BİR ASENKRON MOTOR ARIZA TESPİTİ ÖĞRETİM ARACI AN INDUCTION MOTOR FAULT DIAGNOSIS INSTRUCTIONAL TOOL

Transkript

1 BİR ASENKRON MOTOR ARIZA TESPİTİ ÖĞRETİM ARACI AN INDUCTION MOTOR FAULT DIAGNOSIS INSTRUCTIONAL TOOL Veli TÜRKMENOĞLU 1, Necati KOCYİGİT 2 ÖZET Bu çalışmada, 3 fazlı asenkron motorlar için arıza bulmada yardımcı olacak uzman sistem geliştirilmiştir. Elektrik motorları konusunda yetişen teknik elemanların, 3 fazlı asenkron motor arızalarının bulunması ve giderilmesi konusunda teknik bilgi ve beceri kazanmaları gerekmektedir. Bu çalışmayla hissedilen açığın desteklenmesi hedeflenmektedir. 3 fazlı asenkron motor olası arızaları uzman sistem mantık süzgeci içerisinde sınıflara ayrılmış ve bilgi tabanı oluşturulmuştur. Bu bilgi tabanını değerlendirip sonuca giden bir algoritma geliştirmiştir. Bu amaçla CLIPS uzman sistem kabuğu (USK) kullanılmıştır. CLIPS USK ile algoritma çalıştırılarak kullanıcıya sorunla ilgi önerilerde bulunmaktadır. Programa görsel özellikler kazandırmak için VC++ programlama dili kullanılmıştır. VC++ temelli yazılım programı ile uzman sistem kabuğu gömülü olarak kullanılmaktadır. CLIPS USK gömülü uygulaması için clipsdll.dll düzenlenmiş ve kullanılmıştır. Motor sorunları, nedenleri ve olası çözüm yöntemleri önerilmektedir. Kullanıcı menüler yardımıyla arıza türüne ve öngörülen çözümlere yönlendirilmektedir. Kullanıcı arızaları şikâyetlerden yola çıkarak bulmaktadır. Her şikâyete ait arızanın olası nedenleri bulunmaktadır. Bu nedenlere bağlı arıza belirtileri bulunmaktadır. Eğer olası arıza nedenine ait belirtilerin hepsine evet denirse o kural olası arıza nedeni olarak kullanıcıya sunulmaktadır. Geliştirilen yazılımın öğrenciler üzerindeki etkisi bir anketle kontrol edildi. Öğrencilerin çoğunluğu geliştirilen yazılımı oldukça olumlu buldu. ABSTRACT In this study, an expert system for identifying three-phase asynchronous motor defection has been improved. The technicians that are being trained on electrical motors should be trained with technical knowledge and skills about running of three-phase asynchronous motors as well. The study aims supporting the required lack of experience and knowledge. A three-phase asynchronous motor s possible defects have been classified in a logical algorithm of the expert system and formed database. To do this, an algorithm has been developed to evaluate the database. For this purpose, the ESS (Expert System Shell), which is a CLIPS system shell, has been used. It has been performed by functioning CLIPS ESS algorithm. VC + + based software program has been used together with the expert system shell embeddedly. Clipsdll.dll has been regulated and used for embedded applications of CLIPS ESS. Motor defects, reasons, and possible solution methods are suggested. The user is directly supervised to type and propose solutions by defecting menus. The user finds out the defects through complaints. Possible solutions for each problem are available. If 'YES' is said for all indications belonging to possible defecting reason of motor, the rule is presented to user as a possible defect. The impact on the software developed by 1 Ordu University, Electricity and Energy Department/Turkey, turkmen67@hotmail.com 2 Rize University, Electricity and Energy Department/Turkey, necati_kocyigit@hotmail.com 1

2 students were examined too. The majority of students have found that the software developed was quite positive. Key words: 3-Phase Asynchronous Motors, Identifying Defect, Expert System, Computer Supported Vocational Education 1. INTRODUCTION Used in various industrial applications, depending on how hard asynchronous motor is used, even though they provide the physical structure to be converted to electrical energy to mechanical energy or vice versa, errors in cases may arise. Changing work environment and dynamic load cause errors in a motor. During normal running, different errors may occur in asynchronous motor's electrical and mechanical parts. Broken rotor bars, stator and rotor windings of the coil are short-circuit failures; air gap asymmetry in the magnetic circuit generates the error. Thus, within the broken rotor bars of motor, eccentricities like winding and friction will result in errors. Motor larger errors are errors in the beginning before they affect the overall performance of the motor. These errors occur with appropriate early diagnostic detection schemes and finally serious performances reduce cause system failures(aydin et al, 2005). Different methods were used for detecting motor error and diagnosis. In this method known as parameter estimation method and in the other techniques like modelbased, that are most convenient and inexpensive, the system is setup on the mathematical model. Although parameter estimation technique requires an accurate mathematical model and a set of system parameters based on a complex understanding of system dynamics, it has been used widely (Mo Yuen, C. 1997). The mathematical model of the motor can be diagnosed without knowing exactly working environment and the status of a motor based on measurements by experienced engineers or experts. Approaching is simple and reliable. Conditions and measurements of the broken motor lies in the complex relationship between the engineer's full knowledge (Gao, XZ, Ovaska, SJ, 2001). However, training of the experienced technicians is an expensive and difficult task. Instead of using a few experienced technicians, relying on system monitoring and diagnostics, monitor continuously will be prompted to automatic update. In this study, 3-phase asynchronous motor for an expert system was developed to help finding the error. For electric motor technicians who were trained to locate and eliminate 3-phase asynchronous motor failure, technical knowledge and skills are also required.. This study is aimed to support sensable vulnerability. For possible defects in the filter, 3-phase asynchronous motor expert system logic that is divided into classes and the knowledge base were developed. This knowledge base was developed to evaluate the results and an algorithm. For this purpose, the expert system shell CLIPS Expert System (ES) Shell is used. When there is a problem on running CLIPS algorithm some suggestions may be useful for the user. To bring to the visual features, VC + + programming language is used. The VC + + based software program with the expert system shell is used for embedding applications and designed clipsdll.dll used. Knowledge Engineering is called as such a technique which compiles and transfers the knowledge and expert s experience. A good rule of knowledge and experience of experts in the computer is to transfer the Artificial Intelligence (AI) programs to the Expert Systems (ES). 2

3 3-phase asynchronous motor type of failure was studied and it was grouped under 14 headings in the program. Motor problem, their causes and possible solutions are the suggested methods here. Menu with the help and predicted solutions are directed to the type of failure. Failures are found based on user complaints. This is how to understand what a failure is: If all of the possible failures causes the symptoms; it is also possible that the rules are presented to users as a cause of failure. If there aren't any symptoms, the user is prompted to the next rule. 2. EXPERT SYSTEM FAULT DIAGNOSIS LOGIC 2.1. Expert System Diagnostics Process There is a block diagram of expert system logic in finding fault given below. As it can be understood from the figure 1, to analyse failure complaints must be defined first. YES and NO answers to the symptoms of the knowledge base are queried. Rules (Probable cause) all indicate that this rule works of YES, not go to the next rule, and questioning continues. If the rule tries, the corresponding user sees Probable Causes and Recommendations. Figure 1. Fault finding logic of expert systems Figure 2 shows the complaints, (complaint 1 "motor may not attempt to start at all") I II III Figure 2. Structure of the knowledge base complaint Following is the meaning of a Roman figure: I - the name of fact. II -the number of complaint. III the complaint. Figure 3 shows the symptom, (symptom 1 "asynchronous motor on two-phase") I II III Figure 3. Structure of symptoms knowledge base 3

4 Following is the meaning of a Roman figure: I the name of the fact II symptoms number III - symptoms Figure 4 shows the cause of failure, (failure 1 1 "one of fuse is broken or overload relay is wrong" ) I II III IV V Figure 4. Structure of rule knowledge base Following is the meaning of a Roman figure: I the name of fact. II - Rule number III - Complaint number IV - probable reason rule V - the number of symptoms Figure 5 shows the Recommendations, (recommendation 1 "asynchronous motor on two-phase") I II III Figure 5. Recommendation Information structure of the base Following is the meaning of a Roman figure: I Recommendation name II - Recommended number III - Recommendation indicates. Knowledge base links, are given in figure 6. Figure 6. The facts relations with each other in the knowledge base 4

5 Knowledge base in the shape can be understood from the above facts such as numerical been associated. Every complaint has a rule or rule group that exists. The third part shows the number of complaints. At the end, the rule of the numbered group shows the figures that indicate symptoms. Each figure shows a symptom number that is signified. Each rule has a referral number. 3. EXPERT SYSTEM PROGRAM WORKS ES, like the MSVC + + and CLIPS ESS embedded applications are being developed. Figure 7 shows how the developed ES works. INPUT DATA RESULT MSVC++ Function call Clipsdll.dll Loading Knowledge Base in CLIPS KnowledgeBase.txt MSVC++ uses data from text file Result.txt The result are extracted in text files Figure 7. System architecture Here, like the MSVC + + compiler with the program files are associated with the clipsdll.dll CLIPS ES shell. The main window of ES program can be seen in Figure 8. Program menus, toolbars, buttons, or failure analysis begin. Failure analysis starting from the database, CLIPS knowledge base and knowledge base are called to order query results. 5

