EA029533B1

EA029533B1 - Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства (варианты)

Info

Publication number: EA029533B1
Application number: EA201690055A
Authority: EA
Inventors: Бернд Уве Винстрот; Сергей Петрович Муковоз; Сергей Николаевич Литвинский; Светлана Валериевна Винокурова; Ирина Николаевна Мельничук
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Белоцерковский завод "Трибо"
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2018-04-30
Also published as: EA201690055A2; UA115877C2; EA201690055A3

Abstract

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно, к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства содержит композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, выполненного из безасбестового композиционного материала, усилительную пластину и металлические вставки. Вставки по одному варианту осуществления прикреплены к металлическому каркасу с помощью резьбового соединения, а по другому варианту - на металлическом каркасе с помощью механического крепления, выполненного в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе, и изогнутых краев усилительной пластины, которые входят в выемки, выполненные на минимум одной боковой поверхности вставок. Фрикционный элемент содержит поперечные пазы, выполненные с обеих сторон каждой вставки таким образом, что они ограничены с одной стороны боковыми поверхностями вставок. Вставки расположены таким образом, что делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9:1,3) общей длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками. Суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок составляет около 15-25% общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента. Изобретение позволяет повысить надежность работы и износостойкость колодки в широком диапазоне режимов торможения, а также достичь обеспечения стабильности фрикционных характеристик рабочей поверхности в течение всего срока эксплуатации колодки.

Description

029533 Β1

029533

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.

Известно, что важнейшим элементом тормозной системы любого транспортного средства, особенно железнодорожного, являются тормозные колодки, которые в процессе торможения за счет воздействия сил трения и выделяющейся теплоты подвергаются колоссальным нагрузкам. Именно поэтому они должны сохранять свои эксплуатационные свойства длительное время, обеспечивая эффективность и долговечность всего тормозного устройства.

Главными проблемами, с которыми на протяжении уже длительного времени существования железнодорожного транспорта сталкивается большинство производителей тормозных колодок, являются

обеспечение стабильности фрикционных характеристик рабочей поверхности колодки в различных режимах торможения одновременно с достижением достаточной износостойкости, как правило, путем использования соответствующего материала;

обеспечение достаточного теплоотвода от поверхности колеса во время торможения с целью предотвращения возникновения дефектов на поверхности колеса;

обеспечение экологичности и безопасности производства колодки и ее дальнейшей эксплуатации.

Заявителю известно много аналогичных колодок, сходных с заявляемой по совокупности существенных признаков, среди которых ближайшими являются следующие.

Известны тормозные колодки, в том числе с металлическим каркасом, выпускаемые по ГОСТ 120573 "Колодки чугунные тормозные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры". Данные тормозные колодки изготовлены из чугуна и содержат металлический каркас, выполненный в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка и боковые бобышки (ГОСТ 1205-73. Колодки чугунные тормозные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры. ИПК Издательство стандартов. Москва). Недостатками известной тормозной колодки являются

изготовление ее из чугуна, фрикционные характеристики которого позволяют эксплуатацию колодки при скоростях не более 120 км/ч;

высокий уровень шума при торможении; большой вес (до 16 кг);

резкое снижение коэффициента трения с увеличением скорости движения и, как результат, сравнительно быстрый износ.

Известна тормозная колодка, содержащая композиционный фрикционный элемент и металлический каркас, выполненный в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, и усилительная пластина (Б.А. Ширяев "Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов", Москва, Химия, 1982 г. (стр.9-11, 13, 70)).

Недостатком данной тормозной колодки является недостаточное обеспечение термостойкости конструкции в результате отсутствия элементов отвода тепла из зоны контакта колодки и колеса, что также может привести к снижению износостойкости фрикционной поверхности колодки при ее эксплуатации. Колодка характеризуется отсутствием металлической вставки, основной задачей которой и является обеспечение отвода тепла с поверхности трения, а также обеспечение выгодной обработки поверхности катания колеса.

Известна тормозная колодка, содержащая композиционный фрикционный элемент и металлический каркас, выполненный в виде изогнутой основной полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки, боковые бобышки и усилительная пластина. Усилительная пластина представляет собой стальную омедненную полосу. Основная полоса металлического каркаса приварена снаружи к усилительной пластине с тыльной стороны колодки при помощи круглых отверстий, специально выполненных для этой цели в основной полосе металлического каркаса и с обоих торцов колодки (патент КИ 2310779, опубликованный 20.11.2007).

