HİDROSTATiK KARBONLU TEFLON KAYIVIAI I YATAKTA TERM.AL ETKI VE AŞlNMA

Transkript

1 SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7 Cilt, lsay (Man 2003) Hidrstdik Karbnlu Tefln Kaymala Yatakta Termal Etki ve Aşnma H Yelgin HİDROSTATiK KARBONLU TEFLON KAYIVIAII YATAKTA TERMAL ETKI VE AŞlNMA Hüseyin Y elgin Özet Bu çalşmada hidrstatik yatakta scaklak dağlmlar ile ilgili temel denklemler incelenmiş ve deneysel çalşmalar yaplmştr Deneysel çalşmalar, farkl çalşma hzlarnda (300 dld, 600d/d, 900d/d, 200 d/d) ve farkl yüklerde(0 N, SON, loon, 250N, 500 N) plastik esasl malzemeden luşan yatak zarfna (Karbnlu TeflnPTFE) uygulanmştr Akşkan film scaklğ, yatak zarf scaklğ, yatak gövde scaklğ, mil yüzey scaklğ ve basnç dağlmlar grafikler halinde sunulmuştur Ayrca Karbnlu Tefln yatak zarf malzemesinin beiji bir zaman dilimi içerisindeki scaklk etkisi de dikkate alnarak radyal aşnma değerleri terik larak hesaplanmş, ayrca deneysel larak da aşnma değerleri tespit edilmiştir Anahtar Kelimeler Hidrstatik Kaymal Yatak, PTFE esasl Karbnlu 'fefln, Scaklk Dağlm, Aşnma Abstract In this study, Basic eq uatins cncerns with pressuretemperature were investigated and experimental studies were dne Bearing case, which was made f different five,materrials(carbn Tefln) were applied using different wrking speeds (300 rpm, 600 rpm, 900 rpm, 200 rpm) and different lads(lon, SON,lOON, 250N, 500N) Fluid fihr tcmperature, bearing case temperaturc, mile surface temperature, bearing bdy temperature and pressure distributin were presented using grahics In additin, wearing f inside Carbn Tefln material "vas determined radial wearing value within a piece f time I GİRİŞ Günümüzde kaymal yatak malzemesi larak metal esasl Kalay ve Kurşun kanşmlar,bakr ve Kurşun karşmlan ve Brnz yataklar kullanlmaktadr Belli devirlerde ve hafif yük şartlarnda özellikle, gda ve tekstil endüstri 'si nde plastik esasl yatak malzemeleri tercih edilmektedir Bu çalşma Karbnlu Tefln yatak malzemenin basnç ve scaklk dağlmlar ile aşnma değerlerini kapsamaktadr II DENEYSEL ÇALIŞMA Deneylerde kutanlmak üzere yatak gövdesi dizayn edilmiştir Yatak gövdesi çne PTFE esasl malzeneden yatak bw cu mnte edilerek, değişik devir ve statik yükler altnda basnç ve scaklk dağlmlar incelenniştir Ayrca scaklk dağlmnn yatak aşnma değerleri üzerine lan etkileri araştrlmştr Yatak aşnma değerleri hem deneysel hem de terik larak tespit edilmiş ve birbirleri ile lan sapma miktarlan rtaya knulmaya çalşlmştr \,, L Key Wrds Hydrstatics bearing made f PTFE, Temperature Distributin, Wearing G) T YuaQ Tcurt: ruu 2 'X"&brilc Mill D RUcit : T lll Yatak Zarl" 4 Ta l Yaaa Yuv 5 Özel :Rndcla 6 Tpil Clv't 7 Vrt:tk <Hivd Tlt Sapi, " 8 Va OOvdcal Tpn sn>u:u 9 Tespit SaQ O T""pil Saç Clvtna ly(ik Aak Ttibn 2 v a Stnnu:u: rnn HYelgin, SAÜ Sakarya Meslek YüksekkuJu, Makine prgram, Adapazan Şekil Deney Düzeneğinin Mil Eksen Byunca Kesiti 46

