тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава

Формула изобретения

1. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава, содержащая каркас с расположенными на тыльной стороне установочными выступами по концам, приливом с отверстием посередине для крепления в башмаке, каркас с тыльной стороны покрыт стальной пластиной, а со стороны рабочей поверхности имеет полости с фрикционными элементами, отличающаяся тем, что стальная пластина выполнена в виде пластинчатой профильной пружины с выступами, расположенными под точками опоры башмака, между стальной пластиной и каркасом дополнительно установлена гофрированная термостойкая фторопластовая прокладка, пластинчатая пружина и фторопластовая прокладка имеют вырезы напротив установочных выступов каркаса и отверстия в приливе, полости разделены перегородками на ячейки, в которых установлены фрикционные элементы; полости, ячейки и соответствующие им фрикционные элементы выполнены в форме усеченных пирамид или конусов, развернутых меньшим основанием к рабочей поверхности каркаса, с наклоном боковых стенок под углом =10-15°, с образованием неподвижного крепления типа «ласточкин хвост», на боковых поверхностях каркаса выполнено по два окна с каждой стороны напротив полостей.

2. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что полости, ячейки и соответствующие им фрикционные элементы имеют форму, выбранную из ряда: усеченный конус с основанием в форме круга или эллипса; усеченная пирамида с 3-6 боковыми стенками, с основанием в форме треугольника, четырехугольника, пятиугольника и шестиугольника.

3. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что фрикционные элементы укладывают в литейную форму и заливают расплавом металла.

4. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки засыпают наполнитель, который спрессовывают и спекают с получением фрикционных вставок.

5. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки помещают наполнитель, который отвердевает за счет химической реакции.

6. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что тормозная колодка выполнена из материалов, работающих при температуре до 1000°С

7. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что для фрикционных элементов используют фрикционный материал с большей абразивностью, чем абразивность каркаса и перегородок.

8. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что общая площадь поверхности трения фрикционных элементов составляет 85-95% от всей рабочей поверхности колодки.

9. Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава по п.1, отличающаяся тем, что фрикционные элементы на боковой поверхности имеют выступы, соответствующие окнам боковой поверхности каркаса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к тормозному оборудованию, а также может использоваться на других видах транспорта в тормозных системах.

Существующие металлические, композитные и биметаллические тормозные колодки железнодорожного подвижного состава исчерпывают свои фрикционные и трибологические свойства при скоростях движения подвижного железнодорожного состава до 140 км/ч. В связи с запуском в эксплуатацию в Российской Федерации новых высокоскоростных железнодорожных поездов, существующие колодки не выдерживают условий эксплуатации, теряют коэффициент трения и разрушаются в расплаве чугуна или термическом и механическом разрушении композита.

Известные металлокерамические колодки зарубежного производства для высокоскоростного подвижного железнодорожного транспорта, у которых по причине низкой вязкости и высокой хрупкости, при взаимодействии с поверхностями колес фрикционная масса откалывается от стальных подложек, размещенных с тыльной стороны колодок, появляются трещины, заколы, расслоения и, как следствие, колодки разрушаются, не отработав 5% своего ресурса. Попытки крепления фрикционной массы к несущей пластине болтами, заклепками, винтами положительных результатов не дают, происходят те же разрушения, теряются надежность и ресурс тормозов.

Учитывая недостатки известных тормозных колодок и возросшие скорости подвижного железнодорожного состава до 300 км/ч и выше возникает необходимость создания новой тормозной колодки в отличие от прототипа с новыми высокоскоростными и, следовательно, с высокотермостойкими качествами, а также обеспечивающими допустимую длину тормозного пути подвижного железнодорожного состава в соответствии с нормами безопасности на федеральном железнодорожном транспорте НБ ЖТ ТМ 02-98.

Известна тормозная колодка, содержащая дугообразную отливку в виде бруса прямоугольного сечения, при этом в теле бруса со стороны рабочей трущейся поверхности выполнены, по крайней мере, два параллельных ряда отверстий, ось которых параллельна боковой стороне колодки, и в них закреплены цилиндрические вставки, выполненные из материала, имеющего более высокую абразивность, чем материал бруса, размещены в шахматном порядке, и при этом в ближнем к одной поверхности ряду отверстий больше, чем в последующем ряду. Авторское свидетельство №1643266, М. кл. В61Н 1/00, Бюл. №15, 23.04.91 г.

