Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının Yatak Performansına Etkisi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 6, No: 4, 009 (1-10) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 6, No: 4, 009 (1-10) TEKNOLOJİK RŞTIRMLR e-issn: Makale (rticle) Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının Yatak Performansına Etkisi Hakan DTEPE *, ydın BIYIKLIOĞLU ** *ksaray Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü, ksaray **Karadeniz Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü, Trabzon Özet İçten yanmalı benzinli ve dizel motorlarında, uçak motorlarında, kompresörlerde, pistonlu pompalarda, eksantrik presleri ve hadde merdaneleri gibi pek çok makinalarda milleri yataklamak için kullanılan radyal kaymalı yatakların, dinamik yük altında, farklı yağ giriş sıcaklıklarında gösterdiği performans yatak tasarımcıları açısından oldukça önemlidir. Bu çalışmada, önceden deneysel olarak belirlenen bir dinamik yük örneği (polar yatak yükü) kullanılmıştır. Yatak yükü ve diğer yatak parametreleri sabit kalmak şartıyla, yalnızca yatağa gönderilen yağın sıcaklığı 0 o C, 40 o C ve 60 o C olarak alındığında yatağın performansında nasıl bir değişiklik olacağı araştırılmıştır. Sonuçlar irdelenerek yatak tasarımcılarına, yağ giriş sıcaklığı değişiminin yatak performansı üzerindeki etkileri konusunda pratik bilgi sunulmuştur. nahtar Kelimeler Yağ giriş sıcaklığı, kaymalı yatak The Effect on Oil İntake Temperature at Dynamicaly Loaded Radial Journal Bearings Performance bstract The performance that radial journal bearings, used for the bearing of many machines such as internal combustion gasoline and diesel engines, aeroplane engines, compressors, plunger pumps, eccentric presses and rolling cylinders, show under dynamic load and at different oil intake temperatures, is very much important for bearing designers. In this study, a dynamic load sample (polar bearing load) which was experimentally defined before was used. How the performance of bearing would be was investigated in the study, so long as bearing load and other bearing parameters stay stable, and when the temperature of oil poured only on bearing is designated as 0, 40 and 60 centigrade degrees. By analyzing results, bearing designers were given practical information about the effects of oil intake temperature change on the performance of bearing. Keywords Oil intake temperature, journal bearing 1.GİRİŞ Radyal kaymalı yataklarda kullanılan yağlayıcının, yağ giriş sıcaklığının artması yatak yüzey sıcaklığının artmasına neden olmaktadır. Yatak yüzey sıcaklığının artması da yatak malzemesinin zamanla aşınmasına, yağın zamanla bozulmasına sebep olur. Bu nedenle yağ giriş sıcaklığının etkisinin incelenmesi kaymalı yatak tasarımcıları için önemli bir araştırma konusu olmuştur. Literatürde bu konuyla ilgili yapılan çalışmaları kısaca özetleyecek olursak; Chun S. M. ve Lalas D. P. yarım çevresel kanallı kaymalı yatakta basınç ve yağ giriş sıcaklığının etkisini incelediği araştırmalarında, Reynolds ve enerji eşitliklerini birleştirerek yaptıkları teorik çözümde, genişlik çap oranı L/D ve cidar sıcaklığının Bu makaleye atıf yapmak için datepe H., Bıyıklıoğlu., Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının Yatak Performansına Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 009, (6) 1-10 How to cite this article datepe H., Bıyıklıoğlu *, Technologies 009, (6) 1-10 The Effect on Oil İntake Temperature at Dynamicaly Loaded Radial Journal Bearings Performance Electronic Journal of Machine

