автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка рациональной конструкции блока дискового тормоза для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов

! ; Ч/

Мошков Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ БЛОКА ДИСКОВОГО ТОРМОЗА ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ГРУЗОВЫХ И ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014 г. 005554085

3 О ОКТ 2014

005554085

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ)

Научный руководитель

Карпычев Владимир Александрович, доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Галай Эдуард Иванович, доктор технических

наук, доцент, учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», отраслевая научно-

исследовательская лаборатория «Тормозные системы подвижного состава», заведующий;

Синицын Владимир Владимирович, кандидат технических наук, ЗАО «Управляющая компания Брянский машиностроительный завод», отдел конструкторского по вагоностроению инженерного центра, ведущий инженер-конструктор

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет»

Защита состоится 22 декабря 2014г., в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Ведущая организация

Автореферат разослан «¿|_» октября 2014 г. Ученый секретарь У <У —

диссертационного совета - Воронин Николай Николаевич

С /У' У '.- У

угу

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно существующего документа «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденного распоряжением правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 года, в настоящее время возникла острая необходимость в повышении скоростей движения подвижного состава (грузовые платформы с конструкционной скоростью до 140 км/ч, пассажирские вагоны с конструкционными скоростями до 200, 250, 300 км/ч). В соответствии с указанным и другими нормативными документами: TP ТС 001/2011 «Технический регламент ТС о безопасности железнодорожного подвижного состава», TP ТС 002/2011 «Технический регламент ТС о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» и НБ ЖТ ЦТ 020-99 «Элементы дискового тормоза железнодорожного подвижного состава. Нормы безопасности», - необходимо предусматривать повышенную эффективность торможения вагонов скоростных и высокоскоростных поездов. При этом целесообразно применение дискового тормоза.

Анализ научных трудов, посвященных дисковому тормозу (состоит из тормозного блока и тормозного диска) в области железнодорожного транспорта показал, что учеными уделено недостаточное внимание проблеме совершенствования и обоснования рациональной конструкции тормозного блока.

Анализ современных конструкций дискового тормоза для железнодорожных вагонов показал, что на сегодняшний день нет конструкции тормозного блока дискового тормоза, которая в полной мере могла бы соответствовать условиям и удовлетворять требованиям эксплуатации на отечественных железных дорогах.

Таким образом, в настоящий момент является актуальной научная задача по разработке и обоснованию рациональной конструкции блока дискового тормоза для вагонов скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских поездов. Эта задача является достаточно сложной, многофакторной и актуальной.

Степень разработанности темы исследования. В области совершенствования дискового тормоза для скоростных и высокоскоростных поездов имеются следующие основные направления проведения научных исследований:

- трибология, выбор материалов фрикционных пар (A.B. Чичинадзе, Э.Д. Браун, A3. Ридель, Д. Мур, Д.Н. Гаркунов, Г. Польцер, X. Чихос, И.В. Крагельский, A.B. Казаринов, В.Н. Колесников и др.);

- обоснование параметров и разработка рациональной конструкции деталей фрикционной пары: тормозного диска, фрикционных накладок и накладкодержателей (башмаков) - в этом направлении известны работы ученых A.B. Чичинадзе, Иноземцев В.Г., Э.И. Галая, П.К. Рудова, А.И. Туркова, А.М. Ножевникова, П.А. Тищенко, Э.И. Галая, Д.В. Титарева и др.;

- разработка и обоснование рациональной конструкции тормозного блока — в этом направлении работали JI.A. Вуколов, A.M. Ножевников, А.И. Колесниченко, Э.И. Галай, П.К. Рудов и др.

Цель и задачи. Цель заключается во внесении определенного вклада в решение научной проблемы по обеспечению высокой эффективности торможения скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских поездов для безопасности их движения на отечественных железных дорогах. Задачи связаны с разработкой рациональной конструкции блока дискового тормоза.

Объектом исследований является блок дискового тормоза для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов. Предметная область исследований:

- рациональная структурная схема рычажного (клещевого) механизма тормозного блока, разработанная и обоснованная из условий обеспечения требований эксплуатации и конструктивных особенностей тележки вагона;

- параметры тормозного блока.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- создана методика по разработке рациональной конструкции и обоснованию параметров блока дискового тормоза для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов;

- разработана рациональная структурная схема пространственного клещевого механизма блока из условий обеспечения равномерности износа деталей фрикционной пары и компенсации подвижностей колесной пары;

- проведен системньШ анализ влияния подвижностей колесной пары (с диском) в раме тележки на работу тормозного блока.

Теоретическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

- разработана математическая модель клещевого механизма тормозного блока, описывающая основные геометрические и силовые параметры блока с учетом условий эксплуатации;

- на основе разработанной математической модели впервые получено выражение, характеризующее зависимость КПД клещевого механизма от параметров шарнирных соединений с учетом трения в них и от положений звеньев механизма;

- разработан новый и удобный для практического применения метод расчета и получения рационального распределения нагрузки от силы нажатия накладок на диск для обеспечения равномерного износа фрикционной пары.

Практическая ценность состоит в следующем:

- созданная методика по разработке рациональной конструкции блока дискового тормоза может быть использована при проектировании дискового тормоза для любого типа подвижного состава, а также она позволяет определить места установки тормозных устройств (расположение дисков на колесной паре или на колесе) и их необходимое количество для обеспечения требуемой эффективности

торможения подвижного состава с учетом возникающих в деталях механических и тепловых нагрузок;

- применение разработанных теоретических положений позволит повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых и модернизации имеющихся образцов дисковых тормозов для подвижного состава, повысить качество результатов и адекватность разработок, а также обеспечить их обоснованность;

- применение созданной методики, новых теоретических положений и полученных решений позволит существенно сократить объем экспериментальных исследований и затрат на их проведение, а также своевременно создать востребованный на рынке железнодорожной техники инновационный продукт;

- получены характеристики по фрикционно-износным свойствам новой пары трения чугун-композит;

- разработана новая конструкция чугунного вентилируемого диска;

- даны предложения и рекомендации по совершенствованию конструкции дискового тормоза для железнодорожного транспорта;

- полученные в работе результаты могут быть применены, например, в качестве информационного или обучающего материала для студентов ВУЗов по теме тормозных систем скоростного подвижного состава.

Методология и методы исследования. Теоретической основой в проведенных исследованиях послужили научные положения теории механизмов и машин, сопротивления материалов, сухого трения, термодинамики и др.: погруппное разбиение структуры механизма, распределение числа подвижностей кинематических пар по степени ответственности, координатный метод, методы аналитической геометрии, метод тангенциальных сил, метод конечных элементов, методика, основанная на теории трения в пятах (большой вклад внес Э.И. Галай), метод теплового расчета (предложен В.Г. Иноземцевым), экспериментальные методы исследования, основанные на теории оптимизации и планирования эксперимента.

Положения, выносимые на защиту. 1. Разработка и обоснование рациональной структурной схемы клещевого механизма тормозного блока из условий обеспечения требований эксплуатации (износ), с учетом конструктивных особенностей тележки и с учетом динамики вагона (подвижности колесной пары). 2. Количественная оценка и обоснование параметров клещевого механизма тормозного блока, основанные на разработке математической модели механизма, кинематическом и силовом анализах механизма, оценке влияния силовых факторов, возникающих в деталях механизма в процессе торможения, а также на оценке тепловой нагрузки деталей фрикционной пары, которая обусловливает связь силовых параметров блока с тепловыми параметрами фрикционной пары (диск и накладки). 3. Результаты экспериментальных исследований дискового

тормоза. 4. Предложения и рекомендации для совершенствования конструкции дискового тормоза.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается проверочными расчетами по известным методикам и хорошей сходимостью с экспериментальными данными.

Апробация работы. Работа прошла апробацию на предприятии ОАО «Транспневматика»: методика разработки рациональной конструкции блоков дисковых тормозов внедрена в процесс производства на этапе ОКР по созданию новых изделий тормозного оборудования.

Основные результаты работы докладывались на: научно-техническом совете ОАО «Транспневматика» (г. Первомайск), научно-техническом совете ACTO при ОАО МТЗ «Трансмаш» (г. Москва), VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» в ПГУПС (г. С.-Петербург), международной научно-практической конференции «Конструкция, динамика и прочность подвижного состава», посвященная 75-летию со дня рождения В.Д. Хусидова, в МГУПС (г. Москва).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано: четыре работы в изданиях, рекомендуемых ВАК России; один патент на изобретение. Подана заявка на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 217 страниц, в том числе 14 таблиц и 162 рисунка

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы по повышению скоростей движения грузовых и пассажирских поездов на отечественных железных дорогах в настоящее время, которая влечет за собой необходимость в модернизации и обновлении подвижного состава. Так же показано, что это в свою очередь приводит к необходимости обеспечения высокого уровня безопасности движения скоростных и высокоскоростных поездов. Для решения указанной проблемы на основе имеющихся научных исследований и опыта эксплуатации скоростных поездов на отечественных и зарубежных железных дорогах определена целесообразность применения дисковых тормозов, как альтернатива традиционным колодочным тормозам.

Проведен краткий обзор по диссертационной работе. Показано: какие задачи в работе были решены, научная новизна и практическая ценность полученных результатов работы.

