RU176377U1

RU176377U1 - FRICTION ELEMENT FOR FRICTION CLUTCH OF ARROW ELECTRIC DRIVE

Info

Publication number: RU176377U1
Application number: RU2016126797U
Authority: RU
Inventors: Валерий Сергеевич Фадеев; Олег Викторович Штанов; Николай Михайлович Паладин; Александр Викторович Конаков; Анна Алексеевна Афанасьева
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Информационные технологии" (ООО "ИнфоТех")
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-17

Abstract

Полезная модель относится к фрикционным муфтам с металлокерамическими фрикционными элементами стрелочных электроприводов железнодорожных стрелочных переводов. Фрикционный элемент выполнен в форме призмы высотой 4,8 мм с основанием в виде равностороннего треугольника с закругленными углами, образованного тремя дугами радиусом 5 мм, проведенными из вершин равностороннего треугольника со стороной 2,31 мм и высотой 2,0 мм, и касательным к этим дугам, из пропитанного авиационным гидравлическим маслом металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, имеющего открытую пористость 15-20%, твердость по Бринеллю НВ не менее 600 МПа, плотность 5,45-5,85 г/см, относительную осадку не менее 12%, и масловпитываемость 1-4%, и который содержит медь, барит, окись кремния, графит и железо. Обеспечивается повышение износостойкости фрикционных элементов и повышение стабильности коэффициента трения при изменении условий нагружения.The invention relates to friction couplings with cermet friction elements of railroad railroad switches. The friction element is made in the form of a 4.8 mm high prism with a base in the form of an equilateral triangle with rounded corners, formed by three arcs with a radius of 5 mm, drawn from the vertices of an equilateral triangle with a side of 2.31 mm and a height of 2.0 mm, and tangent to these arcs made of ceramic-metal frictional self-lubricating material impregnated with aviation hydraulic oil having an open porosity of 15-20%, HB Brinell hardness of at least 600 MPa, density of 5.45-5.85 g / cm, relative precipitation of at least 12%, and oil fatigability of 1-4%, and which contains copper, barite, silicon oxide, graphite and iron. EFFECT: increased wear resistance of friction elements and increased stability of the friction coefficient under changing loading conditions.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к тормозным и фрикционных устройствам, в частности к фрикционным муфтам с металлокерамическими фрикционными элементами, стрелочных электроприводов железнодорожных стрелочных переводов.The utility model relates to mechanical engineering, in particular to brake and friction devices, in particular to friction clutches with cermet friction elements, switch electric drives of railway turnouts.

Уровень техники известен из патента RU №2220026, МПК B22F 3/16 «Способ изготовления фрикционных изделий», в котором фрикционный элемент для фрикционной муфты стрелочного электропривода выполнен из износостойкого металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала в форме призмы высотой 6,0-9,0 мм с основанием в виде равностороннего треугольника с закругленными углами, содержащего, мас. доли: меди - 1-3%, окись кремния - 2-5,0%, графита - 2-5%, никель - 0,05%, остальное - железо, имеющий пористость 28-30% и твердость по Бринеллю НВ 380 МПа. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.The prior art is known from patent RU No. 2220026, IPC B22F 3/16 “Method for the production of friction products”, in which the friction element for the friction clutch of the pointer electric drive is made of wear-resistant cermet friction self-lubricating material in the form of a prism of 6.0–9.0 mm high the base in the form of an equilateral triangle with rounded corners, containing, by weight. fractions: copper - 1-3%, silicon oxide - 2-5.0%, graphite - 2-5%, nickel - 0.05%, the rest is iron having a porosity of 28-30% and Brinell hardness HB 380 MPa . This technical solution was made as a prototype.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что не определены и не оптимизированы износостойкие свойства фрикционного элемента, отвечающие, в полной мере, требованиям, которыми должны удовлетворять фрикционные элементы фрикционных муфт стрелочных электроприводов. Так фрикционные элементы не оптимизированы по геометрическим размерам, форме контактного элемента, по материалу, его структуре и физико-механическим свойствам. Завышенная высота фрикционных элементов и не оптимизированная форма контактной поверхности, влияют на показатель параметра скольжения (pv), что приводит к возникновению вибраций в муфте, при этом резко изменяется коэффициент трения и снижается усилие перевода остряков стрелочного электропривода. Низкие показатели физико-механических свойств по твердости и пористости обуславливают не высокую износостойкость фрикционных элементов, а главное, отсутствует стабильность фрикционных свойств во время фрикции при различных температурах эксплуатации.The disadvantage of this technical solution is that the wear-resistant properties of the friction element are not defined and optimized that fully meet the requirements that the friction elements of the friction clutches of switch actuators must satisfy. So friction elements are not optimized in geometric dimensions, the shape of the contact element, the material, its structure and physico-mechanical properties. The overestimated height of the friction elements and the not optimized shape of the contact surface affect the index of the slip parameter (pv), which leads to vibrations in the clutch, while the friction coefficient changes sharply and the translation force of the switch points of the electric drive decreases. Low physical and mechanical properties in terms of hardness and porosity do not cause high wear resistance of friction elements, and most importantly, there is no stability of friction properties during friction at various operating temperatures.