Недостатком известной тормозной колодки является быстрый износ из-за распространения задира по всей поверхности колодки, что влечет за собой износ самой колодки, снижение тормозного эффекта при скоростях более 140 км/ч за счет перегрева вставок, а также преждевременного выхода из строя за счет возникновения трещин по оси, соединяющей центры вставок, вдоль бруса.

Известны металлокерамические тормозные колодки для подвижного железнодорожного состава патент US 6.494.301 В1 от 17.12.2002 г., Кл. F16D 65/04, F16D 65/092, F16D 69/00. Эти колодки выполнены в виде опорной детали с полостями и элементами фрикционного материала, расположенными в этих полостях. Наклоняющиеся элементы, закрепляющие элементы фрикционного материала, дают возможность движению элементов фрикционного материала в продольном направлении полостей. Из элементов фрикционного материала сформированы блоки. Полости расположены последовательно или параллельно. Площадь, занимаемая элементами фрикционного материала 30%-80% от всей поверхности тормозной детали.

Опорная деталь имеет стальную пластину, расположенную на тыльной стороне колодки и П-образный выступ в середине.

Пластина имеет отверстия для установки винтов крепления вставок.

Данная тормозная деталь имеет следующие недостатки:

- низкую теплопроводность всей колодки в целом из-за наличия зазоров в сопряжениях между корпусом колодки и фрикционными подвижными вставками, а также между торцами вставок и корпусом тела колодки,

- отсутствие термостойкости эластичных элементов, т.е. резиновых колец и матов, а также различных плоских или спиральных стальных пружин, где температура достигает 900°С при работе тормозных колодок и, как следствие, происходит сгорание резины и потеря упругости металлических пружин,

- отсутствие какой-либо защищенности от атмосферных воздействий, например дождь, снег и лед, низкие температуры, перегрев - все вместе ликвидирует эластичность резиновых деталей, а металлические пружины, потерявшие упругость, при замерзшей в них воде перестают быть эластичными так же, как и подвижные фрикционные элементы и колодка в целом становится жесткой, а изобретение теряет всякий смысл,

- отсутствие визуального контроля за техническим состоянием фрикционной массы, подвижных вставок эластичных элементов в процессе эксплуатации и при периодических осмотрах,

- высокая точность изготовления полости в теле колодки и высокая точность изготовления всех остальных деталей, т.к. в противном случае возникнут вибрации и, как следствие, разрушение подвижных фрикционных элементов, имеющих низкую вязкость и высокую хрупкость,

- при винтовом креплении фрикционных вставок отсутствует какая-либо блокировка винтов и при неизбежных возникающих вибрациях происходит их отвинчивание и потеря,

- один из самых серьезных недостатков этих колодок - это большое количество комплектующих деталей, в одной колодке более 100 штук,

- эластичное размещение вставок в теле колодки преследует несуществующую цель - обтекание «ползунов» на поверхности колес. Правила технической эксплуатации железнодорожного транспорта ОАО «РЖД» гл.10, п.10-3 запрещают эксплуатацию колесных пар с такими неисправностями, - в целом колодка очень ненадежная и очень дорогая в производстве.

Задача изобретения создание новой тормозной колодки обеспечивающей надежное и эффективное торможение при высокоскоростном режиме движения при увеличении срока ее работы, за счет упругости взаимодействия колодки с башмаком, а также снижение шума.

Поставленная задача достигается конструкцией тормозной колодки для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава, содержащей каркас с расположенными на тыльной стороне установочными выступами по краям, приливом с отверстием посередине для крепления в башмаке. Каркас с тыльной стороны покрыт стальной пластиной, а со стороны рабочей поверхности имеет полости с фрикционными элементами.

Стальная пластина выполнена в виде пластинчатой профильной пружины с выступами расположенными под точками опоры башмака. Между стальной пластиной и каркасом дополнительно установлена гофрированная термостойкая фторопластовая прокладка. Пластинчатая пружина и фторопластовая прокладка имеют вырезы напротив установочных выступов каркаса и отверстия в приливе. Полости разделены перегородками на ячейки, в которые помещают фрикционные элементы. Полости, ячейки и соответствующие им фрикционные элементы выполнены в форме усеченных пирамид или конусов, развернутых меньшим основанием к рабочей поверхности каркаса, с наклоном боковых стенок под углом =10-15°, с образованием неподвижного крепления типа «ласточкин хвост». На боковых поверхностях каркаса выполнено по два окна с каждой стороны напротив полостей.

Полости, ячейки и соответствующие им фрикционные элементы имеют форму, выбранную из ряда: усеченный конус с основаниями в форме круга или эллипса; усеченная пирамида с 3-6 боковыми стенками, с основанием в форме треугольника, четырехугольника, пятиугольника и шестиугольника.

