AĞIR İŞ MAKİNELERİ ŞANZIMAN DİŞLİLERİNDE OLUŞAN HASARIN BİLGİSAYAR YARDIMIYLA ANALİZİ

Transkript

1 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi Kasım Balıkesir AĞIR İŞ MAKİNELERİ ŞANZIMAN DİŞLİLERİNDE OLUŞAN HASARIN BİLGİSAYAR YARDIMIYLA ANALİZİ N. Sinan KÖKSAL*, İlter KİLERCİ** * sinan.koksal@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Manisa ** ilter.kilerci@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Manisa ÖZET Ürünlerin düşük maliyetli ve uzun ömürlü olması ve çalışma ortamına uyumluluğu gibi nedenler, yeni malzeme ve üretim yöntemlerine gereksinimleri artmıştır. Dişli çarklar, en eski ve yaygın olarak kullanılan makine elemanlarıdır. Farklı boyut, malzeme ve uygulamalarla dişli çarklar, her makinede giriş ve çıkış milleri arasında kuvvet ve hareket ileten elemandır. Dişlilerin dış kısmı sert, aşınmaya dayanıklı ve iç kısmı darbeleri sönümleyebilmesi için tok bir yapıya sahip olmalıdır. Bir makinede en uzun ömürlü parçaların dişli çarklar olması beklenmektedir. Bu çalışmada; ağır iş makinelerindeki şanzıman pompa yürüyüş dişlisinin ani olarak kırılmasından kaynaklanan oluşan hasarlar incelenmiştir. Öncelikle üretim parametreleri ve malzemeye bağlı incelemeler yapılmıştır. Daha sonra kullanım koşullarına bağlı olarak olası durumlar ele alınmıştır. Dişli çarkların sertlik dağılımı incelenmiş, sonlu elemanlar yöntemi ile kullanım koşullarına uygun olarak gerilme, sehim analizi yapılmıştır. Dişlinin hasara uğramasında malzeme seçiminin uygun olmadığı belirlenmiştir. Anahtar Sözcükler: İş makineleri, kırılma, gerilme analizi, sertlik dağılımı. ABSTRACT Low cost and occupational environment compatibility of the products and work environment factors have increased the need for new materials and production methods. Gears are the oldest and most widely used machine components. Gears with different sizes, materials and applications, are components between the input and output shafts in every machines that transmit power and motion. Outer surface of the gear should be hard, wearresistant and inner sides should have toughness in order to damp the stroke. The longestlived parts on a machine are expected to be gears. Distribution of the hardness of the gears was examined. By using finite element method, stress and displacement analysis were done in accordance with working conditions. In this study; transmission gear track pumps of heavy construction equipment due to the sudden break were investigated. Primarily due to production and material parameters were investigated. Then, depending on the operating conditions probable causes were considered. It was determined that the gear had damaged due to incorrect choice of materials. Keywords: Construction vehicles, fracture, stress analysis, hardness distribution 541

