Результат интеллектуальной деятельности: ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Заявляемое изобретение относится к тормозным устройствам, а именно к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств.

Из уровня техники известны серийно изготавливаемые в настоящее время чугунные монолитные тормозные колодки, например, производимые по ГОСТ 1205-73 «Колодки чугунные тормозные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры» и композиционные тормозные колодки для железнодорожных вагонов. Композиционные тормозные колодки для железнодорожных вагонов изготавливают двух видов:

- с металлическим каркасом из стальной полосы с П-образным выступом и с приваренной к ней усилительной пластиной;

- с сетчато-проволочным каркасом.

(Б.А. Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М., Химия, 1982, с.8-14).

Известна колодка железнодорожного транспортного средства по авторскому свидетельству СССР №518403 (МПК В61Н 7/02, 1976 г.), состоящая из фрикционного материала и металлического каркаса. Металлический каркас представляет собой тыльник, выполненный в виде впрессованных во фрикционный материал по периметру колодки двух замкнутых рамок, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропускания чеки. Тыльник снабжен металлической сеткой или перфорированной жестью, впрессованными во фрикционный материал. Этот каркас получил при серийном производстве название сетчато-проволочного, так как состоит из проволочного и сетчатого каркасов. Причем по техническим условиям на эти колодки допускается оголение на тыльнике сетчато-проволочного каркаса до 50% площади.

Главным существенным внешним и конструктивным отличием композиционных колодок с сетчато-проволочным каркасом от композиционных колодок со стальным металлическим каркасом является то, что центральная бобышка у этих колодок изготовлена из композиционного материала с внутренним армированием, что резко повышает упруго-эластические свойства колодки и, как следствие, вибрационную стойкость колодки и исключает отрыв композиционного материала от каркаса и разрушение каркаса в месте П-образного выступа.

Металлический каркас из стальной полосы с П-образным выступом и с приваренной к ней усилительной пластины и сетчато-проволочный каркас не выходят своими элементами в контактную с колесом зону колодки.

При эксплуатации тормозных композиционных колодок могут возникать отдельные дефекты, в том числе: термические трещины на поверхности качения колес, износ поверхности качения колес, снижение тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трения (дождь, снег), а также при наличии угольной или торфяной пыли и листьев на поверхности рельса.

Известное техническое решение используется по тому же назначению, что и заявляемое, и имеет общие с ним существенные признаки: «композиционный фрикционный материал» и «проволочный каркас», выполненный в виде впрессованных во фрикционный материал тыльной части колодки, по периметру колодки, двух замкнутых рамок, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропуска чеки», «центральная бобышка с отверстием под чеку и две боковые бобышки выполнены также из фрикционного композиционного материала», «Тыльник снабжен металлической сеткой или перфорированной жестью, впрессованными во фрикционный материал».

Из уровня техники известны композиционные колодки, содержащие одну или несколько твердых вставок и предназначенные для снижения вышеуказанных недостатков композиционных колодок.

Известна колодка тормозная (по авторскому свидетельству СССР №159186 (20f.1, МПК в61 h, 1963 г.).

Колодка тормозная предназначена преимущественно для железнодорожного подвижного состава, с твердыми вставками на фрикционной части, отличающаяся тем, что с целью увеличения эффективности взаимодействия колодки с ободом колеса, пара твердых вставок, симметрично расположенных относительно горизонтальной оси колодки, перекрывают ее фрикционную часть по всей ширине.

Вставки удерживаются за счет сил трения, возникающих между ними и фрикционным материалом колодки.

Конструкция указанных колодок не обеспечивает требуемой надежности при эксплуатации, так как при длительных и экстренных торможениях происходит интенсивная передача тепла из зоны трения на поверхность твердых вставок, тем более что вставки имеют более высокую теплопроводность, вследствие чего температура композиционного материала на поверхностях, контактирующих с твердыми вставками, резко возрастает и происходит термическая деструкция органических материалов, входящих в состав композиционной колодки, включая связующее, в связи с чем, крепление вставок ослабевает, и они перестают выполнять свое назначение и могут выпасть из колодки.

Указанные колодки не уменьшают и присущий композиционным колодкам неравномерный износ вследствие повреждения поверхности катания колес за счет образования термических трещин, ползунов и наваров, повышенный износ поверхности колеса. Данные колодки имеют цельнометаллический каркас, вследствие чего при вибрациях, возникающих в тормозном узле в процессе эксплуатации, возможны случаи не только выпадения твердых вставок из колодки вследствие ослабления их крепления с фрикционным композиционным материалом, но и отрыв фрикционной композиционной части колодки от цельнометаллического каркаса, а также трещины и излом металлического каркаса.

