В настоящее время основными материалами, применяемыми для изготовления тормозных колодок, являются чугун (например, чугун по ГОСТ 30249–97 для локомотивных колодок и чугун по ОСТ 32.194–2002 для вагонных), а также композиции на основе полимеров ТИИР-300, ТИИР-303, ТИИР-308 для вагонных колодок [1], которые не применяются на локомотивах из-за ослабления и сползания бандажа.

Преимуществами чугунных тормозных колодок являются высокая теплопроводность, обеспечивающая эффективный теплоотвод из зоны трения «колодка — колесо», а также дешевизна. Однако они не применяются на скоростях свыше 120 км/ч вследствие снижения коэффициента трения, а также обладают низкой износостойкостью (30 — 50 тыс. км). Композиционные колодки имеют стабильный коэффициент трения и высокую износостойкость (90 — 200 тыс. км) в широком диапазоне скоростей, но вызывают термомеханические повреждения колес вследствие низкой теплопроводности [2].

Помимо чугунных и композиционных колодок, разработаны металлокерамические тормозные колодки на основе меди, в частности, из материала Diafrikt (Чехия), обладающие более высокой износостойкостью и более стабильным коэффициентом трения, чем композиционные, причем, их взаимодействие с поверхностью катания колеса не приводит к появлению термических трещин и выщербин [3]. Однако серьезным недостатком металлокерамических колодок является их высокая стоимость, определяемая составом (до 70 % меди, до 7 % олова [4]).

В настоящее время специалисты ООО «НТЦ Информационные Технологии» осуществляют разработку тормозной колодки из металлокерамического материала на основе железа, с более низкой себестоимостью, чем колодки на медной основе. На данном этапе речь идет о создании вагонной колодки как более простой в производстве (конструкция и состав материала защищены патентами РФ № 2525609, 2524763, 133489, 133490), но также разработана конструкция локомотивной колодки с металлокерамическими вставками (патенты РФ № 2494901, 2499711).

Ключевая роль в технико-экономических показателях тормозной колодки принадлежит фрикционному материалу. Его разработка осуществляется в два этапа. На первом этапе разрабатываемые материалы проходят лабораторные испытания, включающие оценку фрикционных свойств и износостойкости на машине для испытаний на трение и износ модели ИИ5018, а также подвергаются стандартным механическим испытаниям (определение твердости, предела прочности на сжатие и сдвиг).

На основе анализа вышеперечисленных испытаний отбираются образцы, показавшие максимальную износостойкость в сочетании с высоким коэффициентом трения. При этом их твердость не ниже 10 НВ 10/2452/30, а предел прочности на сжатие не ниже 15 МПа, что соответствует требованиям ФТС ЖТ ЦВ-ЦЛ 009–99 [5]. Далее проводятся сравнительные лабораторные испытания отобранных образцов с образцами уже известных материалов, применяемых для изготовления вагонных тормозных колодок (чугуна по ОСТ 32.194–2002 и композиции ТИИР-300), и отбирается образец из вновь разработанного материала, который по сочетанию износостойкости и коэффициента трения превосходит известные фрикционные материалы.

Результаты лабораторных сравнительных испытаний на износостойкость и коэффициент трения образцов из металлокерамики на железной основе (ФМТК), стандартных материалов (чугуна, ТИИР-300), а также металлокерамики на медной основе (МКМ), представлены на рис. 1.

Рис. 1. Результаты лабораторных испытаний образца разработанного материала ФМТК в сравнении со стандартными материалами тормозных колодок и металлокерамикой на медной основе МКМ

На втором этапе были проведены сравнительные испытания моделей тормозных колодок со вставками из металлокерамики ФМТК, чугуна и полимерного композита ТИИР-300 на инерционном стенде ОАО «ВНИИЖТ», позволяющем определить фрикционные свойства материала, а также оценить воздействие фрикционного материала, термостойкость, прочность, склонность к наволакиванию на поверхность катания колес. Модели испытывались на инерционном стенде по одинаковой методике: три торможения со скорости 20 км/ч; три торможения со скорости 50 км/ч; одно торможение со скорости 90 км/ч.

При проведении испытаний модели колодки со вставками из чугуна усилие нажатия на модель составляло 22 кН, модели с вставками из ТИИР-300 — 9,8 кН. Модель колодки с металлокерамическими вставками испытывалась как при усилии нажатия 9,8 кН, так и при 22 кН. Результаты стендовых испытаний представлены на рис. 2. На рис. 3 показан вид поверхности катания колеса после взаимодействия с моделями тормозных колодок.

                                              рис. 2(а)                                                                                             рис. 2(б)

                                        рис. 2(в)                                                                                                      рис. 2(г)

                                     рис. 2(д)                                                                                                   рис. 2(е)

                                       рис. 2(ж)

Рис. 2. Результаты стендовых испытаний моделей тормозных колодок:

а, б — коэффициент трения; в, г — время торможения; д, е — тормозной путь; ж — объемный износ

                            рис. 3(а)                                                                       рис. 3(б)

                            рис. 3(в)

Рис. 3. Вид поверхности катания колеса после взаимодействия с моделью тормозной колодки:

а — с металлокерамическими вставками; б — с чугунными вставками; в — с вставками из полимерного композита ТИИР-300

Как видно из рис. 3, металлокерамика ФМТК превосходит стандартные материалы, применяемые для изготовления тормозных колодок, как по фрикционным характеристикам, так и по износостойкости. Из рис. 3 следует, что на поверхности катания колеса при взаимодействии с металлокерамикой не образуются выщербины, термические трещины, навары, кольцевые выработки и другие дефекты.

Технико-экономический расчет показывает, что при замене металлокерамическими колодками стандартных чугунных на пассажирских вагонах окупаемость составит 0,62 года, а при замене металлокерамикой полимерных композиционных колодок на грузовых вагонах — 3,06 года. В настоящее время специалисты ООО «НТЦ Информационные Технологии» осуществляют подготовку к выпуску опытной партии металлокерамических тормозных колодок повышенной износостойкости.

Авторы

А.В. Шакина, В.С. Фадеев, О.В. Штанов

Журнал "Техника железных дорог" №4 (28) ноябрь 2014

Библиография

1. Вуколов Л.А., Жаров В.А. Сравнительные характеристики тормозных колодок различных поставщиков // Вестник ВНИИЖТ, 2005, № 2. с. 17 – 20.

2. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / под ред. С.М. Захарова. – М.: Интекст, 2004. – 160 с.

3. Вуколов Л.А., Сапожников С.А., Берент В.Я. Металлокерамические тормозные колодки для тягового подвижного состава // Вестник ВНИИЖТ, 2009. № 5. с. 13 – 15.

4. Патент Česka Republika № 19960221 МПК B61H1/00; F16D69/00; F16D69/02; F16D69/04 Beam block (Brzdový špalik) / Авторы Spacilova J., Cizek D., Miculek J., Rehak O. / Патентообладатель Diafrikt Brakes, заявка № CZ19980008819U от 14.04.1999.

5. Приложение № 4 к приказу Минтранса России от 19 ноября 2009 г. № 209.