ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к колодочным тормозным устройствам, а именно, к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.
Колодочному тормозу столько лет, сколько и самой железной дороге. Его конструкция основана на использовании поверхности катания колеса в качестве контртела в паре трения с тормозной колодкой. Такое двойное использование может приводить иногда к критической ситуации, так как при торможении (особенно с высокой скорости) возникают большие термические нагрузки, которые могут вызвать повреждения поверхности катания колеса (прижоги, термические трещины и другие). Важной положительной особенностью колодочного тормоза является то, что при его использовании очищается поверхность катания и за счет этого улучшается сцепление между колесом и рельсом.
В настоящее время известны и изготавливаются несколько основных типов тормозных колодок, в том числе:
- тормозные чугунные колодки выпускаемые по ГОСТ 1205-73 «Колодки чугунные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры»;
- тормозные композиционные колодки см. Б.А.Ширяев «Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов» (Москва, Химия, 1982 г., стр.9-14, 70, 71), содержащие металлический каркас и фрикционный композиционный элемент;
- тормозные колодки железнодорожного транспортного средства по патенту на полезную модель №52957 (F 16 D 65/04, 2006 г.),
содержащие металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и твердую вставку из чугуна;
- тормозные металлокерамические колодки (см. «Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы» под редакцией В.Шатта. Перевод с немецкого. Москва. Металлургия, 1983 (стр.249, 260, 261), содержащие металлический каркас и фрикционный металлокерамический элемент.
Из всех известных, перечисленных выше типов, наиболее широко применяются тормозные композиционные колодки, содержащие металлический каркас (стальной цельнометаллический или сетчатопроволочный) и фрикционный композиционный элемент. Начали применяться перспективные колесосберегающие тормозные колодки для железнодорожных транспортных средств, содержащие металлический каркас, фрикционный композиционный элемент и металлическую вставку из чугуна.
Тормозные композиционные колодки, по сравнению с чугунными, обеспечивают работоспособность не до 120 км/час, а до 160 км/час, имеют более высокий и стабильный коэффициент трения, в 3-4 раза больше ресурс, при меньшей скорости. Однако, их теплопроводность в 10 и более раз меньше, чем теплопроводность чугуна и поэтому они в несколько раз больше передают тормозную энергию в колесо по сравнению с чугунными. Решение задачи повышения теплопроводности тормозных композиционных колодок с целью снижения температуры колеса приводит к увеличению температуры в месте крепления фрикционного композиционного элемента с металлическим каркасом с тыльной стороны колодки и, как следствие, ведет к ослаблению крепления фрикционного композиционного элемента с металлокерамическим каркасом и снижению прочности и надежности конструкции колодки. Очень высока вероятность отрыва фрикционного элемента от каркаса при эксплуатации, что может привести к разрушению колодки и возникновению аварийных ситуаций.
Известна тормозная колодка железнодорожного подвижного состава, включающая металлический каркас и закрепленный на нем полимерный композиционный фрикционный элемент, по патенту РФ №2072672 (В 61 Н 7/02, 1997 г.).
Известная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержит металлический каркас и закрепленный на нем полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем слой, контактирующий с металлическим каркасом, выполнен из полимерного композиционного фрикционного материала, теплопроводность которого меньше теплопроводности полимерного композиционного материала, из которого выполнен слой, расположенный со стороны рабочей поверхности колодки.
Недостатком известной колодки является то, что толщина менее теплопроводного слоя композиционного фрикционного материала, контактирующего с металлическим каркасом недостаточно определена и может быть практически равной толщине металлического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки, то есть недостаточной. Кроме того, в известной колодке недостаточно сцепление (адгезия) менее теплопроводного слоя с металлическим каркасом ввиду недостаточного количества связующего и недостаточна прочность менее теплопроводного слоя ввиду отсутствия требований к армированию волокнами.
Существенные признаками известной тормозной колодки: «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас и закрепленный на нем полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем слой, контактирующий с металлическим каркасом, выполнен из полимерного композиционного фрикционного материала, теплопроводность которого меньше теплопроводности полимерного композиционного материала, из которого выполнен слой,
расположенный со стороны рабочей поверхности колодки», являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Известны тормозные колодки железнодорожного транспортного средства, содержащие металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки, по патенту РФ №2188347 (В 61 Н 1\00, 2001 г.) и патенту на полезную модель №52957 (F 16 D 65/04, 2006 г.).
Существенные признаки известной колодки «металлический каркас», «композиционный фрикционный элемент» и «вставка из чугуна, расположенная в центральной части колодки» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Известная колодка обеспечивает повышенный срок службы колеса за счет сохранения поверхности катания колеса, а также стабильность и эффективность торможения при обычных и тяжелых условиях эксплуатации.
Недостатками данных колодок является повышенная температура в месте крепления фрикционного композиционного элемента с металлическим каркасом с тыльной стороны колодки (в особенности из-за наличия очень теплопроводной чугунной вставки), которая приводит к ослаблению крепления фрикционного композиционного элемента с металлическим каркасом и снижению прочности и надежности конструкции колодки. Кроме того, в известной колодке в месте крепления с металлическим каркасом недостаточно сцепление (адгезия) композиционного фрикционного элемента с металлическим каркасом и прочность фрикционного композиционного элемента.