Недостатком данной тормозной колодки является недостаточное обеспечение термостойкости конструкции в результате отсутствия элементов отвода тепла из зоны контакта колодки и колеса, что также может привести к снижению износостойкости фрикционной поверхности колодки при ее эксплуатации. Колодка характеризуется отсутствием металлической вставки, основной задачей которой и является обеспечение отвода тепла с поверхности трения, а также обеспечение улучшения обработки поверхности катания колеса. Кроме того, колодка не содержит дополнительных средств крепления фрикционного элемента к металлическому каркасу (или к пластине), что может привести к возможному отсоединению (отрыву) фрикционного элемента в режимах экстренного торможения. Колодка характеризуется отсутствием элементов конструкции, с помощью которых происходил бы отвод продуктов торможения.

Также известна тормозная колодка, которая содержит композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и две боковые бобышки. Изогнутая полоса содержит четыре высечки, закрепленные на основной полосе путем пропуска высечек через

- 1 029533

отверстия и отгиба их с внутренней стороны каркаса при холодной штамповке (патент КИ 2310780, опубликованный 20.11.2007).

Недостатком данной тормозной колодки является недостаточное обеспечение термостойкости конструкции в результате отсутствия элементов отвода тепла из зоны контакта колодки и колеса, что также может привести к снижению износостойкости фрикционной поверхности колодки при ее эксплуатации. Колодка характеризуется отсутствием металлической вставки, основной задачей которой и является обеспечение отвода тепла с поверхности трения, а также обеспечение улучшения обработки поверхности катания колеса. Кроме того, колодка также характеризуется отсутствием элементов конструкции, с помощью которых происходил бы отвод продуктов торможения.

Известно тормозную колодку, содержащую металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку. Твердая вставка расположена в центральной части колодки и приварена к металлическому каркасу. Твердая вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна. Отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20% (патент КИ 2309072, опубликованный 27.10.2007).

Недостатком данной тормозной колодки является то, что установлено процентное отношение площадей рабочих поверхностей вставки и фрикционного элемента недостаточно для обеспечения необходимого отвода тепла из зоны трения с одновременным удалением отдельных дефектов на поверхности колеса. Колодка также характеризуется отсутствием элементов конструкции, с помощью которых происходил бы отвод продуктов торможения. Кроме того, колодка не содержит дополнительных средств крепления фрикционного элемента к металлическому каркасу (или к пластине), что может привести к возможному отсоединению (отрыву) фрикционного элемента в режимах экстренного торможения.

За прототип принята тормозная колодка, которая содержит композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки, и твердую вставку. По первому варианту выполнения колодка дополнительно снабжена двумя плоскими термоизоляционными элементами, расположенными по обе стороны от вставки между вставкой и фрикционным элементом. Колодка по второму варианту осуществления обеспечена открытыми пазами, расположенными по обе стороны от вставки между вставкой и фрикционным элементом (патент КИ 2309074, опубликованный 27.10.2007).

Недостатком данной тормозной колодки, как и в предыдущем случае, является то, что соотношение площадей рабочих поверхностей вставки и фрикционного элемента недостаточно для обеспечения необходимого отвода тепла из зоны трения с одновременным удалением отдельных дефектов на поверхности колеса. Кроме того, колодка не содержит дополнительных средств крепления фрикционного элемента к металлическому каркасу (или к пластине), что может привести к возможному отсоединению (отрыву) фрикционного элемента в режимах экстренного торможения.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы и износостойкости колодки в широком диапазоне режимов торможения в результате изменения ее конструкции для улучшения термостойкости путем предотвращения возникновения термических трещин в теле композиционного фрикционного элемента и его обгорания в зоне контакта с металлической вставкой при изготовлении и эксплуатации.

Дополнительным результатом является обеспечение стабильности фрикционных характеристик рабочей поверхности в течение всего срока эксплуатации колодки с одновременным повышением экологичности и безопасности производства колодки и ее дальнейшей эксплуатации.

