1 Расчет колодочного (дискового) тормоза

Определение допускаемой величины тормозных нажатий

Для создания эффективной тормозной системы сила нажатия тормозной колодки на колесо должна обеспечивать реализацию максимальной силы сцепления колеса с рельсом и вместе с тем исключать возможность появления юза при торможении. В дисковом и колодочном тормозе источником образования тормозной силы является ось колесной пары. Поэтому допускаемую силу нажатия на колодки (накладки) с учетом указанных положений можно определить из условия равенства действующей на ось тормозной силы и силы сцепления колесной пары при сухих и чистых рельсах:

– для колодочного тормоза

(1.1)

где m_к – количество тормозных колодок (накладок), действующих на ось,

m_к =2;

K – допускаемая сила нажатия колодки на колесо (накладки на тормозной диск), кН;

φ_к – коэффициент трения тормозной колодки (накладки);

q_о – статическая осевая нагрузка, кН;

ψ_к – коэффициент сцепления колеса с рельсом при торможении;

k_с – расчетный коэффициент использования запаса по сцеплению, k_с=0,85;

Коэффициент трения тормозной колодки зависит от материала, из которого она изготовлена, давления на поверхности трения, скорости относительного перемещения и ряда других факторов. Значения действительного коэффициента трения определяют по эмпирической формуле:

– для стандартных чугунных колодок

(1.2)

где K – действительная сила нажатия колодки на колесо, кН;

v – скорость движения вагона, v = 100 км/ч.

Таким образом, несмотря на простоту выражения (1.1), непосредственное определение по ним допускаемой силы нажатия K несколько усложняется, так как коэффициент трения φ_к, входящий в эти зависимости, является функцией того же К.

Подставляя зависимость (1.2) в уравнение (1.1) и проводя преобразования, получают квадратные уравнения вида , AK² + BK + C =0 из которых можно определить допускаемую силу нажатия в колодочном тормозе:

– для стандартных чугунных колодок

(1.3)

При расчете допускаемых сил нажатия по уравнению (1.3) в качестве скорости v используют расчетную скорость движения подвижного состава при недопущении юза. Величину расчетной скорости движения следует принимать:

– 20 км/ч – для грузовых вагонов, оборудованных чугунными тормозными колодками;

Из указанных значений расчетной скорости при композиционных колодках принимают одно в зависимости от конструкционной скорости вагона.

Статическая осевая нагрузка может быть определена по формуле:

(1.4)

где T – масса тары вагона, T=29 т;

Q – масса перевозимого груза (грузоподъемность), Q =64 т;

g – ускорение свободного падения, g =9,81 м/с²≈ 10 м/с²;

z – количество колесных пар вагона, z=4.

Действительный коэффициент сцепления колеса с рельсом в эксплуатации изменяется в широких пределах (0,04 ... 0,30 ) в зависимости от состояния поверхности рельсов и колес, скорости движения поезда, нагрузки от оси на рельсы, типа рессорного подвешивания, типа тормозной системы, диаметра колеса, геометрии поверхности катания колеса и рельсов (с учетом их износа), погодных условий и множества других постоянно изменяющихся случайных факторов. Все факторы, влияющие на коэффициент сцепления, учесть в расчетах невозможно.

Поэтому при проектировании тормозных систем используют расчетные значения коэффициента сцепления, учитывающие его зависимость от скорости движения, осевой нагрузки и типа подвижного состава. Для сети железных дорог Российской Федерации расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирической формуле:

(1.5)

где v– функция скорости, зависящая от типа подвижного состава.

По результатам исследований для расчетов рекомендованы следующие зависимости:

– для грузовых вагонов с тележками модели 18-100 и им подобными

(1.6)

При определении допускаемых сил нажатия коэффициент сцепления следует находить для расчетной скорости движения. Расчетные значения коэффициента сцепления при сухих и чистых рельсах в зависимости от скорости недопущения юза и осевой нагрузки вагона, определенные по формуле (1.5), приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Расчетные значения коэффициента сцепления в зависимости от расчетных скоростей движения и статической осевой нагрузки.

Расчетный коэффициент использования запаса по сцеплению k_c учитывает возможную разгрузку задней по ходу движения колесной пары при торможении. При отсутствии в тормозной системе противоюзных устройств для колодочного тормоза принимают k_c = 0,85, а для дискового – k_c = 0,75. Если величина k_c принята больше указанных значений, то на подвижном составе необходимо предусматривать противоюзные устройства.

В процессе торможения кинетическая энергия движущегося подвижного состава преобразуется в тепловую энергию, что приводит к нагреву колеса и колодки. При сильном нагреве происходят структурные изменения материала тормозной колодки и поверхности катания колеса, а также из-за неравномерного нагрева в колесе возникают термические напряжения и деформации. В дальнейшем это приводит к появлению дефектов поверхности катания колеса. Поэтому полученную из выражения (1.3) допускаемую силу нажатия в колодочном тормозе проверяют исходя из требований тепловой нагруженности трущихся пар.

Такую проверку выполняют по допускаемым давлениям на тормозную колодку с соблюдением условия

(1.7)

где S_к – номинальная площадь трения тормозной колодки, S_к =0,0305 м²;

[p] – допускаемое давление на тормозную колодку, [p]=1,3 МПа.

Если условие (1.7) соблюдается, то полученную из условия безъюзового торможения силу K принимают за допускаемое нажатие, а если указанное условие не соблюдается, то допускаемое нажатие определяют по формуле:

(1.8)

Номинальная площадь трения композиционных колодок следует принимать равной 0,029 м².

Так как условие соблюдается, то допускаемая сила нажатия

Величину максимального допускаемого давления на тормозную колодку принимать по таблице 1.2 в зависимости от ее типа и заданной скорости вагона.

Таблица 1.2. максимально допускаемое давление на тормозную колодку, МПа

Тип колодки	Скорость движения, км/ч
	до 120	более 120 до 160	более 160 до 200
Чугунная стандартная	1,3	0,9	0,6
Чугунная с повышенным содержанием фосфора	1,0	0,7	–
Композиционная	0,9	0,6	0,4

Вывод: Определили допускаемую силу нажатия колодки на колесо. Вагон дан грузовой с чугунными колодками.

По расчетам К =38,4 кН. Так как при сильном воздействии колодки на колесо может произойти нагрев (происходят структурные изменения материала тормозной колодки и поверхности катания колеса), производят проверку исходя из требований тепловой нагруженности трущихся пар.

Так как значение не превысило значение допускаемое давление на тормозную колодку, допускаемая сила нажатия