6 Figure 8. Main window of ASMX Figure 9. Complaint dialogue box of ASMX 6

7 When a system of elements belonging to a menu or button is selected, the complaint dialogue in Figure 9 comes up to the screen box. The fault that belongs to the user must be choosen, when the complaint is being installed, while knowledge base and knowledge base are getting scanned. All the symptoms are malfunctions. In Figure10, user knowledgebase query box is in the form of questions and YES or NO answers. Figure 10. The knowledge base query dialog box of ASMX The cause of failure can also be seen here. When a user answers YES to all the specifications of a rule, that rule is shown as a failure in the failure analysis dialogue box in Figure 11 and recommendations are given to fix the failure. If the answer is NO to any of the specifications of a rule, the following failure is questioned. The user can see and print the report in the query failure analysis report dialogue box whenever s/he wants to. In addition, failure report can be saved. The flow program diagram for failure diagnosis and report printing of the program is shown in Figure 12. When the user has started diagnosing the failure either from the menu or through the figure, the failure analysis starts with a complaint menu. Then, the query is done according to the order in the database with the menu that shows the signs of the failure and the reason, and the result and recommendation are in the result menu. The report is presented in the report dialog box. Here, the user can see every stage of database query. Figure 11 and Figure 12 show the knowledge base query results and failure analysis reports respectively. 7

8 Figure 11. The knowledge base query results dialog box of ASMX Figure 12. Failure analysis report dialog box of ASMX 8

9 Figure 13 given above represents logical execution of the run. Figure 13. Flow diagram of ASMX 4. IMPACT OF THE SOFTWARE OVER THE STUDENTS The impact of the proposed software over the students was assessed with a questionnaire. Fifty students who actively continue to their trainings at Department of Electrical Technology Program participated in the questionnaire. Ten questions were directed to the participants. Table I shows the questions and the results. 9

10 Table I. Software assessment results Questions Strongly Disagree Neither agree Agree Strongly disagree nor disagree agree 1 This software is useful for Electrical Maintenance and Fault Diagnosis lectures. 2 Three-phase asynchronous motor defects are found more easily. 3 Visualizations thanks to my attention intensive Visual elements facilitate my learning There are enough options in the program the router. 6 Thanks to the program would save time I do not have difficulty in using the program I will suggest the software to my friends I believe that this program will be useful for industrial applications. 10 I believe the developed software contributes to distance technical education. TOTAL

11 Never Less Middle Many Very Much Seri S6 Very Much Many Less Never Middle Figure 14. Survey results Figure 14 shows the survey results. According to the results shown in Figure 14, students found the software interesting and useful. In Table I, 35 students out of 50 strongly agreed that the software was useful for Electrical Maintenance and Fault Diagnosis Course. The majority of the students think that the software is easy to use. The opinions of students regarding to the software are listed in the last row of Table I as follows; Strongly disagree 1, Disagree 13, Niether agree nor disagree 69, Agree 213, and Strongly agree 177. According to the results, the majority of the students think that the software is very useful. 5. CONCLUSION Asynchronous motors, which are widely used in industrial applications produce motion energy for machines. It is possible for students of vocational education and technicians to enrich their knowledge and experience through an expert system in a computer environment. The order of the procedure for the diagnosis of the failure that an expert will follow and the recommendations s/he will make for fixing the failure are highly educational., The impact the software developed on the students was assessed with a questionnaire. The vast majority of students find the software developed positive. Electricians and electrical engineers can use the developed software as a useful educational tool. It can be added to proposed software video and audio animations as a further study. 11

12 6. REFERENCES 1. Alerich, WN, (1988), Delmar Publishers Inc. Electric Motor Control. Albany, New York Aydın, İ., Karaköse, M., and Akin, E., (2005), Asynchronous Motor for Diagnostic Error in a new Soft Computing Approach, TOK Bulgurcu, H., Kompresyonlu Soğutma Sistemlerinde Arıza Gidermek İçin Teşhis Yapan "Compression of Cooling System for Fault Diagnosis Expenses Development of Expert Systems ", PhD. Thesis, Marmara Univ. Institute of Science, İstanbul, Türkiye, (1994). 4. CLIPS 6.1 Reference Manual, Volume I Basic Programming Guide, August 5th, Dhillon, BS, (2000)''Maintanance Engineering: A Modern Approach'', CRC Press, New York. 6. Gao, XZ, Ovaska, SJ, (2001), Soft computing methods in motor fault diagnosis. Applied soft computing Higgins, L., Mobley RK, Mobley K., (2002), Maintenance Engineering Handbook, McGraw-Hill, New York. 8. Hughes, E., (1987), Elektrical Technology, Longman Scientific & Technical In the United States with John Wiley & Sons Copublished, Inc., New York. 9. Keity Mobley, R. (2002),''An Induction to Predictive Maintenance Butterworth- Heinmann'', New York. 10. Kocyigit, N. "Central Air Conditioning Systems and Operating Info for Fault Based Troubleshooting Development of Expert Systems ", PhD. Thesis, Marmara Univ Institute of Science, Istanbul, Turkey, (2008). 11. Kruglinski DJ, (1998),''A Division of Microsoft Corporation One Microsoft Way'' Microsoft Press, Redmond, Washington Mo Yuen, C. (1997), Methodologies of Using Neural Network and Fuzzy Logic Technologies for Motor Fault incipient Detetion, World Scientific. 13. Splendor, A. (1994),''Electrical Winding Machines'', Ozkan Printing Industry, Çorum. 14. Uysal, M., (2003), Visual C + +. NET Software Development, Beta Press Release. 12

13 ETİAL 171 ALAŞIMINDA YARI-KATI ŞEKİLLENDİRMENİN TANE BOYUTUNA ETKİSİNİN İNCELENMESİ VE SONUÇLARIN İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRMESİ Nurşen SAKLAKOĞLU 1, AdnanTÜRKER 2 ÖZET Bu çalışmada yarı-katı şekillendirme prosesinin malzemenin tane boyutuna olan etkisi incelenmiş ve sonuçlar SPSS programı yardımıyla istatistiksel olarak doğrulanmıştır. Etial 171 alaşımının yarı-katı sıcaklıkta şekillendirilmesi tane boyutunu küçültmektedir. Anahtar Sözcükler: Yarı-katı şekillendirme, tane boyutu analizi, alüminyum alaşımı, SPSS programı ABSTRACT In this study, it was investigated the effects of semi-solid processing on grain size at Etial 171 aluminum alloy and the results was confirmed using SPSS statistical software package. The processing in semi-solid range of the alloy was reduced the grain size. Keywords: Semi-solid processing, grais size analyse, aluminum alloy, SPSS program 1. GİRİŞ Bu çalışmada otomotiv endüstrisinde kullanılan silindir kapağı, fren balataları, piston kol vb. parçaların imalatında kullanılan AlSi (Etial 171) alaşımının yarı-katı halde şekillendirilebilirliği araştırılmıştır. Küresel tane oluşumu yarı katı şekillendirmeler için en önemli adımlardan biridir. Alaşım yarı katı sıcaklığa ısıtıldığında dentritik yapı akışkanlığa büyük bir direnç oluşturduğundan bu tür şekillendirmeler için alaşımın küresel tane yapısına sahip olması çok önemlidir. Bu amaçla bu çalışmada küresel tane yapısının elde edilmesi için eğimli soğutma plakasından döküm (Cooling Slope Casting CS) yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem hakkında literatürde pekçok bilgi mevcuttur [1,2,3,4]. Yarı-katı şekillendirme prosesleri porozitenin azaltılmasına katkılarından dolayı döküm malzemelere göre daha iyi mekanik özellikler sergiler. Diğer yandan malzemenin mekanik özellikleri tane boyutundan büyük oranda etkilenmektedir. Tane boyutu ise eğimli soğutma plakasından döküm parametrelerine, yarı-katı şekillendirme sıcaklığına, uygulanan kuvvete vb. bağlı olarak değişebilmektedir. Bu çalışmada yarı-katı halde şekillendirmenin Etial 171 malzemesinin tane yapısına ve boyutuna etkileri incelenmiştir. Tane boyutu değerleri SPSS programı yardımıyla birbiriyle karşılaştırılarak, prosesler arasında anlamlı bir fark olup-olmadığı yani çalışmalarımızda elde ettiğimiz sonuçların bilimsel olarak güvenilir olup olmadığı test edilmiştir. Güvenilirlik değeri bir ölçme aracının tekrarlanan ölçümlerde aynı sonucu verme derecesinin göstergesidir. Uygun analiz türünün belirlenmesinde ilk kriter 1 Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye Kampüsü, Manisa, nsaklakoglu@gmail.com 2 K.K.Astsb.M.Y.O K'lığı / Balıkesir, adnanturker2002@gmail.com 13