Задача предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности работы стрелочного электропривода и безопасности движения подвижного состава, железных дорог.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of the switch electric drive and the safety of the rolling stock, railways.

При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении износостойкости фрикционных элементов и повышение стабильности коэффициента трения при изменении условий нагружения.When solving this problem, a technical result is achieved, consisting in increasing the wear resistance of friction elements and increasing the stability of the friction coefficient when changing loading conditions.

Технический результат достигается фрикционным элементом для фрикционной муфты стрелочного электропривода, выполненным в форме призмы высотой 4,8 мм с основанием в виде равностороннего треугольника с закругленными углами, образованного тремя дугами радиусом 5 мм, проведенными из вершин равностороннего треугольника со стороной 2,31 мм и высотой 2,0 мм, и касательным к этим дугам, из пропитанного авиационным гидравлическим маслом металлокерамического фрикционного самосмазывающегося материала, имеющего открытую пористость 15-20%, твердость по Бринеллю НВ не менее 600 МПа, плотность 5,45-5,85 г/см³, относительную осадку не менее 12%, и масловпитываемость 1-4%, и который содержит медь, барит, окись кремния, графит и железо при следующем содержании компонентов, мас.%:The technical result is achieved by a friction element for a friction clutch of a pointer electric drive, made in the form of a prism 4.8 mm high with a base in the form of an equilateral triangle with rounded corners, formed by three arcs with a radius of 5 mm, drawn from the vertices of an equilateral triangle with a side of 2.31 mm and a height 2.0 mm, and tangent to these arcs, made of metal-ceramic friction self-lubricating material impregnated with aviation hydraulic oil, having an open porosity of 15-20%, hardness Brinell HB is not less than 600 MPa, density 5.45-5.85 g / cm ³ , relative precipitation not less than 12%, and oil absorption 1-4%, and which contains copper, barite, silicon oxide, graphite and iron at the following content components, wt.%:

МедьCopper 10,5-17,510.5-17.5 БаритBarite 2,0-5,22.0-5.2 Окись кремнияSilicon oxide 2-5,02-5.0 ГрафитGraphite 2-52-5 ЖелезоIron ОстальноеRest

Кроме этого металлокерамический фрикционный самосмазывающийся материал пропитан авиационным гидравлическим маслом марки АМГ-10 ГОСТ 6794 или ВМГЗ ТУ 38.101479 в вакууме с абсолютным давлением не более 1000 Па (75 мм. рт.ст.), металлокерамический материал имеет крупнозернистую структуру с размером зерна 10-180 мкм, не менее 70% которых находится в пределах 25-75 мкм, состоит из зернистого перлита с включениями до 20% пластинчатого перлита и феррита, имеет межзеренную и внутизеренную пористость, по границам зерен распределены включения графита, окиси кремния, сульфидов, меди и цементита в виде разорванной сетки, причем медь распределена как по границе зерен, так и внутри зерен.In addition, the cermet friction self-lubricating material is impregnated with aviation hydraulic oil of the AMG-10 grade GOST 6794 or VMGZ TU 38.101479 in vacuum with an absolute pressure of not more than 1000 Pa (75 mm Hg), the cermet material has a coarse-grained structure with a grain size of 10-180 microns, at least 70% of which is in the range of 25-75 microns, consists of granular perlite with inclusions of up to 20% lamellar perlite and ferrite, has intergranular and internal grain porosity, inclusions of graphite, silicon oxide are distributed along the grain boundaries , Sulphides of copper and cementite in the form of broken meshes, wherein the copper is distributed both on grain boundaries and within grains.

