ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILWAY VEHICLE BRAKING CLAMP

Заявляемое изобретение относится к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств, например тормозным колодкам пассажирских и грузовых вагонов, электропоездов, метрополитена и т.д.
Из уровня техники известны тормозные колодки, в том числе чугунные, композиционные и колесосберегающие, которые применяются для железнодорожных вагонов.
Тормозные композиционные колесосберегающие колодки имеют в своей конструкции одну или несколько фрикционных вставок из более твердого и абразивного материала, чем основной композиционный фрикционный материал, например из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Эти колодки не только обеспечивают более стабильную эффективность торможения, особенно в осенне-весенний период, но и восстанавливают поверхность катания колеса в процессе обычного торможения.

Высокофрикционные тормозные композиционные колесосберегающие колодки со вставками из специального чугуна в последние годы выпускаются серийно в США фирмой «Railroad Friction Products Corporation» под торговой маркой «Cobra Tread Guard» и в России фирмой «ФРИТЕКС» под торговой маркой «ФРИТЕКС КОНТАКТ».
Композиционные тормозные колодки, в том числе с чугунными вставками, могут содержать в своем составе один, два или три продольных слоя композиционных фрикционных материалов, отличающихся различной прочностью и износостойкостью. Слой, расположенный с тыльной стороны колодки, имеет прочность и адгезионные свойства больше, чем рабочий фрикционный слой колодки, например, за счет увеличенного содержания в его составе связующего и армирующих волокон. Прирабатываемый слой близок к рабочему слою по механическим и фрикционным свойствам, но отличается меньшей износостойкостью.
Тормозные композиционные колодки, в том числе с фрикционными абразивными вставками, изготавливаются с металлическим каркасом. Металлический каркас обычно применяется двух типов, в том числе:
- штампованный из стальной полосы в виде спинки с тыльной поверхности колодки, с П-образным центральным выступом из стальной полосы (центральной бобышкой);
- сетчато-проволочный каркас, обеспечивающий внутреннее армирование тыльной нерабочей части тормозной колодки и состоящий из проволочного каркаса и сетки или перфорированной жести, впрессованной в композиционный фрикционный материал с тыльной стороны колодки.
С тыльной, нерабочей стороны тормозной колодки расположены центральная П-образная бобышка и две боковые бобышки. Центральная бобышка имеет отверстие для прохождения чеки (клина), соединяющего тормозную колодку с металлическим башмаком тормозной колодки.
Аналогами заявляемого изобретения могут служить несколько нижеуказанных тормозных колодок:
«Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства (варианты)» по патенту РФ на полезную модель №76881.
Данная конструкция колодок является одной из самых прочных, надежных, недорогой по себестоимости изготовления и малошумной, а ее минимальная толщина в эксплуатации составляет 10 мм. Конструкция данной колодки подтвердила свою надежность при многолетней эксплуатации в тяжелых дорожных условиях в районах Крайнего Севера, континентального, умеренного и субтропического климата.
Нижеуказанные существенные признаки колодки известной полезной модели являются общими с существенными отличительными признаками заявляемого изобретения: «композиционный фрикционный элемент, в тыльную часть которого по периметру колодки впрессованы соединенные между собой две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки», «металлическая сетка или перфорированная жесть, впрессованная во фрикционный материал тыльной части колодки». «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства может содержать, по меньшей мере, однослойный композиционный фрикционный элемент, в тыльную часть которого впрессованы перфорированная изогнутая стальная полоса и проволочный каркас, выполненный из двух соединенных между собой рамок, каждая из которых согнута из проволоки, концы которой соединены, а соединения концов проволоки выполнены без увеличения толщины проволочного каркаса по толщине колодки». «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства может содержать, по меньшей мере, однослойный композиционный фрикционный элемент, в тыльную часть которого впрессован проволочный каркас, выполненный из двух соединенных между собой рамок, каждая из которых согнута из проволоки, концы которой соединены, а соединения концов проволоки выполнены с увеличением толщины проволочного каркаса по толщине колодки и расположением на половине проволочного каркаса в районе наружной боковой поверхности колодки». «Тормозная колодка может быть дополнительна снабжена, по меньшей мере, одной твердой вставкой, соединенной с проволочным каркасом». «Твердая вставка может быть выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна.»
Известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ на изобретение №2309072.
Особенностью данной колодки является наличие твердой вставки из высокопрочного или ковкого чугуна, восстанавливающего поверхность катания колеса в процессе обычного торможения.
Существенные отличительные признаки известной колодки, в том числе: «твердая вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна, а отношение площади рабочей поверхности вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20%» являются общими с существенными отличительными признаками заявляемого изобретения.
Известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ на изобретение №2340805.
Известная тормозная колодка содержит твердую вставку, верхняя нерабочая часть которой защемлена в проволочном каркасе. Данная конструкция колодки со вставкой из чугуна в настоящее время изготавливается серийно и является одной из самых простых, надежных и дешевых в мире.
Существенные признаки известной тормозной колодки «композиционный фрикционный элемент», «фрикционная абразивная вставка, защемленная в проволочном каркасе» и «перфорированная жесть или сетка, запрессованная в тыльную часть композиционного фрикционного элемента», являются общими с существенными признаками заявляемого изобретения.
Известна также тормозная колодка по патенту РФ на изобретение №2372230.
Известная тормозная колодка содержит проволочный каркас с вложенной металлической вставкой, заделанные посредством формования во фрикционный материал.
Недостатком всех вышеуказанных конструкций аналогов является невозможность идентификации их композиционного фрикционного элемента по фрикционным свойствам, которые в странах Европейского союза определяются документом UIC 541-4 OR (Тормоза-тормоза с композиционными тормозными колодками - Общие условия для сертификации композиционных тормозных колодок) членов Международного союза железных дорог.
Согласно документу UIC 541-4 OR тормозная колодка содержит композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде стальной полосы в тыльной части колодки, а центральная бобышка выполнена в виде П-образного выступа из стальной полосы. Согласно документу для международного транспорта могут использоваться тормозные колодки:
- с высоким уровнем трения (К);
- со средним уровнем трения (L);
- с низким уровнем трения (LL).
Средства обеспечения защиты колодки типа К (согласно фиг.9 «Защита от неправильного использования тормозной колодки фрикционного типа «К» на с.62 документа) выполнены в виде металлических конических вставок, проходящих сквозь стальную полосу симметрично поперечной плоскости, проходящей через центральную бобышку колодки и отверстий в тыльной части колодки, также проходящих сквозь стальную полосу симметрично поперечной плоскости, проходящей через центральную бобышку колодки. Упомянутые отверстия расположены между конических вставок, причем размеры расположения металлических конических вставок (78,5±1 мм от поперечной плоскости, проходящей через центральную бобышку колодки) и размеры расположения отверстий (39±1 мм от поперечной плоскости, проходящей через центральную бобышку колодки) регламентированы документом UIC 541-4 OR. Отсутствие средств защиты от неправильного использования в тыльной части колодки не позволит вставить колодку в тормозной башмак, так как он снабжен ответными средствами защиты, выполненными в виде конических выступов и отверстий. При сборке средства защиты колодки входят в средства защиты башмака и, таким образом, тормоз собран. Кроме этого, на фиг.10 «Примеры конструкций индикаторов износа» на с.63 документа приведено расположение индикаторов износа, которое должно гарантировать износ колодки до индикатора, без стирания армирующих частей и каркаса.
Такие колодки разрешены к применению в Европейском союзе.
Конструкция тормозной колодки, описанная в документе UIC 541-4 OR, является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков и выбрана в качестве прототипа. Общие существенные признаки заявляемой полезной модели с прототипом - «металлический каркас», и «композиционный фрикционный элемент, снабженный индикаторами износа».