В первой главе обоснована актуальность поставленных в работе задач и направлений исследований. Обоснование было осуществлено на основе:

- изучения перспектив развития и требований к тормозным системам современного подвижного состава;

- проведения анализа научных исследований в области совершенствования дискового тормоза для железнодорожного транспорта;

- проведения анализа современных конструкций тормозных блоков дискового тормоза для вагонов и изучения их особенностей.

Показано, что в соответствии с документом «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» возникла необходимость в повышении грузоподъемности и скоростей грузовых и пассажирских вагонов. При этом совершенно новым для отечественной железной дороги является решение эксплуатировать грузовые платформы с конструкционной скоростью до 140 км/ч. В соответствии с указанным и другими нормативными документами, которые регламентируют требования по безопасности движения скоростных и высокоскоростных поездов, целесообразно применять дисковый тормоз.

Анализ научных трудов показал, что достаточно большое их количество посвящено проблеме изучения и внедрения дисковых тормозов на железнодорожный транспорт. Основная часть трудов направлена на исследование условий работы, обоснование параметров и подбор материалов фрикционной пары

- накладок и диска. При этом изучению проблемы по обоснованию параметров и разработке рациональной конструкции механизма тормозного блока уделено недостаточное внимание.

Анализ современных конструкций блоков дискового тормоза показал, что имеется большое их разнообразие, все они преимущественно устанавливаются на обрессоренной части тележки. Это обусловливает особые требования по кинематике механизма блока. Все изученные конструкции имеют серьезные недостатки, например: при эксплуатации отечественного дискового тормоза возникают значительные клиновидные износы накладок и имеет место низкий ресурс ответственных узлов конструкции; некоторые конструкции блоков импортных производителей требуют только сервисного обслуживания, то есть они не являются ремонтопригодными в "полевых" условиях; все рассмотренные блоки имеют такие конструктивные решения (например: применение поступательных подвижных соединений в ответственных узлах конструкции), которые не соответствуют жестким условиям эксплуатации на отечественных железных дорогах.

На основе полученных результатов, при проведении указанных анализов, обоснована актуальность задачи по разработке рациональной конструкции блока дискового тормоза для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов, а также определены направления исследований в диссертационной работе:

- выделение клещевого механизма, как основного в составе блока дискового тормоза и первичного с точки зрения оценки и обоснования параметров блока;

- разработка и обоснование рациональной структурной схемы клещевого механизма тормозного блока;

- оценка и обоснование параметров клещевого механизма тормозного блока;

- проведение экспериментальных исследований разработанной конструкции тормозного блока.

Во второй главе теоретически обоснована рациональная структура клещевого механизма тормозного блока.

1. Обоснована рациональная структура механизма из условий обеспечения равномерного износа тормозных накладок. Путем совершенствования простейшего клещевого механизма тормозного блока (рисунок 1) разработана рациональная структурная схема плоского клещевого механизма (рисунок 2). Структура имеет параллелограммные контуры, обеспечивающие равномерный подвод накладок к диску.

В

Н - фрикционные накладки; ТД - тормозной диск; ТЦ - тормозной цилиндр; Р -давление сжатого воздуха

Рисунок 1- Схема простейшего клещевого механизма дискового тормоза

Обоснование структуры механизма было произведено путем его погруппного разбиения на ведущие звенья и структурные группы (группы Ассура), а также путем проверки на статическую определимость по формуле П.Л. Чебышева:

Ш=3п-2рн-рв, (1)

где IV— степень подвижности механизма; п — число подвижных звеньев; рн - число низших кинематических пар; рв — число высших кинематических пар.

Рисунок 2 - Схема плоского клещевого механизма тормозного блока с введением параллелограммных контуров

2. Разработка и обоснование рациональной структуры механизма из условий необходимости компенсации подвижностей колесной пары. В результате решения задачи разработана структурная схема пространственного механизма тормозного

Рисунок 3 - Структурная схема пространственного клещевого механизма тормозного блока с введением вращательных кинематических пар Р и N

пятого класса

На схеме (рисунок 3) приведены условные обозначения перемещений колесной пары относительно тормозного блока в соответствии с ГОСТ Р 53077-2008: Бх - продольное перемещение вдоль оси Х\ - поперечное

перемещение вдоль оси Y; Sz - вертикальное перемещение вдоль оси Z; Ux — поворот относительно оси X (боковая качка); UY — вращение вокруг собственной оси, а также поворот относительно оси Y (галопирование); Uz - поворот относительно оси Z (виляние).

Обоснование структуры было произведено на основе качественного анализа и количественной оценки влияния подвижностей колесной пары на кинематику механизма.

