Тормозные колодки. Особенности и перспективы их совершенствования

/ Литература / Автоматические тормоза подвижного состава / Тормозные колодки. Особенности и перспективы их совершенствования

Тормозные колодки (накладки) являются важнейшим элементом механической части тормоза. От них зависит эффективность торможения и это вызывает ряд серьезных требований к их качеству и характеристикам:

наличие стабильного и высокого коэффициента трения в широком диапазоне скоростей и сил нажатий;

минимальный износ на единицу тормозного пути для снижения объема работ по замене колодок на подвижном составе;

возможность длительных торможений без утраты фрикционных свойств;

отсутствие недопустимых тепловых и других воздействий на колесную пару или диск, повреждающих их поверхность;

неизменность фрикционных характеристик при попадании влаги на колодки;

простота установки при замене из-за износа или смены типа тормозных колодок;

исключение возникновения на поверхности колеса токонепро-водящих включений (третьего тела), а также снижающих коэффициент его сцепления с рельсами;

отсутствие вредных для человека продуктов износа и возможности самовозгорания колодок.

Тормозные колодки разделяют на категории по типу материала, из которого они сделаны, и форме исполнения. В соответствии с первой в нашей стране выпускаются три вида колодок: чугунные стандартные, композиционные и чугунные с повышенным содержанием фосфора (фосфористые), а в соответствии со второй: безгребневые, гребневые и секционные. Кроме того, в дисковых тормозах используются специальные накладки из чугуна.

Чугунные стандартные колодки применяют на пассажирских вагонах, обращающихся со скоростями до 120 км/ч, и локомотивах. К достоинствам этих фрикционных элементов относятся хороший отвод выделяющегося при торможении тепла и отсутствие влияния влаги на коэффициент трения. В то же время такие колодки имеют существенно нестабильный, коэффициент трения, снижающийся с ростом скорости. Это, в частности, приводит к необходимости применения на скоростном подвижном составе регуляторов сил нажатия колодок в зависимости от скорости движения. Кроме того, чугунные колодки быстро изнашиваются, что требует большого объема работ по замене и регулировке рычажных передач.

Композиционные тормозные колодки применяют на всех грузовых, а также на пассажирских вагонах, которые эксплуатируются при скоростях более 120 км/ч. Их изготавливают по определенной технологии из асбокаучуковых материалов с добавлением барида, сажи и вулканизирующего состава методом напрессовки на металлический каркас. Они в 3-5 раз более износостойки, чем чугунные, что соответственно снижает объем работ по замене и регулировке рычажных передач, и обладают повышенными стабильностью и величиной коэффициента трения относительно скорости движения. Это увеличивает тормозную эффективность поездов, облегчает ТРП и уменьшает расход сжатого воздуха, затраченного на торможение благодаря пониженным усилиям, развивающимся в ней, улучшает управляемость поездов и неистощимость их тормозных систем.

К недостаткам этих колодок относятся плохой отвод тепла и, как следствие, неблагоприятные температурные режимы на поверхности катания колес, вызывающие их повреждения в виде наваров, сдвигов металла, микротрещин и т. д. Их не применяют на бандажных (локомотивных) колесах по причине перегрева, ослабления и возможного сползания бандажа. Кроме этого, при увлажнении, особенно в зимний период из-за метелей и снегопадов, композиционные колодки увлажняются и обледеневают, что требует периодического включения тормозов для их просушивания.

Чугунные колодки с повышенным содержанием фосфора (до 1,5 %) на 25-30% более износостойки, чем стандартные, обладают более высоким и стабильным коэффициентом трения, но искрят при торможении. По этой причине их не применяют на подвижном составе с деревянными конструкциями и используют в основном на электропоездах.

Гребневые колодки применяют на локомотивах в том случае, если их из-за тягового оборудования невозможно соединить попарно триангелями или тормозными балками. Поскольку поверхность катания колес имеет конусообразный вид и при нажатии на колодку кроме нормальной возникает боковая сила, ее удерживают от сползания с помощью специального фигурного паза, который ложится на гребень колеса. Общий вид рассмотренных тормозных колодок и способы их крепления приведены на рис. 3.1-3.6.

