Композиционная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, образующая при трибосопряжении наночастицы

Изобретение относится к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств, работающим в трибосопряжении с поверхностью качения колеса. Колодка железнодорожного транспортного средства включает металлический каркас и теплопроводный композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители. В полимерной матрице дополнительно размещены частицы низкокремнистого ферросилиция и частицы высококремнистого ферросилиция. Достигается повышение эксплуатационных характеристик колодки за счет придания ей «колесосберегающего» эффекта за счет введения в колодку теплопроводных элементов, способных образовывать при трибосопряжении частицы, вплоть до наноразмерных, оказывающих очищающее и полирующее воздействие на поверхность качения колеса.

 

Заявляемое изобретение относится к тормозным колодкам железнодорожных транспортных средств, например тормозным колодкам пассажирских и грузовых вагонов, электропоездов, локомотивов и другого рельсового транспорта, работающим в трибосопряжении с поверхностью качения колеса.

Аналогом заявляемого изобретения является композиционная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, включающая металлический каркас и композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители (см. Б.А. Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М., «Химия», 1982, с. 15). Существенные признаки аналога «металлический каркас, композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком аналога являются низкие эксплуатационные характеристики колодки из-за ее неспособности противостоять развитию термических трещин на поверхности качения колес, возможность неравномерного износа (кольцевые «выработки») поверхности качения колес, повышенный прокат поверхности качения колес, переход металла с колеса на поверхность трения тормозной колодки, снижение тормозной эффективности при попадании воды и льда в зону трибосопряжения.

Другим аналогом заявляемого изобретения является тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, образующая в процессе трибосопряжения абразивные наночастицы, содержащая металлический каркас, композиционный фрикционный элемент и вставку из кремнистого чугуна с содержанием кремния от 5,0 до 7,5% (см. патент РФ №2563526, МПК В61Н 1/00, 2015 г.). Существенные признаки аналога «металлический каркас, композиционный фрикционный элемент» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком другого аналога является сложность изготовления колодки, обусловленная наличием в ее конструкции чугунной вставки, длительный период приработки колодок к поверхностям качения колес, уже бывших в эксплуатации (сменные колодки), недостаточная гибкость колодки и неравномерность тепловых потоков по телу колодки (чугун значительно более теплопроводен, чем полимерный композит), приводящие к ее деформациям вплоть до растрескивания и разрушения. Кроме того, чугун - хрупкий металл, и при ударных нагрузках в процессе эксплуатации, а также при монтаже колодок, может трескаться и разрушаться.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является композиционная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, включающая металлический каркас и теплопроводный композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители, в том числе частицы скрытокристаллического и кристаллического графита (см. Б.А. Ширяев. Производство тормозных колодок из композиционных материалов для железнодорожных вагонов. М., «Химия», 1982, с. 16). Существенные признаки наиболее близкого аналога «металлический каркас, высокотеплопроводный композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком наиболее близкого аналога являются недостаточные эксплуатационные характеристики колодки из-за отсутствия возможности «заглаживания» термических трещин, ползунов и наваров на поверхности качения колес, в том числе и путем их заполнения металлом («колесосберегающий» эффект, заключающийся в очищающем, полирующем и «лечебном» воздействии колодки на колесо), а также из-за недостаточной тормозной эффективности колодок при попадании воды в зону трибосопряжения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик колодки за счет придания ей «колесосберегающего» эффекта за счет введения в колодку теплопроводных элементов, способных образовывать при трибосопряжении частицы, вплоть до наноразмерных, оказывающих очищающее, полирующее и «лечебное» воздействие на поверхность качения колеса.

Для достижения указанного технического результата в композиционной тормозной колодке железнодорожного транспортного средства, образующей при трибосопряжении наночастицы, включающей металлический каркас и теплопроводный композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители, в полимерной матрице дополнительно размещены частицы низкокремнистого ферросилиция и высококремнистого ферросилиция.

Существенные признаки заявляемого изобретения «в полимерной матрице дополнительно размещены частицы низкокремнистого ферросилиция и высококремнистого ферросилиция» являются отличительными от признаков наиболее близкого аналога.

Композиционная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, образующая при трибосопряжении наночастицы, включает металлический каркас, например стальной сетчато-проволочный или штампованный, и полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из макрогетерофазного материала (композита). Матрица полимерного композита выполнена из вулканизата каучука, например СКД. В матрице размещены дисперсные волокнистые армирующие компоненты, например асбест, и различные дисперсные компоненты, в том числе частицы низкокремнистого ферросилиция, представляющего собой смесь моносилицида железа и чистого железа, и частицы высококремнистого ферросилиция, представляющего собой смесь моносилицида железа и чистого кремния.

Изготавливаться заявляемая колодка может известными методами.

Конкретным примером заявляемого изобретения является композиционная тормозная колодка железнодорожного транспортного средства, выполненная из полимерного композита, включающего ≈27% полимерной матрицы из вулканизата каучука СКД, ≈25% частиц ферросилиция ФС20, ≈25% частиц ферросилиция ФС90, а также асбестовое волокно, технический углерод и другие наполнители.

Поскольку в трибосопряжении на поверхности фрикционного элемента колодки, контактирующей с поверхностью качения колеса, образуется обладающий пониженной прочностью сильно разогретый поверхностный слой, имеющий гетерогенную структуру и характеризующийся положительным перепадом механических свойств по глубине, в нем инфильтруется кремний, который вступает в реакцию с углеродом (техуглеродом, графитом, углеродом полимерной матрицы), образуя частицы карбида кремния разного размера, в том числе и наноразмерные. Также кремний вступает в реакцию с кислородом, образуя частицы (в том числе наноразмерные) двуокиси кремния. Обладая абразивными свойствами, эти частицы карбида кремния и двуокиси кремния оказывают очищающее и полирующее воздействие на поверхность колеса. Одновременно из-за связывания кислорода осуществляется обескислороживание (раскисление) поверхностного слоя трибосопряжения, снижающее износ поверхности качения колеса. Имеющееся чистое железо заполняет микротрещины поверхности качения колеса (как бы «заваривает» их), а моносилицид железа, являющийся хрупким и твердым полуметаллом, способствует разрушению аквапленок на поверхностях трения, что повышает тормозную эффективность колодки при попадании воды. Высокая теплопроводность фрикционного элемента, обусловленная наличием в нем ферросилиция, противодействует обледенению колодки.

В результате улучшаются эксплуатационные характеристики колодки, проявляется выраженный «колесосберегающий» эффект.

Колодка железнодорожного транспортного средства, образующая при трибосопряжении наночастицы, включающая металлический каркас и теплопроводный композиционный фрикционный элемент с полимерной матрицей из вулканизата каучука, в которой размещены дисперсные и волокнистые наполнители, отличающаяся тем, что в полимерной матрице дополнительно размещены частицы низкокремнистого ферросилиция и частицы высококремнистого ферросилиция.