Поставленная задача решается таким образом, что в тормозной колодке железнодорожного транспортного средства, содержащей композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, усилительную пластину и металлические вставки, согласно изобретению, вставки прикреплены к металлическому каркасу с помощью резьбового соединения, причем фрикционный элемент содержит поперечные пазы, выполненные с обеих сторон каждой вставки таким образом, что они ограничены с одной стороны боковыми поверхностями вставок. Вставки расположены таким образом, что делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9: 1,3) общей длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками, а суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок составляет около 15-25% от общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента. При этом композиционный фрикционный элемент выполнен из безасбестового композиционного материала.

При этом резьбовое соединение вставок к металлическому каркасу может быть осуществлено с помощью болтов.

При этом ширина пазов может составлять в пределах 1-5 мм.

При этом глубина пазов может составлять не более толщины композиционного фрикционного эле- 2 029533

мента.

При этом вставки могут быть размещены симметрично на расстоянии от центра металлического каркаса.

При этом боковые поверхности вставок могут быть покрыты слоем фрикционного материала.

При этом усилительная пластина может быть расположена между вставками и может быть выполнена с боковыми ребрами жесткости.

При этом средства механического крепления композиционного фрикционного элемента могут быть выполнены в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе с обеих сторон от боковых бобышек.

При этом безасбестовый фрикционный материал может быть с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 2-8, коэффициента трения в паре со сталью в пределах 0,35...0,50 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.

При этом безасбестовый фрикционный материал может быть с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 1,6...5,0, коэффициента трения в паре со сталью в пределах не менее 0,40 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.

Поставленная задача также решается таким образом, что в тормозной колодке железнодорожного транспортного средства, содержащей композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, усилительную пластину и металлические вставки, согласно изобретению, вставки закреплены на металлическом каркасе с помощью механического крепления, выполненного в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе, и изогнутых краев усилительной пластины, которые входят в выемки, выполненные на минимально одной боковой поверхности вставок, а фрикционный элемент содержит поперечные пазы, выполненные с обеих сторон каждой вставки таким образом, что они ограничены с одной стороны торцевыми поверхностями вставок. Вставки расположены таким образом, что делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9: 1,3) суммарной длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками, а суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок составляет около 15-25% общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента; при этом композиционный фрикционный элемент выполнен из безасбестового композиционного материала.

При этом глубина пазов может составлять не более толщины композиционного фрикционного элемента.

При этом усилительная пластина может быть выполнена с боковыми ребрами жесткости.

При этом безасбестовый фрикционный материал может быть с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 2-8, коэффициента трения в паре со сталью в пределах 0,35-0,50 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.

При этом безасбестовый фрикционный материал может быть с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 1,6-5,0, коэффициента трения в паре со сталью в пределах не менее 0,40 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и техническим результатом, который достигается, существует следующая причинно-следственная связь.

Известно, что при торможении кинетическая энергия поезда превращается в тепловую с высокими значениями температуры. Образованное тепло рассеивается в колодках и колесах, что способствует их быстрому разрушению. При этом железнодорожные транспортные средства в зависимости от типа поезда характеризуются значительным весом и скоростями, обусловливающие рост силы нажатия на колодки и, как следствие, повышение их износа. Также известно, что главным параметром в работе тормозной системы является коэффициент трения, значение которого зависит от материала колодки и непосредственно влияет на износостойкость и долговечность работы колодки. С увеличением скорости движения и удельного нажатия на колодки коэффициент трения может снижаться.

Из предыдущего уровня техники известно много решений проблемы ухудшения работы колодок, которые лежат как в улучшении конструктивных элементов колодки, так и в обеспечении стабильности фрикционных характеристик рабочей поверхности путем использования соответствующего материала.

- 3 029533

Одной из главных причин возникновения дефектов в теле колодки и, как результат, ее разрушения, а также возникновение термических трещин на поверхности катания колес, износа поверхности катания колес является недостаточный отвод тепла с зоны контакта колодки и колеса. Именно за счет образования термических трещин, ползунов и повышенного износа (проката) поверхности колеса осуществляется неравномерный износ поверхности катания колес. Известно, что для решения данной проблемы к металлическому каркасу колодки крепится металлическая вставка, основной задачей которой является обеспечение достаточного отвода тепла из зоны контакта колеса с колодкой, а также обеспечение за счет агрессивного абразивного эффекта улучшения обработки поверхности катания колеса путем ее обточки и шлифовки.