14 verilerin türüdür. Analiz yöntemleri verilerin özelliklerine göre iki temel gruba ayrılır. Parametrik veriler için kullanılan analiz yöntemlerinden iki ortalamanın karşılaştırılmasında kullanılan bir analiz yöntemi olan T-Testi kullanılmıştır. Eymen (2007) yaptığı çalışmada T testindeki anlamlılık düzeyi ile ilgilli şu bilgiyi vermiştir. SPSS varsayılan olarak p < 0,05 anlamlılık düzeyinde çalışmaktadır. Anlamlılık düzeyini p < 0,01 e yükselterek daha güvenilir sonuçlar elde etmek için bu bölüme % 99 değeri girebilmektedir. Ancak bu durumda p < 0,05 anlamlılık düzeyinde anlamlı çıkan bazı ilişkiler, p < 0,01 anlamlılık düzeyinde anlamlı çıkmayabilir. Bu yüzden pek çok durum için p < 0,05 anlamlılık düzeyi yeterli olarak kabul edilir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada kullanılan Etial 171 malzemesinin kimyasal kompozisyonu Çizelge 1 de görülmektedir. Çizelge 1. Etial 171 alüminyum alaşımının kimyasal kompozisyonu. Al Si Mg Fe Ti Mn Sb 87, ,6995 0,174 0,1465 0,1165 0,0515 0,018 Ni Zn < Cu < Cr Pb Sn < 0,0115 0,077 0,015 0,004 0,002 0,001 Alaşımlı külçeler elektrik direnç fırınında ergitilip, sıvı alaşımın sıcaklığı önceden belirlenmiş döküm sıcaklıklarına ulaştığında, 10 x 50 x 500 mm boyutlarında, 60 eğimli ve su ile soğutulan çelik bir plakanın yüzeyinden kalıba dökülmüştür. Şekil 1 de eğimli soğutma plakasından döküm yöntemi ile yarı katı şekillendirme prosesi şematik olarak gösterilmiştir ve Çizelge 2 de döküm parametreleri verilmiştir. Çizelge 2. Soğutma plakası deney düzenek parametreleri Plaka malzemesi Plaka kaplama malzemesi Bor nitrür (BN) Plaka eğim açısı 60 Plaka döküm uzunluğu 350 mm. Döküm sıcaklığı 650 C Şekil 1. Eğimli soğutma plakası kullanılarak yarı katı şekillendirmenin şematik gösterimi 14

15 C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2011 Cilt: 2 Sayı:16 Şekil 2. Ağırlık kaybına göre TG/DTA analizi. Dökümden elde edilen numuneler 30 mm çapında 40 mm uzunluğunda kestirilerek, laboratuarımızda bulunan indüksiyon ısıtma sistemi ile yarı katı sıcaklık aralığına ısıtılmış ve bu sıcaklıkta belli bir süre bekletilip suda soğutularak yarı-katı sıcaklıkta mevcut tane yapısı korunarak metalografik inceleme yapılmıştır. Sıcaklık kontrolü K tipi bir termokupl yardımı ile yapılmıştır. Numuneye açılan 3 mm çapında ve 3 mm derinliğinde bir deliğe yerleştirilen dijital bir göstergeye bağlı olan prob yardımı ile sıcaklık kontrolü sağlanmıştır. Yarı katı aralıkta ısıtma esnasında 2-3 C sıcaklık değişimi ile bile malzeme içerisinde katı-sıvı oranı oldukça değiştiğinden, sıcaklık ölçümü hassas yapılmıştır. Tüm yarı katı sıcaklığa ısıtma çalışmaları ± 1 C de yapılmıştır. Kalıpta yarı-katı şekillendirme çalışmaları pres altında, indüksiyon sistemiyle zımba üzerinde ısıtılan ingotun yarı-katı aralığa (572 C) gelmesiyle zımbanın yukarı doğru hareket ederek parçanın şekillendirme kalıbına basılması ile gerçekleştirilmiştir. Şekillendirme kalıbı önceden 350 C ye ısıtılmaktadır. Bu proseste presin alt tablası hareketlidir, ingot zımbanın hareket etmesi ile kalıp içine dolmaktadır (Şekil 1). Şekil 2 de yarı-katı halde şekillendirilmiş numuneler görülmektedir. Şekil 3. Yarı katı halde şekillendirilmiş numune 15

16 Soğutma plakasından döküm yöntemine referans oluşturabilmek amacıyla grafit potada eritilen sıvı metal 650 C sıcaklıkta kalıp içerisine doğrudan boşaltılarak gravite döküm yöntemiyle üretilmiştir. Metalografik incelemeler CLEMEX dijital kamera ile desteklenen NIKON Eclipse - MA optik mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tane boyutu analizleri ImageJ 1.44 programında yapılmıştır. ASTM-E112 (American Society for Testing Materials) standardına dayanılarak, 100X büyütmede mikroyapı analizleri yapılmıştır. Analizde belirlenen aralık dışında kalan parçacıklar ihmal edilmiştir. Her mikroyapı fotoğrafı için programda aynı oranlar, değerler, biçimler ve kontrastlar seçilmiştir. Aynı zamanda her bir numuneye ait kenar, kenar-merkez ve merkezden olmak kaydıyla 10 ar ölçüm yapılmış bu ölçümlerin ortalamaları gerçek değer olarak kabul edilmiştir. Bu sayede numuneler arasında kıyaslamada hatanın en aza indirilmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada, test edilecek verilere ait datalar SPSS statistics 17.0 programına girildikten sonra güvenilirlik testleri yapılmıştır. Sonuçları değerlendirmek için independent samples test tablosunun Sig. (2-tailed) değerleri incelenmiştir. Bu değerin 0,05 den küçük olduğu durumlarda H0 hipotezi reddedilirken, 0,05 den büyük olduğu durumlarda H0 hipotezi reddedilemez. Örneğimizde p= 0,099 değeri 0,05 den büyük olduğu için H0 hipotezi reddedilememiş ve analiz sonrasında bulunan iki numune arasındaki farkın istatistiksel olarak anlamlı olmadığı kabul edilmiştir. 3. BULGULAR Şekil 3a da gravite döküm yoluyla üretilmiş Etial 171 malzemenin mikroyapısı görünmektedir. Gravite döküm tipik dendritik yapı oluşmasına neden olmuştur. Nondendritik malzeme üretmek üzere, Etial 171 alaşımı eğimli soğutma plakasından döküm yöntemiyle üretilmiştir (Şekil 3b). Katılaşma esnasında kesme gerilmesinin dendrit kolların kırılmasına, ikinci çekirdeklerin oluşmasına neden olduğu iddia edilmektedir [5, 6, 7, 8]. Bu teoriyi destekler şekilde Etial 171 alaşımı, eğimli soğutma plakasından döküm sonucunda dentritik kollar kırılmış ve yarı katı sıcaklığa ısıtma sonucunda küresel tane yapıları oluşmuştur. Yarı katı sıcaklığa ısıtma sırasında tanelerin arası, yapıda var olan düşük ergime sıcaklığına sahip faz veya bölgelerin erimesi ile oluşan sıvı faz tarafından ıslatılır. Birincil α- fazı, eğimli soğutma plakasından döküm etkisi ile kırılan dendrit kollarından sonra meydana gelen rozet yapı, yarı katı hale ısıtma prosesi ile küresel hale dönüşmektedir. Bu çalışmada gravite dökümden elde edilen ingotlar yarı katı hale yeniden ısıtılmıştır. Böylece yarı katı şekillendirme öncesinde non-dendritik yapı üretiminin önemi ortaya konulmuştur. Gravite döküm yöntemiyle üretilen ingotlar yarı katı haldeyken dendrit yapıların oldukça büyüyerek kaba hale dönüştüğü ve hiçbir şekilde küreselleşme oluşmadığı anlaşılmıştır (Şekil 3c). Eğimli soğutma plakasından dökümle üretilmiş ingotların yarı katı aralığa ısıtılmasıyla küresel tane oluşumu gerçekleşmektedir (şekil 3d ve 3e). Şekil 4 te yarı-katı aralığa ısıtılmış/soğutulmuş ve yarı-katı aralıkta şekillendirilmiş numunelerin kenar bölge ile merkez bölgelerinden ayrı ayrı alınmış tane boyutu değerleri verilmiştir. Döküm esnasında kenar bölgelerde soğuma hızının yüksek olması nedeniyle çekirdeklenme daha fazla olmakta ve tane boyutu daha küçük olmaktadır. Yarı katı aralığa ısıtma prosesiyle birlikte kenar bölgeler daha küçük küresel tanelere dönüşmektedir. Öte yandan, yarı katı aralıkta kuvvet uygulanarak şekillendirme yapılması tane boyutunu küçültmektedir. Kenar bölgede %30 mertebesinde olan bu fark, merkez bölgede 2 katına ulaşmaktadır. 16

17 Şekil 4. Gravite döküm ve eğimli soğutma plakasından döküm yöntemiyle üretilmiş numunelerin yarı-katı aralığa ısıtılması ve yarı-katı şekillendirilmesi sonrası mikroyapıları (Malzemenin genelini ifade etmesi bakımından kenar ile merkez arasında kalan bölgeden çekilmiş mikroyapı fotoğrafı verilmiştir). Şekil 5. Ortalama tane boyutları. 17

