СОСТАВНАЯ ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКОЙ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Заявляемая полезная модель относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожного подвижного состава.
Известны тормозные композиционные колодки, содержащие металлический (стальной) каркас, фрикционный элемент и твердую вставку. (Интернет ресурс: fritex.ru>about/publications/Vagony.pdf УДК 629.4.077:597.3 Новые тормозные колесосберегающие колодки для подвижного состава, д.т.н. Вуколов Л.А., инженеры: Шпади Д.В., Налев И.А., Никитин В.А., Дружков Д.А., Мухин А.В.)
Металлический каркас состоит из одной детали - основной полосы, а иногда из двух деталей: основной полосы и приваренной к ней по внутренней стороне усиленной пластины. Основная полоса каркаса имеет внешний криволинейный контур по периметру готовой колодки, в центре П-образный или полукруглый контур, образующий центральную бобышку. Центральная бобышка каркаса снабжена отверстиями под чеку. На основной пластине каркаса расположены также две боковые бобышки, служащие направляющими для чеки. Центральная бобышка служит для крепления тормозной колодки в тормозном башмаке посредством чеки, а направляющие (боковые бобышки) упрощают монтаж чеки. Усилительная пластина применяется для придания дополнительной жесткости каркасу и повышения надежности крепления каркаса с фрикционным элементом.
Известны тормозные композиционные колодки, содержащие металлический (стальной) каркас, фрикционный элемент с полимерным композитом ТИИР, имеющий статический коэффициент трения 0,37-0,47 и твердую вставку из различных модификаций чугуна, имеющие коэффициент трения 0,10-0,14, по сравнению с чугунными колодками, получили значительно более широкое применение, так как они имеют более высокий коэффициент трения, меньшее усилие нажатия. Усилие нажатия на чугунную колодку составляет около 4 тонн, усилие нажатия на композиционную колодку с твердыми вставками из чугуна составляет 1,0-1,5 тонны. Тормозные колодки железнодорожного транспортного средства, содержащие металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки, по патентом РФ №2188347 В61Н 1/00, 2001 г., №2340806, В61Н 1/00, 2008 г.) и патентам на полезную модель №52957, F16D 65/04, 2006 г., №76409 F16D 65/04, 2008 г. Композиционные колодки, содержащие металлический каркас, фрикционный элемент и твердую вставку имеют большую износостойкость более высокий срок службы, меньший вес, а также обеспечивают бесшумное и плавное торможение подвижного состава.
При эксплуатации тормозных композиционных колодок без твердых вставок, могут возникать отдельные дефекты, в том числе термические трещины на поверхности качения колес, повышенный износ поверхности качения колес, снижение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения (дождь, снег), а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса.
Известно техническое решение, которое направлено на повышение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения, а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас, одно- или двухслойный композиционный фрикционный элемент и вставку или несколько вставок, выполненных из материала с меньшей износостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, при этом вставка или вставки выполнены из материала с большим коэффициентом трения, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки. Вставка выполнена из композиционного фрикционного материала с большей термостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, по меньшей мере, один из наполнителей композиционного фрикционного материала металлический. Композиционный фрикционный материал вставки или вставок изготавливается на основе смоляного связующего или комбинированного (смола и каучук), а композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки изготавливается на основе каучукового связующего. Поэтому вставка или вставки имеют большую твердость и термостойкость, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки, так как смоляное связующее по сравнению с каучуковым увеличивает твердость и термостойкость композиционного материала. (Патент RU 88753, заявка 2009128116 от 20.07.2009 г. МПК В61Н 7/04).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что оно не способствует защите от разрушения вагонного колеса. Такой эффект обусловлен свойствами материала колодки. В основном износ вагонного колеса происходит в результате постоянного контакта с рельсом. Контакт тормозной колодки с поверхностью колеса, происходит в процессе торможения, в такие периоды износ вагонного колеса происходит более интенсивно. В зависимости от свойств материала тормозной колодки интенсивность износа контактной поверхности колеса может быть замедлена, а может приводить к его интенсификации.
Имея более высокий коэффициент трения, на контактной площади вставки происходит более интенсивное выделение тепла и повышение температуры, таким образом, в центральной части колодки имеется площадь поверхности с температурой выше, чем на рабочей поверхности основного композиционного элемента.
Вставка, имеет более высокую термостойкость, по сравнению с термостойкостью основного композиционного элемента, это приводит к образованию большей разности температур на контактных поверхностях вставки и поверхности основного композиционного элемента. Таким образом, в контакте с поверхность колеса находится тело, имеющее на контактной поверхности два очага с различной температурой, что в сочетании с контактными давлениями приводит к интенсивному зарождению термических микротрещин на поверхности колеса в виде волосовин.
Разрушение поверхностного слоя вагонного колеса происходит вследствие зарождения и развития микротрещин, вызывающих отслаивание микроскопических участков материала. Трещины зарождаются вследствие высоких контактных нагрузок и высоких температур в поверхностном слое. Первоначально появляются точечные дефекты по границам деформированных зерен. В дальнейшем происходит их слияние и образование волосовин, которые при дальнейшей деформации материала колеса прорастают на поверхность. (Диссертация Шакиной А.А. стр. 68 Ресурс в интернете (https://sovet.knastu.ru/media/file/u1NfL7.pdf).
