Study on thermo-mechanical instability in the industrial brakes

• Autorzy: Ścieszka S. F. , Żołnierz M.

Warianty tytułu

PL

Badania termomechanicznej niestabilności hamulców przemysłowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents disc brake surface temperature field measurements, during emergency braking in real industrial conditions, by means of the thermovision infrared camera. The temperature field assessment enables the verification of the numerical modelling of the brake performance in the succeeding step. The experimental part of the research also covers tribological testing on the coefficient of friction between the friction brake material (brake pad) and steel (brake disc) in laboratory conditions on a tribotester which satisfied the similarity criteria with the mine winder hydraulic disc brake. The tribological characteristic of the friction couple, including the kinetic and static coefficients of friction, were determined for use in the finite elements analysis (FEA) of the brake thermo-mechanical instability (TMI) problem. In the numerical part of this work, the FE modelling technique was used to simulate the brake interface hot spotting and the axial disc distortion as a function of the geometrical and material properties of the brake elements and the brake’s operational conditions. The critical speed above which TMI would occur was calculated for the analysed mine winder brake system. A FE method was used to find the temperature distribution and the resulting thermal stresses and distortions in the brake discs. The disc division into various numbers of sections was numerically tested for the division’s effect on thermal stress reduction and axial distortions.

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań rozkładu temperatur na powierzchni tarczy hamulcowej w czasie hamowania awaryjnego maszyny z użyciem kamery termowizyjnej. Uzyskane wyniki umożliwiły weryfikację obliczeń numerycznych tego procesu hamowania. Przedstawiono także badania tribologiczne charakterystyki ciernej pary hamulcowej, czyli materiału okładziny hamulcowej i materiału tarczy hamulcowej. Badania tribologiczne wykonano na stanowisku spełniającym najważniejsze kryteria podobieństwa do hamulca tarczowego maszyny wyciągowej. Uzyskane wartości współczynników tarcia kinetycznego i statycznego były wykorzystane następnie w modelowaniu numerycznym termomechanicznej niestabilności analizowanego hamulca i wyznaczeniu krytycznej prędkości początkowej, powyżej której system staje się niestabilny. Obliczenia numeryczne obejmowały także wyznaczenie naprężeń termicznych w tarczy, deformacji osiowej tarczy oraz wpływu podziału tarczy na segmenty na naprężenia i jej deformacje osiowe.

Słowa kluczowe

EN

industrial brakes; thermal stress; friction characteristics; disc distortion

PL

hamulce przemysłowe; naprężenia termiczne; charakterystyki tarcia; deformacja dysku

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2013
• Tom: nr 3
• Strony: 133--149
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ścieszka S. F.

• Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Mechanizacji Górnictwa, ul. Akademcka 2, 44-100 Gliwice

autor

Żołnierz M.

• Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Mechanizacji Górnictwa, ul. Akademcka 2, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• 1. Anderson A.E., Knapp R.A.: Hot spotting in automotive friction systems. Wear, 1990, 135, 319-337.
• 2. Kao T.K., Richmond J.W.: Brake disc hot spotting and thermal judder. Int. Journal of Vehicle Design, 2000, 23, 276-295.
• 3. Ścieszka S.F.: Fricion Brakes (in polish). WZP - ITeE, Radom 1998.
• 4. Barber J.R.: Elasticity, Kluwer Academic Publishers, Boston 1992.
• 5. Yi Y., Barber J.R., Zagrodzki P.: Eigenvalue solution of thermoelastic instability problems using Fourier reduction. Proc. Roy. Soc. A 456, 2000, 2799-2821.
• 6. Panier S., Dufrenoy P., Weichert D.: An experimental investigation of hot spots in railway disc brakes. Wear, 2004, 256, 764-773.
• 7. Ji-Hoon, Choi Lee: Finite element analysis of transient thermoelastic behaviours in disc brakes, Wear, 2004, 257, 47-58.
• 8. Yevtuschenko A.A., Grześ P.: The FEM - modeling of the frictional heating phenomenon in the pad/disc tribosystem (a review), Numerical Heat Transfer, Part A, vol. 58, No 3, 2010, 207-226.
• 9. Grześ P.: Finite element analysis of disc temperature during braking process, Acta Mechanica et Automatica, 2009, 4, 36-42.
• 10. Grześ P.: Finite element analysis of temperature distribution in axisymmetric model of disk brake, Acta Mechanica et Automatica, 2010, 4, 23-28.
• 11. Żołnierz M.: The effect of the winder disc brake's design feature on its thermoelastic instability. PhD thesis (in polish). Silesian University of Technology, Gliwice, 2006.
• 12. Ścieszka S.F., Żołnierz M.: The effect of the winder disc brake's design feature on its thermoelastic instability Part 1. Set-up for finite element modeling and numerical model verification, ZEM, 2007, 3, 111-124.
• 13. Ścieszka S.F., Żołnierz M.: The effect of the winder disc brake's design feature on its thermoelastic instability Part 2. Finite element simulation, ZEM, 2007, 4, 183-193.
• 14. Kowal L., Turewicz K., Kruczek T.: Temperature measurement in mine winder's disc brake, Maszyny Górnicze 2/2012, 3-12.
• 15. Grzegorzek W., Ścieszka S.F.: Prediction on friction characteristics of mine hoist disc brakes using artificial neural networks, Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance, ZEM, 2011, 46, 27-42.
• 16. Zhen-cai Zhu, Yu-Xing Peng, Zhi-Yuan Guo-an Chen.: Three-dimension transient temperature field of brake shoe during hoist's emergency braking. Applied Thermal Engineering, 2009, 29, 932-937.
• 17. Farren S.W., Taylor G.I.: The heat developed during plastic extension of metals. Proceedings of the Royal Society, 1925, 107, 422.
• 18. Komanduri R., Hou Z.B.: Analysis of heat partition and temperature distribution in sliding systems, Wear, 251, 2001, 925-938.
• 19. Christie I., Griffiths D.F., Michell A.R., Zienkiewicz O.C.: Finite element methods for second order differential equations with significant first derivatives. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1976, 10, 1389-1396.
• 20. Yu C.C., Heinrich J.C.: Petrov - Galerkin methods for multidimensional time -dependent convective transport equation. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1987, 2201-2215.