2 1. GİRİŞ Çok geniş kullanım alanı olan dişli çarklar kolumuza taktığımız saatten, ulaşımda kullandığımız tüm kara, hava, deniz taşıtlarına kadar birçok önemli makinede güç aktarma elemanı olarak yer almaktadır. Farklı yerlerde, farklı amaçlar için çalışan dişli çarkların boyutları, malzemeleri, şekilleri de farklıdır. Son yıllarda, üretim mühendisliği alanında düşük maliyetli ve kaliteli yeni ürünlere olan gereksinimler artmıştır. Bu yüzden imalat sektöründe zaman tasarrufu sağlayabilmek için yüksek hızlarda çalışabilen makine elemanlarının geliştirilmesi üzerine çalışmalar yapılmaktadır [1]. Dişli çarklar, uzun yıllardan beri kullanılan en yaygın makine elemanlarıdır. Farklı boyut, malzeme ve uygulamalarda olsalar da dişli çarklar hemen her makinede giriş ve çıkış milleri arasında şekil bağıyla kuvvet ve hareket ileten eleman olarak karşımıza çıkmaktadır [2]. Yataklanmış millerde devir sayısına bağlı olarak, yataklara etki eden kuvvet şiddeti artmakta ve sehimin yanı sıra gürültü ve ısınmalar meydana gelmektedir [3, 4]. Chabert ve arkadaşları [5] tatminkar doğrulukta netice veren dişli çark sonlu elemanlar modelinin diş sayısı ve göbek derinliğini tayin etmişler ve kurdukları modelle gerçekleştirdikleri analizler neticesinde dişdibinde gerilmeyi hesaplayan bir ifade tesis etmişlerdir. Fetvacı ve İmrak; kremayer takımla düz dişli imalatını simüle etmiş ve çeşitli parametrelerin diş geometrisi üzerindeki etkilerini incelemişlerdir [6]. Brauer, evolvent düz, helisel, düz konik ve konik (beveloid) dişlileri parametrik olarak tanımlayan ifadeleri tesis ederek, bu dişlilerin genel sonlu eleman modellenmesini sunmuştur [7]. Bekçi ve arkadaşları; farklı malzemelerden modüler yapıda planet dişliler tasarlayıp sonlu elemanlar ilkesine dayalı program ile gerilme analizlerini yapmışlardır [8]. Wei; sonlu elemanlar yöntemi ile vites sistemindeki evolvent dişlilerde oluşan gerilmeler hakkında bilgi edinebilmek için araştırmalar yapmıştır [9]. Sözkonusu çalışmalarda [5-9] tek dişten oluşan sonlu eleman modelleri kullanılmıştır. Ağır iş makinelerinin kullanım yerlerinden biri de kömür ocaklarıdır. Kömür üretiminin yaklaşık % 85-90'lık kısmı açık ocaklardan elde edilmekte olup geri kalanı yeraltı ocaklarından sağlanmaktadır. Bu bakımdan açık ocaklar çok daha büyük öneme sahiptir. Açık ocaklardaki dekapaj ve kömür üretimi mekanize olup ekskavatör kamyon sistemiyle gerçekleştirilmektedir (Şekil 1). Bu iş makinelerinin işletme verimliliği açısından kesintisiz çalışması çok önemlidir. Bu kamyonlara ait bir parça olan pompa yürüyüş dişlisi tahmin edilenden daha kısa sürede hasara uğramıştır. Bu hasarın nedenlerini araştırmak için malzeme ve üretim parametreleri ele alınmıştır. Şekil 1. İşletmelerdeki iş makinelerinden örnekler. 542

3 Bu çalışmada; ağır iş makinelerindeki şanzıman pompa yürüyüş dişlisinin ani olarak kırılmasından kaynaklanan oluşan hasarlar incelenmiştir. Öncelikle üretim parametreleri ve malzeme sonra kullanım koşullarına bağlı durumlar ele alınmıştır. Hasara uğramış dişlilerin malzemesinin kimyasal bileşimi belirlenmiştir. Üretim parametrelerine göre değişebilen iç ve dış bölgesel sertlik dağılımı incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile analizi yapılarak dişli çarkın gerilme, sehim analizi yapılmıştır. 2. MATERYAL ve METOT Yük altındaki bir dişlinin dişlerindeki maksimum gerilme değerinin elde edilmesi, dişe etki eden kuvvetin yönü ve büyüklüğünün temas süresince diş profiline bağlı olarak değişmesinden dolayı oldukça karmaşıktır. Evolvent profilli bir diş üzerinde etkili olan kuvvetler Şekil 3 te gösterilmektedir. Şekil 2 de görülen ilk temas noktasında etki eden yük (Wn), temel dişli hareket kanununa göre, diş profilinin normali doğrultusunda etki eder. Bu normal yük, teğetsel (Ft) ve radyal (Fr) bileşenlerine ayrılırsa, teğetsel kuvvet dişli dişi üzerinde bir eğilme momenti oluştururken, radyal bileşen diş kesitinde basma gerilmesi oluşumuna neden olur. Radyal kuvvetin diş eksen çizgisinden kaçık olmasından ötürü basma gerilmesi diş kesiti boyunca düzgün olmayan bir dağılım gösterir. Temas noktası diş profili üzerinde hareket ettikçe, eğilme kuvvetinin moment kolundaki değişime bağlı olarak Wn büyüklüğü de değişir. Bununda ötesinde, temas çizgisi boyunca, iletilen gücü paylaşan diş sayısı da temas oranına bağlı olarak değişim gösterebilir. Şekil 2. Diş üzerindeki kuvvet bileşenleri Sonuç olarak diş boşlukları, diş profili ve yük altındaki dişlerin deformasyonu dinamik kuvvetleri tetikleyebilir. Bu dinamik kuvvetler periyodik tekrarlı ve bazı durumlarda gücü ileten sabit kuvvetten büyük olabilir [8]. AISI 5115 çeliğinden üretilmiş ve kimyasal özellikleri Tablo 1 de, mekanik özellikleri Tablo 2 de gösterilmiş olan şanzıman pompa yürüyüş dişlisi sonlu elemanlar prensibiyle çalışan program vasıtasıyla modellenerek Şekil 3 de gösterildiği üzere yükleme durumları belirlenmiştir. AISI 5115 malzemesinin gerilme ve yer değiştirme analizi sonuçları Şekil 4-6 da verilmiştir. Tablo 1. AISI 5115 çeliğinin kimyasal özellikleri [10]. Element C Si Mn Cr P S % Ağırlık 0,13-0,19 0,15-0,40 1,00-1,30 0,80-1,10 0,035 max 0,035 max 543