2 Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının.. değişime etkilerini incelemişlerdir [1]. Xiaobin Lu, Khonsari M. M. ve Gelinck E. R. M. nin sınır, karışık, elastohidrodinamik ve hidrodinamik yağlama bölgelerini tanımlayan Stribeck eğrisini deneysel ve teorik olarak elde ettikleri çalışmalarında farklı yükler ve farklı yağ giriş sıcaklıklarda çözümler gerçekleştirmişlerdir. Teorik ve deneysel sonuçların birbirine uygun olduğunu görmüşler []. Hashizume K., ve Kumada Y. kaymalı yataklarda sıcaklık ve yağ debisini araştırdıkları çalışmalarında, değişken yüke sahip biyel kolu yatağında yatak sıcaklığının hızla yükseldiği, kritik yağ debisini belirlemeye çalışmışlardır []. Ene N. M., ve Dimofte. üç loblu dalgalı kaymalı yatakların, sıcaklık dağılımlarını teorik ve deneysel olarak incelediği araştırmalarında yatak ara yüzeyindeki sıcaklık dağılımının hesabı için üç boyutlu teorik bir model geliştirmişlerdir. Bu modelden elde ettikleri sonuçları deneysel olarak ölçtükleri çevresel sıcaklık dağılımı ile karşılaştırmışlar ve sonuçların uyumlu olduğunu ifade etmişlerdir [4]. Biz de bu çalışmamızda yatak yükü ve diğer yatak parametreleri sabit kalmak şartıyla, yalnızca yatağa gönderilen yağın sıcaklığı değiştirildiğinde yatakta meydana gelen güç kaybında, maksimum yağ film basıncının değişiminde, minimum yağ film kalınlığında ve sürtünme momentinde nasıl bir değişim olduğunu araştırdık.. REYNOLDS EŞİTLİĞİ VE ÇÖZÜMÜ Hidrodinamik radyal kaymalı yatakların analizinde kullanılan ve yağlama problemlerinin temel denklemi olan Reynolds eşitliğinin (1), ileri düzeyde kaymalı yatak analizleri yapan ORBİT programıyla [5], sonlu farklar yöntemine göre çözüm yöntemi kullanılmıştır. h P 1 h P 1 V h ω h h + = + + (1) z 1η z R θ 1η θ R θ z t Sınır şartlar; z = 0 P(z,θ)=P 1,j () z = L P(z,θ )=P n,j () yrıca çözümünde, yarı Sommerfeld sınır şartları da kullanılmıştır. Burada; yağ viskozitesi, z eksenel koordinat, R yatak yarıçapı, θ çevresel koordinat, h yağ film kalınlığı, P yağ film basıncı, P 1,j, P n,j yatağın kenarındaki (z=0 ve z=l) basınçlar, V çevresel hız, ω açısal hızdır. Sonlu farklar formülasyonu kullanılarak, Reynolds diferansiyel eşitliğindeki terimler, aşağıdaki şekilde göz önüne alınmıştır. h 0.5 h +h P -P 1η z 1η Δz P i+1,j i-1,j i+1,j i-1,j i,j h 0.5 h +h P -P 1η θ 1η Δθ h z P i,j+1 i,j-1 i,j+1 i,j-1 i,j i+1,j i-1,j h θ i,j h -h Δ i,j+1 i,j-1 i,j z h -h Δ θ eski hi,j-h h i,j t (8) i,j Δt Yukarıdaki şekliyle (4,5,6,7,8) sonlu fark formülasyonu kullanılarak her bir düğüm noktasında Reynolds eşitliği yazılır ve sonra sonuçlar lineer denklem sistemi şeklinde düzenlenir. (9). L. P R (9) (4) (5) (6) (7)

3 datepe H., Bıyıklıoğlu. Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Burada Pher bir düğüm noktasındaki yağ film basınçlarını, eşitliğin sağındaki R ise h, V, ω, z, L matrisi h,, z, θ, R terimlerini ve θ ve t terimlerini içermektedir. Bu lineer denklem sisteminin çözümü için Gauss Eliminasyon yöntemi kullanılmıştır. Sonlu farklar metoduyla çözümde her bir düğüm noktası için hesap yapıldığından hesaplama zamanı mobility ve sonlu hacim yöntemlerine göre oldukça uzundur. Şekil 1 de bir açılmış bir yatak yüzeyi üzerindeki hidrodinamik ağ örgüsü şekli verilmiştir [5-6- 7]. Pn Pn z=l z z=0 P1 0 P1 60 Şekil 1. çılmış bir yatak yüzeyi üzerindeki hidrodinamik ağ örgüsü Reynolds eşitliğinin çözümünden ; Yağ film basıncı nedeniyle yatağın üzerinde meydana gelen yağ film kuvveti bileşenleri; x,yağ = Pcosθd (10) y,yağ = Psinθd (11) kontak basıncı nedeniyle temas eden yüzeylerde meydana gelen kuvvetin bileşenleri, x,pürüz = Ppürüzcosθd (1) y,pürüz pürüz (1) = P sinθd akışkan tabakaları arasındaki hidrodinamik sürtünme kuvveti bileşenleri, η h x,fhyd = - V+ P sinθd h (14) η h y,fhyd = - V+ P -cosθd h (15) sınır sürtünme kuvveti bileşenleri ise x,fsınır = μppürüzsinθd (16) y,fsınır pürüz (17) = μp -cosθd

4 Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının.. elde edilir. Burada, d birim yatak yüzey alanı, µ temas eden yüzeyler arasındaki sürtünme katsayısı, P çevresel doğrultudaki basınç gradyanıdır. Sonuç olarak da yatağa uygulan yatak yükünün bileşenleri; = (18) x x,yağ x,pürüz x,atalet x,fhyd x,fsınır y =y,yağ y,pürüz y,atalet y,fhyd y,fsınır (19) şeklinde bulunur. Hidrodinamik ve sınır sürtünme nedeniyle radyal kaymalı yataklarda meydana gelen güç kayıpları sırasıyla Lhyd ve Lbyd ile ifade edilirse, dönme hareketinde hidrodinamik güç kayıpları Couette ve Poisseuille akışından dolayı iki bileşene sahiptir. Böylece hidrodinamik güç kaybı aşağıdaki şekliyle ifade edilir. P P η η h h hyd h h 1ηR θ 1η θz (0) L = V d+ ω d+ d+ d Sınır sürtünme bileşeniyle güç kayıplarını ise 1/ L sınır = μp sınır (V +ω ) d (1) şeklinde ifade edilir. Sıcaklıkla viskozite değiştiğinden dolayı, kaymalı yatak hesabında yağ film sıcaklığının hesabı önemlidir. ORBIT programında, yağlayıcının viskozitesi sabit olarak tanımlanabildiği gibi kullanılan yağın tipine ve yağın giriş sıcaklığına bağlı olarak da tanımlanabilir. Çalışmamızda yağ sıcaklığı aşağıdaki gibi tanımlanmıştır. T =T + yağ giriş L +L hyd ρc Q p sınır Burada Tyağ efektif yağ sıcaklığı, Tgiriş yağ giriş sıcaklığı, Lhyd bir çevrimde ortalama hidrodinamik sürtünme gücü kaybı, Lsınır bir çevrimde ortalama sınır sürtünme gücü kaybı, Q bir çevrimde ortalama yağ akış oranını, ρ yağın yoğunluğunu, Cp yağın özgül ısıl kapasitesini ifade etmektedir. Çalışmamızda kullanılan radyal kaymalı yatak ve parametrelerinin bir kısmı aşağıda verilmiştir [8]. Kullanılan Yağ : Shell Tellus 7 Milin Dönme Hızı : 140 dev/dak Yük rekansı : 140 dev/dak Yatak Boyutları Yatak çapı : mm Mil Çapı : mm Radyal Boşluk : 0.00 mm Boyutsuz Yatak Boşluğu : Milin Yüzey Sertliği : 55 RSD-C Milin Yüzey Pürüzlülüğü : 0.19 µm Yatağın Yüzey Pürüzlülüğü : µm. BULGULR VE İRDELEME Deney düzeneğinin mil ekseni boyunca alınmış kesiti Şekil de, mil eksenine dik kesiti ise Şekil de verilmiştir [ ] () 4