Выполнение контактной поверхности в виде равностороннего треугольника с закругленными углами дугами радиусом 5 мм, проведенными из вершин равностороннего треугольника и касательными к дугам, при этом сторона треугольника ровна 2,31 мм, а высота 2,0 мм, и высоте призмы ровна 4,8 мм позволили оптимизировать фрикционный элемент по допустимому удельному давлению [p], определяющего износостойкость фрикционных элементов и по произведению удельного давления на скорость скольжения [pv], характеризующего нагрев контактной поверхности; где p - удельное давление, МПа; v - скорость скольжения, м/с. Значения [p] и [pv] так же зависят от материала фрикционного элемента. Учитывая важность фрикционного узла, обеспечивающего безопасность работы стрелочного электропривода, при разработке фрикционных элементов, допустимые значении указанных параметров принимались из условия не ниже [р]=10МПа, и [pv]=10МПа м/с. Такие параметры материала позволили компенсировать различный нагрев температуры фрикционного элемента по площади контактного элемента при различной скорости скольжения на отдельных контактных участках, что позволило повысить стабильность коэффициента трения. Металлокерамический материал содержит повышенное содержание меди - 14,5-15,5%, и барита - 3,0-3,2%, имеет пониженную открытую пористость 15-20%, повышенную твердость по Бринеллю НВ не менее 600 МПа и плотность 5,45-5,85 г/см³, относительную осадку 12%, и масловпитываемость 1-4%, что делает фрикционный элемент более прочным и износостойким. Исполнение элемента более компактным по площади и более жестким по высоте, при наличии в составе материала повышенного содержания меди значительно повысили параметр pv, что позволило добиться устойчивой работы фрикционной муфты, при отсутствии вибраций и высокой стабильности фрикционных свойств при изменении удельного давления на фрикционный элемент.The execution of the contact surface in the form of an equilateral triangle with rounded corners with arcs of 5 mm radius, drawn from the vertices of an equilateral triangle and tangent to the arcs, while the side of the triangle is 2.31 mm and the height of 2.0 mm and the height of the prism is 4.8 mm made it possible to optimize the friction element by the allowable specific pressure [p], which determines the wear resistance of the friction elements and by the product of the specific pressure and sliding velocity [pv], which characterizes the heating of the contact surface; where p is the specific pressure, MPa; v is the sliding velocity, m / s. The values of [p] and [pv] also depend on the material of the friction element. Given the importance of the friction unit, ensuring the safety of the switch electric drive, when developing friction elements, the permissible values of these parameters were taken from the conditions not lower than [p] = 10MPa, and [pv] = 10MPa m / s. Such material parameters made it possible to compensate for the different heating of the temperature of the friction element over the area of the contact element at different sliding speeds in individual contact areas, which made it possible to increase the stability of the friction coefficient. Ceramic-metal material contains a high content of copper - 14.5-15.5%, and barite - 3.0-3.2%, has a reduced open porosity of 15-20%, increased Brinell hardness HB of at least 600 MPa and a density of 5, 45-5.85 g / cm ³ , relative precipitation 12%, and oil absorption 1-4%, which makes the friction element more durable and wear-resistant. The design of the element is more compact in area and more rigid in height, in the presence of an increased copper content in the material, the parameter pv is significantly increased, which made it possible to achieve stable operation of the friction clutch, in the absence of vibrations and high stability of friction properties when the specific pressure on the friction element changes.