4 Tablo 2 AISI 5115 Çeliğinin Mekanik Özellikleri Özellik Değer Birim Elastik modül N/mm² Poisson's oranı 0,29 Kayma modülü N/mm² Öz kütle 0,0078 g/mm³ Çekme gerilmesi 386,1 N/mm² Akma gerilmesi 284,4 N/mm² Termal genleşme kat sayısı 1, Termal iletkenlik kat sayısı 46,6 W/(m.K) Malzemenin öz ısısı 460 J/(kg.K) Şekil 3. Analizlerde kullanılan yükleme durumu Şekil 4. AISI 5115 ten imal edilmiş dişliye 1000 N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler 544

5 Şekil 5. AISI 5115 ten imal edilmiş dişliye 5000 N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler Şekil 6. AISI 5115 ten imal edilmiş dişliye N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler Şekil 7. AISI 5115 çeliğinden imal edilen hasara uğramış dişli AISI 5115 çeliğinden imal edilmiş şanzıman dişlisinin kullanım esnasında hasara uğraması; analiz sonuçları doğrultusunda hasarın malzemenin kimyasal bileşimindeki farklılıklarından dolayı ortaya çıktığı düşüncesini ortaya çıkarmıştır. Yapılan element analizi ile Tablo 3 de gösterildiği üzere AISI 5115 malzemesinin kimyasal bileşiminde farklılıklar olduğu meydana çıkmıştır. Bu hasarın önüne geçebilmek için farklı bir çelik kullanması öngörülmüştür. AISI 8620 çeliğinden imal edilecek olan şanzıman dişlisinin kimyasal özellikleri Tablo 4 te, mekanik özellikleri Tablo 5 te gösterilmiştir. 545

6 Tablo 3 Hasara uğramış AISI 5115 çeliğinin kimyasal özellikleri Element C Si Mn Cr Mo Ni V W Fe % Ağırlık 0,38 0,31 0,83 0,67 0,001 0,019 0,004 0, Tablo 4. AISI 8620 çeliğinin kimyasal özellikleri [11] Element C Si Mn Cr Mo Ni P S % Ağırlık 0,15-0,7-0,4-0,15-0,4- Max. Max. 0,18-0,23 0,35 0,9 0,6 0,25 0,7 0,035 0,04 Tablo 5. AISI 8620 Çeliğinin Mekanik Özellikleri Özellik Değer Birim Elastik modül N/mm² Poisson's oranı 0,29 Kayma modülü N/mm² Öz kütle 0,00785 g/mm³ Çekme gerilmesi 634 N/mm² Akma gerilmesi 360 N/mm² Termal genleşme kat sayısı 1, Termal iletkenlik kat sayısı 46,6 W/(m.K) Malzemenin öz ısısı 477 J/(kg.K) AISI 8620 çeliğinden üretilmiş dişliye 1000 N, 5000 N ve N yük uygulanarak yapılan gerilme ve yer değişme analizi sonuçları Şekil 8-10 da gösterilmektedir. Şekil 8. AISI 8620 den imal edilmiş dişliye 1000 N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler 546

7 Şekil 9. AISI 8620 den imal edilmiş dişliye 5000 N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler Şekil 10. AISI 8620 ten imal edilmiş dişliye N kuvvet uygulandığında oluşan gerilme ve yer değiştirmeler Şekil 11. AISI 8620 çeliğinden üretilmiş olan yürüyüş dişlisi Şekil 12. AISI 5115 çeliğinden imal edilmiş hasara uğrayan dişli 547