2 _ SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi / Clt, lsay (Mart 2003) Hidrstatik Karbnlu Tefln Kaymal Yatakta Termal Etki ve Aşnma HYelgin Deney düzeneğinin mil ekseni byunca alrmuş kesiti şekill de görülmektedir Deney düzeneğinin tahrik sstemi 075 kw güce ve 2850 d/d nminal dönme saysna sahip bir alternatif akm mtu ile gerçekleştirilniştir Devir hz ayan invertör yardm ile gerçekleştirilmiştir Elektrik mtru çkş miline bağl ka)'ş kasnak mekaniznas ile hareket deney düzene ğindeki mil e aktarlmaktadr vlil 5 O 75 mm çapnda hassas işlenmiş ve sementasyn ylu ile sertleştirilmiştir Yatak gövdesi ise C040 çeliğinden ik parça balinde imal edilmiştir Dört adet saplama yardmyla değişik malzeme burçlanmn mntaj ve demntaj sağlanmştr Ayrca yatak içindeki yağ film basncnn ölçülebilmesi için yatağn pzitif basnç bölgesinde 40,60,80, 00,20 ve 40 derece açlarda 8 mm çapnda delikler açlnnştr Yağ basnç ölçülmesinde basnç kaybnn önlenebilmesi için yüzeyi taşlanmş pimler yerleştirilmştir Ayrca her bir delikte 08 rrnn çapnda radyal ve eksenel dğrultuda delikler açlarak basnç dağlmlan ölçülmüştür Yine yatak gövdesinde 45J05, 45,220,275 ve 30 derece açlarda 08 mm çapnda yağ film scaklğmn ölçülmesi için delikler açlmştr Ayrca yatak zarf içindeki scaklk değişiminin belirlenmesi için delik açlmştr Bu delkiere K tipi nikel krm esasl 02 mm çapnda tem elemanlar Term elemanlarn yerleştirilmiştir yapştnlmasnda Lctite 577 ticari isimli yapştrc kullanlnnştr Ayrca özel prblarla mil yüzey scaklğ ve yatak gövde scaklklar ölçülmüştür Yatak gövdesi içine 4 bar basncndaki basnc sürekli larak iletmek için 3 mm çapnda delik açlmştr (Şekil2) r r lo! pmpalanmasna lanak vermektedir Devrede bulunan 8 barlk hidrlik besleyici pmpalama strku değişirken sistenlin basncnn değişmeden sabit kalmasn sağlamaktadr Deneylerde yağlama yağ larak Shell Tellus 46 nlu madeni sv yağ kullanlmştr Basnç Dağlm 300 cl/ d SABİT HlZDA BASINÇ DAÖnJMI 5 h'\ 4 L 3, z 2 tn <, cq,, s 4 0N YATAK AÇISI (Derece) 50N loon 250N 500N 200 d d SABIT HIZDA BASlNÇ DAGlUMl Fii _! 3 : :z2 _, 0+++r+ L &O YATAK AÇL'3 (Derece) lcn JON loon 250N 500N Şekil 3 Karbn lu Tetln Yatakta Basmç Dağlm 2 ScakJik Dağlm ' O N yük, 300 d d sabit hzda dep scaklğ 2,3 C iken bir saatlik çalşma snunda sistemin maksimum scaklğ 25,2 C ve mininum scaklğ 24,8 C Jarak tespit edilmiştir Ortalama yağ film scaklğ 24,9 C, scaklk artş ise 3,6 C larak tespit edilmiştir Yatak zarf scaklğ 25, C, mil yüzey scaklğ 25,5 C ve yatak gövde scaklğ da 23,9 C 7:, 3 larak ölçülmüştür 50 l\ yük, 600 d d sabit hzda dep scaklğ Şekil 2 Yatak Gövdcsi Deney düzeneğinde basnçl yağ sistemi ; bir yağ stlindirni basnçl hava ile çalşan ileri geri çalştran çift etkili bir silindirden luşmaktadr Devrede hidrlik elemanlar ile silindirlerin her iki strkta 20,3 C iken bir saatlik çalşma snunda sistemin maksinun scaklğ 27 C ve minimum scaklğ 26 C larak tespit edilmiştir Ortalama yağ film scaklğ 26,5 C scaklk artş ise 6,2, C larak tespit edilniştir Yatak zarf scaklğ 26,9 C, mil yüzey 47

3 , SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7Cilt, Say (Mart 2003) HYe : scaklğ 27,5 C ve yatak gövde scaklğ da 25,5 C larak ölçülmüştür 00 N yük, 900 d d sabit hzda dep scaklğ 8,4 C iken bir saatlik çalşma snunda sistemin maksimum scaklk 28, C ve minimum scaklğ 27,2 C larak tespit edilmiştir Ortalama yağ film scaklğ 27,6 C, scaklk artş ise 9,2 C larak tespit edilmiştir Yatak zarf scaklğ 27,9 C, mil yüzey scaklğ 28,5 C ve yatak gövde scaklğ da 25,5 C larak ölçülmüştür :tl' a _, c( t> lis p >c J l,s lp,4 ) O,JJ Of> 500 }l YUK, U İL YÖ ZEY SICAKL!K t> CflLlll Hidrstatik Karblu Tefln Kayrnah Yatakta Termal Etki \'e Aşn ; j lo 5 ::0 JS 30 3S SS ZJH 'lf (U) 300 d d 600 d d 900 d 'd 00 d Id SOO H YUK, YA G FiLU SICJ KLlK I>A ÔlLIWJ 250 N yük, 900 d d sabit hzda dep scaklğ 9,3 C iken bir saatlik çalşma snunda sistemin maksimum scaklk 29,8 C ve minimum scaklğ ::== f! u 29 C larak tespit edilmiştir Ortalama yağ film scaklğ 29,3 C, scaklk artş ise O C larak tespit edilmiştir Yatak zarf scaklğ 29,7 C, mil yüzey scaklğ 30,4 C ve yatak gövde scaklğ da 27,2 C larak ölçülmüştür 500 N yük, 200 d d sabit hzda dep scaklğ 2,3 C iken bir saatlik çalşna snunda sistemin maksimum scaklğ 3 8 C ve minimum scaklğ 37,5 C larak tespit edilmiştir Ortalama yağ filn caklk 3 7, 6 C, scaklk artş ise 6,3 C larak tespit edilmiştir Yatak zarf scaklğ 38, C, mil yüzey scaklğ 38,8 C ve 33,2 C larak ölçülmüştür yatak gövde scaklğ da }0 H VOK, CS SA Bt 'I lilzd A SlCA KLJX DA GlllU I J _:;)0 : :=: ::::: :""' : = : : =: 6 6 bl) 4 <,2 :: O,S ll\ 06 0' : + +r+ ' ' s s JO 2s s s 5! 6! 300d /d u _ ZI'LUt{ (O) 600d/d POOd/d Ud/<! s N \'ÜK, uövdeslcaklik DJ GitiMI ; ÇQ , O JO S 40 45!iO 5S Q 2Al!:All (dl) 300dld 900c/d 004/tl 600d/d,s '"' :4 t,o IJ tf 500 N YÜK, YA TAK ZARFI SICA KLIK J>A GILUU ' ;,80 s 0 00,60 rr 0)0 s s ::20 ::;s s s ss 60 :'MAlJ (U) 50) )t YOK, l 00 d f d SA DİT H IZD A SJCA KL rx DA O IL lu J ", _, OPO++rr,++,:,r lo U lo :ls 30 3$ SO 5:S 60 4 U f chp y, f Dtp Ovd' /l>4p] : OJ> +++t++++t+: Ol ) S '0 4S s 55 6:: ZAMAN (dk) lliodftl 300d/ 60Qd/d 900d/4 Şekl 5 Karbnlt Tefln Yatakta 500 N Yükte Mil Yüzey,Ya Film, Gövdc ve Zarf Scaklk Dağlmlan Şekil3 deki basnç dağlunlan incelendiğind maksinum yağ basncnn yatak açsnn 00 dere:e c ivannda luştuğu gözlenmektedir Bu snuçlar smerfeld varsaym ile uyumluluk göstermektedir Şekli 4 Karbnlu Tefln Yatakta Scaklk Dağlmlar Şekil 4 de 50 N yük ve 600 d/ d sabit hzda ve 500 yük 200 d/d sabit hzda mil, yağ flm ve göyce 48