Механические испытания проводили на специальном стенде с электроприводом СП-6. Фрикционная муфта оснащалась фрикционными элементами, двух вариантов, один по варианту прототипа и второй по предлагаемому варианту. Максимальное усилие для перевода рабочего шибера, и удержания шибера в рабочем положении при замыкании стрелочного привода кН (кгс), развиваемое электроприводом постоянного тока типа МСП-0,25 при номинальном напряжении 160 В было на мене 6 кН (600 кгс), что соответствовало нормативной документации на стрелочный привод типа СП-6. Электродвигатель через соединительную муфту, редуктор, фрикционную муфту и зубчатое зацепления колеса и зубьев шибера передавал усилие на шибер. Шибер упирался в датчик силы. Измеряли, одновременно, силу тока при работе электродвигателя на фрикцию, при выдвинутом шибере, и усилие не датчике, которое создавал шибер в процессе фрикции. При втянутом шибере измеряли только силу тока при работе электродвигателя на фрикцию. Усилия нагружения фрикционной муфты проводили с помощью тарельчатых пружин. Тарельчатые пружины сжимали с помощь нагрузочной гаки. Нагрузку осуществляли ступенчато, после каждого испытания, увеличивая по одному шагу. По условию эксперимента один шаг нагрузочной гаки создавал усилия на шибере на боле 1 кН (100 кгс). С каждым шагом общая нагрузка сжатия фрикционных дисков увеличивалась. Процесс фрикции проводили в течение 10 с, фиксировали усилия на шибере в зависимости от шага нагружения и силы тока на двигателе. Фиксировали минимальные и максимальные значения силы тока, определяли разброс значений тока от среднего значения в процентах. Именно такая характеристика фрикционной муфты контролируется согласно техническим условиям.Mechanical tests were carried out on a special bench with an electric drive SP-6. The friction clutch was equipped with friction elements, two options, one according to the prototype and the second according to the proposed option. The maximum effort to translate the working gate, and to keep the gate in the working position when the switch drive kN (kgf) is closed, developed by the direct current drive type MSP-0.25 at a rated voltage of 160 V was less than 6 kN (600 kgf), which corresponded to the normative documentation for switch drive type SP-6. The electric motor transmitted the force to the gate through the coupling, gearbox, friction clutch, and gearing of the wheel and the teeth of the gate. The gate rested on the force sensor. At the same time, the current was measured when the electric motor was operating on friction, with the gate extended, and the force was not on the sensor that created the gate during the friction. When the gate was retracted, only the amperage was measured when the electric motor was operating on friction. The friction clutch loading efforts were carried out using cup springs. Belleville springs were compressed using a load hook. The load was carried out stepwise, after each test, increasing by one step. According to the condition of the experiment, one step of the loading hook created forces on the gate on a bolt of 1 kN (100 kgf). With each step, the total compression load of the friction discs increased. The friction process was carried out for 10 s, the efforts on the gate were fixed depending on the loading step and the current strength on the engine. The minimum and maximum values of the current were fixed, the spread of the current values from the average value in percent was determined. It is this characteristic of the friction clutch that is controlled according to the technical conditions.

На фиг. 1 представлена зависимость усилия на шибере (1) и отклонение в % (2) силы тока на двигателе стрелочного привода для прототипа. Усилия нагружения фрикционной муфты проводили ступенчато по одному шагу с помощью нагрузочной гайки. Один шаг нагрузочной гаки создавал усилия на шибере на боле 1 кН (100 кгс)In FIG. 1 shows the dependence of the force on the gate (1) and the deviation in% (2) of the current on the switch motor for the prototype. The loading efforts of the friction clutch were carried out stepwise in one step using a load nut. One step of the load hook created forces on the gate on a bolt of 1 kN (100 kgf)

На фиг. 2 представлена зависимость усилия на шибере (1) и отклонение в % (2) силы тока на двигателе стрелочного привода для предлагаемого технического решения. Усилия нагружения фрикционной муфты проводили ступенчато по одному шагу с помощью нагрузочной гайки. Один шаг нагрузочной гаки создавал усилия на шибере на боле 1 кН (100 кгс).In FIG. 2 shows the dependence of the force on the gate (1) and the deviation in% (2) of the current on the switch motor for the proposed technical solution. The loading efforts of the friction clutch were carried out stepwise in one step using a load nut. One step of the load hook created forces on the gate on a bolt of 1 kN (100 kgf).

