МУФТА ФРИКЦИОННАЯ

Полезная модель относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики, в частности к муфтам стрелочных электроприводов типа СП-6, и предназначена для предотвращения перегрузок электропривода в процессе перевода остряков стрелочных переводов.
Известна муфта фрикционная стрелочного привода, включающая ступицу, фрикционные диски, прижимное устройство, состоящее из упругого элемента, нажимного диска и прижимной гайки и стопорного винта, при этом на цилиндрическом конце ступицы имеется резьба, цилиндрический участок ступицы имеет дополнительный участок для установки дополнительных фрикционных дисков, нажимного диска, нажимного корпуса и прижимной гайки, на подвижных фрикционных дисках имеется ряд отверстий, расположенных по окружности, в которые впрессованы износостойкие металлокерамические фрикционные самосмазывающиеся элементы, в нажимном корпусе выполнен ряд ступенчатых отверстий, расположенных по окружности диаметра, равного диаметру окружности с запрессованными фрикционными элементами на фрикционных дисках, в отверстиях большего диаметра, с одной стороны, установлены винтовые пружины, а в отверстия меньшего диаметра, с другой стороны, входит стопорной винт устройства фиксации, в нажимном диске выполнен ряд глухих отверстий, в которые входят винтовые пружины, расположенные по окружности диаметра, равного диаметру окружности установки винтовых пружин на прижимном корпусе, износостойкие металлокерамические фрикционные самосмазывающиеся элементы содержат, мас.%: медь - 10,0, углерод - 2,0, сера - 0,4, маршаллит - 5,0, железо - остальное. (Патент RU 91043  по заявке №2009139150 от 23,10,2009г, МПК B61L5/00).
Недостатками данного технического решения являются   нестабильность крутящего момента муфты в процессе перевода остряков, и как следствие, преждевременный выход из строя двигателя электропривода.
Известна муфта фрикционной стрелочного электропривода включающей ступицу, подвижные и неподвижные фрикционные диски, нажимной диск, при этом ступица состоит из втулки и фланца, выполненных из различных материалов, на торце втулки выполнена канавка, развальцованная на наружную поверхность нажимного диска, делая соединение втулки и нажимного диска неразъемным, а муфту неразборной. Кроме этого, наружная поверхность нажимного диска выполнена конусной, фланец ступицы выполнен из того же материала, что и материал неподвижных фрикционных дисков, соединение фланца и втулки выполнено неразъемным. (Патент RU 161146  по заявке №2015112972 от 08.04.2015г, МПК B61L5/06). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостаток данной муфты заключается в нестабильности усилий перевода и прижатия остряков к рамным рельсам стрелочного перевода, что приводит к перегрузке электропривода и преждевременного выхода из строя электродвигателя.
Задачей заявляемого технического  решения является повышение безопасности в работе стрелочного электропривода и безопасности движения подвижного состава при прохождении стрелочных переводов.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в снижении затрат на  обслуживание стрелочного привода, в повышении стабильности усилий прижатия остряков к рамным рельсам.
Указанный технический результат обеспечивается муфтой фрикционной, содержащей ступицы, выполненной в виде  фланца, на цилиндрической части которой установлены четыре  фрикционных диска  толщиной 2-3 мм и нажимной диск, торцовая часть  цилиндрической части фланца развальцована на наружную поверхность нажимного диска, делая соединение ступицы и нажимного диска неразъемным, а фрикционные диски подвижными, два фрикционных диска имеют ряд  отверстий,  центры которых, расположенные по окружности, имеют форму равностороннего треугольника с закругленными вершинами, и одним углом направленные к центру металлического диска, в указанных отверстиях прессовой осадкой закреплены  вставки фрикционные,высотой 3-6 мм, симметрично выступающие над плоскостями диска с каждой стороны на 1,0-3,0 мм, материал вставок фрикционных содержит медь, окись кремния, графит, цинк стеориновокислый и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 8,0-13,0
окись кремния 3-8,0
графит 2,0-5,0
цинк стеориновокислый 0,1-0,5
железо остальное,
3
4
имеет открытую пористость 15-20%, твердость по Бринеллю НВ 350-450 МПа, плотность 5,00-5,25 г/см, относительную осадку не менее 12% и масловпитываемость 2-5%. Кроме этого, внешняя поверхность диска с вставками фрикционными имеет три прямоугольных выступа, расположенных симметрично, относительно друг друга, по окружности,  усилие прессовой осадкой  вставок фрикционных составляет (4-8)⋅10 Н на одну вставку, прессовая осадка производится  путем деформирования вставок  по высоте на 0,75-0,85 мм в специальном приспособлении с приложением усилия осадки одновременно ко всем вставкам, вставки фрикционные  пропитаны  гидравлическим морозостойким маслом.
Железо составляет основу фрикционного материала вставок фрикционных. Вводится в виде порошка ABC 100.30 фирмы "Hoganas" (Швеция). Благодаря высокой чистоте и отличным технологическим свойствам порошок обеспечивает высокое качество фрикционного материала. Железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность фрикционного сплава.
