АВАРИЙНЫЙ ДИСКОВЫЙ ТОРМОЗ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 1999 года по МПК B61H5/00 B61H13/20 

Предполагаемое изобретение относится к железнодорожному транспорту, а более конкретно к дисковым тормозным системам подвижных составов, хотя может быть использовано и в других подвижных транспортных устройствах.

Тормоза являются основным средством для обеспечения безопасности движения поездов и с их помощью производится регулирование скорости поезда на маршруте и при служебных и аварийных остановках.

Как известно, в таких случаях для гашения скорости поезда основным видом является фрикционное (механическое) торможение, т. е. торможение с помощью сил трения тормозного башмака при воздействии его непосредственно на поверхность тормозного диска колесной пары.

Такой фрикционный дисковый тормоз создает тормозной момент, приложенный к колесной паре, посредством тормозного диска, жестко установленного на оси колеса и тормозных башмаков, который направлен навстречу вращения колес подвижного состава.

Сила нажатия на тормозные башмаки осуществляется за счет давления сжатого воздуха на поршень в тормозном цилиндре, который через систему промежуточных рычагов передается тормозным башмакам.

К известным аналогам относится дисковый тормоз (см. к примеру: книгу "Автотормоза", автор В. М. Казаринцев, изд. "Транспорт", М., 1974 г., стр. 12-13, рис. 7 или "Справочник по тормозам", изд. "Транспорт", М., 1975г., стр. 350, рис.212, или "Справочник. Тормозные устройства", автор М.П. Александров и др., М., изд. "Машиностроение", 1985г., стр.167, рис.4.19), который позволяет освободить колеса вагонов подвижного состава от тепловой напряженности при торможении.

Такой тормоз содержит на оси колесной пары жестко установленные диски, на которые от тормозного цилиндра через промежуточные рычаги передается нажатие на тормозные башмаки.

Тормозные цилиндры и промежуточные рычаги установлены на несущей поперечной балке рамы колесной тележки, а тормозные башмаки - по бокам тормозного диска, на спаренных рычагах клещевого типа подвешены на специальных кронштейнах, также жестко установленных на поперечной балке тележки.

Основными недостатками такого тормозного устройства являются: а) устройство сложно по конструкции, поскольку включает в себя целый комплекс дополнительных устройств: магистральный трубопровод, воздухораспределители, компрессор, привод компрессора, различные резервуары, краны, прокладки и пр. ; б) для управления устройством необходима сложная, разветвленная электрическая связь (цепь) и источники электропитания: аккумуляторы, генераторы и т.п.; в) у отделившейся одна от другой части состава такой тормоз становится неработоспособным; г) требует для своей установки много места; д) наличие многих и сложных элементов снижает надежность и удорожает конструкцию.

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению является дисковый тормоз скоростного подвижного состава по патенту РФ N 2044668, кл. 6 В 61 H 5/00, 1995 г., у которого силовым приводом является силовой рычаг, выполненный в виде симметричного U-образного рычага, из материала с обратимой термической памятью формы, на средней части каждого из плеч которого установлены электронагревательные элементы, а на свободных концах - башмаки с фрикционными колодками, по бокам тормозного диска.

U-образный силовой рычаг установлен на стационарном кронштейне, который жестко связан с несущей поперечной балкой рамы колесной тележки (см. фиг. 1; 2 и 3 патента РФ N 2044668).

К недостаткам такого дискового тормоза прежде всего относится необходимость при управлении тормозом наличия электропитания для электронагревательных элементов, что в условиях, к примеру, при аварийной ситуации не всегда возможно. К примеру, если отсоединились (оторвались) один или несколько вагонов (аварийная ситуация) и при этом естественно нарушена цепь электропитания тормозов, а вагон (вагоны) идут под уклон, наращивая скорость, то угроза тяжелой аварии в этом случае весьма реальна.

Таким образом известный прототип по патенту РФ N 2044668 за 1995 г при всех своих преимуществах и хорошей работе в нормальном режиме не обеспечивает полностью условия безопасности движения подвижного состава в аварийной ситуации.

Задачей предполагаемого изобретения является создание аварийного дискового тормоза подвижного состава свободного от описанного недостатка, т.е. создание такого тормоза, который эффективно и надежно работал бы за счет кинетической энергии движения самого подвижного состава в аварийной ситуации и абсолютно не нуждался бы ни в каких дополнительных энергетических ресурсах (к примеру, ни в электроэнергии, ни в сжатом воздухе).

