[06-2005] Тормозные колодки для электропоездов: чугунные или композиционные?

[poster444]

Тормозные колодки для электропоездов: чугунные или композиционные?

В ряде депо для электропоездов около 40 лет применяют композиционные тормозные колодки. Колодки данного типа обладают некоторыми преимуществами перед чугунными, в частности, имеют меньший вес (примерно в 4 раза), более высокий коэффициент трения. Кривая зависимости последнего от скорости следования электропоезда почти параллельна аналогичной кривой коэффициента сцепления колес с рельсами. Это создает предпосылки для полного использования запаса по сцеплению без применения устройств скоростного регулирования тормозной силы. Композиционные колодки более износостойки, в 1,5 — 3 раза (в зависимости от материала композиции) дешевле, чем чугунные с повышенным содержанием фосфора.

В то же время, композиционные колодки имеют низкий коэффициент теплопроводности, что негативно влияет на поверхность катания колеса. По этой причине ими обычно оборудуют прицепные и головные вагоны, которые имеют цельнокатаные колеса. Если применять композиционные колодки на моторных вагонах с бандажными колесами, то из-за повышенного нагрева могут ослабляться бандажи. Это не безопасно, особенно в условиях плотного графика движения электропоездов с высокими участковыми скоростями.

Для пригородного движения характерны частые остановочные торможения, что вызывает быстрый износ и частую смену колодок. Например, в моторвагонном депо Минск-Северный Белорусской дороги, имеющем приписной парк 53 электропоезда, каждый месяц расходуют около 60 т чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора. Композиционные колодки благодаря низкой стоимости и высокой износостойкости дают существенную экономию. Однако при оценке эффективности использования колодок следует учитывать их влияние на состояние колес и безопасность движения.

Публикации, посвященные применению композиционных колодок на электропоездах, практически не содержат сведений о тормозной эффективности. Хотя это важно для обеспечения безопасности движения. Сотрудники Белорусского государственного университета транспорта (БелГУТа) выполнили расчеты тормозного пути экстренного торможения электропоезда ЭР9Е без пассажиров при различных вариантах установки композиционных и чугунных колодок. Сравнительные результаты приведены в табл. 1. Как показывают расчеты, тормозной путь при чугунных колодках короче во всем интервале скоростей движения до 120 км/ч.

В конце 2002 г. на Белорусской дороге началась опытная эксплуатация композиционных колодок. В декабре колодки ТИИР-303 установили на электропоезде ЭР9Е-639, а в сентябре 2003 г. новые безасбестовые ТИИР-308 — на электропоезде ЭР9Е-637. Композиционными колодками оборудовали головные и прицепные вагоны. На первые колесные пары головных вагонов, которые имеют более низкое сцепление колес с рельсами, устанавливали чугунные колодки.

На участке Минск — Беларусь проводили тормозные испытания электропоездов до и после их оборудования композиционными колодками, причем как с неприработанными, так и с приработанными. Для получения более достоверных данных экстренные торможения выполняли в одних и тех же заранее определенных местах. Скорость начала торможения составляла 100, 70 и 40 км/ч. При этом с каждой скорости тормозили не менее трех раз.

Испытания показали, что тормозной путь электропоезда с неприработанными композиционными колодками ТИИР-303 в среднем увеличился на 10,5 %. После их приработки тормозной путь несколько уменьшился, однако остался длиннее примерно на 8 %, если сравнивать с тормозным путем поезда, оборудованного чугунными колодками. То есть экспериментальные данные практически совпадают с расчетными значениями, которые представлены в табл. 1.

Когда электропоезд оснащали колодками ТИИР-308, тормозной путь увеличивался в среднем на 14 %. В ряде случаев при высоких скоростях движения тормозной путь более чем на 30 % превышал его значение, когда для торможения применяли чугунные колодки.

Таким образом, длина тормозного пути при использовании композиционных колодок увеличивается, что приводит к снижению уровня безопасности в пригородном движении. В то же время, чугунные колодки позволяют сокращать длину тормозного пути еще на 15 — 25 % за счет применения устройств скоростного регулирования тормозных нажатий. Подобным устройством в настоящее время оборудован электропоезд ЭР9Е-614 (см. «Локомотив» № 4, 2005 г.).

Во время опытной эксплуатации постоянно контролировали состояние колесных пар и композиционных тормозных колодок. Через 1,5 месяца после начала эксплуатации колодок ТИИР-303 на четырех колесных парах выявили незначительные кольцевые выработки. Однако через неделю кольцевые выработки на колесных парах исчезли. Спустя два месяца обнаружили, что две колодки имеют сколы на наружной части, а еще две — на внутренней. На трех колесных парах отметили сползание колодок за наружную грань колеса. После пяти месяцев исследований на одной колесной паре образовались кольцевые выработки глубиной 0,4 мм.

Регулярно измеряя износ колодок по толщине, установили, что в период приработки он протекает более интенсивно, а в дальнейшем замедляется. Результаты измерений и расчетов представлены в табл. 2. Как видно из нее, пробег электропоезда на 1 мм линейного износа колодок от начала исследований постоянно увеличивался. Однако величина этого параметра в промежутках между соседними измерениями изменялась в зависимости от времени года.