Медь введена в виде порошка медного электролитического ПМС-1 (массовая доля меди 99,5%) ГОСТ 4960 с номинальной величиной частиц 100 мкм. Часть меди при спекании растворяется в феррите, тем самым упрочняя его и повышая сопротивление атмосферной коррозии. Основная часть меди содержится в материале в виде включений свободной меди по границам зерен и внутри зерен основной структуры, улучшая фрикционные свойства композита. Медь в составе фрикционного сплава на основе железа повышает теплопроводность и коэффициент трения за счет увеличения адгезионной составляющей коэффициента трения. При содержании менее 8% интенсифицируется схватывание ферритной основы фрикционного элемента со сталью фрикционного диска, что приводит к усилению износа, но не повышает коэффициент трения выше 0,35. При содержании свыше 13% интенсифицируется адгезионное взаимодействие медной составляющей фрикционного элемента со сталью фрикционного диска, что увеличивает коэффициент трения, но ведет к увеличенному износу фрикционного материала и нестабильности коэффициента трения.
Графит карандашный - порошок черного цвета марок ГК-1, ГК-3 по ГОСТ 4404-78. Графит в процессе трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. Содержание в составе металлокерамического материала графита менее 2 мас.% приводит при некотором увеличении износостойкости к значительному снижению стабильности коэффициента трения. При увеличении количества графита более 5 мас.% с ростом коэффициента трения снижается износостойкость за счет снижении его прочностных характеристик.
Оксид кремния - порошок белого цвета (Кремний (IV) оксид) по ГОСТ 9428-73. Оксид кремния в процессе трения служит абразивом, увеличивая коэффициент трения.
3
Барит (концентрат баритовый гравитационный) - порошок сульфата бария (сернокислого бария BaSO4) по ГОСТ 4682-84. Барит обладает высокой плотностью (4300-4500 кг/м), низкой твердостью (30-35 МПа), сравнительно небольшой абразивностью, введен в состав материала для придания материалу противозадирных свойств, Содержание в составе металлокерамического материала барита менее 0,5 мас.% приводит к незначительному увеличению износостойкости и повышению стабильности коэффициента трения. При увеличении количества барита более 1,5 мас.% снижается коэффициент трения и износостойкость за счет снижения прочностных характеристик.
Цинк стеариновокислый (стеарат цинка) - белый или желтовато-белый порошок, слегка маслянистый на ощупь по ТУ 6-09-17-316-96. Это поверхностно-активное вещество, которое снижает поверхностное натяжение. Введен в состав порошковой смеси для улучшения процесса прессования. Выступая в роли внутренней смазки, стеарат цинка уменьшает силы трения между частицами и способствует получения материала с минимальными значениями разброса по плотности. Содержание в составе порошковой смеси стеарата цинка менее 0,1 мас.% приводит к незначительному снижению разброса по плотности, при увеличении количества более 0,5 мас.% снижение разброса по плотности не значительно.
В работах П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова показано, что в общем случае при трении протекают следующие процессы: 1) упругое и пластическое деформирование микронеровностей и пластическое течение в поверхностных слоях, приводящие к пластическому износу; 2) повторные микропластические деформации при периодических встречах микронеровностей, приводящие к установленному разрушению; 3) изменение механических и физических свойств поверхностных слоев металла вследствие глубокой пластической деформации. (Основы триботехники: учеб. пособие / Ю.М. Лужнов, В.Д. Александров; под ред. Ю.М. Лужнова. - М.: МАДИ, 2013. - 136 с., стр. 25.).
Из данных работ можно определить, какими свойствами должен обладать фрикционный материал, чтобы иметь высокую износостойкость и стабильный коэффициент трения. Составляющие фрикционного материала должны обладать высоким сопротивлением пластическому течению поверхностных слоев, противостоять усталостному разрушению межзёренных границ порошкового материала, иметь высокую теплопроводность, для быстрого отвода тепла вглубь основы, снижая тем самым изменения механических и физических свойств поверхностных и подповерхностных слоев зоны контакта фрикционного материала. Условия взаимодействия фрикционного материала с металлическим диском фрикционной муфты стрелочного электропривода имеют при этом ряд особенностей.
