ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК F16D65/04 B61H7/04 B22D19/02 

Изобретение 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. Ширяев Б.А. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. - М.: Химия, 1982 г., с.9-14, 70, 71), содержащие металлический каркас и фрикционный, композиционный элемент;

- тормозные колодки железнодорожного транспортного средства по патенту на полезную модель № 52957 F16D 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. М.: Металлургия, 1983 г., с.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, В61Н 7/02, 1997. В указанной колодке фрикционный элемент выполнен из двух слоев, имеющих разную теплопроводность. 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.

Недостатком известной колодки является то, что толщина менее теплопроводного слоя определена как слой, контактирующий с металлическим каркасом. Толщина этого слоя недостаточна для существенного понижения температуры в месте крепления металлического каркаса с полимерным композиционным фрикционным элементом. 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 признаки известных колодок «металлический каркас», «композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух слоев, различных по теплопроводности», 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 В61Н 1/00, 2001 г.) и патенту на полезную модель № 52957, F16D 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 недостаточны (адгезия) сцепление 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 на изобретение № 2097239, В61Н 7/02, 1997 г. Колодка включает металлический каркас и полимерный композиционный фрикционный элемент, который выполнен из двух продольных слоев, имеющих различную электропроводность. При этом слой, в котором размещен каркас колодки, имеет меньшую электропроводность.

Существенные признаки наиболее близкого аналога «металлический каркас» и «композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев» являются общими с существенными признаками заявляемой колодки.

Рассматриваемые тормозные колодки могут быть использованы с целью уменьшения деструкции полимерного связующего в этих колодках под действием электрического тока только в тормозных узлах подвижного состава на электрической тяге, например, в электровозах и моторных вагонах электропоездов.

К сожалению, в конструкции рассматриваемой тормозной колодки все внимание уделено обеспечению различия электропроводности рабочего слоя и менее электропроводного слоя, расположенного с тыльной поверхности колодки, в котором размещен металлический каркас колодки.

Поэтому из-за необеспечения различия в теплопроводности указанных выше слоев эти колодки неэффективны и малопригодны на обычных составах с применением, например, тепловозов, так как их слой, расположенный с тыльной поверхности колодки, в котором размещен металлический каркас, имеет большую теплопроводность, что вызывает высокую температуру в месте контакта металлического каркаса и композиционного фрикционного элемента и, как правило, не обеспечивается достаточная прочность колодки. В рассматриваемой конструкции колодки поставленная в наиболее близком аналоге задача снижения токов, протекающих через колодку, при наличии твердой вставки из чугуна, и вовсе не обеспечивается и поэтому на границе контакта вставки из чугуна и металлического каркаса с фрикционным элементом вследствие высокой температуры металла неизбежно разрушение прилегающих слоев композиционного фрикционного элемента с образованием трещин и разрушением колодки.

Кроме того, эта колодка при использовании ее на обычных вагонах вне зависимости от тяги обладает недостаточной прочностью, так как в месте крепления композиционного фрикционного элемента с металлическим каркасом недостаточна адгезия (сцепление) композиционного фрикционного элемента с металлическим каркасом ввиду отсутствия повышенного содержания связующего и прочность композиционного фрикционного элемента в связи с отсутствием повышенных требований к армированию его волокнами.

Недостатком рассматриваемой колодки является и то, что толщина продольного слоя композиционного фрикционного элемента, расположенного с тыльной поверхности колодки, определена как «слой, в котором размещен каркас колодки» и, таким образом, недостаточно полно установлена по отношению к общей толщине колодки и по отношению к толщине рабочего слоя, что не позволяет изготовить максимально эффективную двухслойную тормозную колодку с рациональными толщинами слоев.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности, надежности и ресурса тормозной колодки.

Поставленную задачу решает тормозная колодка железнодорожного транспортного средства по описанным ниже вариантам № 1 и 2.

По варианту № 1.

Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства содержит металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, различающихся по теплопроводности. Менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего 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 толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса.

По варианту № 2.

Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства содержит металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, различающихся по теплопроводности, и вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки. Менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего 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 толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса.

Для понимания формулировок 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 г., с.72).

Толщина от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса обозначена - «S₁» и зависит от конструкции каркаса. Эта толщина, например, соответственно составляет согласно имеющимся чертежам специального конструкторского бюро ЦВ МПС:

- для композиционных тормозных колодок с металлической спинкой - 12 мм;

- для композиционных тормозных колодок с сетчатопроволочным каркасом - 8 мм.

Имеется минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации - обозначена «S₃».

Минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации, установлена в «Инструкции по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог». Издательство «Инпресс» при содействии НПП Транспорт, г.Омск, 111395, Москва, Аллея 1-й Маевки д.15. 1994 г., с.3, 12, 13. Минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации, также устанавливается отдельно для каждого типа колодки и 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, обозначена - S₃, в данном случае на 2 мм превышает толщину от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса для исключения повреждения поверхности колеса металлическим каркасом при торможении, а именно, с учетом пробега и износа до следующего осмотра на станции.

Поэтому толщина менее теплопроводного слоя композиционного фрикционного элемента обозначена S₂, меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации S₃, но больше толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих частей металлического каркаса S₁, так как это позволит максимально уменьшить температуру в зоне контакта композиционного фрикционного элемента и одновременно обеспечить требуемые характеристики при торможении и максимальный ресурс колодки.