18 Çizelge 3 te tane boyutunun istatiksel güvenilirlik testi sonuçları gösterilmiştir. SPSS de varsayılan olarak p < 0,05 anlamlılık düzeyinde güvenilirlik testine tabi tutulduğunda yarı-katı şekillendirilmiş numunelerin kenarı ile merkezi arasındaki tane boyutu açısından anlamlı bir fark olup olmadığına bakıldığında Sig. (2-tailed) değeri 0,05 den küçük çıkmıştır. Bu durumda H0 hipotezi reddedilmiştir. Yani anlamlı bir fark olduğu ortaya çıkmıştır. Yarı katı sıcaklığa getirilmiş numunelerin tane boyutu açısından kenarları ile merkezleri arasında anlamlı bir fark olup olmadığına bakıldığında her ikisinde de anlamlı bir fark olduğu ortaya çıkmıştır. Başka bir deyişle, aynı malzemenin kenar bölgesi ile merkez bölgesi arasında tane boyutu açısından fark olduğu istatistiksel olarak doğrulanmıştır. Çizelge 4 de malzemenin yarı katı sıcaklığa ısıtılması soğutulması ile yarı katı sıcaklıkta şekillendirmesi sonrası oluşan tane boyutlarının istatiksel güvenilirlik testi sonuçları gösterilmiştir. Bu analizde kenar ve merkez bölgelerinden ölçülen tane boyutu değerlerinin hepsinin ortalaması alınmıştır. Numunelerin yarı katı sıcaklığa ısıtılması ve bu sıcaklıkta şekillendirilmesi prosesleri arasında tane boyutları açısından anlamlı bir fark olduğu ortaya çıkmıştır. Çizelge 3. Etial 171 Kenar- merkez arası tane boyutu T- testi. 18

19 Çizelge Genel tane boyutu T- testi. 4. SONUÇLAR Gravite döküm yöntemiyle tipik dendritik yapı oluşurken eğimli soğutma plakasından döküm yöntemi tdendrit kollarında kırılmalara neden olmaktadır. Yarı katı aralığa ısıtma sonucunda gravite dökümle üretilmiş numunede dendrit kabalaşması meydana gelirken, eğimli soğutma plakasından dökümle üretilmiş numunede α-al taneleri küresel hale gelmektedir. Numunelerin kenar bölgelerinde daha küçük taneli yapı meydana gelirken, yarı katı aralıkta şekillendirme tane boyutunda incelmeye sebep olmaktadır. Söz konusu bu sonuçlar SPSS programı yardımıyla istatistiksel olarak doğrulanmıştır. TEŞEKKÜR Deneysel çalışmalar Componenta Döktaş A.Ş. ve Alkar Alüminyum A.Ş tarafından desteklenmiştir. 19

20 5. REFERANSLAR [1] Legoretta E.C., Atkinson H.V., Jones H., Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock, Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock. In: Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Processing, July, Sheffield, UK. [2] Birol, Y., A357 thixoforming feedstock produced by cooling slope casting. J. Mater. Process. Technol. 186, [3] Haga, T., Kapranos, P., Simple rheocasting processes. J. Mater. Process. Technol , [4] Haga, T., Suzuki, S., Casting of aluminium alloy ingots for thixoforming using a cooling slope. J. Mater. Process. Technol. 118, [5] Nili-Ahmadabadi, M., Pahlevani, F., Babaghorbani P., 2008, Effect of slope plate variable and reheating on the semi-solid structure of ductile cast iron, Tsinghua Science and Technology 13, 2, April, [6] Cardosa, E., Atkinson H., and Jones, H., Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock, Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Procesiing, July, Sheffield, UK. [7] Birol, Y., Altıntas, S., Önsel, M., Bozkurt, U., and Çakır, O., Alüminyum Alasımlarında Eğimli Soğutma Plakasında Döküm Yöntemiyle Tiksotropik Yapı Elde Edilmesi, 12. Kongre Bildirileri, OK-020. [8] Zhang, D. K., Ge, S. R., and Qiang, Y. H., Research on the fatigue and fracture behavior due to the fretting wear of steel wire in hoisting rope, Wear,255,7-12,

21 ALÜMİNYUM FAN KANATLARININ ÇEKME TEST VERİLERİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE İNCELENMESİ Nurcan KUMRU 1, Ayla TEKİN 2 ÖZET Özellikle hafifliğin önemli olduğu otomotiv ve uçak sanayiinde alüminyum ve alaşımlarından yapılan parçalar ile alüminyumdan yapılan rüzgâr türbin ve fan kanatları, çalışma esnasında çoğunlukla tekrarlı yüklemelere maruz kalmaktadır. Tekrarlı yüklemeler ise yorulma kırılmasına neden olmakta ve yorulma kırılması da gevrek türde olduğundan nerede ve ne zaman olacağı önceden bilinememektedir. Bu nedenle soğuk hava depolarında kullanılan alüminyumdan üretilmiş fanların yorulma ve mekanik özelliklerini belirleyebilmek için çekme deneyi yapılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar çok katmanlı, ileri beslemeli ve hatanın geri yayılım algoritmasının kullanıldığı YSA modelini eğitmek için kullanılmış ve sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bir kez eğitilmiş ağ önceden tahmin etme ve genel sonuç çıkarma işlemleri yüksek hızda yapabilmektedir. YSA nın eğitme ve test işlemlerinden sonra alüminyum fan kanatlarında çekme deneyi sonuçlarının tahmin edilebileceği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Çekme dayanımı, Yapay sinir ağları ABSTRACT Especially in automotive and plane industries in which lightness is of great importance, structural materials made of aluminium and its alloys and wind turbine and fan blades made of aluminium are greatly subjected to cycling loadings during the service conditions. Cycling loadings cause fatigue breaking and because fatigue breaking occurs in brittle type, it is difficult to know beforehand where and when it will happen. In this study; in order to determine fatigue and mechanical properties of fan blades made of aluminium which are used in cold-storage depots were made tensile test. Experimental results obtained from the multi-layered, feed-forward and back propagation algorithm is used to train the artificial neural network (ANN) model used and the results are compared with experimental results. Networks which have been educated can be high rapidly operated estimating and inferring. After educating and testing process of ANN, it was found that tensile test results of fan blades of aluminium can be predicted. Key Words: Aluminium, Tensile strength, Artificial neural network 1. GİRİŞ Günümüzde alüminyum, dayanım/ağırlık oranının yüksek olması, ısı ve elektrik iletkenliğinin iyi olması, korozyona dayanıklı, işlenebilme ve dökülebilme kolaylığı ve yaşlanma ile dayanımının artırılabilmesi gibi pek çok özelliği dolayısıyla tercih edilmektedir [1,2]. Alüminyum ve alaşımları kullanıldığı yerlerde çoğunlukla tekrarlı yüklemelere maruz kaldıkları bilinmektedir. Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda, 1 Yrd. Doç. Dr., C.B.Ü., Soma M.Y.O., Soma-MANİSA, nurcan.kumru@cbu.edu.tr 2 Yrd. Doç. Dr., C.B.Ü., Soma M.Y.O., Soma-MANİSA, ayla.tekin@cbu.edu.tr 21

22 gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonunda genellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayına neden olurlar [3]. Yorulma kırılması gevrek türde olduğundan nerede ve ne zaman olacağını önceden kestirmek zordur [4]. Bu amaçla alüminyumun bu şartlardaki mekanik özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu konuda R. Sakin ve M. Er [5] yaptıkları bir çalışmada çekme dayanımının yorulma ile doğru orantılı olduğunun ve aralarında ampirik bir formülle bağlantı kurulabileceğini göstermişlerdir. Diğer yandan, yapay zekânın popüler bir dalı olan yapay sinir ağları, son derece karmaşık ve doğrusal olmayan davranışları kolay bir şekilde öğrenebilmekte ve öğrenme işlemi tamamlandıktan sonra, fonksiyonel bir yaklaşım gibi sonuca gerçek zamanlı ulaşabilmektedir [6-8]. Bu konu ile ilgili olarak H. Durmuş ve diğerlerinin [9] yapmış oldukları çalışmada TIG kaynağı ile birleştirilmiş Al-SiC kompozitlerinin takviye oranı, sertlik ve çekme dayanımına bağlı olarak eğme dayanımının yapay sinir ağı oluşturarak tahmini yapılabileceğini göstermişlerdir. Bir başka çalışmalarında ise AA 6351 serisi Alüminyum alaşımının aşınma davranışını YSA ile inceleyen Durmuş ve arkadaşları [10] kısa sürede ve çok az hata oranıyla sonuca ulaşmışlardır. Bu çalışmada Konya Seydişehir ETİ Alüminyum A.Ş. Tesislerinden fan kanatları yapımında kullanılan üç farklı özellikte (AlSi12Fe=Etial141, AlSi12MgCu(NiFe)=Etial145, AlSi8Cu3Fe=Etial160) üç külçe Al alınmıştır. Alınan külçelerden kum kalıba döküm yöntemiyle test numuneleri üretilmiş ve mekanik özelliklerini saptamak amacıyla çekme deneyi uygulanmıştır. Deney sonuçlarından YSA eğitme ve test fazlarında kullanmak üzere Etial141-3, Etial145-4 ve Etial160-1 nolu test numunelerinin verileri, genel ortalamaya en yakın değerler olduğu için seçilmiştir. Daha sonra deney sonuçlarından yararlanılarak yapay sinir ağları yoluyla % şekil değiştirme oranı; sertlik, gerilme ve malzemelerin kimyasal bileşim oranları (Fe, Si, Cu) girdileriyle modellenerek hata oranı en az olacak şekilde tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Burada herhangi bir makine parçasının uzama miktarını pratikte tahmin etme ve ölçmek mümkün olamayacağı ve parça üzerine etkiyen yük bilindiği için; gerilme girdi, % şekil değiştirme oranı çıktı olarak alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, modelin hassasiyetinin yüksek olduğunu ve modelin gerçek zamanlı geri hesaplama yapabilmeye olanak sağladığını göstermiştir. Bu imkân, mühendislik uygulamalarında karar verici durumunda olan çalışanlara klasik tekniklerle çözümü zor problemler için etkin bir alternatif oluşturmakta, önemli bir zaman avantajı ve ciddi bir hesap kolaylığı sağlamaktadır. 2. MALZEME VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR Yapılan deneylerde üç farklı alüminyum alaşımı (AlSi12Fe=Etial141, AlSi12MgCu(NiFe)=Etial145, AlSi8Cu3Fe=Etial160) kullanılmıştır. Alüminyum alaşımlarının kimyasal analizi Tablo 2.1 de verilmiştir. Tablo 2.1 Alüminyum Alaşımlarının Kimyasal Analizi (%ağ.). ISO STANDARDI Fe Si Ti Mn Zn Cu Mg Ni AlSi12Fe (Etial141) <0.01 <0.02 <0.01 < AlSi12MgCu(NiFe) * < (Etial145) AlSi8Cu3Fe (Etial160) < < * Kaynak No:[11] 22