Недостатком прототипа является наличие в тормозной колодке металлического каркаса в виде стальной полосы, а также стальной центральной бобышки, так как при данной конструкции колодки, обеспечивающей жесткую конструкцию каркаса в целом, не обеспечивается требуемая прочность каркаса в его П-образном выступе, который получается путем изгиба плоской стальной полосы в штампе. При штамповке стального каркаса в местах изгиба образуются микротрещины, которые при постоянных вибрациях и нагрузках в процессе эксплуатации увеличиваются, и каркас ломается, а затем под действием увеличенных нагрузок ломается и сварной шов и одна половина колодки отрывается от другой половины. Кроме того, вследствие вибраций и переменных нагрузок в экстремальных условиях эксплуатации, например, при сильных морозах фрикционный композиционный элемент иногда отрывается от металлического каркаса.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание тормозной композиционной колодки железнодорожного транспортного средства для обеспечения возможности безопасного международного сообщения железных дорог стран ЕС со странами СНГ и другими с различными климатическими и дорожными условиями.
При этом должна быть повышена прочность конструкции колодки и выполнены все требования норм безопасности и сертификации для тормозных колодок железнодорожных транспортных средств указанных выше государств.
Например, должны быть учтены требования по морозостойкости к тормозным колодкам согласно Российских нормативных документов, требования стран ЕС о недопустимости содержания свинца и ряда других веществ в композиционном материале колодки, а также другие требования.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение безопасности эксплуатации, обеспечение возможности безопасного международного сообщения стран ЕС со странами СНГ и другими с различными климатическими условиями. Также техническими результатами предлагаемой конструкции являются повышение прочности колодок, обеспечение защиты от неправильного использования, повышение стабильности эффективности торможения, обеспечение восстановления поверхности катания колеса в процессе обычного торможения, увеличение ресурса колодок и колес, снижение шума в процессе эксплуатации, увеличение теплоотдачи в окружающую среду, снижение себестоимости тормозных колодок и обеспечение выполнения требований норм UIC, стран СНГ и других к тормозным колодкам железнодорожного транспортного средства.
Для достижения указанного технического результата в тормозной колодке, содержащей металлический каркас и композиционный фрикционный элемент с индикаторами износа, металлический каркас выполнен сетчато-проволочным, содержащим проволочный каркас, представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный элемент тыльной стороны колодки, по периметру колодки, две замкнутые рамки. Внутренние части двух замкнутых рамок взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки. Колодка с тыльной ее стороны содержит металлическую сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент. Главным достоинством композиционных колодок с сетчато-проволочным каркасом в отличие от композиционных колодок со стальным металлическим каркасом является то, что центральная бобышка у этих колодок изготовлена из композиционного материала с внутренним армированием, что резко повышает упругоэластические свойства колодки и, как следствие ударную и вибрационную прочность колодки и исключает отрыв композиционного материала от каркаса. Эти колодки по сравнению с композиционными колодками с цельнометаллическим каркасом из стальной полосы (спинкой) также имеют больший срок службы, надежность. Значительно уменьшается металлоемкость, стоимость колодок и шум при эксплуатации.
Многолетняя практика использования колодок данной конструкции в районах Крайнего Севера, континентального, умеренного и субтропического климата подтвердила их абсолютную надежность.
Соединения концов проволоки рамок могут быть выполнены без увеличения толщины проволочного каркаса по толщине колодки, либо с увеличением толщины проволочного каркаса по толщине колодки и расположением на половине проволочного каркаса в районе наружной боковой поверхности колодки.
Тормозная композиционная колодка может изготавливаться с одной или несколькими фрикционными абразивными вставками или без них. Фрикционные абразивные вставки могут быть изготовлены из металла, например высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Вставка из этого чугуна в процессе торможения при нормальных и низких температурах оказывает очищающее воздействие на колесо, увеличивает шероховатость поверхности катания колеса и стабильность эффективности торможения, особенно в осенне-весенний период, а в процессе обычного торможения при высоких температурах чугун 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 и, как следствие, увеличивает ресурс колес.
Фрикционная абразивная вставка может быть рационально соединена с проволочным каркасом, например, путем защемления в его отверстиях, по длине, ширине и с одной стороны по высоте и вместе с ним запрессована в тормозную колодку. Вставка может быть защемлена в проволочном каркасе и соединена с ним и другим способом, в зависимости от конструкции каркаса и вставки. Центральная бобышка с отверстием под чеку, армированная вертикальными элементами твердой вставки и проволочным каркасом, вместе с боковыми бобышками выполнена из прочного и эластичного композиционного фрикционного материала.