Исследования фрикционных свойств фрикционного элемента проводили по стали 65Г ГОСТ 2283-79. Стабильность коэффициента трения оценивали по проценту разброса значений тока при фрикции муфты. Из представленных зависимостей 1 на фиг. 1 и на фиг. 2 видно, что зависимость усилия на шибере от усилия нагружения муфты (чем больше значение шага, тем больше сжатие тарельчатых пружин и сжатие фрикционных дисков муфты), линейна и коэффициент трения постоянен. Однако зависимости 2 на фиг. 1 и на фиг. 2 показывают, что данный коэффициент трения не стабилен. Причем большую нестабильность (близкую к максимально допустимым значениям) имеют фрикционные элементы по варианту прототипа. Проведенные испытания на износостойкость показали, что фрикционные элементы по предлагаемому техническому решению имеют износостойкость в два раза выше по сравнению с прототипом, что и позволило значительно сократить высоту элемента и уйти от негативных явлений вибрации.Studies of the frictional properties of the friction element were carried out on steel 65G GOST 2283-79. The stability of the coefficient of friction was estimated by the percentage of the scatter of the current values during clutch friction. From the presented dependencies 1 in FIG. 1 and in FIG. Figure 2 shows that the dependence of the force on the gate on the load of the coupling (the larger the step, the greater the compression of the disk springs and the compression of the friction discs of the coupling) is linear and the friction coefficient is constant. However, dependencies 2 in FIG. 1 and in FIG. 2 show that this coefficient of friction is not stable. Moreover, greater instability (close to the maximum allowable values) are frictional elements according to the prototype. The tests on wear resistance showed that the friction elements according to the proposed technical solution have wear resistance two times higher compared to the prototype, which allowed to significantly reduce the height of the element and get away from the negative effects of vibration.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков фрикционного элемента обеспечивает повышение износостойкости материала и стабильность коэффициента трения.Thus, the claimed combination of features of the friction element provides increased wear resistance of the material and the stability of the coefficient of friction.

Подготовлена опытная партия фрикционных элементов для установки в фрикционные муфты, для проведения производственных испытаний на различных железных дорогах РФ.An experimental batch of friction elements has been prepared for installation in friction clutches, for conducting production tests on various railways of the Russian Federation.

Claims

1. Friction element for a friction clutch of an arrow electric drive, characterized in that it is made in the form of a prism 4.8 mm high with a base in the form of an equilateral triangle with rounded corners, formed by three arcs with a radius of 5 mm, drawn from the vertices of an equilateral triangle with side 2, 31 mm and a height of 2.0 mm, and tangent to these arcs, of ceramic-metal friction self-lubricating material impregnated with aviation hydraulic oil, having an open porosity of 15-20%, Brinell hardness HB is not less than 600 MPa, density 5.45-5.85 g / cm ³ , relative precipitation of at least 12% and oil absorption of 1-4%, and which contains copper, barite, silicon oxide, graphite and iron in the following components, wt. %:

copper 10.5-17.5 barite 2.0-5.2 silicon oxide 2-5.0 graphite 2-5 iron rest

2. The friction element according to claim 1, characterized in that the ceramic-metal friction self-lubricating material is impregnated with aviation hydraulic oil of the grade AMG-10 GOST 6794 or VMGZ TU 38.101479 in vacuum with an absolute pressure of not more than 1000 Pa (75 mm Hg).

3. The friction element according to claim 1, characterized in that the cermet material has a coarse-grained structure with a grain size of 10-180 μm, at least 70% of which is within 25-75 μm, consists of granular perlite with inclusions of up to 20% plate perlite and ferrite, has intergranular and intragranular porosity, inclusions of graphite, silicon oxide, sulfides, copper and cementite in the form of a broken mesh are distributed along the grain boundaries, and copper is distributed along the grain boundary and inside the grains.