Для проверки работоспособности механизма была разработана трехмерная модель макета клещевого механизма (рисунок 4) с помощью ЭВМ при использовании CAD системы T-flex. Была произведена имитация подвижностей колесной пары. На рисунке 5 показано, что механизм обеспечивает любые подвижности колесной пары.

Рисунок 4 - Трехмерная модель макетного образца дискового тормоза

3. Разработка и обоснование рациональной структуры клещевого механизма с точки зрения технологичности его конструкции. Структурная схема механизма (рисунок 3) была подвернута соответствующему анализу. При этом был использован способ погруппного разбиения на ведущие звенья и структурные группы, а также была проведена проверка на статическую определимость механизма по формуле Сомова-Малышева:

IV = 6п - 5ръ - 4р4 - Зр3 - 2рг - \р\ + Я,

2)

где IV - степень подвижности механизма; п - число подвижных звеньев в механизме; р\ - кинематическая пара 1-го класса - накладывает одно ограничение; р2 - пара 2-го класса - два ограничения; ръ - пара 3-го класса -три ограничения; /?4 -пара 4-го класса - четыре ограничения; р5 - пара 5-го класса -пять ограничений; ц - число избыточных (пассивных) связей.

3у = 0

Рисунок 5 - Компенсация подвижностей колесной пары клещевым механизмом

В результате анализа показано, что структурная схема (рисунок 3) требует высокой точности изготовления шарнирных соединений, которые находятся в плоскости ХУ, так как необходимо обеспечение строгой параллельности осей вращения шарниров. Данная схема была модернизирована и, в итоге, разработана рациональная структурная схема пространственного клещевого механизма (рисунок 6), в которой наиболее ответственные и нагруженные кинематические пары имеют одну степень свободы. Все остальные пары имеют две или три степени свободы. Полученная структурная схема менее требовательна к точности изготовления шарнирных соединений.

Рисунок 6 - Рациональная структурная схема пространственного клещевого механизма тормозного блока с точки зрения технологии изготовления

Таким образом, на основе решенных в данном разделе задач создана методика по разработке рациональной структурной схемы клещевого механизма блока дискового тормоза для вагонов. Разработанная структурная схема механизма обеспечивает достаточно широкий диапазон выбора конструктивных решений при проектировании тормозного блока. Отличительные особенности схемы:

- наличие параллелограммных контуров подвижных соединений накладкодержателей (башмаков) к механизму для обеспечения равномерного износа накладок;

— наличие дополнительной кинематической пары N (рисунки 3 и 6) для компенсации подвижности «виляния» колесной пары при прохождении кривых малого радиуса, что является важным при прохождении подвижным составом кривых участков с радиусом менее 60 м;

- все кинематические пары имеют только вращательные подвижности, что создает условия для наибольшей надежности работы механизма.

В третьей главе обоснованы параметры клещевого механизма тормозного блока и проведена их количественная оценка. ; :

1. Разработана математическая модель механизма. С ее помощью были проведены кинематический и силовой анализы механизма.

Кинематический анализ был проведен с использованием координатного метода и метода аналитической геометрии. На рисунке 7 показана расчетная схема механизма

У У

вмнмгапйшкиУ отлинко.ыоа -т •> ■ -. иивяШти-1. ¡,. . оаид ъу-ии:

ось колесной поры

Ж х„

YOX- основная система координат, ось абсцисс которой проходит через плоскость симметрии тормозного блока и диска; YtEXi и Y2EX2 - локальные системы координат, где ось ЕХ, параллельна оси ОХ, а ось ЕХ2 проходит через точку М;

О о У' - ось, условно проходящая через ось колесной пары; - толщина

■ во. к;.; , ■ ■ ^•

тормозного диска;

условия ася

й3 - величина зазора между накладкой и диском; йн -толщина фрикционной накладки; /г - величина условного перемещения точки М; Я - 1/2 габаритного размера механизма тормозного блока; Д - расстояние от центра кинематической пары й до фрикционной накладки; а - угол поворота рычагов-клещей; <р; - угол вращения локальной системы координат У'/ЕХ/

Рисунок 7 - Расчетная схема клещевого механизма блока для оценки его геометрических параметров

механизма.

В результате кинематического анализа обоснованы основные геометрические параметры механизма: величины углов поворота рычагов-клещей с учетом износа фрикционной пары; величина запаса резьбы регулятора зазора между накладками и диском. Была проведена количественная оценка указанных параметров на примере опытного образца тормозного блока с условным номером 729 производства ОАО «Транспневматика».

Силовой анализ механизма был проведен с использованием метода тангенциальных сил. Схемы распределения сил приведены на рисунке 8.

YOX— основ

симметрии

координат,

сциес кочо У,ЕХ, и ! 'ОХ. ¿1 ОСЬ

Рисунок 8 - Схемы распределения сил в механизме в заторможенном состоянии блока

При анализе были обоснованы силовые параметры механизма: силы реакций в шарнирах и сила нажатия накладок на диск в зависимости от входной нагрузки и от положения звеньев механизма Также была проведена количественная оценка силовых параметров на примере опытного образца тормозного блока усл. №729.

При проведении силового анализа с учетом трения в шарнирах и положений звеньев получено выражение для КПД механизма:

-ЩЫ™**--^) (з)

где: СЕ и ЕО - плечи рычагов механизма; сов^ - угол приложения силы в г'-том шарнире; f \ - коэффициент трения в г-том шарнире; г, - радиус цапфы г-того шарнира.

На графике (рисунок 9) показана зависимость КПД разработанного клещевого механизма, на примере тормозного блока усл. № 729, в зависимости от величины износа фрикционных накладок и тормозного диска.

КПД. % 97.........

--1--(_

10 20 30 ЬО . износ. мм Рисунок 9 - График зависимости КПД механизма от величины износа накладок и диска

По графику (рисунок 9) видно, что КПД исследуемого механизма имеет достаточно высокую величину и находится в пределах 94,4...96,\%. Изменение величины КПД связано с изменением положения звеньев механизма из-за износа деталей фрикционной пары. При этом максимальная величина КПД достигается при износе величиной около 23 мм - соответствует примерно половине от максимально допустимой величины износа.

2. На основе результатов силового анализа был проведен прочностной анализ самых нагруженных деталей механизма методом конечных элементов с помощью специального программного обеспечения (Т-Яех Анализ) на ЭВМ. Цель проведения анализа - обосновать массогабаритные, прочностные параметры конструкции блока и выбрать материал деталей для обеспечения требуемых значений параметров блока. На рисунке 10 показана эпюра распределения механических напряжений в рычаге тормозного блока усл. №729.

По эпюре определена наиболее напряженная область (позиция 1) исследуемой детали. Максимальное значение механического напряжения достигает 177 МПа. Это позволяет изготавливать деталь из распространенных марок стали таких, как сталь 20, 35, 45.

3. Проведена оценка влияния тормозной силы на работу блока в процессе торможения. Определено, что достаточно важной характеристикой качественной работы блока является такое распределение нагрузки от нажатия накладок на диск на поверхности трения, чтобы детали и узлы блока испытывали наименьшее влияние паразитных сил и моментов. Эти факторы являются причиной клиновидных износов накладок. В результате разработан метод, основанный на теории трения в пятах и с применением результатов научных трудов Э.И. Галая и П.К. Рудова, позволяющий определить необходимый закон распределения на1рузки.

Задача: "3адаяа_0" Напряжения эквивалентные. Н;мг Масштаб перемещений: 108.17

Рисунок 10 - Эпюра эквивалентных напряжений в рычаге

Обеспечение устранения горизонтального клиновидного износа было обосновано из условия, что работа, совершаемая элементарными площадками накладки, расположенными вдоль радиуса диска, должна иметь постоянную величину. В результате получено выражение, описывающее закон распределения нагрузки от нажатия накладок на диск:

SN

ЧР = = const; (4)

где q - удельное давление в исследуемой точке поверхности трения; р -произвольное значение радиуса на поверхности трения; 5Л- - величина износа накладки; / - коэффициент трения; со - угловая скорость вращения диска; с -коэффициент пропорциональности.

Графический вид выражения (4) представляет собой гиперболу (рисунок 11).

: Vе

а - тормозной диск; Ь - тормозная накладка; С - кривая распределения удельного давления (гипербола); Р — сила нажатия на накладку

Рисунок 11 - Схема распределения силы нажатия накладки на диск

Для реализации такого распределения силы нажатия в радиальном направлении можно произвести аппроксимацию кривой графика С (рисунок 11) прямым участком вдоль поверхности трения накладки.

Обеспечение устранения вертикального клиновидного износа было обосновано из условия снижения влияния паразитных сил и моментов в процессе торможения. В результате определено, что для этого точки приложения силы нажатия рычагов-клещей на накладку необходимо располагать как можно ближе к поверхности трения. Также конструкция рычагов-клещей должна быть максимально жесткой на кручение в направлении приложения силы нажатия накладок на диск.

4. С целью обеспечения параметрической связи между силовыми характеристиками блока и тепловыми характеристиками деталей фрикционной пары была проведена оценка тепловой нагрузки тормозного диска. Для проведения

оценки был выбран метод, предложенный В.Г. Иноземцевым и Э.И. Галаем, как наиболее простой, но достаточно точный для практических целей.