Вставка, выполненная из материала с меньшей износостойкостью, чем композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки разрушается в результате температурной деструкции полимерной матрицы с образованием множества трещин. Это ведет к образованию вырывов вместе с наполнителем, в том числе, и частицами металла. Образовавшиеся частицы очищают поверхность колеса, но такая очистка не является значительной, так как твердость частиц ниже твердости колеса, в основном происходит, полирование поверхности без удаления дефектного слоя с контактной поверхности колеса.
На устранение данных недостатков ОАО «Фритекс» были разработаны композиционные полуметаллические колесосберегающие тормозные колодки со вставкой из специального чугуна с графитом шаровидной формы. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, и две бобышки по кроям, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, при этом 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%. (Патент RU 2309072, заявка №2006111290 от, 07.04.2006 г. МПК В61Н 7/02).
Колодка обеспечивает сохранение поверхности качения колеса, а следовательно, повышенный срок службы колеса при сохранении повышенного срока службы колодок, а также обеспечивает стабильность и эффективность торможения при обычных и тяжелых условиях эксплуатации. Но имеет отдельные недостатки. В качестве материала для изготовления твердой вставки используется высокопрочный или ковкий чугун с графитом шаровидной формы. Шаровидная форма включений графита, имеющая наименьшее отношение поверхности к объему, не оказывает такого сильного надрезывающего действия на металлическую основу колеса, как пластинчатая форма, и не способствует уменьшению очищающего действия на колесо и не обеспечивают необходимого полирующего воздействия на колесо по устранению термических трещин, ползунов и очистки поверхности колеса от термических трещин.
10/2451/30
50
50
3
Известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства с твердой вставкой из металлокерамического материала, содержащей металлический каркас с П-образным выступом с наружной стороны в центральной его части и две бобышки по краям, композиционную фрикционную основу, имеющую основную и боковую рабочие поверхности, твердую вставку, закрепленную на металлическом каркасе в центральной части колодки, при этом твердая вставка, имеет трапецеидальную форму в сечении продольной плоскостью и трапецеидальную форму в сечении горизонтальной плоскостью, с большей стороной трапеции на боковой рабочей поверхности, выполнена из фрикционного композиционного металлокерамического материала на основе железа, содержащего по массе %: медь - 11-12, углерод - 14-16, окись алюминия - 3-4, хром - 1,5-2,5, железо - остальное, имеющего пористость не более 10%. Кроме этого, материал на основе железа имеет мелкозернистую структуру с размером зерна 15-70 мкм, имеет твердость по Бринелю (14-20)НВ , микротвердость основы (230-250)HV, состоящей из пластинчатого перлита с медными прослойками по границам зерен и микротвердость включений (700-900)HV, состоящих из карбидных соединений хрома, материала вставки фрикционной из композиционного металлокерамического на основе железа находится имеет в пределах 4,5-4,8 г/см, материал вставки фрикционной из композиционного металлокерамического материала на основе железа имеет предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, соединение фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа и металлического каркаса выполнено посредством склеивания, металлургического или механического крепления, коэффициент трения фрикционного элемента из металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 0,43-0,65, общая площадь рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет не менее 15%, абразивная стойкость вставки выше абразивной стойкости колеса железнодорожного транспортного средства, вставка пропитана кремнийорганическим гидрофобизатором, острые углы трапеции в сечении горизонтальной плоскостью, равны 60-89,5°. (Патент на полезную модель RU 190197, заявке №2019105100 от 24.06.2019 г. МПК В61Н 1/00). Данное техническое решение является прототипом заявляемого технического решения.
К недостаткам данного технического решения следует отнести отсутствие оптимальных геометрических характеристик вставки, в частности, углов наклона плоскостей вставки, что не позволяет получение на практике оптимальных фрикционных характеристик тормозной колодки, а именно, колодка не обеспечивает стабильность и эффективность торможения при тяжелых условиях эксплуатации. В качестве материала для изготовления твердой вставки используется композиционный порошковый материал, обладающей повышенной хрупкостью. Такой материал способствует очищающему действия на колесо и обеспечивает необходимое полирующее воздействие на колесо по устранению термических трещин, ползунов и очистки поверхности колеса от термических трещин. Однако при тяжелых условиях наружения возможно разрушение кромки вставки. Это обусловлено тем, что не оптимизированы углы наклона плоскостей вставки. Твердая вставка имеет в сечении, продольной вертикальной плоскостью, трапецеидальную форму Углы трапеции в сечении вертикальной плоскостью, не определены. Данные параметры оказывает существенное влияние на прочность кромки вставки и на очищающее свойство вставки при тяжелых условия нагружения колодки
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожного подвижного состава.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в отсутствии выкрашивания кромок вставки и повышении очищающей способность тормозной колодки в тяжелых условиях торможения.
