ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Заявляемая полезная модель относится к колодочным тормозным устройствам, а именно, к тормозным устройствам железнодорожных транспортных средств, а также, например, вагонов метрополитена.
Под действием пневмоцилиндра, через рычажную передачу, тормозная колодка, соприкасающаяся своей тыльной поверхностью с поверхностью тормозного башмака и соединенная с ним, прижимается с установленным усилием своей рабочей поверхностью к поверхности катания колеса в результате чего происходит торможение. Таким образом, конструкция колодочного тормоза основана на использовании поверхности катания колеса в паре трения с тормозной колодкой, что оказывает очищающее и полирующее воздействие на поверхность катания колеса, но и вызывает ее износ.
Известны чугунные тормозные колодки, выпускаемые по ГОСТ 1205-73 «Колодки чугунные тормозные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры».
Однако чугунные колодки имеют небольшой срок службы, большой вес, низкий коэффициент трения, требуют большого усилия прижатия к колесу при торможении - до 30 кН и практически не используются при скорости движения вагонов выше 120 км/час.
Наиболее широкое распространение получили высокофрикционные тормозные композиционные колодки, используемые большей частью для вагонов, обеспечивающие более высокую эффективность торможения, больший срок службы и большие скорости движения вагонов, чем чугунные колодки. Коэффициент трения у данных колодок в 2 - 2,5 раза больше чем у чугунных, поэтому усилие прижатия их к колесу при торможении не превышает 20 кН, что в 1,5 раза меньше чем у чугунных колодок.
В книге Б.А.Ширяев «Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов» (М. Химия, 1982 г. стр.8-14; 67-76) схематично изображены и описаны различные конструкции тормозных колодок со стальным каркасом (штампованным из полосы и сетчато-проволочным), их основные размеры и технологии изготовления.
Известна тормозная колодка железнодорожного транспортного средства (варианты) по патенту РФ №76881 на полезную модель. Прототипом этой колодки является известное из уровня техники решение, а именно, колодки тормозные композиционные с сетчато-проволочным каркасом для железнодорожных вагонов 25130-Н, 25610-Н, изготавливаемые серийно по техническим условиям заводов изготовителей ТУ 2571-028-00149386-2000, ТУ 38 114166-75 и по чертежам Проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства - филиала ОАО «Российские железные дороги» (ПКБ ЦВ ОАО РЖД) г.Москва, разработанным в 1975 году.
Колодки тормозные композиционные с сетчато-проволочным каркасом по указанным выше чертежам изготавливаются с 1976 года несколькими заводами в России и на Украине для всех грузовых вагонов, эксплуатируемых на железных дорогах России, Украины, Казахстана, а также других стран, ранее входивших в состав Советского Союза, а техническая документация на колодки тормозные, включая чертежи, используется в работе всеми изготовителями колодок, а также всеми службами вагонного хозяйства и депо, занимающимися эксплуатацией тормозов.
Ежегодный выпуск колодок тормозных композиционных с сетчато-проволочным каркасом составляет несколько миллионов штук и в настоящее время их изготовлено более ста миллионов штук. В процессе эксплуатации ежегодно изнашивается, а иногда с полным разрушением и оголением каркаса, несколько миллионов колодок с сетчато-проволочным каркасом и поэтому, их несложная конструкция общедоступна и общеизвестна.
Известные тормозные композиционные колодки изготавливаются с радиусом рабочей поверхности 510 мм для грузовых вагонов, с диаметром новых колес 1020 и 957 мм.
Радиус рабочей поверхности новой тормозной композиционной колодки обычно равен радиусу поверхности катания нового колеса, являющегося контртелом для тормозной колодки или превышает радиус поверхности катания колеса, если колодки под действием установленной силы прижатия их к колесу не образуют трещин и не разрушаются, так как их радиус рабочей поверхности, в отличие от чугунных колодок, может еще и уменьшаться за счет изгиба колодки, вследствие ее эластичности, упругости.