Однако установлено, что наличие металлической вставки негативно влияет на физикомеханические показатели и фрикционно-износостойкие свойства трибологической пары трения "колесоколодка", например приводит к изменению значений коэффициента трения, уменьшает площадь контакта рабочей поверхности фрикционного элемента с колесом, приводя к снижению устойчивости и продолжительности работы не только колодки, но и колеса. Так, по патенту на изобретение КИ №2309072 отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности тормозной колодки составляет от 4 до 20%. Данное соотношение при обеспечении достаточного отвода тепла из зоны контакта колеса с тормозной колодкой недостаточно для обеспечения необходимых физикомеханических показателей рабочей поверхности колодки.

В результате проведенного моделирования, связанного с влиянием размещения вставок в конструкции колодки на общую износостойкость, изобретателями установлено, что для решения поставленной задачи необходимо такое расположение металлической вставки, которое обеспечило бы стабильность необходимого коэффициента трения, способствовало улучшению износостойкости, обеспечивая при этом необходим отвод тепла и способствуя сохранению эффективной работы взаимодействующей пары "колодка-колесо" в широком диапазоне режимов торможения.

В процессе моделирований осуществлялось регулирование размещения как одной вставки, так и взаимного расположения двух вставок по длине дуги колодки и определение возможной термостойкости вставок и фрикционного материала при разных температурных режимах. Проведенное моделирование влияния размещения вставок на общую износостойкость колодки показало, что среди многообразия рассмотренных вариантов размещения вставки изобретателями установлена необходимость расположения именно двух вставок таким образом, что они делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9:1,3) общей длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками. При этом внутренняя часть фрикционного элемента может содержать технологическую П-образную выемку, которая не учитывается при определении длины дуги рабочей поверхности.

Вставки располагаются симметрично от центра металлического каркаса, а суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок при этом составляет около 15-25% общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента. Размещение вставок в данный способ позволяет обеспечить не только необходимый отвод тепла, но и равномерность износа рабочей поверхности колодки, что в конечном итоге приводит к уменьшению износа колодки в целом и способствует более эффективному удалению дефектов колеса.

Проведенные моделирования показывает, что значения суммарной длины дуги рабочей поверхности вставок в диапазоне 15-25% являются оптимальными, поскольку в данных пределах определяется наиболее оптимальное значение линейного износа, способствующему улучшению износостойкости.

Существенным признаком заявляемого изобретения согласно первому варианту выполнения изобретения является крепление вставок с помощью резьбового соединения, а именно с помощью болтов. Согласно второму варианту выполнения изобретения вставки закреплены на металлическом каркасе с помощью механического крепления, выполненного в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе, и изогнутых краев усилительной пластины, которые входят в выемки, выполненные на минимум одной боковой поверхности вставок. При этом выемки могут иметь разнообразную форму и находиться как на одной боковой поверхности вставок из стороны высечек, так и на обеих боковых поверхностях: со стороны высечек и изогнутых краев усилительной пластины. Проведенные изобретателями эксперименты подтверждают то, что крепления металлических вставок, производимые в перечисленные способы, позволяют в достаточной мере обеспечить эффективное фиксирование вставок к металлическому каркасу, уменьшая тем самым возможность отсоединения (отрыва) вставки от каркаса в процессе длительной эксплуатации.

Преимуществом заявленного изобретения является выполнение в конструкции колодки поперечных пазов во фрикционном элементе таким образом, что они ограничены с одной стороны боковыми поверхностями металлических вставок, а с другой - поверхностями фрикционного элемента, причем боковые поверхности вставок покрыты слоем фрикционного материала. Выполненные таким образом пазы не только обеспечивают достаточный вывод продуктов трения, но и служат искрогасительной средой. Во время торможения искры, образованные в зоне трения, попадают в данные пазы, ударяются в стенки пазов, теряя свою энергию, и гаснут в них. Таким образом, происходит уменьшение количества искр, кото- 4 029533

рые могут образоваться в зоне трения, что способствует повышению уровня безопасности.

Кроме того, для обеспечения эффективного вывода продуктов трения установлено, что ширина пазов должна составлять в пределах 1-5 мм, а глубина - не более толщины композиционного фрикционного элемента. Установленные размеры пазов не только способствуют лучшему отводу продуктов износа из зоны трения, но и обусловливают определенную гибкость, обеспечивающую целостность колодки во время эксплуатации.