Твердые вставки и цельнометаллический каркас не контактируют между собой.

Существенные признаки наиболее близкого аналога: «твердые вставки, перекрывающие колодку по всей ее ширине» и «фрикционная часть» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.

Известна тормозная колодка, преимущественно железнодорожного транспортного средства по патенту РФ №2188347 от 27.08.2002. Тормозная колодка содержит металлический проволочный каркас и фрикционную часть, состоящую из закрепленных на ней трех вставок. Центральная часть выполнена из чугуна и снабжена отверстием под чеку, а две другие вставки выполнены из композиционного материала и расположены по обоим краям твердой вставки.

Эта тормозная колодка позволяет повысить эффективность торможения и повысить ресурс колес, однако имеет недостаточную прочность и срок службы. Теплопроводность чугуна в 25÷30 раз больше теплопроводности композиционного материала, а термостойкость композиционного материала недостаточна. На стыках чугунной вставки с композиционными вставками, на поверхности их контакта в процессе эксплуатации происходит постепенное выгорание композиционного материала, вследствие чего тормозная колодка теряет требуемую жесткость и при длительной эксплуатации может разделиться на три части, соединенные только проволочным каркасом.

Разделение колодки в процессе эксплуатации на три вставки, соединенные только проволочным каркасом особенно обуславливает отрицательная особенность этой конструкции колодки, а именно контакт вставок друг с другом в вертикальной плоскости по всему поперечному сечению колодки, что способствует быстрому развитию единой вертикальной трещины и разлому колодки.

Стальной проволочный каркас запрессован во фрикционный материал и находится в непосредственном контакте с чугунной вставкой, выходящей в рабочую зону тормозной колодки.

Известное техническое решение используется по тому же назначению, что и заявляемое, и имеет общие с ним существенные признаки: «металлический проволочный каркас», «закрепленная на нем фрикционная часть», «твердая вставка», фрикционный композиционный материал».

Наиболее близким аналогом является тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по патенту РФ №2340805 от 20.07.2007. Тормозная колодка содержит композиционный фрикционный элемент, проволочный каркас, твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и запрессованную в композиционный фрикционный элемент. Проволочный каркас представляет собой впрессованные в композиционный фрикционный элемент тыльной стороны колодки, по периметру колодки, две замкнутые рамки. Внутренние части двух замкнутых рамок взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропускания чеки. Колодка с тыльной ее стороны содержит стальную сетку или перфорированную жесть, впрессованную в композиционный фрикционный элемент. Вставка в верхней нерабочей части имеет паз с ее тыльной стороны, запрессованный фрикционным композиционным материалом с отверстием для пропуска чеки и консоли, симметрично расположенные по длине вставки с каждой ее стороны. Верхняя нерабочая часть вставки вставлена в проволочный каркас и защемлена в нем. Достигается увеличение прочности и надежности конструкции колодки, увеличения их ресурса при эксплуатации.

Однако рассматриваемые тормозные композиционные колодки с комбинированным каркасом имеют недостатки. Так как все металлические части колодки связаны между собой: стальная сетка или перфорированная жесть контактирует с проволочным каркасом и твердой вставкой, то они образуют, по крайней мере, биполярный электрод, один полюс которого выходит на тыльную поверхность колодки, а другой полюс находится в зоне фрикционного контакта. При хранении и, особенно, при эксплуатации вся поверхность тормозных композиционных колодок находится под действием влияния коррозионной среды. В весенне-летний период поверхность орошается дождями и влажным конденсатом, а осенью и зимой покрывается сплошной коркой льда и снега, то есть вся поверхность колодки контактирует с электролитом. Причем, если тыльная поверхность колодки подвержена только электрохимической коррозии за счет воздействия природных осадков, то рабочая часть подвергается совместному воздействию электрохимической коррозии и высокотемпературной газовой коррозии.

Высокотемпературная газовая коррозия обусловлена окислением твердой вставки кислородом воздуха, водородом, выделяющимся при термической деструкции связующего, сероводородом - за счет взаимодействия водорода и несвязанной серы, входящей в состав фрикционного материала. К тому же, сероводород при контакте с водой образует сернистую кислоту, которая так же оказывает неблагоприятное воздействие на поверхность твердой вставки.

Некоторые компоненты фрикционного элемента, в частности хризотиловый асбест, также способствуют коррозионному разрушению металлов, контактирующих с ним.