4 SAL Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi :CIt lsay (Mart 2003) Hidrstatik Karbnlu Tefln Kaymal Yatakta Termal Etki ve Aşnma HYelgin scaklklannn dep scaklğna göre byutsuz dağlmlan görülmektedir Şekjl5de değişik yük ve devirlerdeki yağ film, gövde, mil yüzey scaklklar ayrca yatak zarf scaklklarnn dağlnu görülmektedir Grafikler incelendiğinde büyükten küçüğe dğru lan byutsuz scaklk dağlmlarnda ; ik srada mil yüzey scaklğ, yatak zarf scaklğ, yağ film scaklğ ve yatak gövde scaklğ şeklinde sralanmaktadr Bu durum Khnsari and Kim (989) da yaptklar çalşmalarda belirtiideri gibi snn büyük bir ksmnn m l üzerinden diğerlerinin ise yatak gövdesi üzerinden dşarya iletildiği şeklindeki snuçlarla uyun içindedir AyTca PTFE esasl malzemelerin s iletim katsaylarnun düşük lmas nedeniyle s iletiminin ideal bir şekilde gerçekleşmediği, bu nedenle yatak zarf scaklklarrunda yüksek değerlerde lmasnn nedeni lnaktadr [ 4] 3 Aşnma Miktarnn Tespiti 3 Terik Çalşmalar Kailas and Biswas ( 999) metal esasl malzemelerin kayma hz ve aşnma ram arasndaki deneysel çahşmalarnda, kayma hzndaki artşn aşnma ranlannda azalmaya neden lduğunu bildirnlekteillr[3] Jen et al (999) yağ ile yağlanada sürtünme ve aşnnann kinetik ve scaklk etidierini belirlemek için yaptklar çalşmalarn snunda aşnma rarun b elirlemek için ampirik bir frmül geliştinnişlerdirayrca deneysel çalşmalarnda /25 grafit içeren malzernede aşnma rannn 9x O? mm3 /Nn değeri ile nunimum seviyede lduğunu tespit etmişlerdir[ 6] Fei et al (2000) kaplamal ve kaplamasz PTFE esasl ma bemelern çelik yüzey karşsndaki aşnma ranlarn deneysel larak tespit etmişlerdir Araştrmaclar karşn ranlarnn arnnasnn aşuna ranlarnda azalmaya neden lduğunu belirtnişlerdir[2] \\ ang}\ (200 ) yüksek mleküler ağrlkl plietilenin aşnma değerleri ile ilgili yaptğ terik ve deneysel çalşmalarda, aşnma faktöü ad ile taruruladğ bir ampirik fnül geliştirmiştir [8] vv K= mm3/nm PL VV: Kayp hacim (mm3) P L K : N nal yük (N) :Kayma aralğ (m) : V limetrik hacimdeki aşnma ran Ayrca yaptğ deneysel çalşmada yataktaki radyal bşluğun artmasnn aşnma faktöründe azalma ya neden lduğunu tespit etniştir AkkutM( 980) kitabnda labratuar şartlannda elde edilen malzemelerin aşnma ranlarnn, scaklk etkisi ve diğer etkilerle düzeltme faktörü ad ile tanmlanan bir kavram ile nrnal çalşma kşullarna uyarlanabileceğini ifade etmektedir [ ] Kh P K PV 3HB K he K d :Basnç V : Kayma hz,v=34*d*n 000 (n/dk) Bnada D yatak çap (mn), n yatak dönme hz (dev/dk) dr Ka: Aşnan malzeme hacmi K h : Aşnma ram (cm 3 dak kgmsaat) K he : Malzetnelerin aşnma ran tabl değeri K d : Düzeltme faktöü, PTFE esasl