проволочном каркасе, образованного между отогнутыми наружу концами двух замкнутых рамок, а ширина вставки в месте консолей равна ширине отверстия во внутренней рамке проволочного каркаса в центральной ее части. Толщина вставки равна толщине колодки или на 1-3 мм меньше ее с целью обеспечения сохранности пресс-форм для вулканизации тормозных колодок.
Высота выемки и толщина перемычки от верхней границы выемки до тыльной стороны вставки подобраны исходя из необходимости размещения и фиксирования в ней двух отогнутых наружу рамок проволочного каркаса в вертикальной плоскости.
Как уже указывалось выше, часть консолей, за исключением отлитых вместе со вставкой и являющихся неотъемлемой частью вставки, или все консоли вставки могут быть изготовлены отдельно от вставки, например, из полосовой или листовой стали, методом штамповки и соединены со вставкой способом сварки или другими способами, например пайки и тому подобное.
Сборка вставки с соединенными с ней консолями производится с проволочным каркасом, как указано на фиг.2.
Вставка с соединенными с ней консолями, вручную, под углом до 30° к горизонтали заводится боковой стороной с выемкой в находящийся в горизонтальной плоскости проволочный каркас, в поперечное его отверстие, образованное между отогнутыми наружу концами двух замкнутых рамок и в продольное его отверстие во внутренней рамке проволочного каркаса в центральной его части с одновременной установкой в выемке проволочного каркаса в центральной его части. При последующем повороте вставки с консолями до 0° к горизонтали с одновременным прижатием к вставке проволочного каркаса в выемке вручную с небольшим усилием производится окончательная установка вставки в каркас с одновременным защемлением ее в каркасе с двух сторон по длине, с двух сторон по ширине и с одной стороны вставки по высоте в выемке вставки.
Кроме прямого защемления вставок в проволочном каркасе за счет непараллельности и неперпендикулярности его сторон, при необходимости может производиться и дополнительное защемление вставок путем выполнения фиксирующего изгиба в проволочной рамке с помощью пневматического пресса и оснастки, в тисках и другими способами.
Соединение проволочного каркаса с твердыми вставками, к которым уже присоединены в свою очередь консоли, например приварены, может осуществляться и другими способами, кроме защемления или вместе с защемлением, например способом совмещенного с проволочным каркасом литья, способами сварки, пайки или связывания проволокой, синтетическим шнуром, тесьмой и т.п.
Твердая вставка может быть выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна.
Выполнение заявляемой тормозной колодки новой конструкции с признаками, указанными в отличительной части формулы, позволяет повысить стабильность эффективности торможения, прочность конструкции колодки и увеличить ресурс колодок и колес в эксплуатации.
Прочная, надежная конструкция композиционной тормозной колодки с твердыми вставками из специального высокопрочного или ковкого чугуна, в свою очередь, позволит добиться стабильной эффективности торможения, в том числе при обледенении и в дождь, повысить теплоотдачу в окружающую среду, обеспечить очищающее, полирующее и восстанавливающее воздействие на поверхность катания колеса, заполнять мельчайшие трещины на поверхности катания колеса чугуном при его расплавлении при высоких температурах и тем самым предотвращать их дальнейшее развитие и, как следствие, повысить ресурс работы колеса и ресурс колодки и снизить затраты железных дорог по их замене.