Фрикционные абразивные вставки могут быть выполнены также из специального абразивного композиционного материала с металлическими или другими специальными наполнителями. Композиционная колодка может изготавливаться с пазом со стороны рабочей поверхности колодки или без него и содержать одно-, двух- или трехслойный композиционный фрикционный элемент.
Для исключения неправильного использования при установке колодок на подвижной состав она снабжена средствами защиты от неправильного использования для колодок типа К, которые выполнены в виде конических выступов на тыльной поверхности колодки, причем эти выступы изготовлены из того же композиционного материала, что и фрикционный элемент, так как они брикетируются вместе с брикетированием колодки в форме, снабженной коническими отверстиями в местах расположения выступов. На тыльной стороне колодки также выполнены отверстия, расположенные симметрично поперечной плоскости, проходящей через центральную бобышку колодки. Размеры, форма и расположение конических выступов и отверстий на тыльной стороне колодки соответствует документу UIC 541-4 OR.
На чертеже представлен общий вид тормозной колодки железнодорожного транспортного средства.
Тормозная колодка содержит:
- композиционный фрикционный элемент из прочного нерабочего, рабочего и прирабатываемого слоев 1;
- металлический каркас, включающий проволочную рамку 2 с перфорированной жестью или сеткой 3;
- центральную бобышку 4 с отверстием под чеку 5;
- две боковые бобышки 6;
- два конических отверстия 7;
- два выступа 8;
- два индикатора износа в виде пазов 9;
- твердую фрикционную абразивную вставку 10.
Технология изготовления тормозной колодки предусматривает следующие этапы (операции):
- изготовление (отливка) вставки из чугуна;
- изготовление заготовки из перфорированной жести;
- изготовление и сварка проволочного каркаса из проволоки;
- сборка проволочного каркаса со вставкой путем защемления;
- изготовление композиционных фрикционных материалов для рабочего и нерабочего слоев;
- поочередная укладка в пресс-форму заготовки из перфорированной жести, проволочного каркаса со вставкой, навесок нерабочего слоя, рабочего слоя и прирабатываемого слоя с разравниванием композиционных фрикционных материалов и с последующим формованием под давлением в прессе;
- вулканизация колодок в пресс-форме под давлением и при температуре, а при необходимости, и термообработка в печи;
- сверление отверстий под чеку и пазов индикаторов износа в тормозной колодке, если их изготовление не предусмотрено в пресс-форме.
В исключительных случаях, при использовании ржавой или загрязненной металлической арматуры, или при выполнении особых требований по прочности колодки может выполняться очистка арматуры от ржавчины, обезжиривание и промазка клеем по обычным известным технологиям с целью улучшения адгезии и крепления металлической арматуры с композиционным фрикционным элементом.
Для формования конических выступов в дне пресс-формы образованы два конических отверстия глубиной 6 мм и диаметром от 12 до 10 мм. Расстояние каждого из отверстий от поперечной плоскости симметрии, проходящей через центральную бобышку колодки 78,5±1 мм. Отверстия в тыльной части колодки диаметром 15±1 мм и расстоянием 39±1 мм от поперечной плоскости симметрии, проходящей через центральную бобышку колодки, могут быть просверлены после изготовления колодки, либо образованы посредством пуансонов на дне пресс-формы для образования отверстий в процессе формования колодки.
Все операции, включая сборку проволочного каркаса со вставкой, достаточно подробно описаны в указанных аналогах заявляемого изобретения и могут быть легко произведены на действующем оборудовании заводов-изготовителей тормозных композиционных колодок.
Тормозные колодки железнодорожных транспортных средств предложенной конструкции можно применять для международного сообщения на железных дорогах стран ЕС, стран СНГ и других с различными климатическими и дорожных условиями.
Как следствие, повышается безопасность эксплуатации, обеспечивается возможность безопасного международного сообщения стран ЕС со странами СНГ и другими и обеспечивается получение дополнительной прибыли железными дорогами.