С целью увеличения прочности колодки и ресурса композиционный фрикционный элемент выполнен из двух продольных слоев, имеющих разную теплопроводность, причем менее теплопроводный слой композиционного фрикционного элемента, 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 стекловолокна, и поэтому имеющим большие адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, расположенным с рабочей поверхности колодки. Увеличение содержания связующего (каучука) и термостойких армирующих неметаллических волокон одновременно приводит к снижению теплопроводности и повышению способности к упругоэластическим деформациям, что особенно важно при эксплуатации под действием ударных и вибрационных нагрузок, при которых работает тормозная колодка.

Таким образом, с целью обеспечения максимального ресурса тормозной колодки, максимальной прочности и надежности колодки, а также исключения повреждения колеса нерабочий, менее теплопроводный, слой колодки, расположенный с тыльной стороны колодки, по отношению к рабочему, более теплопроводному, слою, должен быть также фрикционным и композиционным, но более адгезионным и прочным, чем рабочий слой, а его толщина должна быть меньше минимальной толщины, разрешенной для эксплуатации колодки, но больше толщины слоя колодки от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса. При толщине колодки 50-60 мм соотношение толщины более теплопроводного слоя, имеющего также меньшую адгезию к металлу и прочность по сравнению со слоем, расположенным с тыльной поверхности колодки, будет составлять, соответственно для вышерассмотренных тормозных колодок с металлическим и сетчатопроволочным каркасом:

Существенные признаки заявляемой колодки «менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала имеющего большие адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, расположенным с рабочей поверхности колодки» и «толщина менее теплопроводного слоя меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, но больше толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса» 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 усилительной пластиной или без нее. В колодке может быть использован и сетчато-проволочный каркас или каркас какой-либо другой конструкции.

С целью сохранения поверхности катания колеса колодка может быть снабжена твердыми вставками из чугуна. Например, одна из твердых вставок 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 фрикционного элемента используют материал, содержащий полимерное связующее, в котором расположены фрикционные и армирующие наполнители. Конкретная рецептура определяется в зависимости от назначения колодки.

В качестве армирующих наполнителей для железнодорожных тормозных колодок используют различные волокнистые наполнители, например синтетические полиарамидные волокна, стекловолокно, минеральные волокна, металлические волокна и другие.

Повышение армирования и адгезионной способности менее теплопроводной фрикционной композиционной смеси, используемой для нерабочего слоя, достигается рецептурно за счет увеличения содержания связующего (полимера-каучука или смол), а также термостойких армирующих волокон, например стекловолокна (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, а затем 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 сетчато-проволочный каркас;

2 - продольный менее теплопроводный слой композиционного фрикционного элемента расположенный с тыльной поверхности колодки;

3 - продольный более теплопроводный слой композиционного фрикционного элемента, расположенный с рабочей поверхности колодки (рабочий слой).

S - толщина колодки;

S₁ - толщина от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса;

S₂ - толщина менее теплопроводного слоя композиционного фрикционного элемента;

S₃ - минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации.

На фиг.2 представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, где:

1 - основная полоса с П-образным выступом металлического каркаса,

2 - усилительная пластина каркаса,

3 - вставка из чугуна.

4 - продольный менее теплопроводный слой композиционного фрикционного элемента, расположенный с тыльной поверхности колодки,

5 - продольный более теплопроводный слой композиционного фрикционного элемента, расположенный с рабочей поверхности колодки (рабочий слой),

S - толщина колодки;

S₁ - толщина от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса;

S₂ - толщина менее теплопроводного слоя композиционного фрикционного элемента;

S₃ - минимальная толщина колодки, разрешенная для эксплуатации.

Выполнение заявляемой тормозной колодки железнодорожного транспортного средства с признаками, указанными в отличительной части формулы, позволяют повысить прочность, надежность и ресурс тормозной колодки.

Выполнение менее теплопроводного слоя из композиционного фрикционного материала, имеющего большие адгезию к металлу и прочность по сравнению со слоем, расположенным с рабочей стороны колодки, позволяет повысить прочность крепления фрикционного элемента с металлическим каркасом, а также прочность и надежность колодки в месте расположения металлического каркаса и как, следствие, ресурс колодки.

Выполнение менее теплопроводного слоя толщиной менее минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, но больше толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса позволяет максимально снизить температуру фрикционного композиционного элемента в месте контакта его с металлическим каркасом, а следовательно, повысить надежность и прочность крепления его с каркасом и одновременно обеспечить максимальный ресурс колодки.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно - к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств. Тормозная колодка содержит металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, различающихся по теплопроводности. Менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего 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 толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса. По второму варианту тормозная колодка содержит металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, и вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки. Менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего 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 толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса. Достигается повышение прочности, надежности и ресурса тормозной колодки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, различающихся по теплопроводности, отличающаяся тем, что менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего большие адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, расположенным с рабочей поверхности колодки, а толщина менее теплопроводного слоя меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, но больше толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса.2. Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас и закрепленный на нем композиционный фрикционный элемент, выполненный из двух продольных слоев, различающихся по теплопроводности, и вставку из чугуна, расположенную в центральной части колодки, отличающаяся тем, что менее теплопроводный слой выполнен из композиционного фрикционного материала, имеющего большие адгезию к металлу и прочность, по сравнению со слоем, расположенным с рабочей поверхности колодки, а толщина менее теплопроводного слоя меньше минимальной толщины колодки, разрешенной для эксплуатации, но больше толщины от тыльной поверхности колодки до выступающих деталей металлического каркаса.