Выполнение конструкции колодки усилительной пластины с боковыми ребрами жесткости, а также расположение ее между вставками согласно одному из частных случаев выполнения изобретения позволяет придать дополнительной жесткости каркасу и повысить надежность крепления металлического каркаса с фрикционной композиционным элементом.

Согласно другим частным случаям выполнения изобретения усилительная пластина не только способствует улучшению жесткости каркаса, но и выполняет роль одного из фиксаторов металлических вставок за счет их защемления своими изогнутыми краями.

Кроме того, дополнительное увеличение сцепления металлического каркаса с фрикционной элементом обеспечивают средства механического крепления, выполненные в металлическом каркасе. Расположение их с обеих сторон боковых бобышек позволяет обеспечить равномерность крепления по всей площади колодки, а выполнение их в виде высечек позволяет улучшить сцепление металлического каркаса с фрикционной элементом.

Преимуществом заявленного изобретения является использование композиционного фрикционного элемента, изготовленного из безасбестового композиционного материала, который характеризуется не только повышенной устойчивостью к кратковременному действию высоких температур при экстренном торможении, но также не содержит в своем составе вредных для здоровья человека асбестового волокна, частицы которого могут попадать в окружающую среду как при изготовлении колодок (вредное производство), так и при работе колодок в составе тормозов. Таким образом, использование безасбестового композиционного материала позволяет обеспечить как износостойкость колодок, так и улучшить экологичность и безопасность процесса их изготовления и эксплуатации.

Известно, что при использовании безасбестовых композиционных материалов важное значение имеет присутствие в их составе армирующих волокон, так как они дают возможность получения материалов с высокой прочностью и жесткостью, при этом сохраняя очень низкую массу. Путем проведения исследований изобретателями неожиданно было установлено, что важное значение также имеет не только простое наличие армирующих волокон, но и их сочетание с определенной основой. Согласно исследованиям сочетание определенного содержания армирующих волокон с именно каучуко-смоляной основой позволяет получить необходимые результаты для обеспечения стабильности фрикционных характеристик колодок.

Изобретателями при проведении исследований установлено, что для получения стабильных значений фрикционных показателей, которые обеспечат улучшение износостойкости, необходимо применение минеральных волокон или пара-арамидных волокон в качестве армирующего волокна.

Использование минеральных волокон или пара-арамидных волокон в составе композиционного материала позволило достичь оптимальных фрикционных параметров рабочей поверхности и существенно улучшить технические характеристики, так как, например, минеральные волокна обладают более стабильным коэффициентом трения при высоких температурах, характерных при торможении на больших скоростях, а пара-арамидные волокна характеризуются значительной термостойкостью. К тому же минеральные волокна существенно снижают вес фрикционного элемента, облегчая этим нагрузку на другие части тормозов.

Для обеспечения стабильности фрикционных характеристик колодки, а также для придания дополнительной жесткости и плотности в состав безасбестового композиционного материала внесены добавки.

За счет использования колодок в поездах различного назначения (пассажирские, грузовые и т.д.) существует необходимость в их изготовлении с различными физико-механическими показателями для обеспечения соответствующей надежности работы тормозной системы.

С этой целью изобретателями были проведены моделирования и исследования, позволившие достичь требуемых значений фрикционных параметров колодок. Так, согласно пп.9, 18 формулы заявляемой колодки основой для фрикционного элемента является каучуко-смоляная матрица с одним видом каучука и двумя видами смолы, а также с дополнительным содержанием минеральных и пара-арамидных волокон, металлических и неорганических наполнителей, лубриканта, вулканизующих агентов. Данный состав композиционного материала используется для изготовления колодок с низким коэффициентом трения и эксплуатации ее при нажатии около 21 кН.

Согласно одному из конкретных случаев выполнения изобретения основой для фрикционного элемента является каучуко-смоляная матрица с двумя видами каучука и одним видом смолы, а также с дополнительным содержанием минеральных и пара-арамидных волокон, ускорителями вулканизации и вулканизующих агентов. Данный состав композиционного материала используется для изготовления колодок с высоким коэффициентом трения, усилие нажатия на которые составляет около 11 кН. Кроме того, в процессе изготовления колодки с применением данного состава материала используется подлож- 5 029533

ка (нанесение известных веществ для улучшения адгезии) между металлическим каркасом и фрикционной материалом.

