ВКЛАДЫШ ТРЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА АВТОСЦЕПКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И ВАГОНОВ МЕТРО ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИМЕРНОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2016 года по МПК B61G9/20 B82B3/00 C08J5/16 C08K3/04 C08K7/02 C08L77/00 

Изобретение относится к области машиностроения, к железнодорожному транспорту, а именно к вкладышу трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала, используемому для замены выполненного из бронзы или латуни вкладыша трения в составе поглощающего аппарата для поглощения энергии удара автосцепок железнодорожных средств рельсового пассажирского или грузового транспорта, в том числе вагонов метрополитена, эксплуатирующихся без использования смазки.

Эксплуатация автосцепки железнодорожного транспорта и ее поглощающего аппарата шестигранного типа осуществляется в жестких условиях при взаимодействии контактирующих поверхностей в процессе относительных перемещений при условиях сухого трения. Размещаемые в выемках корпуса амортизатора фрикционного поглощающего аппарата шестигранного типа РТ-120 или РТ-130 автосцепки железнодорожного транспорта в зоне работы клиньев выполненных из бронзы или латуни вставок в процессе динамических эксплуатационных малоцикловых нагрузок в условиях сухого трения по внутренней поверхности корпуса подвержены значительному преждевременному износу, который может привести к частичному выходу из строя поглощающего аппарата ранее гарантированных сроков.

Практическая эксплуатация фрикционного поглощающего аппарата шестигранного типа РТ-120 или РТ-130 (ООО Уральского конструкторского бюро вагоностроения) автосцепки железнодорожного транспорта с установленными в его выемках вставками из бронзы или латуни потребовала создания и использования размещаемых между поверхностями трения новых вкладышей трения, изготовленных из полимерных композиционных материалов.

Известен вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта, размещенный между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами (см. патент РФ №2505440, МПК 7 В61G 9/18, 27.01.2014).

Однако известный вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта при своем использовании в изделиях в составе поглощающего аппарата автосцепок железнодорожных средств рельсового пассажирского или грузового транспорта, в том числе вагонов метрополитена имеет следующие недостатки:

- имеет длительный период приработки при одновременном снижении показателей штатных характеристик энергоемкости защиты конструкции вагонов,

- в недостаточной степени защищает конструкцию вагонов от воздействия знакопеременных нагрузок на поверхности трения,

- не обеспечивает в достаточной степени снижение вероятности заклинивания поглощающего аппарата как в поездке, так и при выполнении маневровых работ,

- не обеспечивает в процессе эксплуатации заданную работоспособность поглощающего аппарата,

- не обеспечивает надежную защиту от действия продольных сил и ускорений вагонов с грузами высокой стоимости и чувствительных к динамическим нагрузкам при скорости соударения вагонов 10-12 км/ч.

Задачей изобретения является разработка вкладыша трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала.

Техническим результатом является двукратное повышение срока эксплуатации пары трения, значительное сокращение времени приработки, повышение степени защиты конструкции вагонов от воздействия знакопеременных нагрузок на поверхности трения вкладыша - корпус поглощающего аппарата, практическое исключение процесса заклинивания поглощающего аппарата как в поездке, так и при выполнении маневровых работ, обеспечение в процессе эксплуатации заданной работоспособности поглощающего аппарата, обеспечение надежной защиты от действия продольных сил и ускорений вагонов с грузами высокой стоимости и чувствительных к динамическим нагрузкам при скорости соударения вагонов 10-12 км/ч. Кроме того, техническим результатом при использовании предложенного вкладыша является обеспечение высокой надежности эксплуатации поглощающего аппарата железнодорожного транспорта и вагонов метро.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала, характеризующийся тем, что он выполнен Н-образной формы в виде двух соединенных между собой перемычкой вставок, размещаемых между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах с образованием на поверхностях пар трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» дополнительных выступающих антифрикционных элементов трения, при этом каждая из вставок выполнена изогнутой и повторяющей по форме и размерам выполненные на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов соответствующие пазы, а форма и размеры перемычки вкладыша соответствуют выполненным на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов продольным пазам, причем длина соединяющей вставки перемычки соответствует расстоянию между соседними пазами на цилиндрической поверхности подвижного фрикционного элемента для размещения вставок, вкладыш трения поглощающего аппарата выполнен из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, или полипропилена, или полиэтилена, или поливинилсульфита, или полиимида или их производных, содержащего в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 2,58 до 11,5 мас. %, при следующем количественном содержании компонентов, мас. %:

углеродное волокно или смесь   углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамерная основа остальное до 100%

При этом сечение вставки вкладыша в плане выполнено в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата», причем размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм. При этом сечение перемычки вкладыша выполнено в плане в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» и с вогнутой выемкой снизу, причем размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм. При этом в качестве полиамида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют литьевые полиамиды, например полиамид РА 6 или производные полиамида. При этом в качестве полипропилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полипропилен марки 21030 или производные полипропилена. При этом в качестве полиэтилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полиэтилен марки ПЭ80Б-275 или производные полиэтилена. При этом в качестве основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют поливинилсульфит марки «Фитекс» или производные поливинилсульфита. При этом в качестве полиимида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полиимид марки TECASINT или производные полиимида. При этом в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна. При этом углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута или рубленого жгута, а стекловолокно используют в виде рубленой нити, при этом длина рубленого жгута углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.