Что касается характеристик тормозных колодок, то их целесообразно анализировать по крайней мере с двух позиций. Согласно первой коэффициенты трения тормозных колодок и сцепления колес с рельсами для наилучшего использования последнего без установки специальных регулирующих устройств должны изменяться одинаково во всем диапазоне скоростей движения.

Согласно второй позиции идеальной зависимостью коэффициента трения для перспективной тормозной колодки от скорости движения должна быть квадратичная, соответствующая аналогичному росту кинетической энергии. Это позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию подвижного состава при любых скоростях движения и на любых уклонах.

В соответствии с равенством (2.12) и выражениями (2.13), (2.14) получены формулы [13], позволяющие рассчитать оптимальные для первого случая зависимости коэффициентов трения

(3.17)

кг чг где фцр, Фкр - наилучшие по условиям реализации сцепления расчетные коэффициенты трения композиционных и чугунных тормозных колодок для грузовых поездов;

,.кп чп Фцр, Фкр - то же только для пассажирских поездов.

На рис. 3.10 показаны зависимости, описываемые приведенными выражениями. Анализируя их, можно отметить, что оба применяемых типа колодок не обеспечивают повышенной реализации наилучшего использования сцепления с противоюзными устройствами сцепления при неизменном нажатии во всем диапазоне скоростей. Рост последних приводит к неоптимальному завышению коэффициента трения для композиционных и чрезмерному занижению его для чугунных колодок.

Рис. 3.10. Расчетные коэффициенты трения композиционных (1, 2, 3) и чугунных (1*, 2*, 3*) тормозных колодок: 1,1* - для эксплуатируемых тормозных колодок; 2, 2* - оптимальные для грузовых поездов; 3, 3* - оптимальные для пассажирских поездов; 4 - для

Для перспективных пассажирских вагонов с учетом их оборудования противоюзньгми устройствами также найдена расчетная зависимость коэффициента трения от скорости V (рис. 3.10, кривая 4), оптимизирующая процесс торможения. Она позволяет при небольшом уменьшении сцепления предотвратить вход колес в юз и обеспечить тем самым высокую степень использования сцепления фкр =036-0,00005К. (3.18)

Для второго варианта на рис. 3.11 показаны зависимости тормозных сил Вт реализуемые колесной парой при неизменном нажатии чугунных, композиционных и идеальных тормозных колодок (кривые 1*, 1 и 2 соответственно). Кривая 3 определяет скатывающую силу уклона 1} (произведение нагрузки на величину спуска).

Рис. 3.11. График зависимости тормозных сил, реализуемых колесной парой, при неизменном иажатии тормозных колодок: 1,1* - соответственно для композиционных и чугунных колодок; 2 - для идеальных колодок; 3 - скатывающая сила уклона

Анализ этих зависимостей показывает, что при скоростях более 80 км/ч чугунные тормозные колодки (кривая 1*) не в состоянии снижать скорость подвижного состава на данном спуске, что приводит к так называемому разносному торможению. Композиционные колодки (кривая 1) обеспечивают большую эффективность, чем чугунные, и позволяют работать на более крутых спусках и с повышенными скоростями, но при определенных условиях также не гарантируют остановку.

В то же время перспективные тормозные колодки с идеализированными фрикционными свойствами увеличивают тормозную силу (кривая 2) с ростом скорости, что обеспечивает устойчивое торможение в любых ситуациях. Если тормозная сила становится чрезмерно большой и нарушается условие безъюзового торможения, то скорость колеса снижается, приводя к ее уменьшению и выходу из юза.

Подобной характеристикой (или близкой к ней) обладали деревянные тормозные колодки, испытания которых в 1930-е г. проводил Б.Л. Карвацкий [3]. Из-за низкой механической прочности и склонности с самовозгоранию на подвижном составе в настоящее время их не применяют. Учитывая то обстоятельство, что в ближайшее время создание колодок с указанными выше параметрами проблематично, скоростная нестабильность фрикционных материалов должна компенсироваться соответствующими устройствами, позволяющими изменять силу нажатия, например, специальным или встроенным в противоюзное устройство регулятором.