В России для вагонов могут использоваться, например, цельнокатаные колеса по техническим условиям ГОСТ 10791-2004, имеющие конструкцию и размеры по ГОСТ 9036-88. Поверхность катания колес в процессе их эксплуатации изнашивается, а также получает различные дефекты, например, выщербины, ползуны, навары и другие, в связи, с чем колеса колесных пар несколько раз проходят ремонт в виде обточки колес.
На железнодорожном транспорте разработаны и используются инструкции по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар. В этих инструкциях установлены порядок, сроки осмотра, освидетельствования и ремонта колесных пар, а также нормы и требования, которым они должны удовлетворять. Согласно, например, этой инструкции в России толщина обода цельнокатаного колеса восьми-, шести-, и четырехосного грузового вагона, обращающегося в поездах со скоростью до 120 км/час включительно, не должна быть меньше 22 мм.
Таким образом, изменение номинального диаметра поверхности катания колеса в эксплуатации допускается, например, с 957 мм (новое цельнокатаное колесо диаметром по кругу катания 957 мм по ГОСТ 9036-88) до 854 мм, (810+22×2)мм (согласно ГОСТ 9036-88, стр.2).
Согласно инструкции по ремонту тормозного оборудования вагонов на железнодорожном транспорте в России тормозные колодки (чугунные или композиционные) устанавливаются только новые, вне зависимости от износа колеса.
Таким образом, номинальный радиус рабочей поверхности новой тормозной композиционной колодки, серийно изготавливаемой в России для грузовых вагонов, может максимально превысить номинальный радиус поверхности катания изношенного цельнокатаного колеса грузового вагона на 83 мм,  где:
- 510 мм - номинальный радиус рабочей поверхности серийно изготавливаемой композиционной тормозной колодки для грузовых вагонов в России;
- 854 мм - минимальный диаметр изношенного цельнокатаного колеса грузового вагона согласно вышеуказанным в тексте заявки данным.
Стоимость и срок службы колеса в несколько раз превышает стоимость и срок службы тормозных колодок.
В процессе приработки новой тормозной колодки к изношенному колесу площадь их контакта значительно меньше, так как радиус поверхности катания изношенного колеса меньше радиуса рабочей поверхности катания нового колеса.
2
Площадь контакта новой колодки с изношенным колесом при приработке может быть определена экспериментально, способом получения окрашенного отпечатка пятна контакта при прижатии колодки к колесу с установленным усилием, при использовании, например специальной краски и последующим определением площади контакта расчетным путем. Площадь контакта может быть определена также с использованием графического способа, по чертежам, без учета изгиба колодки, исходя из вышеприведенных радиусов рабочей поверхности новой тормозной колодки и радиуса поверхности катания изношенного колеса. Усилие прижатия колодки к колесу при торможении (контактное усилие) имеет постоянную величину и поэтому, в случае торможения колеса неприработанной тормозной колодкой, удельная сила прижатия (например, на 1 см) увеличивается прямо пропорционально уменьшению площади контакта колодки с колесом по сравнению с приработанной колодкой, если считать, что колодка не изгибается, но так как имеет место и изгиб, колодки увеличение удельной силы прижатия колодки к колесу вызывает только частичную компенсацию потерянной эффективности торможения вследствии уменьшенной площади контакта колодки с колесом.
Согласно имеющемуся опыту эксплуатации для серийно изготавливаемых однородных чугунных и композиционных тормозных колодок допускается соответствующая уменьшенная площадь контакта тормозной колодки при приработке ее к изношенному колесу, так как в этом случае обеспечивается требуемая эффективность торможения, а, следовательно, безопасность эксплуатации согласно требований норм безопасности.
В последние годы в некоторых странах, например, в США и России, освоены производства колесосберегающих тормозных композиционных колодок толщиной от 40 до 65 мм и длиной от 400 до 250 мм, в конструкции которых дополнительно имеется одна или несколько фрикционных вставок из более твердого и абразивного материала, чем основной композиционный фрикционный элемент, например из чугуна.