Наиболее близким аналогом заявляемой колодки является тормозная колодка железнодорожного подвижного состава по патенту РФ №2236969 (В 61 Н 7/02, 2004 г.). Колодка имеет композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих различную теплопроводность. Соотношение масс композитов выбрано так, что масса
композита более теплопроводного слоя относится к массе композита менее теплопроводного слоя как 1,5:2,0.
Однако, приведенное в наиболее близком аналоге соотношение масс композитов, по слоям исходя из их разной, но неопределенной теплопроводности при большом ассортименте теплопроводных материалов, значительно отличающихся по удельному и насыпному весу (графит, технический углерод, стальная, латунная стружка или порошки и другие) не дает полных данных для проектирования оптимально прочной, надежной колодки с максимальным ресурсом при заданных общих габаритах колодки и их разных конструктивных особенностях.
Кроме того, адгезия и прочность композита, из которого выполнен слой, контактирующий с металлом каркаса небольшие, что может привести к разрушению колодки в процессе эксплуатации, например, отрыву колодки от каркаса.
Существенные признаки наиболее близкого аналога «металлический каркас», «композиционный фрикционный элемент», «два продольных слоя, имеющих разную теплопроводность» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.
Обе рассмотренные известные тормозные колодки железнодорожного транспортного средства, содержат металлический каркас и закрепленный на нем полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем слой, контактирующий с металлическим каркасом, выполнен из полимерного композиционного фрикционного материала, теплопроводность которого меньше теплопроводности полимерного композиционного материала, из которого выполнен слой, расположенный со стороны рабочей поверхности колодки. Однако, в связи с тем, что толщина этих слоев недостаточно определена, а слой, контактирующий с металлическим каркасом имеет недостаточную адгезию и прочность, ресурс тормозной колодки, ее прочность и надежность в целом недостаточны.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение прочности, надежности и ресурса тормозной колодки.
Поставленную задачу решает тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас и закрепленный на нем полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем слой, контактирующий с металлическим каркасом, выполнен из полимерного композиционного фрикционного материала, теплопроводность которого меньше теплопроводности полимерного композиционного фрикционного материала, из которого выполнен слой, размещенный со стороны рабочей поверхности колодки. Слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет большую адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, размещенным со стороны рабочей поверхности колодки. Толщина слоя, контактирующего с металлическим каркасом, больше толщины металлического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки, но меньше толщины колодки, разрешенной для эксплуатации.
Для понимания этой формулировки рассмотрим графические изображения тормозных железнодорожных колодок, представленные на фиг.1 и 2.
Первоначальная толщина новой тормозной колодки обозначена «S» и приведена в технической литературе. (Ширяев Б.А. Производство тормозных железнодорожных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М.Химия, 1982. стр.72).
1
Толщина колодки с выпрессованным в нее металлическим каркасом обозначена - «S» и зависит от конструкции каркаса. Эта толщина, например, соответственно составляет согласно имеющимся чертежам специально конструкторского бюро ЦВ МПС:
- для композиционных тормозных колодок с металлической спинкой - 12 мм;
- для композиционных тормозных колодок с сетчатопроволочным каркасом - 8 мм.
3
Имеется минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации - обозначена «S».
Минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации установлена в «Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог» (Издательство «Инпресс» при содействии НПП Трансмпорт, г.Омск, 111395, Москва, Аллея 1-й Маевки д.15. 1994. стр.3, 12, 13). Минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации, также устанавливается отдельно для каждого типа колодок составляет:
- для композиционных тормозных колодок с металлической спинкой - 14 мм;
- для композиционных тормозных колодок с сетчато-проволочным каркасом - 10 мм.
Таким образом, минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации, в данном случае на 2 мм превышает толщину колодки с впрессованным в нее металлическим каркасом для исключения повреждения поверхности колеса металлическим каркасом при торможении.
2
Толщина слоя, контактирующего с металлическим каркасом обозначена - «S», должна быть больше толщины впрессованного в тыльную поверхность металлического каркаса, чтобы уменьшить температуру в зоне контакта металлического каркаса с фрикционным элементом, но должна быть меньше толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, чтобы обеспечить требуемые характеристики при торможении и наибольший ресурс колодки.
Итак, выполнение слоя, контактирующего с металлическим каркасом, толщиной более толщины металлического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки, но менее толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, позволит максимально снизить температуру в месте контакта
металлического каркаса с фрикционным элементом, а значит повысить прочность колодки и ресурс колодки.
Выполнение слоя, контактирующего с металлическим каркасом, с большей адгезией к металлу и прочностью, по сравнению со слоем, размещенным со стороны рабочей поверхности колодки, позволяет еще больше увеличить прочность, надежность колодки и ее ресурс.