Таким образом, использование данного вида материала для различных типов поездов позволяет обеспечить требуемые значения физико-механических показателей колодок.

За счет использования вышеупомянутых составов безасбестового композиционного материала, не содержащего вредных для здоровья и нормативно запрещенных для использования элементов, но в то же время обеспечивающего стабильность всех фрикционных характеристик, удалось повысить экологичность и безопасность не только изготовление колодок, но и их дальнейшей эксплуатации.

Как уже было указано выше, главным параметром в работе тормозной системы является коэффициент трения и именно обеспечение стабильного значения данного показателя позволяет улучшить устойчивость и продолжительность работы колодки. Проведенные моделирование влияния значений коэффициента трения на линейный износ при различных температурных режимах показали, что применение безасбестового композиционного материала позволяет достичь необходимых низких значений коэффициента трения, которые обеспечат оптимальные значения линейного износа материала при различных скоростных и температурных режимах. Установлено, что оптимальный диапазон значений коэффициента трения данного материала в паре со сталью находится в пределах 0,35...0,50. Согласно одному из частных случаев выполнения изобретения достигается высокий коэффициент трения, который составляет в паре со сталью в пределах не менее 0,40.

Полученные в результате моделирования значения коэффициента трения в диапазоне 0,35...0,50, предпочтительно в пределах не менее 0,40, являются оптимальными, поскольку в данных пределах коэффициент трения остается наиболее стабильным в течение длительного времени эксплуатации, а также определяет наиболее оптимальные значения линейного износа, то есть способствует улучшению износостойкости.

В результате проведенных моделирований износостойкости колодок с указанными вариантами фрикционного материала был установлен диапазон стабильных значений линейного износа рабочей поверхности фрикционного элемента, который составляет не более 0,15 мм для обоих вариантов колодок.

Кроме того, изобретателями было установлено, что за счет использования указанных вариантов фрикционного материала оптимальные значения твердости фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) для материала должны быть в пределах НВ = 2,0...8,0, предпочтительно НВ = 1,6...5,0. Данные диапазоны в достаточной мере обеспечивают повышение износостойкости колодки. Использование материалов со значениями твердости ниже установленных диапазонов для каждого варианта осуществления приводит к быстрому износу рабочей поверхности элемента, в то время как использование материала с твердостью больше установленных диапазонов для каждого варианта осуществления может привести к агрессивному поведению по отношению к контртелу (колесу) и, как следствие, к ускоренному его износу.

Применение материалов, с помощью которых достигаются требуемые значения коэффициента трения, может негативно влиять на тормозной путь, соответственно снижая уровень безопасности. Изменения данных диапазонов значений будут приводить к росту значений линейного износа, а, следовательно, и к ухудшению устойчивости работы колодок. Результаты исследований приведены на графике.

Значение тормозного пути в зависимости от значений начальной скорости

♦ Асбестовая колодка И Колодка по пп.9,18

Как известно, длина тормозного пути зависит не только от начальной скорости транспортного средства, но и от коэффициента трения, который напрямую зависит от материала фрикционного элемента. График показывает достижения эффективных значений тормозного пути в результате использования колодки с фрикционной элементом, изготовленного из безасбестового композиционного материала с параметрами, указанными в пп.9, 18 формулы, в сравнении с типичными асбестовыми колодками при определенных значениях начальной скорости.

- 6 029533

Изобретение иллюстрируется следующим примером осуществления тормозной колодки и соответствующими чертежами, а именно

фиг. 1 - вид сверху металлического каркаса; фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;

фиг. 3 - вид сверху металлического каркаса с резьбовым соединением металлических вставок с помощью болтов;

фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3;

фиг. 5 - вид сбоку металлической вставки при резьбовом соединении; фиг. 6 - вид спереди металлической вставки при резьбовом соединении; фиг. 7 - вид сверху металлической вставки при резьбовом соединении;

фиг. 8 - вид сверху металлического каркаса с механическим креплением металлических вставок; фиг. 9 - сечение А-А на фиг. 8;

фиг. 10 - вид сбоку металлической вставки при механическом креплении; фиг. 11 - вид спереди металлической вставки при механическом креплении;

фиг. 12 - общий вид тормозной колодки с резьбовым соединением металлических вставок с помощью болтов;

фиг. 13 - сечение А-А на фиг. 12.