5 4 5 6 datepe H., Bıyıklıoğlu. Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) Sürtünme ölçme sistemi 7. Konik bilezik 1. Küresel mafsal. Deney mili 8. Konum belirleyicisi 14. O-Ring. Test yatağı 9. Tahrik kasnağı 15. Piston 4. Yatak kepi 10. Optik algılayıcı 16. Nut-Ring 5. Sıkma bileziği 11. Yatak yuvası 17. Servo vana bağlantısı 6. Burç 1. Yükleme pabucu 18. Gövde plakası Şekil. Deney düzeneğinin mil ekseni boyunca kesiti Hidrolik silindir kapağı 0. Squeeze film yağ bağlantısı 1. Gövde plakalar bağlantı saplaması. Konum belirleyiciler Şekil. Deney düzeneğinin mil eksenine dik kesiti 5

6 Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının.. Şekil ve Şekil de kesitleri verilen deney düzeneğinde, deneysel olarak belirlenen dinamik yük örneği [8] etkisindeki motor yatağında kullanılan Shell Tellus 7 yağının, yağ giriş sıcaklıkları 0 o C, 40 o C ve 60 o C olarak alındığında, yatağın performansında nasıl bir değişiklik olduğunu araştırdık. Bunun için kullanılan programda, sadece yatağa giren yağın yağ giriş sıcaklığı değiştirilmiş, diğer tüm yatak parametreleri sabit olarak alınmıştır. Çalışmamızdan elde edilen sonuçlarla çizilen grafikler ve bu grafiklerin irdelemesi de aşağıda verilmiştir. Şekil 4 de yatağa uygulanan dinamik yatak yükünün düşey ve yatay bileşenleri ile bunların bileşkesi olan toplam yatak yükünün krank açısına göre değişimleri verilmiştir. Uygulanan yük örneği incelendiğinde maksimum yatak yükünün 0.5 lik krank açısında N değerinde, minimum yatak yükünün ise 15 lik krank açısında N değerinde olduğu görülmektedir. Nümerik hesaplamada, bilgisayar programına giriş dosyalarından biri olan, dinamik yük dosyası, bu grafiğin verilerinden elde edilmiştir. Tüm sıcaklık değerlerinde bu dinamik yatak yükü örneği alınmıştır Toplam Yatak Yükü,[N] Yatay yük, x Düşey Yük, y Toplam Yük, Krank çısı, [Derece] Şekil 4. Radyal kaymalı yatağa uygulanan dinamik yatak yükü örneği Şekil 5 de yatağa uygulanan yük örneği etkisinde farklı yağ giriş sıcaklıklarında yatakta meydana gelen güç kaybının, krank açısına göre değişiminin grafiği verilmiştir. Grafik incelendiğinde yatakta maksimum güç kaybının 0 o C yağ giriş sıcaklığında, yaklaşık 00 lik krank açısında ve 0,0 kw değerinde, minimun güç kaybının ise 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana geldiği görülmektedir. Bu grafiğe göre yağ giriş sıcaklığı ne kadar fazla olursa radyal kaymalı yatakta güç kaybının da daha az olacağı Şekil 5 den açıkça görülmektedir. 6

7 datepe H., Bıyıklıoğlu. Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) ,40 0,5 0,0 = 0 0 C = 40 0 C = 60 0 C Güç Kaybı, [kw] 0,5 0,0 0,15 0,10 0,05 0, Krank çısı, [Derece] Şekil 5. arklı yağ giriş sıcaklıklarında güç kaybının krank açısına göre değişimi Şekil 6 da yatağa uygulanan dinamik yatak yükü etkisinde farklı yağ giriş sıcaklıklarında kaymalı yatakta meydana gelen maksimum yağ film basıncının krank açısına göre değişiminin grafiği verilmiştir. Grafik incelendiğinde yatakta meydana gelen maksimum yağ film basıncının 60 o C yağ giriş sıcaklığında, yaklaşık 04 lik krank açısında ve 4,8 MPa