Кроме фрикционных свойств тормозных колодок, очень важными являются процессы их износа и тепловые режимы (будут рассмотрены в п. 7.3). Износ колодок в условиях эксплуатации существенно зависит от силы их нажатия, материала, вида и длительности торможения, регулировки рычажной передачи, положения колодки относительно поверхности катания колеса как в тормозном, так и в отпущенном состояниях и ряда других факторов. При этом величину износа за одно торможение АН можно рассчитать для чугунных колодок по следующей формуле [14]

где - геометрическая площадь трения колодок, действующих на колесо, м ,

ак - коэффициент распределения теплового потока в колодке (принять 0,2-0,3 при одностороннем нажатии, 0,35 и 0,45 при двустороннем нажатии соответственно одинарных и секционных колодок);

1 - продолжительность торможения, с Вт - средняя тормозная сила, действующая в течение времени торможения от колодок на колесо, Н;

V- средняя скорость движения, м/с;

У - коэффициент качества колодок (при соответствии требованиям стандарта У = 1).

Продолжительность торможения при заданных тормозном пути и средней скорости движения легко найти, а среднюю тормозную силу при известной нагрузке на ось (кН) и длительном торможении на спуске с учетом среднего удельного сопротивления движению вычислить по формуле где и>* - среднее удельное сопротивление движению (принять 2 Н/кН). ср

Критическое время непрерывного торможения ^ после которого наступает катастрофически быстрый износ чугунных тормозных колодок, определяется выражением [14]

(3.21)

Основываясь на приведенных выше формулах, можно оценить износ чугунных колодок, например, при следовании поезда со скоростями 40 и 50 км/ч по затяжному спуску крутизной 25 %о и длиной 20 км с нагрузкой на колесо 100 кН [14]. Расчеты показывают, что износ колодки при этих условиях составит соответственно 9,8 мм и 14,7 мм, а критическое время непрерывного торможения 3220 с и 2053 с (соответственно 53,7 мин и 34,2 мин).

Композиционные тормозные колодки имеют другие закономерности износа, при которых благодаря физико-механическим свойствам материала, в эксплуатации не достигаются условия катастрофического износа.

Минимальная толщина чугунных тормозных колодок на вагонах (но не менее 0,012 м) соответственно для равнинных и горных профилей с затяжными крутыми спусками рассчитывается по следующим формулам [14]

где 5* - общий путь, проходимый поездом в тормозном режиме (определяется по скоростемерным лентам), км; п

- сумма произведений длин участков пути в километрах на их

/=1

уклон в тысячных.

Износ чугунных тормозных колодок по толщине (м) на протяженном участке с затяжными спусками можно определить по формуле [14]

п где £ Ы - сумма произведений длин (км) всех участков пути со спуском, 1=1

по которым следует поезд, на величину спуска.

Для грузовых груженых вагонов с односторонним нажатием колодок А - 0,03; для пассажирских с двухсторонним нажатием одинарных колодок А = 0,01, секционных (двойных) колодок А = 0,008.

Минимальная толщина композиционных тормозных колодок составляет 0,014 м и в связи с их большей износостойкостью, чем чугунных, обеспечивает нормальную работу тормоза при любых плечах.

В последние годы стали появляться экспериментальные колодки с включением керамики, бронзы и других материалов, однако они пока не вышли в серийную эксплуатацию. Дальнейшее совершенствование тормозных колодок будет происходить в направлении улучшения их теплопередающих свойств и стабильности характеристик трения, понижения износа и совершенствования ряда других качеств в соответствии с приведенными в начале этого раздела требованиями.

⇐ | Основные характеристики ТРП и расчетная система нажатий | | Автоматические тормоза подвижного состава | | Автоматические регуляторы ТРП и их приводы | ⇒