Чертежи, поясняющие изобретение, а также приведенный пример конкретного выполнения тормозной колодки никоим образом не ограничивают объем притязаний, изложенный в формуле, а только объясняют суть изобретения.

Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства согласно первому варианту изобретения содержит композиционный фрикционный элемент 1, который закреплен на металлическом каркасе

2. Металлический каркас 2 выполнен в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка 3 с отверстием для размещения чеки 4 и боковые бобышки 5, которые служат направляющими для чеки. К металлическому каркасу 2 в центральной части с внутренней стороны с помощью сварки присоединена усилительная пластина 6, выполненная с боковыми ребрами жесткости. Кроме того, изогнутая полоса металлического каркаса 2 также характеризуется наличием средств механического крепления 7 композиционного фрикционного элемента 1 в виде высечек.

К металлическому каркасу 2 с внутренней его стороны прикреплены металлические вставки 8, выполненные преимущественно из чугуна. Крепление металлических вставок 8 осуществляется с помощью резьбового соединения 9, а именно с помощью болтов.

Композиционный фрикционный элемент 1 содержит поперечные пазы 10, выполненные таким образом, что они ограничены с одной стороны боковыми поверхностями металлических вставок 8, при этом боковые поверхности металлических вставок 8 покрыты слоем фрикционного материала.

Композиционный фрикционный элемент 1 содержит со стороны внутренней его рабочей поверхности технологическую выемку 11, которая может отсутствовать во втором варианте выполнения колодки.

Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства согласно второму варианту изобретения характеризуется фиксированием металлических вставок 8 с помощью механического крепления, выполненного в виде высечек 12, вырубленных в металлическом каркасе 2, и изогнутых краев 13 усилительной пластины 6, которые входят в выемки 14, выполненные на минимально одной боковой поверхности металлических вставок 8. При этом высечки 12 одновременно могут служить средствами механического крепления композиционного фрикционного элемента 1 к металлическому каркасу 2. Осуществление механического крепления металлических вставок из-за использования указанных выше признаков приводит к дополнительному техническому результату при использовании изобретения по второму варианту, который заключается в уменьшении количества технологических операций и деталей при изготовлении колодок.

Изготовление тормозной колодки для железнодорожного транспортного средства может осуществляться известными способами с применением известных технологических приемов штамповки, сварки, прессования композиционных смесей, термообработки и механической обработки.

Заявленное изобретение может быть использовано в конструкции тормозной колодки для определенных типов железнодорожных транспортных средств. Так, тормозная колодка по пп.1-9 и 11-17 формулы используется для эксплуатации на главных, моторных и прицепных вагонах электропоездов. При этом фрикционный элемент 1 выполнен с безасбестового композиционного материала, содержащего каучуко-смоляную матрицу с одним видом каучука и двумя видами смолы, а также с дополнительным содержанием минеральных и пара-арамидных волокон, металлических и неорганических наполнителей, лубриканта, вулканизующих агентов.

Тормозная колодка по пп.1-8, 10 и 11-17, 19 формулы используется для эксплуатации на пассажирских вагонах. При этом основой для фрикционного элемента 1 является каучуко-смоляная матрица с двумя видами каучука и одним видом смолы, а также с дополнительным содержанием минеральных и пара-арамидных волокон, ускорителями вулканизации и вулканизующих агентов. Кроме того, в процессе изготовления колодки с применением данного состава материала используется подложка (нанесение известных веществ для улучшения адгезии поверхности) между металлическим каркасом и фрикционным

- 7 029533

материалом.

Перечисленные композиционные материалы позволяют достичь стабильности соответствующих значений фрикционных характеристик колодок, а также обеспечить экологичность и безопасность эксплуатации колодок для различных типов поездов.

Образующиеся в теле фрикционного элемента 1 пазы 10 способствуют лучшему отводу продуктов износа из зоны трения, а также обуславливают определенную гибкость, обеспечивающую целостность колодки при эксплуатации, при этом ширина пазов 10 может составлять, например, в пределах 1...5 мм.

Соответствующей конструкцией крепления и расположением металлических вставок 8 улучшают процесс отвода тепла с зоны контакта колеса с колодкой, обеспечивают улучшение обработки поверхности катания колеса, а также способствуют достижению необходимых физико-механических показателей рабочей поверхности колодки.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет добиться повышения надежности работы и износостойкости колодки в широком диапазоне режимов торможения в результате изменения ее конструкции для улучшения термостойкости путем предотвращения возникновения термических трещин в теле композиционного фрикционного элемента и его обгорания в месте контакта с металлической вставкой при изготовлении и эксплуатации.