değerinde, maksimum yağ film basıncının aynı çalışma şartları altında minimum değerinin 0 o C yağ giriş sıcaklığında hemen hemen aynı krank açısında değerinde 18,9 MPa meydana geldiği açıkca görülmektedir. Bilindiği gibi kaymalı yatakta yükünü taşıyan yağ filmidir. Yağ film basıncının büyük olması yatağın yük taşıma kabiliyetinin iyi olduğu anlamına gelir. akat yağ film basıncı minimum yağ film kalınlığı ile de alakalıdır. Minimum film kalınlığının da metal metal temasını önleyecek değerde olması istenir. Verilen grafikte maksimum yağ film basıncının 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana geldiği görülmektedir. Maksimum yağ film basıncının meydana geldiği konum yatağa uygulanan yükün de maksimum olduğu konumdur. Yağ giriş sıcaklığının artmasıyla yatağın çalışma sıcaklığı artacak bunu sonucunda kullanılan yağın viskozitesinin azalacaktır. Viskozitenin azalması demek minimum yağ film kalınlığının azalması demektir. Yağ film kalınlığı da azalınca yükü karşılayacak olan yağ film basıncıda artacaktır. 7

8 Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının.. Maksimum Yağ ilm Basınçı, [MPa] 6 4 = 0 0 C 0 = 40 0 C 18 = 60 0 C Krank çısı, [Derece] Şekil 6. arklı yağ giriş sıcaklıklarında maksimum yağ film basıncının krank açısına göre değişimi Şekil 7 de yatağa uygulanan dinamik yük etkisinde farklı yağ giriş sıcaklıklarında minimum yağ film kalınlığının krank açısına göre değişiminin grafiği verilmiştir. Grafik incelendiğinde yatakta meydana gelen minimum yağ film kalınlığının en az olduğu konum 60 o C yağ giriş sıcaklığında, yaklaşık 70 lik krank açısında ve,8 mikron değerinde, minimum yağ film kalınlığının aynı çalışma şartları altında maksimum değerinin 0 o C yağ giriş sıcaklığında hemen hemen aynı krank açısında, değerininde 10 mikron olduğu verilen grafikten açıkca görülmektedir. Şekil incelendiğinde minimum yağ film kalınlığının minimum değerinin yağ giriş sıcaklığının 60 o C durumda meydana geldiği görülmektedir. Bununda nedeni sıcaklık arttıkça viskozite düşecek viskozite düşünce de mil ve yatak arasındaki mesafe azalacaktır. Şekil 8 da yatağa uygulanan yük örneği etkisinde farklı yağ giriş sıcaklıklarında radyal kaymalı yatakta meydana gelen sürtünme momentinin krank açısına göre değişiminin grafiği verilmiştir. Grafikler incelendiğinde yatakta meydana gelen sürtünme momentinin maksimum değerlerinin 0 o C yağ giriş sıcaklığında, yaklaşık 75 lik krank açısında ve, N-m değerinde, sürtünme momentinin minimum değerinin de 60 o C yağ giriş sıcaklığında hemen hemen aynı krank açısında ve 0,565 N-m değerinde meydana geldiği görülmektedir. Minimum yağ film kalınlığı en fazla 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana geldiği bir önceki şekilde görülmektedir. Yağ film kalınlığı arttığında akışkan molekülleri arasındaki sürtünme, dolayısıyla sürtünme momenti artacaktır. 8

9 datepe H., Bıyıklıoğlu. Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Minimum Yağ film Kalınlığı, [Mikron] = 0 0 C = 40 0 C = 60 0 C Krankçısı, [Derece] Şekil 7. arklı yağ giriş sıcaklıklarında minimum yağ film kalınlığının krank açısına göre değişimi Sürtünme Momenti, [N-m],4,,0 1,8 1,6 = 0 0 C 1,4 = 40 0 C 1, = 60 0 C 1,0 0,8 0,6 0,4 0, 0, Krank çısı, [Derece] Şekil 8. arklı yağ giriş sıcaklıklarında sürtünme momentinin krank açısına göre değişimi 9