23 Alüminyum fanlar yaş kum kalıba dökülerek elde edildiği için, çalışmada kullanılacak numuneler de aynı şartlarda elde edilmesi amacıyla 15 kg lık potada ayrı ayrı ergitilerek, hazırlanan kum kalıplara dökülmüştür. Ergitme işlemi esnasında gaz giderici olarak Hegza Kloretan (C 2 Cl 6 ) tabletleri kullanılmıştır. Deney standartları göz önüne alınarak, gerekli çekme, kesme ve işleme payları verilerek ahşap malzemeden hazırlanan ve yüzeyleri boyanan modellere göre toplam 5 numune elde edilecek olan parçalar, bir tarafta 2 numune diğer tarafta 3 numune olacak şekilde kesilmiş, bu şekilde mengenenin çeneleri arasında sıkılarak yüzeyleri frezede işlenmiştir. Numunelere 100g yük 10sn uygulanarak Vickers sertlik ölçümleri yapılmıştır. Beş ölçümün ortalaması alınmıştır(tablo 2.2). Tablo 2.2 Malzeme türlerinin ortalama sertlik değerleri. Etial 141 Etial 145 Etial HV 96,52 HV 120,5 HV Çekme testlerine tabi tutulacak deney numunelerinin boyutları ASTM B a Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminium and Magnesium Alloy Products standardına göre hazırlanmıştır(şekil 2.1) [11]. Şekil 2.1 Çekme deneyi test numunesi Yaş kum kalıp yöntemine göre imal edilen üç değişik tipteki döküm numuneler (ASTM B a) standardına uygun olarak 2 mm/dak lık çekme hızı altında çekme testleri yapılmıştır (Şekil 2.2). Testler [50 kn / 5000 kgf = 5000 dan] kapasiteli, dijital, kalibreli ve Load Cell tipi SFL 50kNAG olan (SHIMADZU) marka standart çekme cihazında gerçekleştirilmiştir. Her bir numune tipinden altışar (6) adet numune çekme testine tabi tutulmuştur. 23

24 C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2011 Cilt: 2 Sayı:16 Şekil 2.2 Döküm numunenin çekme testi ve çekme testi sonucu kırılan numunelerin görüntüsü. Tüm alüminyum alaşımı gruplarındaki numuneler için çekme testleri sonucu ortalama mukavemet değerlerinin sıralı grafiği Şekil 2.3 te verilmiştir. Şekil 2.3 Deneylerde kullanılan alüminyum alaşımlarının ortalama çekme dayanımları 24

25 C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2011 Cilt: 2 Sayı:16 (a) (b) (c) Şekil 2.4 Etial 141, Etial 145 ve Etial 160 malzemelerinin mikro yapı görüntüleri (büyütme 20X). Kum kalıba döküm yoluyla elde edilen numunelerin metalografik incelemesinde ise; Etial 141 malzemesinde Al matris içinde ötektik yapıda dağılmış Si tabakaları ve yer yer bağıl olarak büyük Si partikülleri gözlenmiştir (Şekil 2.4 a). Etial 145 malzemesinde ise; Etial 141 den farklı olarak Al matris içinde dağılmış Si tabakalarından daha açık renkli Ni partikülleri göze çarpmaktadır. Yine bağıl olarak büyük sayılabilecek gözenekler görülmüştür (Şekil 2.4 b). Etial 160 malzemesinin mikro yapısında dikkati çeken de Tablo 2.1 de de görüldüğü gibi Si miktarındaki azalmadır. Burada Al matris içinde dağılmış diğerlerine göre nispeten daha az olan Si tabakalarının yanında, yer yer tabaka halinde, bazı yerlerde de büyük parçacıklar halinde, yine açık renkli görünen Tablo 2.1 deki bilgilerden Cu olduğunu tahmin ettiğimiz parçacıklar gözlenmiştir (Şekil 2.4 c). 3. YAPAY SİNİR AĞI MODELİ Yapay sinir ağları insan beynindeki nöronların meydana getirdiği ve öğrenme işlemini gerçekleştiren paralel ağ yapısını taklit ederek, bu sisteme benzeyen zeki programlar tasarlamayı hedefleyen bir yöntemdir. YSA yöntemi, modelleme, simülasyon, öğrenme, tanımlama ve tahmin yapma gibi bir çok uygulama alanında başarı ile kullanılmaktadır. Yapay sinir ağı işleyişi kabaca incelenecek olursa, girdiler, girdi katmanından ağa girer, bağlantılar aracılığıyla çıktı katmanına ulaşıncaya kadar her neuronda işlenerek bir neurondan diğerlerine geçilir. Şekil 2.5 de yapay bir nöron yapısı verilmektedir. Bir nöron N tane xi girişinin wij toplamını alarak bu toplamı doğrusal olmayan ƒ(.) fonksiyonundan geçirerek bir yj çıktısı üretmektedir. Yapay sinir ağları, kullanılan nöron modeli, bu nöronların ağ yapısında bir arada bağlanma şekli yani ağ topolojisi ağırlıkların ayarlanması için öğrenme kuralının belirlenmesi ve hatırlama ile karakterize edilir. 25

26 Şekil 2.5 Yapay nöron modeli Şekil 2.5 de verilen çok katmanlı bir ağ için, herhangi bir birimin giriş değeri kendisine diğer katmanlardan gelen değerlerin bir ağırlıklı toplamı olarak j N v x w (1) i i i j şeklinde ifade edilir. Birimin çıkışı ise bu ağırlıklı toplamın doğrusal olmayan bir fonksiyondan geçirilmesi ile y f v ) (2) j ( j hesaplanır. Fonksiyonun uygulanması ile birimin çıkışı y j 1 e 1 ( N i x i w i j ) (3) olarak hesaplanır. Söz konusu sigmoid fonksiyon 0 1 olmak üzere 1 f ( x) (4) 1 x e olup geri yayılma ağlarında değişkeni genellikle 1 alınmaktadır [13]. Bu çalışmada geriye yayılım algoritması kullanan, çok katmanlı sinir ağı modeli oluşturulmuştur. Toplam 5 katmandan oluşan modelin girdi katmanında 5 nöron, birinci gizli katman 6 nöron, ikinci gizli katman 6 nöron, üçüncü gizli katman 6 nöron ve çıktı katmanı ise 1 nöron içermektedir (Şekil 2.6). 26

27 Şekil 2.6 YSA mimarisi Toplam 60 veriden 51 değer eğitim, geri kalan 9 değer ise test amacı için kullanılmıştır. Ağın eğitimi sırasında hata miktarının yapılan iterasyon ile değişimi Şekil 2.7 de verilmiştir. İterasyon sayısı arttıkça hata oranı düşmekte ve iterasyonda ise eğitme fazının ortalama hata oranı %1,76 olmaktadır. Ayrıca eğitme fazı sonuçları ile deneysel sonuçlar Şekil 2.9 da karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Grafiklerde görüleceği gibi % şekil değiştirme için YSA ile elde edilen sonuçlar ve deneysel sonuçlar birbirine çok yakın çıkmıştır. 0,003 Ortalama Hatanın Karesi 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, İterasyon Sayısı(*100) Şekil iterasyon sonucunda elde edilmiş olan MSE değeri Her bir alüminyum alaşımı grubundan altışar çekme testi yapılmış, bunlardan Etial 141 grubundan 3 nolu numunenin, Etial 145 grubundan 4 nolu numunenin ve Etial

28 grubundan 1 nolu numunenin test sonuçları ile aynı numunelerin YSA sonuçları Şekil 2.8 de karşılaştırmalı olarak verilmiştir. ETİAL ETİAL GERİLME(N/mm2) DENEYSEL YSA GERİLME(N/mm2) DENEYSEL YSA ,000 0,004 0,008 0,012 0,016 0,020 0,00 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 %ŞEKİL DEĞİŞİMİ %ŞEKİL DEĞİŞTİRME ETİAL GERİLİM (N/mm2) DENEYSEL YSA ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 %ŞEKİL DEĞİŞTİRME Şekil 2.8 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial için deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının eğitme fazında karşılaştırılması Etial ,02 0,018 0,016 %Şekil Değiştirme 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 Deney YSA 0, ,3 19,7 21, ,6 42,5 69,7 94,8 105 Gerilme(N/mm 2 ) (a) 28