При толщине колодки 50-60 мм соотношение толщины более теплопроводного слоя к менее теплопроводному будет составлять
Вариантом заявляемой колодки является тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас, закрепленные на нем вставку из чугуна и полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем слой, контактирующий с металлическим каркасом, выполнен из полимерного композиционного фрикционного материала, теплопроводность которого меньше теплопроводности полимерного композиционного фрикционного материала, из которого выполнен слой, размещенный со стороны рабочей поверхности колодки. Слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет большую адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, размещенным со стороны рабочей поверхности колодки. Толщина слоя, контактирующего с металлическим каркасом, больше толщины металлического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки, но меньше толщины колодки, разрешенной для эксплуатации.
Слой, контактирующий с металлическим каркасом и расположенный с тыльной стороны колодки, выполнен из композиционного фрикционного материала с более высоким содержанием связующего (каучука и/или смол) и более термостойких армирующих волокон и их размеров, например,
стекловолокно. Поэтому это слой имеет большие адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, расположенным с рабочей поверхности колодки. Толщина менее теплопроводного слоя меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, но больше предельно допустимой толщины колодки.
Существенные признаки заявляемой колодки «слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет большую адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, размещенным со стороны рабочей поверхности колодки» и «толщина слоя, контактирующего с металлическим каркасом, больше толщины металлического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки, но меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации» являются отличительными от существенных признаков наиболее близкого аналога.
Металлический каркас может быть выполнен в виде металлической полосы с П-образным выступом в центральной ее части, с двумя боковыми бобышками, с усилительной пластиной или без нее. В колодке может быть использован и сетчатопроволочный каркас.
С целью сохранения поверхности качения колеса колодка может быть снабжена твердой вставкой из чугуна. Вставка расположена в центральной части колодки и прикреплена к каркасу. Вставка в продольном сечении может иметь форму прямоугольника, квадрата, трапеции с прямым или радиусным основаниями или другую форму.
Для изготовления композиционного полимерного фрикционного элемента используют материалы, содержащие полимерное связующее, в котором равномерно распределены фрикционные и армирующие наполнители. Менее теплопроводный слой композиционного полимерного элемента изготавливают из композиционного фрикционного материала с более высоким содержанием связующего (каучука и/или смолы). Конкретная рецептура определяется в зависимости от назначения колодки.
В качестве армирующих наполнений для железнодорожных тормозных колодок используют различные волокнистые наполнители, например, синтетические полиарамидные волокна, стекловолокно, минеральные волокна.
Повышение прочности и адгезионной способности менее теплопроводного полимерного фрикционного композиционного материала, используемого для нерабочего слоя достигается рецептурно за счет увеличения содержания связующего (полимера-каучука или смол), а также термостойких армирующих волокон, например, стекловолокна, минеральных волокон (и их размера) в композиции.
Изготавливают заявляемые тормозные колодки по известной технологии на известном оборудовании.
Процесс изготовления включает следующие стадии:
- изготовление металлического каркаса или металлического каркаса со вставкой;
- изготовление двух фрикционных полимерных композиций, при этом отдельно изготавливают композиции, предназначенные для изготовления каждого из слоев фрикционного композиционного элемента;
- укладка в пресс-форму каркаса и затем навески менее теплопроводной фрикционной полимерной композиции, при этом она непосредственно на каркас равномерно укладывается и разравнивается навеска полимерной композиции для изготовления рабочего слоя колодки;
- формование колодки в пресс-форме с последующей вулканизацией.
На фиг.1 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, где:
1 - металлический сетчатопроволочный каркас;
2 - слой контактирующий с металлическим каркасом (менее теплопроводный слой, имеющий П-образный выступ и боковые
бобышки);
3 - слой композиционного фрикционного элемента, расположенный с рабочей поверхности колодки (рабочий слой).
S - толщина колодки;
1
S - толщина металлического сетчатопроволочного каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки;
2
S - толщина слоя полимерного фрикционного композиционного элемента, контактирующего с металлическим каркасом;
3
S - минимальная толщина колодки разрешенная для эксплуатации.
На фиг.2 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, где:
1 - основная полоса с П-образным выступом и боковыми бобышками металлического каркаса
2 - усилительная пластина каркаса,
3 - вставка из чугуна,
4 - слой контактирующий с металлическим каркасом (слой менее теплопроводного композиционного фрикционного элемента),
5 - слой композиционного фрикционного элемента, расположенный с
рабочей поверхности колодки (рабочий слой).
S - толщина колодки;
1
S - толщина цельнометаллического каркаса, впрессованного в тыльную поверхность колодки;
2
S - толщина слоя полимерного фрикционного композиционного элемента, контактирующего с металлическим каркасом;
3
S - минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации.
Выполнение тормозной колодки железнодорожного транспорта с признаками, приведенными в отличительной части формулы позволит повысить прочность, надежность и ресурс тормозной колодки.
Выполнение слоя контактирующего с металлическим каркасом, толщиной более толщины металлического каркаса, впрессованного в
тыльную поверхность колодки, но менее толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, позволит максимально снизить температуру в месте контакта металлического каркаса с фрикционным элементом, а значит повысить прочность колодки и ресурс колодки.
Выполнение слоя, контактирующего с металлическим каркасом, с большей адгезией к металлу и прочностью, по сравнению со слоем, размещенным со стороны рабочей поверхности колодки позволяет еще больше увеличить прочность, надежность колодки и ее ресурс.