тормозная колодка железнодорожного транспортного средства

Формула изобретения

Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, композиционный фрикционный элемент и одну твердую вставку, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, отличающаяся тем, что твердая вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна, а отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20%.

Описание изобретения к патенту

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

Известны тормозные чугунные колодки, в том числе с металлическим каркасом, выпускаемые из серого и фосфористого чугуна по ГОСТ 1205-73 «Колодки чугунные тормозные для вагонов и тендеров железных дорог. Конструкция и основные размеры».

Указанные колодки оказывают положительное воздействие на поверхность качения колеса, однако они имеют низкий и нестабильный коэффициент трения при изменении скорости, вызывают значительный износ поверхности колес и при эксплуатации обеспечивают низкую эффективность торможения, а следовательно, требуют больших усилий натяжения рычажной передачи при торможении, не обеспечивают бесшумного и плавного торможения поезда, имеют большой вес (16 кг), высокий износ, высокую стоимость.

Известное техническое решение используется по тому же назначению, что и заявляемое, и имеет общий с ним существенный признак «тормозная колодка».

Известна чугунная тормозная колодка по патенту РФ №2040361 (B22D 19/02, 1995 г.). Колодка состоит из металлического каркаса (спинки), расположенного на нерабочей поверхности, и тела колодки, на рабочей поверхности которого расположены чередующиеся по длине колодки участки серого, белого и половинчатого чугунов. Концы колодки выполнены из серого чугуна, а участки белого чугуна расположены внутри участков из половинчатого чугуна.

Известные колодки имеют достаточно высокую износостойкость, но недостаточно снижают повреждения поверхности катания колес, кроме того, они имеют небольшой срок службы.

Известное техническое решение используется по тому же назначению, что и заявляемое, и имеет общие с ним существенные признаки «тормозная колодка», «металлический каркас» и «вставки (участки)».

Известна тормозная колодка для железнодорожного подвижного состава по патенту РФ №2025352 (В61Н 1/00, 1994 г.). Колодка выполнена в виде дугообразной отливки в форме бруса прямоугольного сечения. В теле бруса со стороны рабочей поверхности закреплены вставки. Вставки выполнены из материала с более высокой абразивностью, чем материал бруса.

Указанная колодка обеспечивает более высокую эффективность торможения, однако конструкция колодки сложная, что снижает ее надежность при эксплуатации.

Известна тормозная железнодорожная колодка по авторскому свидетельству СССР №1643266 (В61Н 1/00, 1991 г.), содержащая дугообразную отливку в виде бруса с прямоугольным поперечным сечением и закрепленные в ней цилиндрические вставки из материала, более абразивного, чем материал бруса с определенным отношением площади трущейся (рабочей) поверхности вставок к площади трущейся (рабочей) поверхности колодки.

Однако эти колодки также имеют сложную конструкцию и низкую надежность.

Известна тормозная композиционная колодка, содержащая фрикционный элемент и металлический (стальной) каркас. (Б.А.Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов, Москва, Химия, 1982 г., стр.9-14, 70, 71).

Металлический каркас состоит из одной детали - основной полосы, а иногда из двух деталей: основной полосы и приваренной к ней по внутренней стороне усиленной пластины. Основная полоса каркаса имеет внешний криволинейный контур по периметру готовой колодки, а в центре П-образный или полукруглый контур, образующий центральную бобышку. Центральная бобышка каркаса снабжена отверстиями под чеку. На основной пластине каркаса расположены также две боковые бобышки, служащие направляющими для чеки. Центральная бобышка служит для крепления тормозной колодки в тормозном башмаке посредством чеки, а направляющие (боковые бобышки) упрощают монтаж чеки.

Усилительная пластина применяется для придания дополнительной жесткости каркасу и повышения надежности крепления каркаса с фрикционным элементом.

Усилительная пластина снабжена отверстиями для приваривания к основной полосе, а также для затекания фрикционной смеси при формовании для повышения крепления с фрикционным элементом.

На основной полосе также могут вырубаться отверстия и/или полуотверстия с отгибанием невырубленной части отверстий внутрь колодки с получением шипов для затекания в отверстия фрикционной массы при формовании и улучшении крепления с фрикционным элементом.

Тормозные композиционные колодки в сечении рабочего слоя колодки могут иметь поперечный открытый внутренний паз, расположенный в центральной ее части, а также поперечные скосы по обеим концам по длине колодки.

Тормозные композиционные колодки, по сравнению с чугунными, получили значительно более широкое применение, так как они имеют более высокий коэффициент трения, меньшее усилие нажатия и износостойкость, в несколько раз более высокий срок службы, меньший вес, стоимость, а также обеспечивают бесшумное и плавное торможение поезда.

Однако 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.

Существенные признаки тормозной композиционной колодки «фрикционный элемент», металлический каркас в виде «изогнутой основной полосы с П-образной или полукруглой бобышкой, снабженной отверстиями по чеку и боковые бобышки (направляющие для чеки)», а также «усилительная пластина, приваренная к внутренней стороне основной полосы» являются общими с существенными признаками заявляемого изобретения.

Наиболее близким аналогом заявляемой колодки является «Тормозная колодка железнодорожного транспортного средства» по заявке №2005133046/22(037001) от 26.10.2005 (Решение о выдаче патента на полезную модель от 16.01.2006).

Рассматриваемая тормозная колодка содержит металлический стальной каркас, композиционный фрикционный элемент и твердую вставку из чугуна. Металлический каркас состоит из одной детали - основной полосы и имеет П-образный выступ, образующий центральную бобышку. По обеим сторонам П-образного выступа, за ним с внутренней стороны основной полосы к ней приварена по ширине колодки твердая вставка из чугуна, представляющая в продольном сечении колодки трапецеидальную форму.