Летом интенсивность изнашивания меньше, чем зимой. Следует учесть, что в начальный момент работы повышенный износ колодок обусловлен также их геометрическими размерами. Как известно, площадь поверхности трения композиционных колодок зависит от величины износа. В среднем за год эксплуатации пробег электропоезда на 1 мм износа составил примерно 7,5 тыс. км. Увеличение тормозного пути при оборудовании головных и прицепных вагонов композиционными колодками вызывает повышенный износ чугунных на моторных вагонах.

Эксплуатация композиционных колодок ТИИР-308 на электропоезде ЭР9Е-637 началась в сентябре 2003 г. Интенсивность изнашивания в начальный период времени была примерно в два раза меньше, чем колодок ТИИР-303. За три месяца службы при пробеге электропоезда около 50 тыс. км средний пробег на 1 мм износа колодок составил около 8 тыс. км. Возможно, разница в интенсивности износа вызвана погодными условиями, так как начало эксплуатации колодок ТИИР-303 и ТИИР-308 приходится на различные периоды года.

Чтобы дать оценку влиянию композиционных колодок на износ колесных пар, контролировали величины проката поверхности катания, а также толщины гребней и ободьев колес на электропоезде ЭР9Е-639. Замеры сделали в декабре 2002 г. после выполнения текущего ремонта ТР-3, на котором электропоезд оборудовали колодками ТИИР-303, а затем в декабре 2003 г. и в апреле 2004 г. — перед выполнением ТР-2. Пробег состава между ТР-3 и ТР-2 составил 227 тыс. км, в том числе за первый год эксплуатации — 149 тыс. км.

Для сравнения контролировали геометрические параметры колесных пар электропоезда ЭР9Е-605, оборудованного чугунными тормозными колодками. Замеры сделали в феврале 2003 г. после ТР-2 и в апреле 2004 г. — перед ТР-3. Пробег электропоезда за этот период составил 166 тыс. км.

Обрабатывая исходные данные, определяли величины износа гребней и ободьев, устанавливая средние значения. При расчете средних значений износов обода не учитывали частично (с заменой одного колеса) или полностью обновленные колесные пары, а гребня — дополнительно с обточенной поверхностью катания. Колесные пары головных вагонов электропоезда ЭР9Е-639, оборудованные чугунными колодками, также не принимали во внимание. Расчет вели отдельно по группам вагонов.

В качестве критерия при анализе выбраны величины среднего износа гребня и обода колесной пары на 100 тыс. км пробега, а также пробег электропоезда на 1 мм износа этих элементов. Результаты расчетов приведены в табл. 3. Из нее следует, что на головных и прицепных вагонах, которые имеют композиционные колодки, износ гребня по толщине примерно на 17 % меньше, чем при чугунных, а обода — на 33 % больше. Соответственно на такую же величину отличаются и значения пробега, приходящиеся на 1 мм износа.

На моторных вагонах, и в том и в другом случае оборудованных чугунными колодками, гребень изнашивается на 21 % меньше, а обод на 33 % больше в случае установки композиционных колодок на головных и прицепных вагонах. Увеличение износа обода можно объяснить тем, что при установке композиционных колодок на головных и прицепных вагонах чугунные на моторных несут большую нагрузку.

В феврале 2004 г. (в это время часто сменялись положительные и отрицательные температуры) в течение нескольких дней на всех колесных парах, оборудованных композиционными колодками ТИИР-308, образовались кольцевые выработки. Они были выявлены и на большинстве колесных пар с композиционными колодками ТИИР-303. Опытная эксплуатация колодок ТИИР-308 после обследования колесных пар была прекращена.

На поверхности трения колодок ТИИР-303 и ТИИР-308 были обнаружены металлические включения, внедрившиеся в композицию при износе колеса. Площадь соприкосновения с ним колодок составляла не более 60 % их рабочей части. Поверхность трения содержит обширные отслоившиеся участки глубиной до 4 мм. Состояние колодки ТИИР-308 после эксплуатации показано на рисунке.

Оценивая возможность применения композиционных колодок, можно утверждать, что колодки ТИИР-308 ухудшают условия работы электропоезда и по тормозной эффективности, и по негативному воздействию на поверхность катания колес. Колодки ТИИР-303 ведут себя несколько лучше по обоим показателям, однако и они гораздо хуже чугунных с повышенным содержанием фосфора.

Из-за пониженной тормозной эффективности композиционных колодок машинисты при подъезде к остановочным пунктам начинают тормозить раньше. В условиях уплотненного графика движения электропоездов в дальнейшем приходится компенсировать потери времени на торможение за счет увеличения скорости следования по перегонам, что приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Д-р техн. наук Э.И. ГАЛАЙ,
инженеры П.К. РУДОВ, Е.Э. ГАЛАЙ,
научные сотрудники
отраслевой научно-исследовательской лаборатории
«Тормозные системы подвижного состава»
БелГУТа (г. Гомель),
О.А. СИДОРОВИЧ,
начальник моторвагонного депо Минск-Северный
Белорусской дороги

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin