RU2653222C2

RU2653222C2 - Composition brake of railway vehicles, formed under nanoparticle tribocoupling

Info

Publication number: RU2653222C2
Application number: RU2016142964A
Authority: RU
Inventors: Михаил Захарович Левит; Евгений Григорьевич Пивень
Original assignee: Акционерное общество "Термостойкие изделия и инженерные разработки" (АО "ТИИР")
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-07
Also published as: RU2016142964A3; RU2016142964A

Abstract

FIELD: transportation.

SUBSTANCE: invention relates to brake shoes of railway vehicles operating in tribocoupling with the rolling surface of a wheel. Railroad vehicle shoe includes a metal frame and a thermally conductive composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate in which dispersed and fibrous fillers are disposed. Polymer matrix additionally contains particles of low-silica ferrosilicon and particles of high-silica ferrosilicon.

EFFECT: increase in the performance characteristics of the shoe due to giving it a "wheel-saving" effect due to the introduction of heat-conducting elements into the shoe, capable of forming particles with tribocoupling, up to nano-sized, providing a cleaning and polishing effect on the rolling surface of the wheel.

1 cl

Description

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.The claimed invention relates to brake pads of railway vehicles, for example brake pads of passenger and freight cars, electric trains, locomotives and other rail vehicles operating in tribological conjugation with the rolling surface of the wheel.

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.An analogue of the claimed invention is a composite brake shoe of a railway vehicle, including a metal frame and a composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers are placed (see B. A. Shiryaev. Production of brake shoes from composite materials for railway cars . M., "Chemistry", 1982, p. 15). The essential features of the analogue "metal frame, a composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers are placed" coincide with the essential features of the claimed invention.

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.The disadvantage of the analogue is the low performance of the block due to its inability to resist the development of thermal cracks on the rolling surface of the wheels, the possibility of uneven wear (ring "workings") of the rolling surface of the wheels, increased rolling of the rolling surface of the wheels, the transition of metal from the wheel to the friction surface of the brake pad, decrease in braking efficiency when water and ice get into the tribo-conjugation zone.

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.Another analogue of the claimed invention is a brake shoe of a railway vehicle, which forms abrasive nanoparticles containing a metal frame, a composite friction element and an insert made of silicon cast iron with silicon content from 5.0 to 7.5% during tribo-conjugation (see RF patent No. 2563526, IPC B61H 1/00, 2015). The essential features of the analogue "metal frame, composite friction element" coincide with the essential features of the claimed invention.

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.The disadvantage of another analogue is the complexity of the manufacture of the block, due to the presence of a cast-iron insert in its design, the long run-in period of the blocks to the rolling surfaces of the wheels that were already in use (replaceable blocks), the lack of flexibility of the block and the uneven heat fluxes over the block body (cast iron is much more heat-conducting than a polymer composite), leading to its deformation up to cracking and fracture. In addition, cast iron is a brittle metal, and under shock loads during operation, as well as during the installation of blocks, it can crack and collapse.

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.The closest analogue of the claimed invention is a composite brake shoe of a railway vehicle, including a metal frame and a heat-conducting composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers, including cryptocrystalline and crystalline graphite particles, are placed (see B.A. Shiryaev. Production of brake pads from composite materials for railway cars. M., "Chemistry", 1982, S. 16). The essential features of the closest analogue "metal frame, highly conductive composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers are placed" coincide with the essential features of the claimed invention.

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.The disadvantage of the closest analogue is the lack of performance of the pads due to the lack of the ability to "smooth out" thermal cracks, sliders and welds on the rolling surface of the wheels, including by filling them with metal (the "wheel-saving" effect, which consists in cleaning, polishing and "medical »The impact of the pads on the wheel), as well as due to the insufficient braking efficiency of the pads when water enters the tribological interface.

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.The task to which the claimed invention is directed is to increase the operational characteristics of the block by imparting a “wheel-saving” effect to it by introducing heat-conducting elements into the block that can form particles during tribological conjugation, up to nanoscale, which have a cleaning, polishing and “healing” effect on wheel rolling surface.

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.To achieve the specified technical result, in the composite brake shoe of a railway vehicle, which forms a nanoparticle during tribological conjugation, including a metal frame and a heat-conducting composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers are placed, particles of low-silicon ferrosilicon are additionally placed in the polymer matrix and high silicon ferrosilicon.

Существенные признаки заявляемого изобретения «в полимерной матрице дополнительно размещены частицы низкокремнистого ферросилиция и высококремнистого ферросилиция» являются отличительными от признаков наиболее близкого аналога.The essential features of the claimed invention “particles of low-silicon ferrosilicon and high-silicon ferrosilicon are additionally placed in the polymer matrix” are distinctive from the characteristics of the closest analogue.

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.The composite brake shoe of a railway vehicle, which forms nanoparticles during tribological conjugation, includes a metal frame, for example, a steel wire mesh or stamped, and a polymer composite friction element made of macroheterophase material (composite). The matrix of the polymer composite is made of rubber vulcanizate, for example SKD. The matrix contains dispersed fibrous reinforcing components, such as asbestos, and various dispersed components, including particles of low-silicon ferrosilicon, which is a mixture of iron monosilicide and pure iron, and particles of high-silicon ferrosilicon, which is a mixture of iron monosilicide and pure silicon.

Изготавливаться заявляемая колодка может известными методами.The claimed block can be made by known methods.

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.A specific example of the claimed invention is a composite brake shoe of a railway vehicle made of a polymer composite comprising ≈27% of a polymer matrix of rubber vulcanizate SKD, ≈25% of FS20 ferrosilicon particles, ≈25% of FS90 ferrosilicon particles, as well as asbestos fiber, carbon black and other fillers.

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.Since in the tribological conjugation on the surface of the friction element of the block in contact with the rolling surface of the wheel, a strongly heated surface layer is formed having a reduced strength, having a heterogeneous structure and characterized by a positive difference in mechanical properties in depth, silicon is infiltrated in it, which reacts with carbon (carbon black, graphite, carbon polymer matrix), forming particles of silicon carbide of different sizes, including nanoscale. Silicon also reacts with oxygen to form particles (including nanoscale) of silicon dioxide. With abrasive properties, these particles of silicon carbide and silicon dioxide have a cleaning and polishing effect on the surface of the wheel. At the same time, due to the binding of oxygen, deoxygenation (deoxidation) of the surface layer of tribological conjugation is carried out, which reduces wear on the rolling surface of the wheel. The available pure iron fills the microcracks of the rolling surface of the wheel (as it were, “brews” them), and the iron monosilicide, which is a brittle and hard semimetal, contributes to the destruction of aqua films on the friction surfaces, which increases the brake efficiency of the block when water enters. The high thermal conductivity of the friction element, due to the presence of ferrosilicon in it, counteracts the icing of the pads.

В результате улучшаются эксплуатационные характеристики колодки, проявляется выраженный «колесосберегающий» эффект.As a result, the operational characteristics of the pads are improved, a pronounced "wheel-saving" effect is manifested.

Claims

A railway vehicle block, which forms a nanoparticle during tribological conjugation, including a metal frame and a heat-conducting composite friction element with a polymer matrix of rubber vulcanizate, in which dispersed and fibrous fillers are placed, characterized in that particles of low-silicon ferrosilicon and high-silicon ferrosilicon particles are placed in the polymer matrix.