Фрикционный период работы при переводе стрелки стрелочным электроприводом длится до 5 сек. Направление движения контактируемых тел меняется на противоположное после каждого цикла перевода. Процесс фрикции начинается, практически, без смазки и заканчивается при ограниченной смазке. Процесс изнашивания в таких условиях работы теория трения относит к первой стадии изнашивания (Основы триботехники: учеб. пособие / Ю.М. Лужнов, В.Д. Александров; под ред. Ю.М. Лужнова. - М.: МАДИ, 2013. - 136 с., стр. 89). Известно, что продолжительность данной стадии составляет незначительную долю от времени работы фрикционной пары, но по величине износа эта стадия соизмерима с величиной износа в период установившегося износа. В этот период происходят процессы изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств фрикционного материала. На площадях контактирования возникают очень высокие давления и температуры и, как следствие, высокие градиенты напряжений и температур. При их действии, а также в результате взаимодействия с окружающей средой (воздухом, смазкой и т.д.) в зоне трущихся тел происходят значительные деформационные процессы, диффузионные процессы, меняются молекулярные взаимодействия, свободная поверхностная энергия и др., в десятки раз ускоряется протекание химических реакций, реализуются одновременно несколько механизмов разрушения поверхностного слоя. В таких жестких условиях эксплуатации фрикционный материал фрикционной муфты стрелочного перевода  должен иметь структуру, которая способна работать практически без притирки контактных поверхностей с сохранением постоянным усилий переда стрелок. Это означает, что материал по всему объему должен  иметь равномерно распределенные мягкие составляющие, так и твердые, по твердости превышающие твердость контртела, иметь различную структуру и размер зерен.
Причинно-следственные связи предлагаемой муфты фрикционной стрелочного привода, структуры материала вставок фрикционных и его физических свойств с техническим результатом, снижении периода приработки, повышении стабильности коэффициента трения при изменении условий нагружения, повышении стабильности усилий прижатия остряков к рамным рельсам заключаются  в разнородной  структуре материала по фазовому составу и физико-механическим свойствам. В материале имеются твердые фазы зернистого и пластинчатого перлита, мягкие фазы феррита и меди, твердые включения оксида кремния, мягкие включения графита. Такая сложная структура позволяет сохранять стабильность фрикционных свойств, коэффициента трения в условиях постоянного прирабатывания трущихся тел. Материал имеет высокую твердость и относительно высокую плотность, что повышает его износостойкость. Пропитка маслом до 5% объема материала позволяет значительно уменьшить окислительные процессы в материале и в зоне контакта.
3
Предлагаемое сочетание ингредиентов позволили создать зернистую структуру с размером зерна 10-210 мкм, не менее 70% которых находится в пределах 25-75 мкм, состоящую из пластинчатого и зернистого перлита, имеющего межзёрную и внутризёренную пористость, с распределёнными по границам зерен включениями графита, окиси кремния, сульфидов, меди, причем медь имеется и внутри зерен. Наличие открытой пористости 15-30% позволяет пропитывать материал маслом до 5% от объема материала. Данного количества масла достаточно для того, чтобы контактная поверхность оставалась покрытой тонким слоем масла при работе фрикционных элементов в составе фрикционной муфты стрелочного электропривода не менее 5 лет. Твердость по Бринеллю НВ 350-450 МПа, плотность 5,00-5,25 г/см, относительная осадка не менее 12%  позволяют путем осадки крепить фрикционные элементы в фрикционном диске. Значительное снижение по твердости НВ позволило практически без притирки получать низкий разброс усилий при движении шибера.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлены основные детали муфты фрикционной, на фиг.2 показан фрикционный диск с вставками.
Муфта фрикционная состоит из  ступицы 1, выполненной в виде фланца 1.1, на цилиндрической части 1.2 которой установлены четыре фрикционных диска 2.1 и 2.2 толщиной 2-3 мм и нажимной диск 3. Торцовая часть цилиндрической части 1.2 ступицы 1 развальцована на наружную поверхность 3.1 нажимного диска 3, делая соединение ступицы 1 и нажимного диска 3 неразъемным, а фрикционные диски 2 подвижными. Два фрикционных диска 2.2 имеют ряд  отверстий 2.3, центры которых расположенных по окружности 2.4 и имеют форму равностороннего треугольника с закругленными вершинами, и одним углом направленные к центру металлического диска. В указанных отверстиях, прессовой осадкой, закреплены  вставки  фрикционные 4, высотой 3-6 мм, симметрично выступающие над плоскостями диска с каждой стороны на 1,0-3,0 мм. Материал фрикционных вставок содержит медь, окись кремния, графит, цинк стеориновокислый и железо.
Оптимизация толщины фрикционных дисков  по толщине 2-3 мм, исполнение  вставок  фрикционных, высотой 3-6 мм, симметрично выступающих над плоскостями диска с каждой стороны на 1,0-3,0 мм, а также оптимизация фрикционного материала вставок позволила снизить затрат на обслуживание стрелочного привода, стабилизировать усилии  воздействия остряков на рамные рельсы стрелочных переводов в пределах нормируемых значений.
Муфта фрикционная муфты стрелочного электропривода работает следующим образом. При поступлении управляющего сигнала по коммутационной электрической цепи на привод, производится подача напряжения на электродвигатель. Вал электродвигателя начинает вращаться, через редуктор и муфту движение передается на реечную передачу, поступательное движение которой приводит к перемещению остряков и замыкание их в одном из крайних положений. В момент замыкания шестерня, в которую установлена муфта, останавливается, и вращение двигателя продолжается через фрикционную муфту.
Муфта фрикционная стрелочного электропривода изготовлена и установлена в стрелочных электроприводах станций Северной железной дороги. Проводятся квалификационные испытания.