10 Teknolojik raştırmalar: MTED 009 (6) 1-10 Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Yağ Giriş Sıcaklığının.. 4. SONUÇLR Radyal kaymalı yataklarda, yatağa gönderilen yağın giriş sıcaklıklarının değiştirilmesi sonucu elde edilen verilerden çizilen grafiklerden özetle aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır. 1. Yatakta meydana genel minimun güç kaybı, 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana gelmiştir.. Maksimum yağ film basıncı, 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana gelmiştir.. ynı çalışma şartları altında, yatakta meydana gelen minimum yağ film kalınlığının, minimum değeri 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana gelmiştir. Metal metal temasının en yüksek olduğu yağ giriş sıcaklığı değeri de bu yağ giriş sıcaklığıdır. 4. Sürtünme momentinin minimum değerinin de yine 60 o C yağ giriş sıcaklığında meydana geldiği görülmüştür. 5. KYNKLR 1. Chun, S. M., Lalas, D. P. Parametric Study of İnlet Oil Temperature and Pressure for a Half- Circumferential Grooved Journal Bearing, Tribology Transactions, 5, (199), 1-4. Xiaobin, L., Khonsari, M. M. and Gelinck, E. R. M., The Stribeck Curve: Experimental Results and Theoretical Prediction, Journal of Tribology, 18, 4 (006), Hashizume, K. and Kumada, Y. Study af Oil low and Temperature in Journal Bearings. Engine Tribology SE International Congress, Detroit, 4-8 ebruary 199, SP-919, ISBN Ene N. M., and Dimofte. Temperature Distribution of a Wave Journal Bearing. Comparison with Test Data, Proceedings of SME/STLE International Joint Tribology Conference, October -4, 007 San Diego, California US 5. Ricardo Software, Journal Bearing nalysis-orbit, Documentation/User Manual Version 1., IL., US, Gulwadi, S. D., Mixed Lubrication and Oil Transport Model for Piston Rings Using a Mass- Conserving lgorithm, SME ICE, 5, (1995), 19-19, SME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 10 (1998), Gulwadi, S. D., Development of an dvanced Journal Bearing nalysis Simulation Program ORBIT for pplication in Internal Combustion Engines, n Internal Ricardo Report, eb datepe, H., Mikro Kanallı Radyal Kaymalı Yataklarda Statik ve Dinamik Yük ltında Sürtünme Davranışının İncelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, en Bilimleri Enstitüsü, datepe, H., Bıyıklıoğlu,., Dinamik Yüklü Radyal Kaymalı Yataklarda Mil Yörüngesinin Teorik ve Deneysel Olarak Belirlenmesi, II. Makina Tasarım ve İmalat Teknolojileri Kongresi, 6-7 Eylül 00, Konya, Bildiriler Kitabı, Bıyıklıoğlu,., Çuvalcı, H., datepe, H., Baş, H., Duman, M.S., New Measurement Test pparatus and Method for the riction orce Measurement in the Journal Bearings Under Dynamic Loading Part I, Experimental Techniques, 9, 5 (005), Durak, E., Kurbanoğlu, C., Bıyıklıoğlu,., Kaleli, H., Measurement of riction orce and Effects of Oil ortifier in Engine Journal Bearings Under Dynamic Loading Conditions, Tribology International, 6, 8 (00),