Определен максимальный нагрев диска с заданной начальной скорости орможения. Необходимость решения данной задачи заключается в оценке способности конструкции тормозного диска выдерживать максимальные тепловые нагрузки, возникающие при экстренном, затяжном или частом торможении поезда. Кроме того, это позволяет определить наиболее рациональное расположение, количество и габариты дисков, устанавливаемых на колесной паре.

Результат теплового расчета на примере стального невентилируемого диска производства ОАО «ТВЗ» для пассажирского вагона приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета приращений температур на поверхности трения диска при экстренном торможении

№ п/п Элементы расчета Время торможения 1, с

5 30 60

1 Скорость поезда в текущий момент времени, м/с (км/ч) 55,5 (200 км/ч) 29,2 (105 км/ч) 0

2 Температура диска в текущий момент времени, "С 460 785 620

Данные результаты показывают, что величина достигаемой температуры является слишком высокой и может вызвать воспламенение. Поэтому целесообразно на пассажирском вагоне применять такие силовые нагрузки или использовать такие пары трения, чтобы обеспечивать меньший нагрев. Для этого рекомендуется, например, использование вентилируемой конструкции тормозного диска.

На основе полученных результатов в данном разделе диссертации были разработаны следующие предложения и рекомендации для совершенствования конструкции дискового тормоза:

- конструкции деталей, испытывающих максимальные механические ншрузки, необходимо обеспечить максимально жесткими, а зазоры в шарнирах по возможности должны быть минимальными, так как эти факторы оказывают влияние на величину хода поршня тормозного цилиндра, что в свою очередь влияет на габаритные размеры и КПД клещевого механизма блока;

- учитывая то, что углы рабочих диапазонов шарниров очень малы, то целесообразно применять подшипники, не требующие смазки, или применять другие виды подвижных соединений;

- в дисковом тормозе для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов целесообразно применять вентилируемый диск.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования дискового тормоза Целью проведения исследований было подтвердить правильность теоретического обоснования структуры и параметров клещевого механизма

тормозного блока, а также проверить соответствие полученных характеристик дискового тормоза требованиям норм безопасности и норм по тормозным путям.

Экспериментальная оценка тормоза была проведена по следующим параметрам:

- зависимость силы нажатия накладок на диск от давления в тормозном цилиндре в статическом режиме (без торможения);

— характер изменения силы нажатия накладок на диск в процессе торможения;

- фрикционно-износные свойства пары трения;

— величина нагрева деталей пары трения.

Объектом исследования был опытный образец тормозного блока усл. № 729 производства ОАО «Транспневматика» (рисунок 12), с помощью которого испытаниям были подвергнуты два вида фрикционных пар: 1) стальной невентилируемый диск и металлокерамические накладки (рисунок 13); 2) чугунный вентилируемый диск и композиционные накладки (рисунок 14).

1 — корпус; 2 - тормозной цилиндр; 3 — регулятор зазора; 4 - рычаги-клещи; 5 -фрикционные накладки

Рисунок 12 - Тормозной блок усл. №729 производства ОАО «Транспневматика» а)

2 1

а) невентилируемый диск (ОАО «ТВЗ», г. Тверь); б) накладка (ОАО «Фритекс», г. Ярославль), фрикционный материал «Диафрикт-4К»; 1 — стальная ступица; 2 - венец из стали 20X13 диаметром 640 мм и толщиной 40 мм

Рисунок 13 — Пара трения сталь-мёталлокерамика

а) вентилируемый тормозной диск производства ОАО «Транспневматика»;

б) тормозная накладка AV1 производства фирмы «Italian brakes» (Италия); 1 - венец из чугуна определенного химсостава диаметром 630 мм и толщиной 80 мм; 2 - стальная ступица, предназначенная для прессовой посадки на ось колесной пары вагона; 3 - перемычки

Рисунок 14 - Пара трения чугун-композит

В качестве средств испытаний были использованы инерционные стенды, находящиеся в ЗАО «ТИВ», г. Тверь (исследовалась пара трения сталь-металлокерамика) и в ОАО «ВНИКТИ», г. Коломна (исследовалась пара трения чугун-композит).