Так известны композиционные тормозные колодки, применяемые на железнодорожном транспорте для восстановления поверхности катания колеса в процессе обычного торможения такого транспортного средства по патенту ЕР 1074755 (F16D65/06, опубл. 07.02.2001).
Одна, две или три твердых абразивных изолированных вставки из фрикционного материала второго типа, например, чугуна, первоначально полностью окружены композиционным фрикционным материалом первого типа (композитом) со всех сторон.
Согласно описанию изобретения «очень важно, чтобы изолированная вставка (вставки) была погружена внутрь и не выступала над поверхностью композиционного фрикционного материала так, чтобы композиционный фрикционный материал мог правильно располагаться (растекаться) вокруг изолированной вставки во время процесса производства». Поверхность изолированной вставки (вставок) при эксплуатации постоянно обнажается, так как фрикционный композиционный материал истирается во время обычного торможения. Фрикционный материал вставки, например, чугун, улучшает фрикционные характеристики колодки при неблагоприятных погодных условиях (дождь, снег, лед) и во время обычного торможения обеспечивает устранение дефектов колеса за счет агрессивного абразивного эффекта обработки поверхности катания колеса, например за счет шлифования.
К сожалению, данные колодки не могут соответствовать требованиям норм безопасности на железнодорожном транспорте, так как их эффективность торможения при приработке колодки к колесу, а также при установке на новое колесо или изношенное колесо будет значительно отличаться. Различия в эффективности торможения обусловлены тем, что при разработке конструкции колодки не учтены различия значений коэффициента трения композита и вставки, например, из чугуна, а также величина заглубления вставки выбрана без учета разности диаметров нового и изношенного колеса, на которые колодка может быть установлена.
Известное техническое решение используется по тому же назначению, что и заявляемое и имеет общие с ним существенные признаки: «тормозная колодка», «композиционный фрикционный элемент», и «по крайней мере, одна фрикционная абразивная вставка».
Наиболее близким аналогом является тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ на изобретение №2309072.
Известная тормозная колодка содержит металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, соединенную с каркасом и выполненную из высокопрочного или ковкого чугуна, а отношение площади рабочей поверхности вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20%. В конструкции колодки отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки определено исходя из конструктивных и технологических соображений, а также физико-механических и фрикционно-износных свойств композиционного фрикционного элемента и вставки из высокопрочного или ковкого чугуна. Согласно чертежу и описанию, вставка заглублена в композиционном фрикционном элементе со стороны рабочей поверхности колодки.
Данная колодка также имеет стабильную эффективность торможения, в том числе при неблагоприятных погодных условиях (дождь, снег, лед) и обеспечивает устранение дефектов колеса (ползуны, навары), за счет агрессивного абразивного эффекта обработки поверхности катания колеса абразивной вставкой из чугуна, и восстанавливает поверхность катания колеса путем ее обточки и шлифования.
Кроме того, в процессе обычного торможения при высокой температуре микротрещины на поверхности катания колеса заполняются чугуном вставки, в связи с чем не происходит их дальнейшего развития, а поверхность катания колеса смазывается содержащимся во вставке графитом.
Применение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и высоким относительным удлинением в качестве материала вставки наиболее значительно увеличивает ресурс колеса и колодки.
Однако величина заглубления твердой вставки во фрикционном композиционном элементе со стороны рабочей поверхности колодки определена исходя из требований процесса технологии и производства, т.е. исключения повреждения поверхности прессформы, вне зависимости от диаметра поверхности катания изношенного колеса, на которое колодка может быть установлена. Таким образом, указанное в формуле изобретения отношение площади рабочей поверхности вставки к общей площади рабочей поверхности колодки от 4 до 20% действует в случае установки этих колодок на новые колеса, например, на сборочных конвейерах вагоностроительных заводов, так как радиус рабочей поверхности колодок равен радиусу поверхности катания колеса или незначительно отличается от него.