Колодка по наиболее близкому аналогу обеспечивает сохранение поверхности качения колеса, а следовательно, повышенный срок службы колеса при сохранении повышенного срока службы колодок, а также обеспечивает стабильность и эффективность торможения при обычных и тяжелых условиях эксплуатации.

Колодка по наиболее близкому аналогу имеет отдельные недостатки. В качестве материала для изготовления твердой вставки используется серый или фосфористый чугун, из которых изготавливаются тормозные чугунные колодки, которые обеспечивают недостаточное очищающее действие на колесо и не обеспечивают необходимого полирующего воздействия на колесо по устранению термических трещин и ползунов.

Это объясняется тем, что серый и фосфористый чугуны имеют недостаточную пластичность, прочность на растяжение, на изгиб. В отливах серого чугуна графит всегда имеет пластинчатую форму. Пластинчатая форма графита уменьшает предел прочности чугуна («Металловедение и технология металлов». Учебник для ВУЗов. Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. Москва, Металлургия, 1988, стр.132-140).

Кроме того, не определено отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки.

Существенные признаки наиболее близкого аналога «металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части», «композиционный фрикционный элемент» и «твердая вставка, расположенная в центральной части колодки и приваренная к металлическому каркасу» являются общими с существенными признаками заявляемого изобретения.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая тормозная колодка, является обеспечение очищающего и полирующего воздействия твердой вставки на колесо без ухудшения работы тормозной колодки по прямому назначению.

Поставленную задачу решает тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, содержащая металлический каркас с П-образным выступом в центральной его части, композиционный фрикционный элемент и твердую вставку из высокопрочного или ковкого чугуна, расположенную в центральной части колодки и приваренную к металлическому каркасу, а отношение площади рабочей поверхности вставки к общей площади рабочей поверхности колодки выбрано в пределах от 4 до 20%.

Твердая вставка, расположенная внутри композиционного фрикционного элемента, предназначена для удаления каких либо посторонних веществ с поверхности колеса, заглаживания незначительных дефектов на поверхности колеса (термических трещин и ползунов) и улучшения состояния поверхности качения колеса.

Для выполнения своего назначения твердая вставка, находящаяся внутри композиционного фрикционного элемента, должна иметь более высокие механические свойства, чем серый и фосфористый чугуны. Кроме того, желательно, чтобы материал твердой вставки содержал в себе включения графита, благодаря смазывающему действию которого сохранялась поверхность качения колеса. («Металлургия, металловедение и конструкционные материалы» Б.А.Кузьмин, А.И.Самохоцкий, Т.Н.Кузнецова. Москва, Высшая школа, 1971 г., стр.275, 276).

Предъявляемым требованиям отвечают чугуны, которые имеют более высокую прочность и пластичность, чем фосфористый и серый чугуны. Это высокопрочные чугуны с шаровидным графитом и ковкие чугуны с хлопьевидной структурой графита.

В состав высокопрочных чугунов кроме С, Mn, Si, Fe входят также в небольших количествах Cr, Ni, Cu и другие элементы, которые улучшают полирующее воздействие при контакте с колесом.

Ковкий чугун наряду с достаточно высокой прочностью обладает большей вязкостью по сравнению с высокопрочным чугуном и обеспечивает повышенную надежность в условиях ударных и вибрационных нагрузок, которые испытывают тормозные колодки.

Отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности тормозной колодки определено, исходя из конструктивных и технологических соображений, а также физико-механических и фрикционно-износных свойств композиционного фрикционного элемента и вставки из высокопрочного или ковкого чугуна, и составляет от 4 до 20%.

В данном отношении учтено также технологическое требование по дополнительному уменьшению площади рабочей поверхности твердой вставки в связи с необходимостью оставления свободного зазора между твердой вставкой и пресс-формой, по ширине вставки с обеих сторон, а также по глубине вставки. Данные зазоры заполняются композиционным фрикционным элементом при его формовании.

Твердая вставка в рабочей части колодки может иметь в вертикальном сечении по длине вставки трапецеидальную, прямоугольную или другую форму, а по ширине вставки может иметь форму, аналогичную форме композиционного фрикционного элемента, но с меньшими размерами из-за оставления зазоров при формовании.

Твердая вставка может быть приварена либо к основной полосе металлического каркаса с П-образным выступом, либо к усилительной пластине металлического каркаса.

Существенные признаки заявляемой тормозной колодки «вставка выполнена из высокопрочного или ковкого чугуна» и «отношение площади рабочей поверхности твердой вставки к общей площади рабочей поверхности колодки составляет от 4 до 20%» являются отличительными от существенных признаков наиболее близкого аналога.

Технология изготовления колодок предусматривает следующие этапы:

- изготовление (отливка) чугунной вставки;

- изготовление (штамповка) металлического каркаса;

- сборка вставки с каркасом и ее приваривание к каркасу;

- изготовление полимерной композиции;

- укладка в пресс-форму каркаса с приваренной вставкой и навески полимерной композиции;

- формование колодки в пресс-форме под давлением с последующей вулканизацией.

На чертеже представлена тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, где

1 - металлический каркас,

2 - П-образный выступ,

3 - отверстие под чеку для крепления колодки в тормозном узле,

4 - композиционный фрикционный элемент,

5 - чугунная вставка,

6 - место сварки вставки и каркаса.

Выполнение тормозной колодки с твердой вставкой из высокопрочного или ковкого чугуна и с отношением рабочей площади твердой вставки к общей рабочей площади колодки в пределах от 4 до 20% позволяет обеспечить очищающее и полирующее воздействие чугунной вставки на колесо без снижения эффективности торможения и, как следствие, значительно повысить срок службы колес.