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство содержит тормозной диск, установленный на оси колесной пары, и тормозные башмаки с фрикционными накладками, шарнирно установленные на концах симметричного U-образного силового рычага, выполненного из материала с обратимой термически памятью формы, служащего силовым приводом тормоза, который установлен на бобышке кронштейна, причем указанный кронштейн U-образного силового рычага выполнен подвижным, с возможностью поворота на поперечной оси на некоторый угол α, содержит дополнительно уравновешивающий его груз и стойку, кинематически связанную с возвратной пружиной и управляющей тягой соединенной механически (шарнирно) с включающим рычагом.

Кроме этого, тормозные башмаки выполнены из металла с высокой теплопроводностью и имеют на своей нижней, внутренней заходной части симметричные скосы, а тормозной диск - по всему своему периметру (окружности) скругленные острые кромки, с обеих сторон.

Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что вместо электронагревателей на параллельных плечах U-образного рычага, которые служат для его нагрева при торможении в известном решении, нагрев симметричного U-образного силового рычага из материала с обратимой термической памятью формы в предложенном решении производится непосредственно самим вращающимся тормозным диском за счет трения тормозных башмаков о торцевые (боковые) поверхности указанного диска при торможении подвижного состава.

Существенность отличий заключается в том, что благодаря наличию поворотного кронштейна на поперечной оси, с возможностью поворота на некоторый угол α и уравновешивающего груза на нем, а также стойки, кинематически связанной с возвратной пружиной и управляющей тягой, появляется новое свойство - активная тормозящая сила, которая возникает при взаимном контакте вращающегося тормозного диска с тормозными башмаками, в момент торможения.

Указанное свойство позволяет производить эффективное торможение подвижного состава в аварийной ситуации при отсутствии электроэнергии, вручную, с помощью к примеру, включающего рычага с рукояткой через управляющую тягу, когда все другие тормозные системы не действуют.

При необходимости в нормальной ситуации для увеличения оперативности и удобства не исключается возможность дублирования ручного управления еще и дистанционным управлением, включающим тормоз из кабины машиниста, для чего на управляющую тягу должно быть оказано воздействие, к примеру, с помощью электромагнита или штоком от поршня воздушного цилиндра или другим способом.

Следует еще отметить, что наличие аварийного дискового тормоза подвижного состава не исключает применение и параллельную работу других известных тормозных устройств, а только дополняет их в условиях аварийной ситуации, увеличивая безопасность и надежность движения подвижного состава.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие: е) отсутствует необходимость при торможении в специальном энергоснабжении: в электропитании, в пневмосистеме и пр.; ж) упрощается конструкция всей тормозной системы: нет необходимости в воздухопроводах, пневмоцилиндрах, компрессорах и пр.; з) повышается надежность при торможении в аварийной ситуации; и) устройство является вибро-ударостойким; к) упрощается обслуживание при эксплуатации и ремонте.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано предлагаемое тормозное устройство на виде сбоку в исходном положении (т.е. до включения тормоза); на фиг. 2 показана часть тормозного устройства по стрелке А; на фиг. 3 показано тормозное устройство на виде сбоку в момент торможения (т.е. во включенном положении тормоза); на фиг.4 показано тормозное устройство на виде сверху в момент торможения (т.е. во включенном положении тормоза);
На чертеже буквами обозначены:
ω - направление вращения тормозного диска;
P - сила, прижимающая силовой рычаг при торможении к кронштейну;
K_т - сила нажатия тормозного башмака;
Q - масса уравновешивающего груза;
Б - расстояние (зазор) между тормозными башмаками в исходном положении тормоза;
В - толщина (ширина) тормозного диска;
α - угол поворота кронштейна;
Г - направление движения управляющей тяги при включении тормоза;
Д - направление движения управляющей тяги при отключении тормоза;
r - радиус скругления острых кромок по периметру тормозного диска;
Е - направление поворота кронштейна при включении;
Fn - усилия возвратной пружины.

Предлагаемый аварийный дисковый тормоз подвижного состава (см. фиг. 1; 2; 3 и 4) содержит ось 1 колесной пары, на которой жестко установлен тормозной диск 2 толщиной (шириной) В, имеющий по своему периметру (окружности) скругленные острые кромки радиусом "r".

По горизонтальной оси (линии) симметрии на виде сверху (см. фиг. 4) общей с тормозным диском 2, на подвижном кронштейне 3, с жестко установленными (к примеру, приваренными) на нем бобышкой 4 и колонками 5 расположен симметричный U-образный силовой рычаг 6, выполненный из материала с обратимой термической памятью формы (к примеру, из никелево-титанового сплава).