При приработке известной колодки к изношенному колесу, имеющему меньший диаметр поверхности катания, площадь контакта колодки с изношенным колесом может оказаться в несколько раз меньше. При этом, в случае недостаточного заглубления вставки в композите колодки со стороны ее рабочей поверхности, отношение площади рабочей поверхности вставки к площади контакта колодки с колесом может в несколько раз превысить установленное выше, что может привести к изменению эффективности торможения. Например, в случае применения высокофрикционного композиционного материала со вставкой из чугуна, это приведет к снижению эффективности торможения вплоть до несоответствия ее требованиям норм безопасности на железнодорожном транспорте. Чересчур большое заглубление вставки в композите колодки со стороны ее рабочей поверхности приводит к ее кратковременному, а, следовательно, неэффективному использованию.
Известная тормозная колодка используется по тому же назначению, что и заявляемая и имеет общие с ней существенные признаки: «тормозная колодка», «композиционный фрикционный элемент», «по крайней мере, одна фрикционная абразивная вставка, заглубленная в композиционный фрикционный элемент со стороны рабочей поверхности колодки».
Задачей, на решение которой направлена заявляемая тормозная колодка железнодорожного подвижного состава, содержащая композиционный фрикционный элемент и, по крайней мере, одну фрикционную абразивную вставку, заглубленную в композиционном фрикционном элементе со стороны рабочей поверхности колодки, является обеспечение механических и фрикционно-износных свойств колодки в соответствии с требованиями норм безопасности на железнодорожном транспорте в процессе приработки тормозной колодки к находящемуся в эксплуатации изношенному колесу.
Технический результат - обеспечение стабильной эффективности торможения в течение всего периода эксплуатации тормозной колодки с фрикционными абразивными вставками в соответствии с нормами безопасности на железнодорожном транспорте «Колодки тормозные композиционные железнодорожного подвижного состава». Также увеличится эффективность использования этих тормозных колодок за счет использования максимально возможной толщины вставки в толщине колодки, исходя из выполнения минимальной величины ее заглубления в композиционном фрикционном элементе для обеспечения требуемых фрикционных свойств, а следовательно увеличится срок службы колес.
Заявленный технический результат достигается в заявляемой тормозной колодке железнодорожного подвижного состава следующим образом.
Заявляемая тормозная колодка железнодорожного подвижного состава представляет собой композиционную тормозную колодку содержащую металлический каркас, по меньшей мере, однослойный композиционный фрикционный элемент и, по крайней мере, одну фрикционную абразивную вставку, заглубленную в композиционном фрикционном элементе со стороны рабочей поверхности колодки.
На фиг.1 изображена заявляемая тормозная колодка железнодорожного подвижного состава, где:
1 - металлический каркас;
2 - композиционный фрикционный элемент, который может состоять, например, из двух продольных слоев;
3 - центральная фрикционная абразивная вставка, расположенная посередине колодки;
4 - прирабатываемый слой, который может собой представлять третий продольный слой легкоизнашиваемого композиционного фрикционного элемента;
5 - две боковые фрикционные абразивные вставки, расположенные по обе стороны от середины колодки.
Фрикционные абразивные вставки могут быть соединены с металлическим каркасом известными способами, например путем сварки, защемления или другими.
На фиг.1 имеются следующие обозначения.
1
R - радиус рабочей поверхности тормозной колодки;
2
R - радиус поверхности катания изношенного колеса;
L - длина хорды равная длине тормозной колодки;
S - толщина тормозной колодки;
1
S - расстояние, измеренное по оси центральной вставки, между лежащими на одной хорде дугами окружностей с радиусом рабочей поверхности колодки и с радиусом поверхности катания изношенного колеса, причем длина хорды равна длине колодки;
2
S - расстояние, измеренное по оси центральной вставки, между лежащими на одной хорде дугами окружностей с радиусом рабочей поверхности колодки и с радиусом поверхности катания изношенного колеса, причем длина хорды равна длине колодки.