29 Etial ,025 %Şekil Değiştirme 0,02 0,015 0,01 0,005 Deney YSA 0 16,4 22,6 24,7 25, , Gerilme(N/mm 2 ) (b) Etial ,025 % Şekil Değiştirme 0,02 0,015 0,01 0,005 Deney YSA 0 16,8 19,9 20,7 22,8 29,2 40,2 67, Gerilme(N/mm 2 ) (c) Şekil 2.9 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial için Gerilme - % Şekil Değiştirme oranlarının deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının eğitme fazında karşılaştırılması Deneylerden elde edilen 9 değer eğitme işleminde kullanılmamış, test fazı için üç ayrı kimyasal bileşimin gerilme değeri olarak kritik noktalardan seçilmiştir. Test fazında ortalama hata oranı %0.58 dir. Gerçek değerler (deneysel ölçüm sonuçları) ile YSA metodu kullanılarak hesaplanmış değerler(simülasyon değerleri) arasındaki ilişki Şekil 2.10 da görülmektedir. Değerler, gerçek değere çok yakın çıkmıştır. Bundan dolayı eğitmenin iyi bir şekilde yapıldığı ortaya çıkmaktadır. 29

30 Etial % Şekil Değiştirme 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, , , ,9499 Gerilme(N/mm 2 ) Deney YSA (a) Etial ,025 % Şekil Değiştirme 0,02 0,015 0,01 0,005 Deney YSA 0 28, , ,1988 Gerilme(N/mm 2 ) (b) 30

31 Etial ,025 % Şekil değiştirme 0,02 0,015 0,01 0,005 Deney YSA 0 24, , ,0948 Gerilme(N/mm 2 ) (c) Şekil 2.10 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial için Gerilme - % Şekil Değiştirme oranlarının deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının test fazında karşılaştırılması 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Şekil 2.3 ten çekme deneyi sonuçları incelendiğinde; genel olarak en yüksek çekme mukavemeti 150,494 MPa lık gerilme değeri ile Etial 145 (9XXX.X serisi Al Si Ni) malzemesinden elde edilen numunelere ait olduğu tespit edilmiştir. Daha sonra sırasıyla Etial 160 (3XXX.X serisi Al Si Cu) ve çok az farkla Etial 141 (4XXX.X serisi Al Si) malzemesinin geldiği görülmektedir. Genel değerlendirmede; Etial 145 numunesindeki YMK kafes yapısına sahip Ni içeriğinin çekme mukavemetini arttırdığı söylenebilir. Sonuç olarak sadece çekme gerilmesine maruz kalan yerlerde Etial 145 malzemesi tercih edilebilir. Ayrıca bu çalışmada, çekme sonuçlarından yararlanılarak; sertlik, gerilme ve malzemelerin kimyasal bileşim oranlarına bağlı olarak elde edilen % şekil değiştirmeler YSA modeli ile tahmin edilmiştir. Modelde sertlik, gerilme ve malzemelerin kimyasal bileşim oranları (Fe, Si, Cu) girdi değerlerini, % şekil değiştirme ise tahmin edilmek istenen çıktı değerini ifade etmektedir. Giriş verileri 0 ve 1 arasında olacak şekilde normalize edilmiştir. İterasyon sayısı denemeler sonucunda olarak seçilmiş, iterasyonda ise eğitme fazının ortalama hata oranı %1,76 olduğu bulunmuştur. Elde edilen grafikler dikkate alındığında deneysel sonuçlar ile YSA dan elde edilen değerlerin çok yakın olduğu gözlenmiştir. Deneylerden elde edilen 9 değer eğitme işleminde kullanılmamış, test fazı için üç ayrı kimyasal bileşimin gerilme değeri olarak kritik noktalardan seçilmiştir. Eğitme fazının hata oranının düşük olmasından dolayı, YSA da test fazı için seçilen değerler deney sonucuna çok yakın olduğu grafiklerle gösterilmiştir. Test fazında ortalama hata oranı %0.58 dir. Sonuç olarak YSA metodunun Alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerinin belirlenmesinde oldukça başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca YSA da kısa sürede sonuca ulaşıldığı için, hem deney sürecini hem de deney masraflarını azaltmaktadır. 31

32 TEŞEKKÜR Bu çalışma, CBÜ BAP Koordinasyon Birimi (Proje No: MÜH ) tarafından desteklenmiştir. 5. KAYNAKLAR 1- WANG, Q. G.; APELİAN, D.; LADOS, D. A. Fatigue behavior of A356-T6 aluminum cast alloys. Part I. Eff.ect of casting defects Journal of Light Metals 1 (2001) 73±84 2- POLMEAR, I. J. Light Alloys Metallurgy of The Light Metals Arnold, a division of Hodder Headline PLC, 338 Euston Road, London NW1 3BH KAYALI, E. SABRİ; ENSARİ, CAHİT; DİKEÇ, FERİDUN Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri İ.T.Ü. Metalürji ve Malzeme Bölümü WEISSBACH, WOLFGANG (ANIK, SELAHADDİN; ANIK, E. SABRİ; VURAL, MURAT) Malzeme Bilgisi ve Muayenesi Birsen Yayınevi SAKİN, R., ER, M., 1100-H14 Alüminyum alaşımının düzlemsel eğme gerilmeli yorulma davranışının incelenmesi Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 2010, Cilt 25, No 2, BOSE, N. K. VE LİANG, P., Neural Network Fundamentels with Graphs, McGraw- Hill Int. Ed., (1996) FU, L., Neural Networks in Computer Intelligence, McGraw-Hill Int. Ed., USA (1994), HAYKİN, S., Neural Networks, A. Compreh. Foundation. Prentice-Hall NJ, (1999), DURMUŞ, H., AKGÜN, S., ŞAHİN, S. TIG Kaynağı ile Birleştirilmiş Al-SiC Kompozit Malzemelerin Eğme Dayanımının Yapay Sinir Ağları ile Tahmini, 14. Uluslar arası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, DURMUŞ, H., ÖZKAYA, E., MERİÇ, C., The Use of neural Networks fort he prediction of wear loss and surface roughness of AA 6351 aluminium alloy, Materials&Design, (2006), ÇAKMAK, H. F. Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarının Özellikleri ETİBANK Alüminyum İşletmesi Müessesesi Dökümhane Müdürlüğü Seydişehir ASTM B a Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminium- and Magnesium- Alloy Products 13- ÜLKER, M., CİVALEK, Ö., Yapay Sinir Ağları İle Eksenel Yüklü Kolonların Burkulma Analizi, Turkish J. Eng. Env. Sci., 26,(2002),

33 İÇTEN YANMALI MOTORLARDA SEGMAN-GÖMLEK SÜRTÜNMESİNİN MOTOR PERFORMANSI İLE İLİŞKİSİ ÜZERİNE BİR İNCELEME AN INVESTIGATION ON CORRELATION BETWEEN ENGINE PERFORMANCE AND PISTON RING-CYLINDER FRICTION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES Mehmet ÇAKIR 1, İsmail Hakkı AKÇAY 2 ÖZET İçten yanmalı motorlu taşıtlarda, yakıt olarak sisteme verilen toplam enerjinin sadece %12 si faydalı işe dönüşür. Yanma sonucu oluşan enerjinin kalanı ise, soğutma sistemi, egzoz, pompalama ve mekanik kayıplar olarak kaybolur. Segman ve silindir gömleği arasındaki sürtünme enerjisi kaybı, toplam mekanik kayıpların % ı oranında olup, en büyük mekanik kayıp olarak görülür. Bu çalışmada, içten yanmalı motorlarda, segman-gömlek arasındaki ilişkilerin motor performansına olan etkisi son teknolojik gelişmelerle birlikte ele alınmıştır. Yapılan literatür araştırması sonucu; Segmanların gömlek üzerindeki kayma hareketi süresince, sınır yağlama ve hidrodinamik yağlama rejimleri arasında sürekli bir geçiş söz konusudur. Segman-gömlek arasında Stribeck Eğrisi nin değişimi ile ilgili matematiksel bir model geliştirilebilir ve farklı motor parametrelerinde deneysel olarak araştırılabilir. Segman ve gömlek yüzeylerine uygulanabilecek farklı modifikasyonlar ve çeşitli nano kaplamalar ile özellikle çevrimin iş zamanındaki aşınma araştırılabilir. Segman-gömlek temas açıları ve temas alanlarının sürtünme, aşınma, ısı transferi ve motor performansı açısından değişimi araştırılabilir. Anahtar Kelimeler: Segman-Gömlek Tribolojisi, Motorlarda Sürtünme ve Aşınma. ABSTRACT In internal combustion motor vehicles, only 12% of the total power obtained from the fuel is converted to useful energy. The rest of the energy from combustion of the fuel goes into cooling, exhaust, pumping and mechanical losses. The mechanical contribution amounts to 17% of the total losses and the friction between the piston assembly and cylinder liner is the single largest contributor; amounting to 20-40% of the total mechanical losses. In this review, the relationship between piston ring and cylinder are discussed to the effect on engine performance in internal combustion engines with latest technological developments. As a result of literature research; Between boundary lubrication and hydrodynamic lubrication regimes are always interconnected during the movement of the piston ring on cylinder liner. As related with exchange of Stribeck Curve in piston ring- 1 Uzman, Süleyman Demirel Üniversitesi., Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. Anabilim Dalı, mehmetcakir@sdu.edu.tr 2 Prof. Dr., Süleyman Demirel Üniversitesi, Müh. Mim. Fak. Makine Müh. Böl., Otomotiv Müh. Anabilim Dalı Başkanı, ismailakcay@sdu.edu.tr 33

34 cylinder interface between the different engine parameters a mathematical model can be developed and investigated experimentally. As the piston ring and cylinder surfaces process the different modifications and various nano-coatings, especially the wear of the engine cycle can be ascertained. It can be ascertained friction, wear, heat transfer, engine performance with change of the contact angles and areas of piston ring and cylinder liner. Keywords: Piston Ring-Cylinder Liner Tribology, Friction and Wear in Engines. 1. GİRİŞ Son yıllarda hızla artan taşıt sayısı, enerji kullanımındaki artış, fosil yakıtlara bağımlılık ve bu enerji kaynaklarının giderek azalması, motor üreticilerini motorlarda performans artırıcı tasarımlara ulaşma, yakıt ekonomisi sağlama ve düşük egzoz emisyonları üzerine olan çalışmalara yönlendirmiştir. Bu amaçlara ulaşmak için izlenecek yollardan birisi de motorlarda mekanik kayıpların azaltılmasının sağlanmasıdır. Motorlu taşıtlarda, yakıt olarak sisteme verilen toplam enerjinin sadece %12 si faydalı işe dönüşür. Yanma sonucu oluşan enerjinin kalanı ise, soğutma sistemi, egzoz, pompalama ve mekanik kayıplar olarak kaybolur. Mekanik kayıplar, kayıp enerjinin %17 sini oluşturur (Andersson, 1991). Segman ve silindir gömleği arasındaki sürtünme enerjisi kaybı, toplam mekanik kayıpların % ı oranında olup, en büyük mekanik kayıp olarak görülür (Bolander ve diğerleri, 2005). Mekanik kayıplardan %10 luk bir kazanç sağlandığı takdirde, yakıt tüketiminden %1,5 2,5 oranında bir artış söz konusu olabilecektir (Andersson, 1991; Mishra ve diğerleri, 2009; Spencer, 2010). Otomotiv endüstrisi için, motorun yakıt tüketimi, araç tasarımı yapılırken dikkate alınması gereken en önemli faktörlerden birisi haline gelmiştir. Çünkü enerjideki kaygıların artması, yükselen yakıt fiyatları ve içten yanmalı pistonlu motorlarda en çok kullanılan fosil yakıtların giderek azalması araçlarda yakıt tüketimini önemli kılmaktadır. Bu nedenle içten yanmalı motorlarda mekanik kayıpların azaltılması ile efektif verimde bir artış sağlanacak olup, birim yakıt ile daha fazla faydalı iş elde edilecektir. Motorda mekanik kayıplar içinde en fazla orana sahip olan segman-gömlek arasındaki ilişkinin incelenmesi ve bu amaçla ikilinin malzeme, honlama çizgilerinin açı ve derinlikleri, yüzey özellikleri ve tasarımlarının optimizasyonu yönünde yapılacak çalışmalarla efektif verim üzerine olan etkisi araştırılabilecektir. 2. MOTORDA SEGMAN-GÖMLEK İLİŞKİSİ İçten yanmalı bir motorda genel olarak Şekil 2.1 de gösterildiği gibi, piston üzerinde bulunan dairesel oyuklara yerleştirilmiş şekilde segmanlar bulunur. Segmanlar, çevrim boyunca gömlek üzerinde sürtünerek hareket ederler. Yanma anında açığa çıkan yüksek basıncı korumak için gömlek piston arasındaki sızdırmazlığı sağlamak segmanların en önemli görevidir. Segman gömlek arasında bir conta vazifesi gören yağ filminin de yüzeye etkin bir şekilde dağılması segmanlar sayesinde olmaktadır. Segman gömlek arasında istenenden fazla yağ filminin kalması sonucu, yanma zamanında silindir cidarında bulunan bu tabakanın da yanmaya katılmasıyla motorda yağ yakma sorunu ortaya çıkabilir. Ayrıca piston üzerindeki sıcaklığın etkili bir biçimde gömleğe iletilmesi yine segmanlar sayesinde olmaktadır (Smedley, 2004). 34

35 C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2011 Cilt: 2 Sayı:16 PİSTON Alt Kompresyon Segmanı SİLİNDİR GÖMLEĞİ Üst Kompresyon Segmanı Yağ Segmanı Şekil 2.1. Tipik bir piston-silindir ilişkisi ve segmanların konumu Motor gömlekleri genellikle dökme demir malzemeden üretilmektedirler. Gömlekler çoğunlukla honlama olarak adlandırılan yüzeye uygulanan çapraz çizgilerin oluşturulduğu karakteristik bir işlemden geçirilerek son haline gelmektedirler. Honlanmış bir yüzey farklı sıklıkta, açılarda, derinlikte ve genişlikte honlama çizgilerinden oluşur (Smedley, 2004; Spencer, 2010). Bu çizgilerin yoğunluk, açı ve genişliklerinin değişimi ile sürtünme ve yağ tüketim özelliklerinin belirlenmesinde bir optimizasyonun yapılması motor verimi açısından araştırılması gereklidir. 3. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI İçten yanmalı pistonlu motorlarda piston, gömlek ve segman ilişkilerinin incelendiği ve bu konuyla ilgili çalışmaların ele alındığı bu bölümde; segman-gömlek tribolojisi, sürtünme ve aşınma ilişkisi ve segman-gömlek kaplamalarının motor performansına olan etkileri üzerine olan araştırmalar özetlenmiştir Segman-Gömlek Tribolojisi Segman-gömlek arasında yağlama rejimlerinden hidrodinamik yağlama baskın bir şekilde görülür (Johansson ve diğerleri, 2011). Fakat segmanın ÜÖN ve AÖN arasındaki konumuna ve çevrim zamanına göre karma ve sınır yağlama rejimleri de görülmektedir. Bu rejimlerin motor performansına olan etkileri ilgi çekici bir araştırma konusudur. Radil (1997), gelişmiş dizel motorlar için kullanılan segman ve gömlek malzemelerinin tribolojik açıdan araştırılması amacıyla, kompresyon segmanının etkilendiği bölge olan ÜÖN etrafında meydana gelen aşınma ve sürtünme ilişkisini tasvir eden bir pinon disk deney düzeneğinde araştırmasını gerçekleştirmiştir. Krom kaplanan üst kompresyon segman numunesi ile perlitik dökme demir gömlek arasında gerçekleştirilen deneyler sonucu, gerçek motor segman ve gömlek arasında meydana gelen aşınma ve sürtünmenin deney sonucu meydana gelen aşınma ile oldukça benzer olduğu belirlemiştir. Gömlek numunesindeki aşınmanın gerçek motor gömleğine göre daha çok olduğu, fakat segman numunesindeki aşınmanın ise motor segmanına göre daha az aşındığı sonucuna ulaşmıştır. 35