В результате коррозии происходит образование ржавчины на всех металлических элементах конструкции колодок. При этом прочность контакта фрикционного полимерного материала и металлических элементов конструкции колодок, покрытых продуктами коррозии, уменьшается и может привести к нарушению целостности колодки.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая тормозная колодка, является снижение до минимума вредного воздействия коррозии металлических частей колодки, увеличение надежности конструкций колодки, увеличение ее ресурса при эксплуатации.

Поставленную задачу предлагается решить с помощью тормозной колодки железнодорожного транспортного средства, представленной на фиг.1 и содержащей:

- композиционный фрикционный элемент (поз.1);

- проволочный каркас (поз.2), представляющий собой впрессованные в композиционный фрикционный материал тыльной части колодки по периметру колодки, две замкнутые рамки, внутренние части которых взаимно перекрыты и отогнуты наружу тыльной части колодки, образуя ушко для пропускания чеки;

- металлическую сетку или перфорированную жесть (поз.4), впрессованную в композиционный фрикционный элемент;

- твердую вставку (поз.3) с выступом (поз.9) и уклоном твердой вставки (поз.10), покрытую электрохимическим методом бронзовым сплавом, расположенную в центральной части колодки и имеющую в верхней нерабочей части паз (поз.7), выемку (поз.8) и четыре консоли (поз.11). Паз расположен с тыльной стороны вставки и запрессован фрикционным композиционным материалом с просверленным в нем отверстием для пропуска чеки. Четыре консоли симметрично расположены по две с каждой стороны вставки по ее длине. Длина вставки в месте консолей больше длины центральной бобышки (поз.5), но меньше расстояния между боковыми бобышками (поз.6). Выемка расположена на одной боковой стороне по длине, с двух сторон по ширине и с одной стороны по высоте таким образом, что тыльная поверхность вставки находится в одной плоскости с поверхностью сетки или перфорированной жести в тыльной поверхности центральной бобышки, а усилие защемления превышает вес вставки.

Существенный признак заявляемой колодки «твердая вставка, покрытая бронзовым сплавом» является отличительным от существенного признака наиболее близкого аналога.

Твердая вставка может быть выполнена из специального чугуна, например высокопрочного или ковкого, путем отливки требуемой формы с последующей механической обработкой поверхности.

Твердая вставка после механической обработки поверхности подвергается травлению в концентрированной соляной кислоте, промывкам в воде, предварительному оловянированию из щелочных электролитов, толщина покрытия 3÷5 мкм, промывке и непосредственно электрохимическому покрытию бронзовым сплавом из сернокислотных электролитов с антиоксидантом с содержанием олова от 4 до 11% массовых, толщина покрытия 15÷25 мкм.

Электрохимическое покрытие чугунной вставки бронзовым сплавом позволяет в 8 раз повысить адгезию фрикционного материала к чугуну после вулканизации колодок. Бронзовое покрытие в процессе эксплуатации колодки спекается в присутствии сильных восстановителей таких, например, как водород и закись углерода (угарный газ), образующихся в результате термической деструкции связующего при торможении. Получаемый спеченный материал (металлокерамика) имеет промежуточный показатель коэффициента теплопроводности между чугуном и полимерным композиционным материалом, и тем самым препятствует преждевременному разрушению поверхности колодки, на которой осуществляется высокотемпературный фрикционный контакт с поверхностью колеса. Кроме этого, в результате высокой температуры и давления в зоне фрикционного контакта создается автоклавный режим, при котором возможно образование оловоорганических соединений из фрагментов полимерного связующего и олова, входящего в состав бронзы. Оловоорганические соединения обладают коэффициентом теплопроводности, превышающим этот показатель для полимерных тормозных колодок в 2÷2,5 раза. Наконец, олово, попадая на рабочую поверхность колеса, с последующей его сегрегацией на границах зерен железной матрицы, будет способствовать упрочению материала колеса. Применение вместо бронзы латуни не допустимо, так как цинк, входящий в состав латуни, приводит к охрупчиванию границ зерен матрицы железа и его разрушению.

Таким образом, бронзовое покрытие, нанесенное электрохимическим способом на чугунную вставку:

- защищает от атмосферной, высокотемпературной газовой и электрохимической коррозии;

- является буфером на пути распределения тепловых потоков по чугунной вставке и полимерной композиционной колодке;

- препятствует наводораживанию металлических поверхностей в зоне фрикционного контакта;

- значительно повышает адгезию чугуна к полимерной композиционной массе колодки после вулканизации;

- препятствует охрупчиванию границ зерен матрицы железа колесной стали и ее преждевременному разрушению.