Тормозное устройство
Владельцы патента RU 2327588:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии - Агентство (RU)
Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для торможения объектов. Тормозное устройство содержит тормозной башмак и элемент из упругого материала. Башмак выполнен охватывающим головку рельса и имеет возможность соединения с тормозимым объектом. В передней части башмака выполнена клиновидная выемка. Элемент выполнен из упругопластичного материала в виде клина и предназначен для размещения в клиновидной выемке башмака над верхней поверхностью головки рельса. На верхнюю поверхность клина, контактирующую с поверхностью клиновидной выемки башмака, нанесено антифрикционное покрытие. Достигается спасение объектов испытаний при обеспечении уровня тормозных перегрузок, не превышающего заданный уровень. 4 ил.
Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для торможения объектов, движущихся на опорах скольжения по рельсовым направляющим.
Известно устройство для остановки рельсовых транспортных средств, содержащее тормозной башмак с колодкой и полозом. Полоз имеет удлиненные борта, охватываемые тормозными шинами, в которых расположены тормозные секции с нагружающими элементами, обеспечивающими фрикционный контакт рабочих поверхностей секций и шин. (Заявка на изобретение RU №2002102817 А, МПК7 В60К 7/00, опубл. 27.09.2003).
Недостатками данного устройства являются сложность и громоздкость нагружающих элементов и большая металлоемкость конструкции.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тормозной башмак, содержащий колодку с ручкой. По обеим сторонам колодки сбоку прикреплены два полоза для фиксации башмака на рельсе. Колодка выполнена, по меньшей мере, с одним поперечным пазом прямоугольного сечения. В пазу размещена прямоугольная вставка из упругого материала для взаимодействия с рельсом. Башмак устанавливается на пути движения подвижного состава (патент RU №2142891, МПК 6 В61К 7/00, В61Н 7/10, опубл. 20.12.1999).
Данный тормозной башмак, выбранный в качестве прототипа, предназначен для замедления и остановки подвижного состава, движущегося по рельсам на сортировочных горках, и не может быть использован для торможения высокоскоростных объектов, движущихся по рельсам на опорах скольжения, из-за больших динамических нагрузок, возникающих при наезде тормозимого объекта на тормозной башмак.
Решаемой технической задачей является обеспечение безударного торможения объектов, движущихся по рельсам на опорах скольжения. Технический результат: спасение объектов испытаний при обеспечении уровня тормозных перегрузок, не превышающего заданный.
Техническая задача решается следующим образом.
В заявляемом тормозном устройстве, включающем тормозной башмак и элемент из упругого материала, предназначенный для взаимодействия с рельсом, в отличие от прототипа башмак выполнен охватывающим головку рельса и с возможностью соединения с тормозимым объектом и может свободно перемещаться вместе с ним по рельсу. При этом в передней по направлению движения тормозимого объекта части башмака выполнена продольная клиновидная выемка. Элемент из упругопластичного материала выполнен в виде клина и предназначен для размещения в процессе торможения в клиновидной выемке над верхней поверхностью головки рельса. На верхнюю поверхность клина, контактирующую с поверхностью клиновидной выемки, нанесено антифрикционное покрытие.
Для обеспечения условия создания тормозной силы угол раствора клина α выбран из условия:
где f1 - коэффициент трения верхней поверхности клина о поверхность клиновидной выемки башмака в статике;
f2 - коэффициент трения нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса при заданной начальной скорости движения тормозимого объекта.
Для обеспечения условия непревышения заданного уровня тормозных перегрузок прочность материала клина и его размеры определяются соотношением
где σт - предел текучести материала клина;
m - масса тормозимого объекта вместе с массой тормозного устройства;
- допустимая величина тормозной перегрузки;
f'2 - коэффициент трения нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса в статике;
f3 - коэффициент трения башмака о нижнюю поверхность головки рельса в статике;
g - ускорение свободного падения;
b - ширина клина;
L - длина рабочей поверхности части клина, контактирующей с поверхностью клиновидной выемки башмака.
Выполнение тормозного башмака с возможностью соединения с тормозимым объектом исключает ударное нагружение последнего в начале процесса торможения.
Охват башмаком головки рельса позволяет обеспечить передачу давления на трущиеся поверхности рельса, башмака и клина при внедрении последнего в клиновидную выемку башмака.
Наличие продольной клиновидной выемки в передней части башмака обеспечивает возможность взаимодействия клина с башмаком и верхней поверхностью головки рельса.
Выполнение элемента из упругопластичного материала в виде клина обеспечивает возможность создания регламентированного давления в полости между клиновидной выемкой башмака и верхней поверхностью головки рельса при продольном перемещении клина относительно башмака.
Нанесение антифрикционного покрытия на верхнюю поверхность клина уменьшает ее коэффициент трения f1 о поверхность клиновидной выемки, что позволяет обеспечить выполнение условия (1).
При выполнении условия (1) сила трения, действующая на нижнюю поверхность клина, превышает горизонтальную составляющую сил давления и трения, действующих на его верхнюю поверхность. Благодаря этому клин внедряется в клиновидную выемку, что способствует увеличению давления башмака на рельс и, как следствие, увеличению тормозной силы. Невыполнение условия (1) приводит к выталкиванию клина из клиновидной выемки колодки и, как следствие, отсутствию тормозной силы.
При уменьшении скорости тормозимого объекта коэффициенты трения нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса и башмака об ее нижнюю поверхность возрастают, что может привести к заклиниванию тормозного башмака. Исключение заклинивания и неконтролируемого роста тормозной перегрузки достигается выбором упругопластичного материала и размеров клина с помощью соотношения (2).
Выполнение соотношения (2) позволяет выбрать материал и размеры клина такими, при которых максимальное значение тормозной перегрузки, действующей на тормозимый объект, не превышают заданной величины, определяемой прочностью тормозимого объекта или тормозного устройства.
На фиг.1 и фиг.2 показан пример выполнения заявляемого тормозного устройства в исходном состоянии (фиг.1 - вид сбоку, фиг.2 - поперечное сечение тормозного башмака, охватывающего головку рельса). На фиг.3 и фиг.4 показано тормозное устройство в процессе торможения (фиг.3 - вид сбоку, фиг.4 - поперечное сечение тормозного башмака с клином, внедрившимся в клиновидную выемку).
Тормозное устройство состоит из охватывающего головку рельса 3 башмака 1, в передней по направлению движения тормозимого объекта 4 части которого выполнена клиновидная выемка 5, и элемента 2 из упругопластичного материала, предназначенного для размещения в клиновидной выемке 5 во время торможения над верхней поверхностью головки рельса 3 и выполненного в виде клина, на верхнюю поверхность которого нанесено антифрикционное покрытие, например, консистентная смазка (на фиг.1-4 не показано).
Предлагаемое тормозное устройство работает следующим образом. Тормозимый объект 4 вместе с башмаком 1 движется по рельсу 3. На пути движения тормозимого объекта 4 в заданной точке на верхней поверхности головки рельса напротив клиновидной выемки установлен клин 2 из упругопластичного материала (см. фиг.1). Тормозной башмак 1 наезжает на клин 2, который внедряется в клиновидную выемку 5 (см. фиг.3).
При выполнении условия (1) внедрение клина 2 в клиновидную выемку башмака 1 поддерживается силой трения, действующей на нижнюю поверхность клина и превышающей горизонтальную составляющую сил давления и трения, действующих на его верхнюю поверхность. Если условие (1) не выполняется, то клин выталкивается силами давления, действующими на его верхнюю поверхность, и торможения не происходит. Давление, действующее на поверхность клиновидной выемки и на верхнюю поверхность головки рельса, ограничено величиной предела текучести материала клина, выбранного по соотношению (2), что обеспечивает непревышение заданного предела тормозной перегрузки.
Было проведено испытание предлагаемого тормозного устройства с параметрами: масса тормозимого объекта - 30 кг, масса тормозного башмака - 1,5 кг, масса клина - 25 г, угол клина α=6°, материал клина - полиэтилен (σт=9·106 Н/м2), длина рабочей части клина L=60 мм, ширина клина b=50 мм.
При коэффициентах трения верхней поверхности полиэтиленового клина, смазанной консистентной смазкой, о поверхность клиновидной выемки башмака в статике f1=0,04, нижней поверхности полиэтиленового клина о верхнюю поверхность головки рельса при скорости 50 м/с f2=0.16 и tg6°=0.105 условие (1) выполняется
0.105<0.16-0.04=0.12.
В эксперименте при начальной скорости торможения 50 м/с, тормозной путь составил 18 м.
При угле клина 8° условие (1) не выполняется:
0.14>0.16-0.04=0.12,
и торможение спасаемого объекта не происходит.
При величинах коэффициентов трения в статике нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса f'2=0.26 и башмака о нижнюю поверхность головки рельса f3=0.12 и допустимой тормозной перегрузке 
условие (2) выполняется
.
Перегрузка, действующая на спасаемый объект, в эксперименте не превысила 40 ед.
Таким образом, предлагаемое тормозное устройство, выполненное с учетом условия (1) и соотношения (2), обеспечивает достижение технического результата - спасение объектов испытаний при уровне тормозных перегрузок, не превышающем заданный.
Тормозное устройство, содержащее тормозной башмак, охватывающий верхнюю и боковые поверхности головки рельса, элемент из упругого материала, предназначенный для взаимодействия с рельсом и башмаком, отличающееся тем, что башмак выполнен охватывающим головку рельса и с возможностью соединения с тормозимым объектом, в передней по направлению движения тормозимого объекта части башмака выполнена клиновидная выемка, элемент выполнен из упруго-пластичного материала в виде клина и предназначен для размещения во время торможения в клиновидной выемке башмака над верхней поверхностью головки рельса, на верхнюю поверхность клина, контактирующую с поверхностью клиновидной выемки башмака, нанесено антифрикционное покрытие, причем угол скоса клина α выбран из условия
tgα<f2-f1, где
f1 - коэффициент трения верхней поверхности клина о поверхность клиновидной выемки башмака в статике;
f2 - коэффициент трения нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса при заданной начальной скорости тормозимого объекта;
а материал клина и его размеры определены из соотношения
где
σт - предел текучести материала клина;
m - масса тормозимого объекта вместе с массой тормозного устройства;
- допустимая величина тормозной перегрузки;
f'2 - коэффициент трения нижней поверхности клина о верхнюю поверхность головки рельса в статике;
f3 - коэффициент трения башмака о нижнюю поверхность головки рельса в статике;
g - ускорение свободного падения;
b - ширина клина;
L - длина рабочей части клина, контактирующей с поверхностью клиновидной выемки башмака.