Среди существенных признаков, характеризующих предложенный вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, отличительными являются:

- выполнение вкладыша Н-образной формы в виде двух соединенных между собой перемычкой вставок, размещаемых между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах с образованием на поверхностях пар трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» дополнительных выступающих антифрикционных элементов трения,

- выполнение каждой из вставок изогнутой и повторяющей по форме и размерам выполненные на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов соответствующие пазы, а форма и размеры перемычки вкладыша соответствуют выполненным на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов продольным пазам,

- соответствие длины соединяющей вставки перемычки расстоянию между соседними пазами на цилиндрической поверхности подвижного фрикционного элемента для размещения вставок,

- выполнение вкладыша трения поглощающего аппарата из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, или полипропилена, или полиэтилена, или поливинилсульфита, или полиимида или их производных, содержащего в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм,

- выбор содержания стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала от 2,58 до 11,5 мас. %,

- выбор следующего количественного содержания компонентов композиционного полимерного антифрикционного материала, мас. %:

углеродное волокно или смесь   углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамерная основа остальное до 100%,

- выполнение сечения вставок вкладыша в плане в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующего антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата»,

- выбор размеров сечения вкладыша по ширине от 6 мм до 7 мм, а размеров сечения вкладыша по высоте от 5,4 мм до 6,4 мм,

- выполнение сечения перемычки вкладыша в плане в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» и с вогнутой выемкой снизу,

- выбор размеров сечения перемычки по ширине от 6 мм до 7 мм, а размеров сечения по высоте от 5,4 мм до 6,4 мм,

- использование в качестве полиамида основы композиционного полимерного антифрикционного материала литьевого полиамида РА 6 и производных полиамида,

- использование в качестве полипропилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала полипропилена марки 21030 и производных полипропилена,

- использование в качестве полиэтилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала полиэтилена марки ПЭ80Б-275 и производных полиэтилена,

- использование в качестве поливинилсульфита основы композиционного полимерного антифрикционного материала поливинилсульфита марки «Фитекс» и производных поливинилсульфита,

- использование в качестве полиимида основы композиционного полимерного антифрикционного материала полиимида марки TECASINT или полиамидимида марки TECASINT 5000 и производных полиимида,

- использование в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал углеродного волокна, полученного из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна,

- использование углеродного волокна композиционного полимерного антифрикционного материала в виде жгута или рубленого жгута, а стекловолокна в виде рубленой нити, при этом длина рубленого жгута углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.

Экспериментальные и практические испытания предложенных вкладышей трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала в составе поглощающего аппарата показали их высокую эффективность. Было установлено, что практически неограничен срок штатной эксплуатации предложенного вкладыша трения (до штатной эксплуатации подвижного состава), практически отсутствует эксплуатационная приработка пары трения, значительно повышена степень защиты конструкции вагонов от воздействия знакопеременных нагрузок на поверхности трения вкладыш трения - корпус поглощающего аппарата, достигнуто практическое исключение процесса заклинивания поглощающего аппарата вагона как в поездке, так и при выполнении маневровых работ, обеспечена надежная защита от действия продольных сил и ускорений вагонов с грузами высокой стоимости и чувствительных к динамическим нагрузкам при скорости соударения вагонов 10-12 км/ч. При этом материал предложенного вкладыша трения обладает высокими эксплуатационными характеристиками: пределом прочности при изгибе 177-200 МПа, пределом прочности при сжатии на уровне 160-175 МПа, ударной вязкостью по Шарпи на образцах без надреза на уровне 45-55,8 кДж/м², твердостью по методу вдавливания шарика более 200 Н/мм² при плотности не менее 1,15 г/см², коэффициентом трения по стали 45Х с твердостью 32-38 HRC без смазки в пределах 0,11-0,13 и износом 1×10^-7 - 7×10^-8 мкм/км при интервале эксплуатационных температур от минус 60°C до плюс 80°C.

В таблице 1 представлены составы предложенного вкладыша трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро, выполненного из композиционного полимерного антифрикционного материала, использованных для изготовления предложенных вкладышей трения, а в таблице 2 показаны их штатные характеристики трения.

Исследования ударной вязкости проводилось на маятниковом копре по методу Шарпи на образцах типа 2 без надреза по ГОСТ 4647-80. Исследование характеристик трения (характеристики трибологии) предложенных вкладышей системы рельсового транспорта проводились на машине трения УМТ 2168.

Технология изготовления вкладышей трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала не требует использования специфического технологического оборудования и включает в себя литье под давлением в литьевой машине.

Сущность предложенного вкладыша трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид вкладыша сверху, на фиг. 2 - вид вкладыша сбоку, на фиг. 3 показано сечение А-А перемычки (на фиг. 1) и на фиг. 4 показано сечение Б-Б вставок (на фиг. 2).

Вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала выполнен Н-образной формы в виде двух соединенных между собой перемычкой 1 вставок 2, размещаемый между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах с образованием на поверхностях пар трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» дополнительных выступающих антифрикционных элементов трения. При этом каждая из вставок 2 выполнена изогнутой и повторяющей по форме и размерам выполненные на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов соответствующие пазы, а форма и размеры перемычки 2 вкладыша соответствуют выполненным на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов продольным пазам, причем длина соединяющей вставки 2 перемычки 1 соответствует расстоянию между соседними пазами на цилиндрической поверхности подвижного фрикционного элемента для размещения вставок. Сечение вставки 2 вкладыша в плане (фиг. 4) выполнено в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата», при этом размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм. Сечение перемычки 1 вкладыша выполнено в плане (фиг. 3) в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» и с вогнутой выемкой снизу, при этом размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм.

Предложенный вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала используют следующим образом.

Вкладыш трения во время сборки поглощающего аппарата размещают между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах с образованием на поверхностях пар трения «фрикционный элемент - корпус поглощающего аппарата» дополнительных выступающих антифрикционных элементов трения. При этом каждая из вставок выполнена изогнутой и повторяющей по форме и размерам выполненные на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов соответствующие пазы, а форма и размеры перемычки вкладыша соответствуют выполненным на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов продольным пазам. Длина соединяющей вставки 2 перемычки 1 соответствует расстоянию между соседними пазами на цилиндрической поверхности подвижного фрикционного элемента для размещения вставок.

Поглощающий аппарат автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала готов к эксплуатации для использования в составе поглощающего аппарата типа РТ-120 или РТ-130 поглощения энергии удара автосцепок железнодорожных средств рельсового пассажирского или грузового транспорта.

Вкладыш трения выполнен Н-образной формы и размещается между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах. Вкладыш трения поглощающего аппарата выполнен из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, или полипропилена, или полиэтилена, или поливинилсульфита, или полиимида, или их производных, содержащего в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70, или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 2,58 до 11,5 мас. %. Количественное содержание компонентов, мас. %: углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном - 9,7-42,4, углеродные нанотрубки - 0,05-0,55, полиамид - остальное до 100%. Сокращается время приработки, повышается защита от воздействия знакопеременных нагрузок на поверхности трения опорное кольцо - корпус поглощающего аппарата, исключается заклинивание, обеспечивается защита от действия продольных сил и ускорений вагонов при скорости соударения вагонов 10-12 км/ч. 9 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Вкладыш трения поглощающего аппарата автосцепки железнодорожного транспорта и вагонов метро из композиционного полимерного антифрикционного материала, характеризующийся тем, что он выполнен Н-образной формы в виде двух соединенных между собой перемычкой вставок, размещаемых между внутренней поверхностью трения корпуса поглощающего аппарата и его фрикционными элементами в выполненных на цилиндрической поверхности каждого подвижного фрикционного элемента пазах с образованием на поверхностях пар трения «фрикционный элемент-корпус поглощающего аппарата» дополнительных выступающих антифрикционных элементов трения, при этом каждая из вставок выполнена изогнутой и повторяющей по форме и размерам выполненные на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов соответствующие пазы, а форма и размеры перемычки вкладыша соответствуют выполненным на цилиндрической поверхности подвижных фрикционных элементов продольным пазам, причем длина соединяющей вставки перемычки соответствует расстоянию между соседними пазами на цилиндрической поверхности подвижного фрикционного элемента для размещения вставок, вкладыш трения поглощающего аппарата выполнен из композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, или полипропилена, или полиэтилена, или поливинилсульфита, или полиимида, или их производных, содержащего в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, а также хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70, или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 2,58 до 11,5 мас. %, при следующем количественном содержании компонентов, мас. %:
углеродное волокно или смесь   углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамерная основа остальное до 100%

2. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что сечение его вставки в плане выполнено в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент-корпус поглощающего аппарата», при этом размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм.

3. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что сечение его перемычки выполнено в плане в виде вертикального прямоугольника со скругленным верхом, образующим антифрикционную поверхность трения пары трения «фрикционный элемент-корпус поглощающего аппарата» и с вогнутой выемкой снизу, при этом размеры сечения по ширине могут быть выполнены от 6 мм до 7 мм, а размеры сечения по высоте могут быть выполнены от 5,4 мм до 6,4 мм.

4. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полиамида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют литьевые полиамиды, например полиамид марки РА 6 и производные полиамида.

5. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полипропилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полипропилен марки 21030 и производные полипропилена.

6. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полиэтилена основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полиэтилен марки ПЭ80Б-275 и производные полиэтилена.

7. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве поливинилсульфита основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют поливинилсульфит марки «Фитекс» и производные поливинилсульфита.

8. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полиимида основы композиционного полимерного антифрикционного материала используют полиимид марки TECASINT или полиамид - имид марки TECASINT 5000 и производные полиимида.

9. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна.

10. Вкладыш трения по п. 1, характеризующийся тем, что углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута или рубленого жгута, а стекловолокно используют в виде рубленой нити, при этом длина рубленого жгута углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.