Наиболее важные результаты экспериментальных исследований:

— оценка КПД механизма блока показала, что его величина близка к расчетной (~ 97%) с расхождением ~ \%, при чем в сторону увеличения КПД механизма;

— оценка величин тормозных путей показала, что с использованием рекомендуемых и применяемых в эксплуатации пар трения тормозной блок обеспечивает требуемую эффективность торможения, а именно: с парой трения сталь-металлокерамика при имитации торможения пассажирского вагона с начальной скорости 200 км/ч максимальная величина тормозного пути составила 1615 м (по нормам - 2100 м); с парой трения чугун-композит при имитации торможения грузовой платформы с осевой нагрузкой 23,5 т/ось с начальной скорости торможения 135 км/ч максимальная величина тормозного пути составила 998 м (по нормам - 1000 м);

— при оценке величины и характера износа фрикционных накладок установлено, что целесообразность и эффективность применения параллелограммных контуров в структуре механизма тормозного блока подтверждаются - величины углов клиновидных износов близки к нулю;

- сравнительный анализ двух пар трения при одинаковых объемах рассеянной энергии показал: композиционная накладка AV1 имеет ~ 2 раза большую износостойкость, чем металлокерамическая из материала «Диафрикт - 4К»; чугунный диск (серый чугун) имеет в » 6 раз большую износостойкость, чем стальной диск (сталь 20X13);

— оценка величины нагрева стального невентилируемого диска привела к результатам, близким к расчетным с малым расхождением в сторону уменьшения температуры, - максимальный объемный нагрев стального диска достигал 600 °С (в теоретическом расчете - 620 °С); поверхностный нагрев достигал 800 "С, при этом наблюдались светящиеся кольца бледно-красного цвета;

- оценка величины нагрева чугунного вентилируемого диска привела к следующим результатам: максимальный объемный нагрев достигал 395 °С; поверхностный нагрев достигал 800 °С; наблюдались светящиеся кольца переменного радиуса бледно-красного цвета;

- появление светящихся колец на поверхностях трения (рисунок 15) свидетельствует о возникающих высокотемпературных вспышках, которые могут приводить к ускоренному разрушению тормозных дисков, что подтверждает необходимость обеспечения рационального распределения нагрузки от нажатия накладок на диск на поверхности трения для избегания высокотемпературных вспышек.

сдетящееся кольцо

Рисунок 15 - Образование светящегося кольца на поверхности трения диска в процессе торможения

В процессе экспериментальных исследований фрикционной пары чугун-композит было принято решение спроектировать и изготовить в ОАО «Транспневматика» конструкцию вентилируемого тормозного диска. Данная конструкция диска (рисунок 16) успешно прошла установленный цикл стендовых испытаний. При этом на диске не образовались трещины, а величина пятен прижегов (рисунок 166) на поверхностях трения составила не более 60 мм в диаметре (по требованиям НБ ЦТ ЖТ 020-99 - не более 80 мм).

а) диск до испытаний; б) после испытаний

Рисунок 16 - Чугунный вентилируемый тормозной диск производства ОАО «Транспневматика»

По результатам экспериментальных исследований блока были даны следующие предложения и рекомендации для совершенствования конструкции: целесообразно избегать консольных закреплений и больших зазоров в шарнирных соединениях, стремиться снижать количество соединений с люфтом, так как в процессах торможения возникают достаточно большие динамические нагрузки. Это можно обеспечить, например, применением вильчатых конструкций шарнирных соединений и цанговых зажимов осей шарниров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы обоснована:

— необходимостью гарантии безопасности движения скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских поездов путем обеспечения соответствующего уровня эффективности их торможения, а также целесообразностью применения дискового тормоза в таких поездах;

— актуальностью задач по обоснованию параметров и разработке рациональной конструкции тормозного блока дискового тормоза;

— отсутствием на сегодняшний день конструкции тормозного блока как у отечественных, так и у зарубежных производителей, в полной мере отвечающей условиям и требованиям эксплуатации на российских железных дорогах.

Актуальность темы подтверждена наличием требований к тормозным системам современных скоростных и высокоскоростных вагонов, результатами анализа научных трудов в области совершенствования дискового тормоза для вагонов, результатами анализа современных конструкций дискового тормоза для вагонов.

1. В диссертации разработана и теоретически обоснована рациональная структура пространственного клещевого механизма блока дискового тормоза из условий:

- обеспечения равномерности износа деталей фрикционной пары тормозного бока;

- обеспечения компенсации подвижностей колесной пары в раме тележки с установленным на ней тормозным диском относительно тормозного блока.

Разработанная структурная схема пространственного механизма имеет следующие отличительные особенности:

- гарантированно обеспечивает равномерный износ накладок;

- гарантированно обеспечивает компенсацию подвижностей колесной пары в раме тележки;

- создает условия для обеспечения высокой надежности работы механизма за счет применения только вращающихся подвижных соединений;

- обеспечивает высокую технологичность конструкции тормозного блока;

- обеспечивает технологичность при обслуживании и ремонте блока.