malzemelerde scaklk, s iletne şekli, karş temas yüzey malzemesi ve yüzey püiizlülük değerini içeren bir faktördür Düzeltme faktörü içinde yer alan scaklk etkisi, PTFE malzemeler için 20 C de 00 C da 2, 200 C de ise 5 larak alnabileceğini ifade ttmektedir Yatağn radyal aşnma miktarnn tespiti için ; R = PVK ht frmülü kullanlabilir R : Radyal aşnma miktan T : Zaman, saat ON yükte 300,600,900, 200d/d hzda birer saat ' 50N,l OON,250N ve 500 N yülcte ayn devirlerde birer saat lmak üzere tplam 20 saatlik çalşmada ve 500 N yükte 200d/d hzda 48 saat lmak üzere tplam 68 saatlik çalşma sütesince herbir Karbnlu Tefln malzeme için hesaplanan radyal aşnma degerieri aşağdaki tabl de göülmektedir Tabl Terik Aşnma Değerleri Malzeme Cinsi Radyal Aşnmamm Karbnlu Tefln 0,

5 SAU Fen Bilitnleri Enstitüsü Dergisi 7 Cilt, lsay (Mart 2003) Hidrstatik Karbnlu Tefln Kaymal Yatakta Termal Etki ve Aşnma HYelgit ll32 Deneysel Çalşmalar Başlangçta her bir yatak burcu y ata k gövdesi içine mnte edildikten snra dairesel larak belli açlarda 6 nktadan kamparatör yardm ile ölçülmektedir Tabl2 Deneysel Aşnma Degerieri Malzeme Cinsi Radyal Aşnmamm Karbnlu Tefln 0,029 Yatak zarf terik aşnma değerlerinin belirlendiği şartlarda, tplam 68 saatlik çalşma snunda yine da scaklğnda ayn ölçme nktalarndan tekrar ölçülerek aşnma miktarlan tespit edilmiştir Tabl2de görlmektedir Tabl3 Terik ve Deneysel Aşnma Değerlerinin Karşlaştnlmas Malzene Cinsi Terik/Deneysel Aş 0/ Karbnlu Tefln 6,59 Tabl3de ise terik ve deneysel yöntemlerle hesaplanan aşnma değerlerindeki sapma miktar yüzde cinsinden belitilmiştir Tabl 4 Karbnlu Tefln Yatak Zarf Aşmma Değerlerinin Hesaplanmas K = Kc " K d Mil Yatak Yat Basnc Kayma PV Kd K he (T) Radyal Tplam Gene Devri d/d', Yükü ;N' p 'dan/cm 2 ) HzV ' m/dk') Değ 8 Saat Aşnma RAşnma Aşnn (R=PVTKh) (mm), m lo 0,04 47,0 0,04 94,20,88 3,77, , , , , , , , ! 900 lo 0,04 4,30 5,65, , , , ,04 88,40 7,54 ' ll , , , ! 0,00= ,2 47,0 0,2 94,20 9,42 8,84, , ] 0, ,000049, ' 0, , , ;>OO 50 0,2 4,30 28,26 ' 063 l t6 0, _4 0, , ,2 88,40! 37,68 ' , , ,00038 O,OCG[ ,4 47,0 8,84, , ' , ,4 94,20 37, , , , , ,4 4,30 0,4 88,40 47,0 56,52 75,36 47,0, , , , ' , , , _,c_, , , ,000074'_ ,20 94,20, , , , ,30 4,30, , , , s 600 s 900 s 88, , ,20 2 4,30 88,40 94,20 88,40 282, , , , ,c: j, , , ,000449!, , , , ) , , , s 2 88,40 376,80 ' , , , O,OC : 200 s 2 88,40 376,80 ' , , , ,024: j 0" " ' Yatak Çap ve Yatak Byu (db) 50 mm dir 50