Подвижный кронштейн 3 установлен на несущей поперечной балке 7 рамы тележки подвижного состава и соединен с ней шарнирно с помощью поперечной оси 8. Кронштейн 3 имеет в поперечном сечении П-образную форму и расположен асимметрично относительно вертикальной оси (см. фиг. 1 и 3): большая его часть 9 расположена в сторону тормозного диска 2, а меньшая, противоположная ей, переходит в рычаг 10 (который может быть выполнен заодно с кронштейном 3 или жестко приварен к нему), на котором закреплен регулируемый уравновешивающий груз 11 (балансир) массою Q, с помощью крепящего элемента 12 (к примеру, болта, винта).

Над большей частью 9 кронштейна 3, на поперечной балке 7 рамы тележки подвижного состава жестко установлено опорное основание 13 с амортизирующей прокладкой 14 (к примеру, из резины). Над бобышкой 4, на колонках 5, с помощью крепящих элементов 12 установлена стойка 15 с возвратной пружиной 16 и шарнирно соединенной с ней управляющей тягой 17 с управляющим рычагом (на чертеже не показан). На свободных концах симметричного U-образного силового рычага 6, с помощью осей 18 шарнирно установлены тормозные башмаки 19 с фрикционными накладками 20. Тормозные башмаки 19 на своей нижней заходной части (см. фиг. 2) имеют симметричные скосы 21, а расстояние Б (зазор) между ними в исходном положении тормоза равно или несколько меньше В - толщины (ширины) тормозного диска 2 (т. е. Б ≤ В). Тормозные башмаки 19 выполнены из металла с высокой теплопроводностью (к примеру, из бронзы, силумина, латуни и др.).

Бобышка 4, колонки 5, стойка 15 и горизонтальная поверхность кронштейна 3 изолированы (со стороны U-обратного силового рычага 6) твердой теплоизоляцией (к примеру, из тефлона).

Тормозное устройство в собранном виде (только без возвратной пружины 16 и тяги 17) сбалансированы (уравновешены) на поперечной оси 8 с помощью регулируемого уравновешивающего груза 11, который затем фиксируется крепящими элементами 12. Затем тормозное устройство устанавливается на место, в исходное положение на оси 8 (см. фиг. 1), которая фиксируется, к примеру, шплинтами или штифтами 22, а затем к стойке 15 кронштейна 3 крепится возвратная пружина 16 с предварительным натягом и управляющая тяга 17, которая соединена со стойкой 15 шарнирно с помощью оси 23.

При этом возвратная пружина 16, своим усилием Fn прижимает кронштейн 3 к опорному регулируемому элементу 24 (к примеру, к стопорному болту с гайкой), который установлен на поперечной балке 7 рамы тележки подвижного состава и таким образом фиксирует тормозное устройство в исходном положении, причем кронштейн 3 повернут на угол α относительно своей горизонтальной оси.

Предлагаемое сбалансированное тормозное устройство является вибро- и ударостойкими, что является совершенно необходимым качеством для подвижного состава.

При работе (см. фиг. 1; 2; 3 и 4) в начальный момент, с помощью, к примеру, тормозного рычага с рукояткой (на чертеже не показан) управляющая тяга 17 перемещается по стрелке Г и кронштейн 3, растягивая возвратную пружину 16, поворачивается (против часовой стрелки) по стрелке Е на оси 8, при этом вращающийся тормозной диск 2 попадает между скосов 21 тормозных башмаков 19 и дальнейшем повороте, слегка раздвинув концы U-образного силового рычага 6, с небольшим усилием входит между тормозных башмаков 19 с накладками 20 (к примеру, как нож рубильника входит между губок).

Затем в результате дальнейшего взаимодействия сил трения между фрикционными накладками 20 тормозных башмаков 19 и сил вращающегося по стрелке ω, тормозного диска 2 возникает сила P, которая перемещает U-образный силовой рычаг 6 с кронштейном 3 в конечное горизонтальное положение (см. фиг. 3), в результате чего кронштейн 3 ложится своей большей частью 9 на опорное основание 13 с амортизирующей прокладкой 14.

Поскольку с момента касания тормозными башмаками 19 торцов (боков) тормозного диска 2, в результате трения происходит динамическое наращивание тепла и интенсивный нагрев тормозных башмаков 19, которые выполнены из металла с высокой теплопроводностью, они передают свое тепло U-образному силовому рычагу 6.

При достижении определенной величины повышения температуры, заложенной в память формы U-образного силового рычага 6, свободные концы его будут стремиться сойтись вместе (эта форма при данной повышенной температуре закладывается при изготовлении и формовке U-образного силового рычага 6) и при этом на тормозных башмаках 19 возникнут максимальные нажатия тормозных усилий "Кт".

В результате этого тормозные башмаки 19 через фрикционные накладки 20 зажимают торцовые (боковые) поверхности тормозного диска 2 и препятствуют вращению его в направлении вращения ω (см. фиг. 3 и 4), производя тем самым торможение колесной пары.

Тормозные усилия Кт весьма значительны и вполне обеспечивают необходимые нажатия при торможении, причем в момент торможения усилия P прижимают U-образный силовой рычаг 6 к кронштейну 3, который через опорное основание 13 с амортизирующей прокладкой 14 передает их на несущую поперечную балку 7 рамы тележки подвижного состава.

Поскольку предлагаемый дисковый тормоз подвижного состава по своему назначению является аварийным, то торможение производится до полной остановки подвижного состава.

После остановки подвижного состава происходит охлаждение U-образного силового рычага 6 естественным путем за счет конвекции воздуха (хотя при необходимости возможно и искусственное принудительное охлаждение воздухом или водой), в результате чего, охладившись до исходной пониженной температуры, также заложенной в термическую память формы, U-образный силовой рычаг 6, сняв тормозные усилия Кт, вернется в первоначальное исходное положение (см. фиг. 1) под воздействием возвратной пружины 16.

Это происходит, поскольку механическая связь между фрикционными накладками 20 и торцевыми (боковыми) поверхностями остановившегося тормозного диска 2 за счет трения между ними будет теперь незначительна и возвратная пружина 16 с усилием Fn повернет кронштейн 3 на угол α по часовой стрелке и он упрется своим задним скосом в опорный регулируемый элемент 24, т.е. установится в исходное положение. При этом управляющая тяга 17 переместится по стрелке Д и установит тормозной рычаг с рукояткой в исходное первоначальное положение.

Возврат в исходное положение возможно осуществлять и вручную, передвинув вручную тормозной рычаг с рукояткой в первоначальное исходное положение. Возможно также дополнительное механическое фиксирование рукоятки тормозного рычага в исходном положении с помощью скобы, защелки, фиксатора, замка, проволоки с пломбой и др. способом от случайных включений.

Наиболее рационально использовать предлагаемое техническое решение по своему прямому назначению, т. е. в качестве именно аварийного тормоза подвижного состава на железнодорожном транспорте, хотя он может работать и на других наземных видах транспорта. Предлагаемый аварийный дисковый тормоз подвижного состава вследствие его компактности и вследствие отсутствия необходимости в дополнительной энергии при торможении может быть установлен в каждом вагоне подвижного состава, что значительно увеличит эффективность торможения и в результате чего безопасность пассажиров и грузов.

Реализация предложенного технического решения, с учетом всех вышеперечисленных преимуществ (см. пункты: "е", "ж", "з", "и", "к") даст значительный технический и экономический эффект.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и позволяет упростить конструкцию тормоза и повысить надежность и безопасность движения подвижного состава. Тормоз содержит ось колесной пары, на которой жестко установлен диск, и тормозные башмаки с фрикционными накладками, установленными шарнирно на концах симметричного U-образного силового рычага, выполненного из материала с обратимой термически памятью формы. Рычаг установлен на бобышке между колонок подвижного кронштейна, который может поворачиваться на угол "α" на оси и опирается на несущую поперечную балку рамы тележки подвижного состава. Над бобышкой кронштейна на колонках установлена стойка с возвратной пружиной и управляющей тягой. В отключенном положении U-о6разный силовой рычаг повернут на угол "α" и тормозные башмаки находятся над тормозным диском. Достигаемый технический результат состоит в обеспечении возможности эффективной и надежной работы тормоза за счет использования кинетической энергии движения подвижного состава в аварийной ситуации. 4 ил.

Аварийный дисковый тормоз подвижного состава, содержащий диск, установленный на оси колесной пары, и тормозные башмаки с фрикционными накладками, шарнирно установленные на концах симметричного U-образного силового рычага, выполненного из материала с обратимой термически памятью формы, служащего силовым приводом тормоза, который установлен на бобышке кронштейна, отличающийся тем, что указанный кронштейн U-образного силового рычага выполнен подвижным с возможностью поворота на поперечной оси на некоторый угол α и содержит дополнительно уравновешивающий его груз и стойку, кинематически связанную с возвратной пружиной и управляющей тягой, причем тормозные башмаки в своей нижней, внутренний заходной части содержат симметричные скосы, а тормозной диск по всему наружному периметру имеет скругленные кромки с обеих сторон.