2. Теоретически обоснованы и рассчитаны параметры тормозного блока с учетом условий и требований эксплуатации. В результате:

- разработана математическая модель клещевого механизма, на основе которой выполнены кинематический и силовой анализы механизма, а также получены значения основных его параметров, например: рабочий угловой диапазон рычагов-клещей = 16 град - очень малый; КПД механизма = 96% - достаточно высокий;

- определены и обоснованы необходимые условия распределения силы нажатия накладок на диск (по горизонтали - гиперболический закон распределения; по вертикали - равномерное распределение) для обеспечения равномерного износа фрикционной пары;

- обоснована и рассчитана требуемая жесткость ответственных деталей блока;

- рассчитана максимальная величина нагрева (620 °С) невентилируемого тормозного диска для пассажирского вагона, которая является слишком высокой и может вызвать воспламенение; поэтому рекомендовано применение вентилируемой конструкции тормозного диска.

3. В результате экспериментальных исследований:

- показано, что конструкция опытного образца тормозного блока является рациональной, так как обеспечивает равномерность износа деталей фрикционной пары - угловые значения клиновидных износов близки к нулю, обеспечивает высокий КПД механизма - = 97%; имеет достаточно высокую прочность и надежность, удобна в обслуживании;

- показано, что параметры блока по эффективности торможения с применением серийных образцов накладок, серийного и опытного образцов дисков отвечают требованиям норм безопасности и норм по тормозным путям, например: максимальный тормозной путь пассажирского вагона со скорости торможения 200 км/ч равен 1615 м (по нормам - 2100 м);

- показано, после сравнения величин максимального нагрева стального невентилируемого диска (600 "Q и чугунного вентилируемого диска (395 CQ, что целесообразно применение вентилируемой конструкции диска для скоростных и высокоскоростных вагонов;

- спроектирована, изготовлена и испытана (успешно проведен установленный цикл стендовых испытаний) новая конструкция вентилируемого чугунного тормозного диска;

4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований рекомендовано:

- избегать применения подвижных соединений с поступательным движением и применять подвижные соединения, не требующие смазки для обеспечения высокого КПД и высокой надежности работы клещевого механизма;

- избегать консольных закреплений и больших зазоров в шарнирных соединениях, стремиться снижать количество соединений с люфтом, при этом целесообразно применять вильчатые конструкции шарнирных соединений и цанговые зажимы осей шарниров для повышения надежности работы тормозного блока.

5. Разработана рациональная конструкция блока дискового тормоза для скоростных грузовых и высокоскоростных пассажирских вагонов, отличающаяся тем, что:

- обеспечивает работоспособность тормоза при любых перемещениях тормозного диска относительно блока, в том числе при прохождении вагоном криволинейного пути малого радиуса (менее 60 м);

- обеспечивает равномерный износ деталей фрикционной пары;

- обеспечивает высокий КПД механизма блока;

- имеет достаточную жесткость ответственных деталей с учетом заданных массогабаритных параметров дискового тормоза;

- обеспечивает высокую технологичность изготовления.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1 Научные публикации в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России:

1. Карпычев, В.А. Устранение клинового износа фрикционных накладок в клещевом механизме тормозного блока дискового тормоза для железнодорожного транспорта [Текст] / В.А. Карпычев, В.Я. Солодилов, A.A. Курочкин, A.A. Мошков // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013 - № 4. - С.181-185.

2. Мошков, A.A. Разработка дискового тормоза для отечественного скоростного железнодорожного транспорта [Текст] / A.A. Мошков, Е.С. Сипягин // Вестник ВЭлНИИ. - 2013. - 1(65). - С.55-68.

(

3. Карпычев, В.А. Оценка КПД клещевого механизма тормозного блока дискового тормоза для железнодорожного транспорта [Текст] / В.А. Карпычев, В.Я. Солодилов, A.A. Мошков // Вестник ВЭлНИИ. - 2013. - 2(66). - С.129-138.

4. Карпычев, В.А. Качественная оценка влияния подвижностей колесной пары на работу тормозного блока дискового тормоза для железнодорожного транспорта [Текст] / В.А. Карпычев, A.A. Мошков, В.А. Юдин // Наука и техника транспорта. -2014. -№1. - С.72-78.

2 Статьи и тезисы докладов в научно-тематических сборниках:

1.Мошков, A.A. Разработка дискового тормоза для отечественного скоростного железнодорожного транспорта [Текст] / A.A. Мошков, Е.С. Сипягин // Труды VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2013. -176.

3 Патенты:

1. Патент на изобретение «Дисковый тормоз транспортного средства подвижного состава железных дорог», RU 2390449 С2, опубликовано 27.05.2010г., заявка №2008100648/11.

2. Заявка на изобретение №2014111896 от27.03.2014г.

Мошков Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ БЛОКА ДИСКОВОГО ТОРМОЗА ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ГРУЗОВЫХ и ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать ^^О, Я-О/'/г. Заказ № формат 60*90/16 Тираж 80 экз.

Усл. - печ. л. - 1,5

127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