6 S:\LJ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7 Clt, Say (Mart 2003) Hidrstatik Karbnlu Tcfln Kaymal Yatakta Termal Etki ve Aşnma HYelgin Tabl 4'deki snuçlar belirtilen yatak yükü F (0 500 :!\)ve mil devirleri için ( d/d), PF/ d b ifadesi ile yatak basnc hesaplannuştu Ayn şekilde V= 3, 4dn 000 ifadesi ile kayna hz hesaplanmştu Malzemenin aşnma ran tabl değeri larak alnmş, belirlenen düzeltme faktörü de değerlendirilerek radyal aşnma değerleri hesaplanmştr Tabl 4 deki en sn sütunda ise belirtilen yatak yükleri gruplar için genel tplam aşnna miktarlar hesaplannştr 4PFTE esasl malzemelerde s iletim katsaysmn çk düşük lmas nedeniyle, bu malzemelerin hidrdinamik şailarda kullanrmnn uygun lnadğ tespit edilniştir Hidrstatik çalşmada ise yağlayc akşkan tarafndan snn taşnmas snucu bu malzemelerin kullanunrun uygun lacağ snucuna varlmştr lll SONUÇLAR Basuç dağlnlan yar Smerfeld snr şailar ile e lde edilen snuçlarla uyum içindedir 2Yükün sabit lduğu çalşma kşullarnda mil dönme hznn artmas zarf scaklğnn dğrusala yakn bir fnksiyn gibi arttğ deneysel çalşmalara ait grafiklerde görülmektedirörneğin 50N 600 d/d hzda dep scaklğ 203 C iken yatak zarf scaklğ 269 C tespit edilmiştir Bu snuçlara göre yatak zarf scaklğnn yağ giriş scakhğna ram,325 larak tespit edilmiştir Geçmişte benzer çalşmalar yapan Mikula ( 988), Khnsari and Wang ( 99) çift ta bakal babbit kaymal yatak da yatak hzna bağl larak naksimum yatak zarf scaklğmn dğrusal lduğu, yağ giriş scaklğnn 40 derece ve ntil devri artkça yatak sjcaklğnnda dğrusal larak artğ ve 3000 cl/d lk devirde yatak zarf scaklğnn 53 C lduğunu tespit etmişlerdir Bu snuçlara göre yatak zarf scaklğnn yağ giriş scaklğna ran 325 larak tespit edilrniştirbenzer larak zamamn fnksiyn larak hz artkça byutsuz scaklk değişiminin arttğn tespit etnişlerdir Görüldüğü gibi çalşmann snuçlan daha önce yaplan çalşmalarla uyum içindedir [4,5] 3Deneysel çalşmalara ait grafikler incelendiğinde scaklk artş büyüküklerine göre sralandğnda ilk srada mil yüzey scaklğ, daha snra yatak zarf scaklğ ve en sn larak akşkan flm scaklğ şeklinde sralanmaktadr Bu dağlmnda PTFE esasl yatak malzemelerinin s iletim katsaylarnn düşük lrnas etken lmaktadr KAYNAKLAR [l]akkurt,m, 980,Makine elemanlar Cilt2İTÜMühMimFaksay,34 [2]FEİ,L,FENG,Y,LAİ,Y, and WEİ,L, 2000, The Triblgical Behavirs f Cpper Cated Graphite Filled PTFE Cmpsites,V/EAR, Vl23 7,pp 3338 [3]KAİLAS,V, and BİSWAS, SK, 999, Sliding W ear f Cpper Against Alunilna, ASME,V2 l,pp79580 [4]KHONSARİ,MM, and KİM,HJ, 989 On Themally Induced Seizure in Jurnal Bearing, Jurnal f Triblgy, Vll /66 [5]KliONSARİ,MM,and W ANG,SH, 99, On the Maximun Temperature in Duble Layered Jurnal Bearing, TransASME,Vl3 464 [6]JEN,L, CHAU,C, and SAN, C, 999, Mdels fr Temperature Kinetic Aspect f Frictin and W ear in Oil Lubricati),ASME,Vl 2,pp [7]MİKlJLA, AM, 988,The Effect f SheBacking Materiel n the Thernal Perfrmance f a Tilting pa: Thrust Bearing, Lubricatin Engneering, pp [8]\VANG,A, 200, A Unifed Theary f Wear fr UltraHigh Mlecular Weight Plyethylene i: Multi Directinal Sliding, WEAR, V248,pp