Заявленный технический результат достигается тем, что вставка или вставки заглублены в композиционном фрикционном элементе со стороны рабочей поверхности колодки на величину, обеспечивающую выход рабочей поверхности твердой вставки на рабочую поверхность колодки после полной приработки колодки к изношенному колесу. Возможно достижение заданного технического результата при частичной (неполной) приработке колодки к изношенному колесу и заглубление вставки на меньшую глубину, если соответствующая этому заглублению заданная площадь контакта колодки с изношенным колесом будет обеспечивать фрикционные свойства колодки в пределах допустимых, согласно норм безопасности на железнодорожном транспорте. Для тормозной колодки, радиус рабочей поверхности которой равен радиусу поверхности катания нового колеса, или, незначительно превышает его, величина заглубления вставки, обеспечивающая выход рабочей поверхности вставки на рабочую поверхность колодки после полной приработки колодки к изношенному колесу, на который она установлена, равна расстоянию, измеренному по оси вставки между лежащими на одной хорде дугами окружностей с радиусом рабочей поверхности колодки и с радиусом поверхности катания изношенного колеса, при условии, что длина хорды равна длине колодки. В связи с тем, что радиус рабочей поверхности колодок иногда превышает радиус поверхности катания отдельных используемых колес, например, как указано выше у серийно изготавливаемых колодок в России, а также с учетом эксплуатации, экспериментально установлено, что в зависимости от конструкции колодки, количества, местоположения и площади вставок, фрикционно-механических свойств композиционного фрикционного элемента и вставки, эластичности, гибкости колодки и других величина заглубления вставки может составлять от 0,2 до 1,2 значения радиуса рабочей поверхности колодки. То есть, при номинальном радиусе рабочей поверхности колодки 510 мм, величина заглубления составляет 1,02-6,12 мм.
1
2
При этом, как видно из чертежа, величина заглубления центральной вставки должна быть больше чем у боковых вставок S>S.
Фрикционные абразивные вставки могут иметь коэффициент трения меньше или больше чем у композиционного фрикционного элемента и основной их задачей является не обеспечение требуемой эффективности и ресурса колодки, а восстановление поверхности катания колеса в процессе обычного торможения. Композиционный фрикционный элемент является основным фрикционным элементом, определяющим эффективность торможения и ресурс колодки. При уменьшении площади фрикционного композиционного элемента колодки, которое происходит после выхода фрикционных абразивных вставок на рабочую поверхность колодки, эффективность торможения должна оставаться в пределах допустимой по нормам безопасности на железнодорожном транспорте. Выполнение этих свойств и значений их показателей обеспечивается при проектировании колодки. Вставки должны быстрее изнашиваться, чем композиционный фрикционный материал. С целью ускорения начала работы фрикционной абразивной вставки (вставок) колодка может быть снабжена со стороны ее рабочей поверхности быстроизнашиваемым прирабатываемым слоем, который должен иметь фрикционные свойства, близкие к композиционному фрикционному элементу с учетом работы вставки (вставок). В качестве прирабатываемого слоя может быть применен специальный композиционный фрикционный быстроизнашиваемый (менее износостойкий) материал.
Заявляемая тормозная колодка железнодорожного подвижного состава может содержать композиционный фрикционный элемент и фрикционную абразивную вставку, выполненную из высокопрочного или ковкого чугуна, а отношение площади рабочей поверхности вставки к общей площади колодки составляет от 4 до 20%.
При этом, колодка может содержать сетчато-проволочный каркас, который может быть соединен со вставкой, например, известным из уровня техники способом защемления. Такое исполнение колодок значительно повысит технико-экономическую эффективность их применения и срок службы колес и колодок.
Изготовление предлагаемых колодок может быть произведено на действующем оборудовании предприятий-изготовителей тормозных композиционных колодок без принципиального изменения существующих технологий, то есть, как это описано выше в патентах-аналогах заявляемой полезной модели.
Тормозные композиционные колодки для железнодорожного транспорта предлагаемой конструкции позволят без увеличения стоимости колодок обеспечить стабильную эффективность торможения в течении всего периода эксплуатации тормозной колодки, включая период приработки к изношенным колесам, находящихся в эксплуатации. Увеличится эффективность использования колодок за счет использования максимально возможной толщины вставки в толщине колодки, а, следовательно, дополнительно увеличится срок службы колес.