Результат интеллектуальной деятельности: ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ВСТАВКАМИ ДЛЯ ЛОКОМОТИВОВ И МОТОВОЗОВ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к тормозному оборудованию тягового подвижного состава, а также может использоваться на других видах транспорта в тормозных системах.

Известна тормозная колодка по Авт. св. 1572889, B61H 1/00, публ. 23.06.90, содержащая стальной каркас, чугунное дугообразное тело, состоящее из основного и профильного участков с выполненным в нем ручьем и снабженное вставками, заложенными рядами в тело колодки со стороны рабочей трущейся поверхности, причем гребневые вставки профильного участка выполнены в виде цилиндрических элементов с продольным вырезом и установлены в ручье колодки с возможностью схватывания и взаимодействия с гребнем бандажа колеса.

Однако в известном техническом решении вставки выполнены из специального чугуна, обладающего высокой твердостью, и вследствие этого вызывают интенсивный износ поверхности колес.

Известна тормозная колодка, содержащая стальной каркас и чугунное дугообразное тело, состоящее из основного и профильного участков. В тело колодки со стороны рабочей трущейся поверхности на профильном участке заложен один ряд гребневых вставок, выполненных в виде цилиндрических элементов с продольным вырезом, охватывающих гребень бандажа колеса. На основном участке заложены рядами, по крайней мере, две группы вставок цилиндрической формы. В каждой из групп центры трех ближайших вставок равноудалены друг от друга, а ряды этих вставок развернуты относительно продольной оси колодки. Вставки выполнены из пластичного металла, например из стали. Патент №2153994, МПК 7 B61H 1/00, F16D 65/04, 69/00, Бюл. №22, 10.08.2000. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком известной тормозной колодки является снижение тормозного эффекта при нагреве колодки, за счет перегрева вставок снижается коэффициент трения, что способствует еще большему износу пар трения. Колодка создает шум при работе. Колодка не обладает смазывающим эффектом бандажа колеса и рельсового пути.

Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности торможения локомотивов и мотовозов, улучшение экологической обстановки в районе работы тягового железнодорожного состава, снижение эксплуатационных затрат на обслуживание тягового железнодорожного состава и железнодорожного пути.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении уровня шумового загрязнения в процессе торможения, снижении износа гребня колеса и боковой поверхности рельса, увеличении межремонтного периода обслуживания локомотивов и мотовозов, связанного с заменой изношенных колесных пар, уменьшении потребления тормозных колодок, повышение стабильности и надежности функционирования тормозных систем.

Технический результат достигается тормозной колодкой с композиционными вставками для локомотивов и мотовозов, содержащей стальной каркас, чугунное дугообразное тело, состоящее из основного участка тела колодки, снабженного вставками, абразивность материала вставок превышает абразивность материала тела колодки, выполненными цилиндрической формы и размещенными группами, и профильного участка тела колодки с выполненным в нем ручьем, снабженного вставками, заложенными в ряд в тело колодки, вставки закреплены сваркой, а весь набор залит чугуном с образованием единой рабочей поверхности колодки, при этом колодка имеет дополнительный металлический каркас, на котором закреплены цилиндрические вставки основного участка тела колодки, выполненные из композиционного фрикционного материала, с коэффициентом трения выше коэффициента трения основы, и гребневые вставки профильного участка, выполненные в виде профильных элементов и установленные в ручье колодки в плоскости, находящейся в контакте с гребневой поверхностью бандажа колеса, взаимодействующего с боковой поверхностью рельса, при этом вставки выполнены из антифрикционного композиционного материала с коэффициентом трения ниже коэффициента трения материала основы профильного участка и абразивностью ниже абразивности материала основы и материала вставок, размещенных в основном участке тела колодки. Кроме этого, дополнительный металлический каркас, на котором закреплены фрикционные цилиндрические вставки основного участка тела колодки, закреплен сваркой на стальном каркасе, фрикционные цилиндрические вставки основного участка тела колодки выполнены из композиционного фрикционного материала, работающего при температуре до 800°C, общая площадь поверхности трения фрикционных цилиндрических вставок основного участка тела колодки составляет 60-95% от рабочей поверхности основного участка колодки.

Разрушение поверхности катания колеса происходит как в результате контакта в системе «тормозная колодка-колесо», так и системе в «колесо-рельс», т.е. колесо подвергается износу со стороны тормозной колодки и со стороны рельса. Авторами предлагаемого технического решения были проведены исследования поверхности катания колеса локомотива, работавшего с тормозными колодками, изготовленными из чугуна. Изучен механизм образования микротрещин на различных участках контактной поверхности колеса. Фрагменты различных этапов разрушения показаны на фиг.1. На фото №1-3 приведены дефекты в виде трещин и выщербин с максимальной глубиной проникновения до 1,5 мм. На фото №4-5 показаны зоны с дефектами после травления металла, где видны вкатанные инородные металлические частицы (металл, отличный по химическому составу от состава колеса). Данные частицы вкатанного металла послужили причиной образования дефекта-трещины, а дальнейшие нагрузки во время эксплуатации послужили развитию и росту трещин. Трещины располагаются в поверхностном слое и не имеют развития в глубину, имеют напряженное состояние (твердость поверхностной зоны выше твердости основного металла). Образование микротрещин происходит постепенно и имеет несколько стадий. Трещины начинают развиваться задолго до разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком виде разрушения. Длительность процесса накопления дефектов материала, до появления и дальнейшего развития трещины занимает значительную часть, доходя до 90% времени процесса разрушения.