Дополнительно заявленное изобретение позволяет достичь обеспечения стабильности фрикционных характеристик рабочей поверхности в течение всего срока эксплуатации колодки с одновременным повышением экологичности и безопасности производства колодки и ее дальнейшей эксплуатации.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы, на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, усилительную пластину и металлические вставки, отличающаяся тем, что вставки прикреплены к металлическому каркасу с помощью резьбового соединения, причем фрикционный элемент содержит поперечные пазы, выполненные с обеих сторон каждой вставки таким образом, что они ограничены с одной стороны боковыми поверхностями вставок; вставки расположены таким образом, что делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9:1,3) общей длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками, а суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок составляет около 15-25% общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента; при этом композиционный фрикционный элемент выполнен из безасбестового композиционного материала.
2. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что резьбовое соединение вставок к металлическому каркасу осуществляется с помощью болтов.
3. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что ширина пазов составляет в пределах 1-5 мм.
4. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что глубина пазов составляет не более толщины композиционного фрикционного элемента.
5. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что вставки размещены симметрично на расстоянии от центра металлического каркаса.
6. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что боковые поверхности вставок покрыты слоем фрикционного материала.
7. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что усилительная пластина расположена между вставками и выполнена с боковыми ребрами жесткости.
8. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что средства механического крепления композиционного фрикционного элемента выполнены в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе с обеих сторон от боковых бобышек.
9. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что безасбестовый фрикционный материал выполнен с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей до достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 2-8, коэффициента трения в паре со сталью в пределах 0,35-0,50 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.
10. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что безасбестовый фрикционный материал выполнен с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей до достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 1,6-5,0, коэффициента трения в паре со сталью в пределах не менее 0,40 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.
11. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая композиционный фрикционный элемент, закрепленный на металлическом каркасе, выполненном в виде изогнутой полосы,

- 8 029533

на поверхности которой расположены центральная бобышка с отверстием для размещения чеки и боковые бобышки, средства механического крепления композиционного фрикционного элемента, усилительную пластину и металлические вставки, отличающаяся тем, что вставки закреплены на металлическом каркасе с помощью механического крепления, выполненного в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе, и изогнутых краев усилительной пластины, которые входят в выемки, выполненные по меньшей мере на одной боковой поверхности вставок, а фрикционный элемент содержит поперечные пазы, выполненные с обеих сторон каждой вставки таким образом, что они ограничены с одной стороны торцевыми поверхностями вставок; вставки расположены таким образом, что делят всю рабочую поверхность колодки на три части, причем длина дуги рабочей поверхности каждой из крайних частей фрикционного элемента составляет (0,9:1,3) суммарной длины дуги рабочей поверхности внутренней части фрикционного элемента, размещенной между вставками, а суммарная длина дуги рабочей поверхности вставок составляет около 15-25% общей длины дуги рабочей поверхности всего фрикционного элемента; при этом композиционный фрикционный элемент выполнен из безасбестового композиционного материала.
12. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что ширина пазов составляет в пределах 1-5 мм.
13. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что глубина пазов составляет не более толщины композиционного фрикционного элемента.
14. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что вставки размещены симметрично на расстоянии от центра металлического каркаса.
15. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что боковые поверхности вставок покрыты слоем фрикционного материала.
16. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что усилительная пластина выполнена с боковыми ребрами жесткости.
17. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что средства механического крепления композиционного фрикционного элемента выполнены в виде высечек, вырубленных в металлическом каркасе с обеих сторон от боковых бобышек.
18. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что безасбестовый фрикционный материал выполнен с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 2-8, коэффициента трения в паре со сталью в пределах 0,35-0,50 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.
19. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по п.11, отличающаяся тем, что безасбестовый фрикционный материал выполнен с каучуко-смоляной основой с содержанием армирующих волокон и примесей для достижения твердости поверхности фрикционного элемента по Бринеллю (16/187,5/30) в пределах НВ = 1,6-5,0, коэффициента трения в паре со сталью в пределах не менее 0,40 и линейного износа в паре со сталью не более 0,15 мм.

- 9 029533