8 Dişli üretiminde uygulanan sementasyon işlemi kimyasal bileşimi farklılığı oluşturmasının yanında istenen sertlik dağılımı elde edilmektedir. Burada da yapılan sertlik ölçümlerinde diş dibi 58 HRC iken iç bölgelerde 40 HRC ve hatta 20 HRC değerine kadar düşmektedir. Yapılan sonlu elemanlar analizi sonucunda şanzıman dişlisinin sadece diş kısmından hasara uğradığı görülmüş, fakat mevcut kamyon şanzıman pompa yürüyüş dişlisinin Şekil 13 de görüldüğü gibi diş dibi bölgesinden hasara uğradığı görülmüştür. Şekil 13. AISI 5115 çeliğinden imal edilen hasara uğramış dişli 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Ağır iş makinelerindeki şanzıman pompa yürüyüş dişlisinin ani olarak kırılmasından kaynaklanan hasar durumu incelenmiştir. Hasara uğramış ağır makine dişlisinin öncelikle malzemeye bağlı nedenlerden dolayı kırıldığı sonucuna ulaşılmıştır. Yapılan sertlik deneyi sonuçlarında Şekil 12 de görüldüğü üzere AISI 5115 malzemeli dişlinin diş kısımlarında sertlik 58 HRC civarlarında iken, dişlerin alt kısımlarında sertliğin ani düşüş göstererek 30 HRC civarına geldiği görülmüştür. Dişlinin merkezine doğru gelindikçe sertliğin daha da düşerek 20 HRC değerine kadar düştüğü görülmüştür. Malzeme alaşım elementlerinin analizi sonucunda, AISI 5115 malzemesi içinde en fazla % 0,19 oranında bulunması gereken karbonun % 0,38 oranında, en az % 0,80 oranında bulunması gereken kromun % 0,67 oranında, en az % 1,0 oranında bulunması gereken 548

9 mangan elementinin, % 0,83 oranında bulunduğu belirlenmiştir. Krom malzemelere sertlik ve aşınmaya karşı direnç kazandırdığından yeterli oranda bulunmayan krom elementi malzemenin sertlik ve aşınma değerlerinde düşüşe neden olmuştur. Karbon oranının fazla bulunması da sünekliği azaltmıştır. Ancak bu sertlik artışı uygulanan sementasyon işlemine bağlı olarak oluştuğu görülmektedir. Mangan elementinin malzemelerin dayanımını artırdığı bilinmektedir. Dolayısıyla element analizinde yeteri kadar bulunmayan mangan elementi dayanımda düşüşe neden olmuştur. Bu element oranlarının gereken düzeylerde olmamasından dolayı malzemenin hasara uğradığı belirlenmiştir. Şanzıman pompa yürüyüş dişli malzemesi AISI 8620 çeliğinden imal edilip işletmede kullanımında malzeme, üretim koşulları veya yüklemeye bağlı herhangi bir sorunla karşılaşılmamıştır. 4. KAYNAKLAR [1] WECK, M., KOCH, A., Spindle-bearing systems for high-speed applications in machine tools. Ann. CIRP 42 p Abstract-Compendex, (1993). [2] KARPAT, F., ÇAVDAR, K., BABALIK, F.C., Bilgisayar Yardımıyla Düz, Helisel, Konik ve Sonsuz Vida Dişli Mekanizmalarının Boyutlandırılması ve Analizi, Mühendis ve Makine -Sayı: 510, (Temmuz 2002). [3] ÇAYDAŞ, U., SEÇGİN, Ö., Düz Dişli Çark Sistemlerinde Eksenler Arası Açının Yatak Kuvvetlerine Olan Etkilerinin Araştırılması, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları 4, (2003). [4] K. J. H. AL-SHAREEF, J. A. BRANDON, On the effect of variations in the design parameters on the dynamic performance of machine tool spindle bearing systems. Int. J. Mach Tools Manufact. 30 p Abstract, (1990). [5] CHABERT, G., TRAN,T. D., MATHIS, R., An Evaluation of Stresses and Deflection of Spur Gear Teeth Under Strain, ASME Journal of Engineering for Industry, 96, 85-93, (1974). [6] FETVACI, M. C., İMRAK, C. E., Düz Dişli Çark Görsel Materyallerinin Bilgisayar Ortamında Elde Edilmesi, Yıldız Teknik Üniversitesi SIGMA Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Sayı:4, (2004). [7] BRAUER. J., A General Finite Element Model Of Involute Gears, Elsevier B. V., Finite Elements in Analysis and Design 40, , (2004). [8] BEKÇİ, U., VAROL, R., TAYLAN, F., Farklı Malzemelerden İmal Edilmiş Modüler Dişli Çarkların ANSYS ile Gerilme Analizi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, (2) 19-26, (2006). [9] WEI, Z., Stresses And Deformations In Involute Spur Gears By Finite Element Method, A Thesis Submitted to the College of Graduate Studies and Research in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in the Department of Mechanical Engineering University of Saskatchewan, October, (2004). 549

10 [10] Fermetal Demir Ticaret ve Sanayi Limited Şirketi, Sementasyon Çelikleri Kimyasal Özellikleri [11] ASM Aerospace Specification Metals Inc., 550