Фрикционные элементы укладывают в литейную форму и заливают расплавом металла.

Каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки засыпают наполнитель, который спрессовывают и спекают с получением фрикционных вставок.

Каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки помещают наполнитель, который отвердевает за счет химической реакции.

Тормозная колодка выполнена из материалов, работающих при температуре до 1000°С

Для фрикционных элементов используют фрикционный материал с большей абразивностью, чем абразивность каркаса и перегородок.

Общая площадь поверхности трения фрикционных элементов составляет 85-95% от всей рабочей поверхности колодки.

Фрикционные элементы на боковой поверхности имеют выступы, соответствующие окнам боковой поверхности каркаса.

Новизна изобретения заключается в конструктивных особенностях колодки.

- Стальная пластина выполнена в виде пластинчатой профильной пружины с выступами, расположенными под точками опоры башмака. Между стальной пластиной и каркасом дополнительно установлена гофрированная термостойкая фторопластовая прокладка. Пластинчатая пружина и фторопластовая прокладка имеют вырезы напротив установочных выступов каркаса и отверстия в приливе. Обе детали в совокупности выполняют функцию эластичной подвески колодки в ее башмаке, что обеспечивает отсутствие вибраций тела колодки и фрикционных элементов и предотвращает возникновение трещин, что также значительно снижает шум. При взаимодействии колодки с колесом обеспечивается плавное касание с постепенным нарастанием усилия.

- Полости, ячейки и фрикционные элементы выполнены в форме усеченных пирамид или конусов, развернутых меньшим основанием к рабочей поверхности каркаса, с наклоном боковых стенок под углом =10-15°. Фрикционные элементы имеют боковые поверхности по форме и наклону, соответствующие прилежащим боковым стенкам полостей. Это позволяет создать надежную систему крепления «ласточкин хвост».

- На боковых поверхностях каркаса выполнено по два окна с каждой стороны напротив полостей. Через эти окна можно визуально контролировать износ фрикционных вставок. Кроме того, фрикционные элементы на уровне этих окон имеют на боковой поверхности выступы, что служит дополнительным креплением фрикционных вставок в полости и повышает надежность этого крепления, предотвращает их выпадение из полостей и ячеек. Через окна происходит лучшее охлаждение фрикционных вставок и осуществляют визуальный контроль за состоянием фрикционных элементов.

- Полости могут быть разделены перегородками на ячейки, в которые установлены фрикционные элементы. Полости, ячейки и соответствующие им фрикционные элементы имеют форму, выбранную из ряда: усеченный конус с основаниями в форме круга или эллипса; усеченная пирамида с 3-6 боковыми стенками, с основанием в форме треугольника, четырехугольника, пятиугольника и шестиугольника. Форма усеченной пирамиды не позволяет вставкам, даже при износе, выпасть из тела колодки. Вставки максимально перекрывают по ширине трущуюся поверхность колодки, причем при их истирании их трущаяся поверхность увеличивается, что обеспечивает минимальный износ колодки, равномерность истирания и увеличивает ресурс колодки.

- Для колодок изготавливаемых литьем фрикционные элементы получают заранее, укладывают в литейную форму и заливают расплавом металла.

- Каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки засыпают наполнитель, который спрессовывают и спекают с получением фрикционных вставок.

- Каркас колодки, перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки помещают наполнитель, который отвердевает за счет химической реакции.

- Тормозная колодка выполнена из материалов, работающих при температуре до 1000°С.

- Для фрикционных элементов используют фрикционный материал с большей абразивностью, чем абразивность каркаса и перегородок.

- Общая площадь поверхности трения фрикционных элементов составляет 85-95% от всей рабочей поверхности колодки.

- Фрикционные элементы на боковой поверхности имеют выступы, соответствующие окнам боковой поверхности каркаса. Это обеспечивает лучший теплоотвод и охлаждение тела колодки, повышает надежность крепления фрикционных элементов в теле колодки.

Заявляемая нами совокупность существенных признаков изобретения в доступной нам литературе не найдена. Изобретение удовлетворяет критерию «новизна».

Совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат:

Оснащение колодки пластинчатой пружиной и гофрированной фторопластовой прокладкой обеспечивают эластичную подвеску колодки в колодочном башмаке. Это обеспечивает плавный мягкий ход тормозной колодки при торможении и взаимодействии с сопряженной поверхностью колеса, при этом исключаются вибрации, резкое взаимодействие трущихся поверхностей, вызывающих образование трещин, выкрашивание и разрушение фрикционных элементов. Плавное касание также обеспечивает снижение шума при работе тормозов. Жесткое закрепление фрикционных элементов в теле колодки по типу «ласточкин хвост», их форма в виде усеченных пирамид, выступы на уровне окон в боковых поверхностях каркаса колодки обеспечивают надежную фиксацию в литом или сварном корпусе.

Возможность изготовления колодок с использованием различных технологий изготовления позволяет улучшить их качество и варьировать получаемые технические показатели колодок в зависимости от требований конкретных условий работы на том или ином подвижном составе.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 показана колодка с разрезом по продольной оси.

На Фиг.2 - пластинчатая профильная пружина с выступами и вырезами.

На Фиг.3 - гофрированная термостойкая фторопластовая прокладка с вырезами.

На Фиг.4 - каркас колодки с полостями и фрикционными элементами, а также окнами на боковой поверхности

На Фиг.5 - клиновая чека.

На Фиг.6 - схемы размещения перегородок для получения ячеек под фрикционные элементы в полостях и полостей, вид со стороны рабочей поверхности колодки.

Тормозная колодка для высокоскоростного подвижного железнодорожного состава содержит каркас 1 с расположенными на тыльной стороне установочными выступами 2 по концам, приливом 3 с отверстием посередине 4 под клиновую чеку 5 для крепления в башмаке. Каркас 1 с тыльной стороны покрыт стальной пластиной 6, а со стороны рабочей поверхности имеет полости 7 с фрикционными элементами 8. Стальная пластина 6 выполнена в виде пластинчатой профильной пружины с выступами, расположенными под точками опоры башмака. Между стальной пластиной 6 и каркасом 1 дополнительно установлена гофрированная термостойкая фторопластовая прокладка 9. Пластинчатая профильная пружина 6 и фторопластовая прокладка 9 имеют вырезы напротив установочных выступов каркаса соответственно 10, 11 и вырезы напротив отверстия в приливе 12 и 13. Полости 7 разделены перегородками 14. Перегородки 14 делят полости на ячейки 15, в которых установлены фрикционные элементы 8. Полости 7, ячейки 15 и соответствующие им фрикционные элементы 8 выполнены в форме усеченных пирамид или конусов развернутых меньшим основанием к рабочей поверхности каркаса, с наклоном боковых стенок под углом =10-15°, с образованием неподвижного крепления типа «ласточкин хвост». На боковых поверхностях каркаса выполнено по два окна 16 с каждой стороны напротив полостей 7.

Полости 7, ячейки 15 и соответствующие им фрикционные элементы 8 имеют форму, выбранную из ряда: усеченный конус с основанием в форме круга Фиг.6 К или эллипса; усеченная пирамида с 3-6 боковыми стенками с основанием в форме треугольника, четырехугольника Фиг.6А, образующих «кирпичную кладку»; пятиугольника Фиг.6В, С, М, образующих контуры «открытых конвертов» и шестиугольника. Четырехугольники могут быть с прямыми, острыми или закругленными углами Фиг 6D, E, F.

Каркас колодки изготавливают металлургическим литьем чугуна, стали или иного сплава с твердостью не более 255НВ.

Фрикционные элементы, укладывают в литейную форму и заливают расплавом металла, что позволяет получить монолитную колодку с прочным и надежным закреплением фрикционных элементов.

Фрикционные элементы для колодки могут быть изготовлены из минералов, карбидов, силицидов, металлокерамики, различных металлов и их сплавов и других неорганических соединений. Также фрикционные элементы могут быть изготовлены из углепластика, фторопласта, термопласта и других полимеров с различными наполнителями.

Каркас колодки и перегородки выполняют сборными сварными, в полученные полости или ячейки засыпают композитный наполнитель, который спрессовывают и спекают с получением фрикционных вставок, одновременно с получением колодки. В качестве таких материалов используют фрикционный материал ТИИР-303 в смеси со стружкой чугуна.

В полученные полости или ячейки могут помещать композитный наполнитель, который отвердевает за счет химической реакции. Например, смесью жидкого стекла Na₂ SiO₃ с окисью алюминия Al ₂О₃ с последующим размещением в среде углекислого газа CO₂, при этом происходит затвердевание залитой смеси.

Технологии получения колодки обеспечивают полную монолитность тела колодки и фрикционных элементов, что обеспечивает не только надежность их закрепления, но и хороший отвод тепла.