3
Технический результат достигается составной тормозной колодкой с металлокерамической вставкой для железнодорожного подвижного состава, содержащей металлический каркас с П-образной центральной скобой и двумя направляющими, композиционную фрикционную основу, имеющую основную и боковую рабочие поверхности, вставку из композиционного металлокерамического материала на основе железа, закрепленную на металлическом каркасе в центральной части колодки, имеющую основную и боковую рабочие поверхности, совпадающие с поверхностями фрикционной основы, вставка имеет форму равносторонней трапеции в продольном горизонтальном сечении с острыми внутренними углами α при основании трапеции, лежащей на боковой рабочей поверхности, и форму равносторонней трапеции в продольном вертикальном сечении с острыми внутренними углами β при основании трапеции, лежащей на основной рабочей поверхности. Кроме углы α равны 75-89,5°, а углы β равны 85-89,5°, вставка из композиционного металлокерамического материала на основе железа, содержит по массе %: медь - 11-12, углерод - 14-16, окись алюминия - 3-4, хром - 1,5-2,5, железо - остальное, имеет пористость не более 10%, материал на основе железа имеет мелкозернистую структуру с размером зерна 15-70 мкм, имеет твердость по Бринелю (14-20)НВ10/2451/30, микротвердость основы (230-250)HV50, состоящей из пластинчатого перлита с медными прослойками по границам зерен и микротвердость включений (700-900)HV50, состоящих из карбидных соединений хрома, плотность материала вставки фрикционной из композиционного металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 4,5-4,8 г/см, материал вставки фрикционной из композиционного металлокерамического материал на основе железа имеет предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, соединение вставки из металлокерамического материала на основе железа и металлического каркаса выполнено посредством склеивания, металлургического или механического крепления, коэффициент трения фрикционной вставки из металлокерамического материала на основе железа находится в пределах 0,43-0,65, общая площадь рабочей поверхности вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет не менее 10-20%, вставка пропитана кремнийорганическим гидрофобизатором.
Существенное влияние тормозной колодки сказывается на разрушении контактных поверхностей в системе «тормозная колодка-колесо». Колесо подвергается износу, как со стороны тормозной колодки, так и со стороны рельса. Авторами предлагаемого технического решения были проведены исследования влияния углов образованных сторонами наклона боковых граней вставки с основанием вставки, в сечении вертикальной плоскостью это углы β, на стойкость кромки к разрушению при усиленной нагрузке. Экспериментально определено, что при угле β меньше 85°, при тяжелых условиях нагружения происходит выкрашивание кромок вставки. При этом очищающая способность кромок снижается. Исследования показали, что оптимальными углами являются 85-89,5°.
Твердая вставка, имеет трапецеидальную форму в сечении продольной плоскостью и трапецеидальную форму в сечении горизонтальной плоскостью, с большей стороной трапеции на боковой рабочей поверхности. Такое исполнение вставки, позволяет создать наклон ребра твердой вставки, на основной и боковой рабочих поверхностях, что позволяет более эффективно производить очистку от загрязнения и удаления поверхностного дефектного слоя с поверхности колеса железнодорожноготранспорта, а также удерживать вставку в колодке.
Соединение металлокерамического фрикционного элемента на металлическом каркасе, выполнено посредством склеивания, металлургическим (пайка и др.) или механическим (винтами) креплением. Высокое сцепление поверхностей вставки с композиционной фрикционной основой, может быть выполнено любым известным способом, общепринятым в области техники порошковой металлургии, в частности, выполнением ступенек, впадин, и других элементов. Вставка пропитана кремнийорганическим гидрофобизатором, что исключает контакт композиционного материала с водой. Поверхностная обработка материалов кремнийорганическими соединениями основана на нерастворимости образующихся полимерных пленок в воде. Вставка, гидрофобизированная кремнийорганическим соединениями, практически не увеличиваются в весе, полностью сохраняют свою пористость.
На фиг. 1 представлена составная тормозная колодка с металлокерамической вставкой для железнодорожного подвижного состава,
на фиг. 2 сечение вставки, в виде трапеции, в горизонтальной плоскости, большая сторона трапеции направлена в сторону гребня колеса железнодорожного транспортного средства,
на фиг. 3 сечение вставки продольной вертикальной плоскости и углы, образованные плоскостями вставки,
где
1 - металлический каркас,
2 - П-образный выступ,
3 - направляющая под чеку для крепления колодки в тормозном узле,
4 - композиционная фрикционная основа,
5 - металлокерамической фрикционной элемент на основе железа изготовленный методом порошковой металлургии, композиционной фрикционной основой,
α - острый угол трапеции в сечении горизонтальной плоскостью, равны 60-89,5°, где
β - острый угол в трапеции в сечении вертикальной продольной плоскостью равен 85-89,5°.
Изготовление предлагаемой составной тормозной колодкой с металлокерамической вставкой для железнодорожного подвижного состава позволяет значительно повысить срок службы колодки и безопасность движения транспортных средств.