Чтобы не доводить до появления на контактной поверхности (поверхность катания) колеса микротрещин, данная поверхность должна постоянно подвергаться очистке от загрязнения и удалению поверхностного слоя. Такое удаление возможно проводить в процессе торможения, при условии, что тормозная колодка имеет более высокую абразивную стойкость по сравнению с материалом обода колеса локомотива и имеет высокий коэффициент трения. Предлагаемая тормозная колодка имеет металлический каркас, на котором закреплены цилиндрические вставки основного участка тела колодки, выполненные из композиционного фрикционного материала, с коэффициентом трения выше коэффициента трения основы, такое исполнение колодки позволяет производить очистку поверхности катания колеса. Регулярное очищение поверхности катания колеса от загрязнений и отслоившихся участков в процессе торможения приводит к увеличению межремонтного периода обслуживания локомотивов и мотовозов, связанного с заменой изношенных колес, также уменьшается потребление тормозных колодок, так как абразивная стойкость композиционных сплавов в 2-4 раза выше чугуна и стали. Поскольку большая часть контактной поверхности системы «тормозная колодка-колесо» приходится на вставки из композиционного состава, вследствие этого уменьшится шумовое загрязнение в процессе торможения.

Второй поверхностью колеса, подверженной интенсивному износу, является поверхность гребня. Особенно сильно износ данной поверхности происходит при движении по криволинейным участкам дорог. Чтобы уменьшить износ поверхности гребня, предлагается на его поверхность наносить слой антифрикционного материала, наносить этот слой должна тормозная колодка в процессе торможения. Чтобы происходил такой процесс, в предлагаемом техническом решении гребневые вставки профильного участка, выполненные в виде плоских профильных элементов и установленные в ручье колодки в плоскости, находящейся в контакте с гребневой поверхностью бандажа колеса, взаимодействующего с боковой поверхностью рельса, при этом вставки выполнены из антифрикционного композиционного материала с коэффициентом трения ниже коэффициента трения материала основы профильного участка и имеющего низкую абразивную стойкость. В процессе торможения каждый раз будет происходить контакт антифрикционного материала с поверхностью гребня колеса. Поскольку абразивная стойкость вставок ниже абразивной стойкости материала колеса рельса, то будет происходить перенос антифрикционного материала на поверхность гребня колеса, а в последующем, при движении в кривых, будет снижен износ гребня и рельса.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где фиг.2 представлен общий вид колодки сверху, на фиг.3 показано сечение по разрезу А-А фиг.2.

Тормозная колодка с композиционными вставками для локомотивов и мотовозов содержит стальной каркас 1, чугунное дугообразное тело 2, состоящее из основного участка тела колодки 2.1 снабженного вставками 3, абразивность материала вставок превышает абразивность материала тела колодки, выполненными цилиндрической формы и размещенных группами и профильного участка тела колодки 2.2 с выполненным в нем профильным ручьем, снабженного вставками 4, заложенными в ряд в тело колодки 2.2, вставки 3 и 4 закреплены сваркой, а весь набор залит чугуном с образованием единой рабочей поверхности колодки. Колодка имеет дополнительный металлический каркас 5, на котором закреплены цилиндрические вставки 3 основного участка тела колодки 2.1 выполненные из композиционного фрикционного материала, с коэффициентом трения выше коэффициента трения основы и гребневые вставки профильного участка 2.2 выполненные в виде плоских профильных гребневых вставок 4 и установленных в ручье колодки в плоскости, находящимся в контакте с гребневой поверхностью бандажа колеса, взаимодействующего с боковой поверхностью рельса. Вставки 4 выполнены из антифрикционного композиционного материала с коэффициентом трения ниже коэффициента трения материала основы профильного участка и абразивностью ниже абразивности материала тела колодки 2 и материала вставок 3 размещенных в основном участке тела колодки 2.1. Дополнительный металлический каркас 5, на котором закреплены фрикционные цилиндрические вставки 3 основного участка тела колодки 2.1, закреплен сваркой на стальным каркасе 1, фрикционные цилиндрические вставки 3 основного участка тела колодки 2.1 выполнены из композиционного фрикционного материала, работающего при температуре до 800°C. Общая площадь поверхности трения фрикционных цилиндрических вставок 3 основного участка тела колодки 2.1 составляет 60-95% от рабочей поверхности основного участка колодки.

Работа тормозной колодки происходит следующим образом. При прижатии рабочей поверхности колодки к рабочей поверхности бандажа колеса локомотива или мотовоза происходит торможение и смазывание (натирание) гребневой поверхности колеса. В дальнейшем при движении происходит контакт между гребневой поверхностью колеса и боковой поверхностью рельса. Поскольку на гребневой поверхности колеса имеются частицы антифрикционного материала колодки, происходит смазывание боковой поверхности рельса и уменьшается ее износ.

Возможность изготовления колодок с использованием различных материалов и технологий изготовления вставок позволяет улучшить их качество и варьировать получаемые технические показатели колодок в зависимости от требований конкретных условий работы на том или ином участке дороги с учетом рельефа и климатических условий.