Материалы, из которых изготавливают фрикционные элементы, обладают высокой термостойкостью и абразивность, обеспечивающие тормозной путь подвижного железнодорожного состава при скоростях движения до 360 км/ч в соответствии с нормами безопасности на железнодорожном транспорте Российской Федерации.

Кроме того, для колодки, представляющей собой монолит, нет необходимости в защите от атмосферных осадков и температурных воздействий окружающей среды.

Кроме того, зимой и летом состояние вставок контролируется визуально через окна в боковой поверхности каркаса.

Тормозная колодка выполнена из материалов, работающих при температуре до 1000°С.

Для фрикционных элементов используют материал с большей абразивностью, чем абразивность каркаса и перегородок.

Общая площадь поверхности трения фрикционных элементов составляет 85-95% от всей рабочей поверхности колодки, что обеспечивает эффективный режим торможения.

Фрикционные элементы на боковой поверхности имеют выступы, соответствующие окнам боковой поверхности каркаса. Эти окна позволяют следить за степенью износа фрикционных элементов, а также служат дополнительным креплением этих элементов в теле колодки.

Тормозная колодка при установке в тормозной башмак фиксируется клиновой чекой, опираясь на установочный выступ башмака колодки и опору чеки.

Работа тормозной колодки производится нажатием колодки к поверхности катания колеса подвижного железнодорожного состава, вследствие взаимодействия возникает упругопластическое трение.

Установочные размеры предлагаемой тормозной колодки соответствуют ГОСТ 1205-73, поэтому никаких дополнительных подгоночных работ или замены башмаков тормозных колодок на подвижном составе не требуется, при этом учтены необходимые размеры для монтажа эластичных элементов - листовой пружины и фторопластовой прокладки.

Вибрации, возникающие при взаимодействии колодки с колесом подвижного железнодорожного состава поглощаются гофрированной термостойкой фторопластовой прокладкой и пластинчатой пружиной, размещенными между телом колодки и ее башмаком. При этом обеспечивается плавный и мягкий подход тормозной колодки к рабочей поверхности колес и обратный отход, а также исключается резкое воздействие на трущиеся поверхности, что исключает возникновение трещин, выкрашивание и разрушение фрикционных элементов и каркаса колодки.

Усилие пластинчатой пружины превышает или равняется усилию нажатия колодочного башмака на колодку при торможении.

Колодка состоит не более чем из семи деталей, при размещении в колодке минимально четырех полостей с фрикционными элементами, гофрированной термостойкой фторопластовой прокладки пластинчатой пружины.

Форма фрикционных элементов в виде усеченных конусов и пирамид вместе с перегородками обеспечивают жесткую фиксацию фрикционных элементов по системе «ласточкин хвост». Кроме того, не требуется высокая точность посадки фрикционных элементов в тело колодки, т.к. эти элементы, имеющие грани системы «ласточкин хвост», заливаются расплавом металла и при затвердевании надежно фиксируют или спрессовывают сыпучие композиты в каркасе, имеющем в полостях боковые стенки и перегородки, расходящиеся под определенным углом и также образующие в сечении систему «ласточкин хвост» и спекаются непосредственно в каркасе колодки или отвердевают посредством химической реакции, что обеспечивает их монолитность.

Кроме того, в колодке отсутствуют резиновые или металлические спиральные и пластинчатые упругие элементы, размещенные в термонапряженных зонах внутри колодки, как в прототипе. Конструкция нашей колодки более прочная и надежная.

Небольшое количество деталей обеспечивает простоту сборки и конструкции колодки, поэтому ее изготовление легко автоматизируется.

Кроме того, заявленная колодка, не имея в конструкции никаких химически активных деталей, таких как резиновые упругие элементы, разлагающиеся при температуре 150°С и выше, является экологически чистой, т.е. без вредных выбросов в окружающую среду.

Таким образом, конструкция предложенной колодки обеспечивает эластичную подвеску колодки в колодочном башмаке, плавность взаимодействия колодки с сопряженной рабочей поверхностью колеса, что улучшает ее эксплуатационные свойства. Исключаются вибрации вызывающие разрушение тела колодки и фрикционных элементов, что обеспечивает высокую надежность тормозов, уменьшается шум при их работе. Конструкция обеспечивает надежность крепления фрикционных элементов в теле колодки, так как используется крепление по типу «ласточкин хвост» и форма фрикционных элементов в виде усеченных конусов и пирамид, развернутых меньшим основанием к рабочей поверхности колодки. Это также повышает надежность работы тормозов, так как при их истирании площадь фрикционных элементов увеличивается по отношении ко всей рабочей поверхности колодки.