36 Wang ve diğerleri (1998), segman ve gömlek arası yağlama rejiminin analizi için yağ kalınlığını belirlemeye yönelik olarak matematiksel bir model oluşturmuşlardır. Aynı zamanda yağlama film kalınlığının tahmini için Bir CAD programı yazmışlardır. Bu program sayesinde motor segmanlarının ve gömleklerinin farklı yağlama durumlarının analizi, farklı çalışma şartlarında araştırılmasına imkan sağlamış olunacaktır. Çalışma sonucu, motorun çalışma anında segmanın gömlek üzerindeki herhangi bir noktasındaki yağlama rejiminin analiz edilebilir olduğu, en kötü yağlamanın ÜÖN da olduğu, hesap yöntemiyle gerçek şartlar incelendiğinde bilgisayar programının uyumlu bir tahmin yaptığı sonucuna ulaşmışlardır. Stolarski ve Zhou (2002), iki zamanlı dizel motorun üst ölü noktasında, segmansilindir arasındaki sınır sürtünme ve yağlama rejiminin belirlenmesi amacıyla, motor çalışma şartlarına çok benzeyen bir sistem kurmuşlardır. Sınır yağlama şartları altında sıcaklıksürtünme arasındaki değişimi incelemişlerdir. Pin-on disk aparatı ile sürtünme mekanizmasını oluşturmuşlar. Gerçek motor çalışma şartlarındaki segman silindir arasındaki sürtünmeyi tasvir etmişlerdir. Yapılan deneyler sonucu, kullanılmış ve kullanılmamış motor yağlarının sıcaklık-sürtünme karakteristiklerinin benzer olduğunu, fakat sürtünme katsayısının kullanılmış yağda kullanılmamış yağa göre daha yüksek olduğunu sonucunu belirlemişlerdir. Ma ve diğerleri (2006), motor gömlekleri için tek boyutlu bir hidrodinamik ve karma yağlama rejimi altında aşınma ve sürtünme modeli geliştirmişlerdir. Geliştirilen model ile yüzey pürüzlülüğü, temas noktaları, aşınmadaki sıcaklık, basınç ve viskozite, segman ve gömlek arasındaki yağlama ve sürtünme tahmin edilmiştir. Aşınma yüzey temas basıncına bağlı tahmin yapılmıştır. Yüklü bir motorun çalışma anındaki segman sürtünmesi ve gömlek aşınması tasvir edilmiş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sürtünme ve aşınmanın silindir duvar sıcaklığına ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi incelenmiştir. Araştırmaları sonucu; teorik kurguda, üst segmanın dönme noktasındaki aşınma ve sürtünme tahmini deneysel sonuçlarla karşılaştırıldığında iyi bir uyum göstermiştir. Yağ viskozitesinin yüksek sıcaklıkla beraber azaldığı, sonuç olarak silindir duvar sıcaklığı yükseldiğinde yağ film kalınlığının küçüldüğü, segman ve gömlek aşınmasının yükseldiği görülmüştür. Daha yüksek sıcaklıklarda viskoz sürtünmenin azaldığı ve temas sürtünmesinin arttığı, dolayısıyla toplam segman sürtünmesinin belirli bir sıcaklıkta minimum düzeyde olabileceği, büyük yüzey pürüzlülüğünün yüksek sürtünme ve aşınmaya yol açacağı, motor deneyleri ve silindir duvar sıcaklığı birleştiğinde viskoz sürtünme azaldığı için toplam segman sürtünmesinin de azalacağı sonucuna ulaşmışlardır. Tamminen ve diğerleri (2006), orta devirli, dört zamanlı, 200 mm silindir çapına sahip bir dizel motorunda, segman-gömlek arasındaki yağ filmi kalınlığının belirlenmesi ve tribolojik özelliklerde motor yükünün etkisini, gömlek ve segmanlar arasındaki yağ filminin oluşumunda ve gelişimindeki kompresyon etkisini çalışmışlardır. Bu amaçla gömlek üzerine 4 adet basınç sensörü yerleştirmiş ve motor çalışma şartlarında basınç ve sıcaklık değerlerini bir veri toplama sistemi ile bilgisayara kaydetmişlerdir. Deneyler sonucu; üst kompresyon segmanı için en kritik yağlama şartları, düşük yüklerde egzoz zamanının sonuna doğru üst ölü nokta civarında olduğunu belirlemişlerdir. Üst kompresyon segmanı ve gömlek arasındaki yağ filmi kalınlığının, egzoz zamanının sonunda üst ölü noktaya yakın bölgelerde en ince olduğunu, pistonun ana sürtünme yüzeyindeki yağ filmi kalınlığının motor yükü ile birlikte yükseldiğini göstermişlerdir. 36

37 Bolander ve Sadeghi (2007), segman ve honlanmış silindir gömleği arasındaki yağlama durumunu ve sürtünme kayıplarını araştırmak ve belirlemek için bir deney düzeneği ve analitik bir model geliştirmişlerdir. Deneysel çalışmada, çeşitli koşullar altında segmangömlek arasındaki sürtünme ölçülmüştür. Deneysel sonuçları doğrulamak için geliştirilen analitik model, sınır şartları ve tamamen belirleyici bir yaklaşım kullanarak karışık yağlama koşullarını içerir. Ölçülen ve modellenen yüzeyler için bir karşılaştırma modeli kurulmuştur. Deneysel ve analitik sürtünme sonuçlarının karşılaştırıldığında iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür Segman-Gömlek Sürtünme ve Aşınma İlişkisi Segman-gömlek arasındaki temastan kaynaklanan sürtünme enerjisi, toplam motor sürtünme enerjisinin hemen hemen yarısına eşittir. Bu yüzden bu temastaki sürtünmenin azaltılması, toplam motor verimi açısından oldukça önemlidir (Charles ve diğerleri, 2009). Henein ve diğerleri (1998), tek silindirli, dört zamanlı bir benzin motorunda, segman-gömlek temasında en fazla aşınmaya maruz kalan üst kompresyon segmanının geri dönme noktasındaki (ÜSDN) aşınmayı ve yüzey pürüzlülük değişimini belirlemek amacıyla yerinde ölçüm yapabilen bir aşınma probunu motor gömleği üzerine yerleştirmişlerdir. Silindir içi basınç, krank açısına bağlı olarak kaydedilmiştir. Motor güç ve tork değerlerini deney süresinde ölçerek kayıt altına almışlardır ve 1800 devir/dakikada gerçekleştirilen deneylerde % 10, %30 ve tam yükte motor yüklenmiş ve her dakikada ve saatte olmak üzere aşınma probu ölçülmüştür. Yapılan deneyler sonucu; içten yanmalı bir motor gömleğinin aşınma ve yüzey özellikleri zamana bağlı olarak kaydedilmiştir. Deneylerin ilk saatinde aşınma maksimum düzeyde olup, ilk saatten sonra düşüşe geçmiştir. İlk saatteki aşınma oranı 2. ve 3. saate göre 12 kat daha fazla olduğu görülmüştür. Yüzey pürüzlülüğündeki maksimum değişim aşınmada olduğu gibi ilk saatte olmuştur. Çalışmada aşınma probunun kullanımıyla, motor silindir gömleğinin aşınması ve yüzey pürüzlülük değişimi oldukça başarılı bir şekilde ölçülmüştür. Ma ve diğerleri (1998), tek silindirli, dört zamanlı, hava soğutmalı, 17,8 hp gücünde ve benzinli bir motorda, üst kompresyon segmanının geri dönme noktasındaki (ÜSDN) aşınma ve yüzey pürüzlülük değişimini incelemişlerdir. Bu amaçla bir aşınma probunu ÜSDN na yerleştirmişlerdir. Yüzey pürüzlülüğü ile aşınma arasındaki ilişkiyi araştırmışlardır. Motorda anlık sürtünme torkunun, atalet torku, motor biyel torku ve yükten dolayı gelen karşı tork ile arasındaki ilişkilerin, aşınma ve yüzey pürüzlülük değişimine olan etkisini incelemişlerdir. Araştırmalarının neticesinde; en yüksek aşınma oranının frenlemenin ilk anında olduğu ve ilk saat boyunca keskin bir şekilde azaldığını görmüşlerdir. Aşınmanın 3,5 saat sonra kararlı bir hale ulaştığını, aşınmanın segman sürtünmesinin değişimi ile bir bağlantısının olmadığını, ilk anlarda doğrusal bir şekilde ilişkili bir sonuca ulaşılsa da, 3,5 saat sonra bu ilişkinin terse doğru bir yol izlediğini belirlemişlerdir. Shuster ve Mahler (1999), çalışmalarında altı silindirli dört zamanlı su soğutmalı bir dizel motorunda farklı yük ve devirlerde, farklı gömlek ve segman boyutlarında ve farklı segman ve gömlek malzemeleri ile deneylerini yapmışlar ve segman-gömlek ilişkisini metalürjik ve metrolojik olarak incelemişlerdir. Motor gömlek ve segmanlarının normal aşınması 1000 saatlik bir çalışma sonucu belirlenmiştir. Ortalama segman aşınması mikron ve ortalama silindir gömleği aşınması ise 3 mikrondan daha az olarak ölçülmüştür. Krom kaplanan segmanların aşınma direncinin molibden kaplı segmanlardan daha iyi olduğunu belirlemişlerdir. Ayrıca krom kaplanan segmanla yapılan deneyler sonucu; gömlek yüzeyinde yağlamanın yoksun oluşu, gömlek yüzeyindeki martenzitik dönüşümü ve 37

38 muhtemel korozyon etkisiyle kaplamanın termomekanik yorgunluğu nedeniyle aşınmanın şiddetli oluşuna etki ettiğini belirlemişlerdir. HVOF yöntemi ile krom kaplanan segmanlarda sürtünme ve aşınma direncinin en yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Ronen ve Etsion (2001), içten yanmalı motorlarda segman-gömlek arasında meydana gelen sürtünme kuvvetini azaltmak amacıyla, segman-gömlek temasını tasvir eden bir sistem tasarlamışlardır. Deneyler sonucu; temas yüzeyleri arasındaki etkileşimin önemli olduğunu ve bu yüzden hidrodinamik basınç dağılımının etkisinin ihmal edilemeyeceğini, sürtünme kuvvetinin kayma hızıyla değiştiğini ve krank açısıyla değişim halinde olduğunu belirlemişlerdir. Ma ve diğerleri (2002), içten yanmalı bir motorun farklı yük ve devirlerde test edilmesi süresince segman-gömlek arasında meydana gelen teması, aşınma ve sürtünme açısından değerlendirmişler ve yüzey pürüzlülüğünün aşınma üzerine olan etkisini incelemişlerdir. Araştırmaları sonucu, gömlek yüzeyinde abrasif aşınma meydana gelmiş olup, honlama çizgilerinin bozulduğu ve pistonun hareketi yönünde yeni çizgilerin oluştuğu görülmüştür. Ye ve diğerleri (2004), piston ve motor gömleği arasındaki harekete benzeyen bir sistem geliştirerek, piston-gömlek arasındaki sürtünme şartlarını deneysel olarak araştırmışlardır. Farklı kaplanan gömlek malzemesi ve pistonun sürtünme mekanizmasını incelemişlerdir. Piston ve gömlek malzemelerinin on altı farklı kombinasyonunda test etmişler ve sonuçta genel olarak; % 15 grafit parçacıklı poliamidemit (D-10) kaplanan piston, % 4 bor nitrit parçacıklı nikel-fosfor (NCC) kaplanan yumuşak pistondan daha yüksek sürtünme direncine sahip olduğu, kalay kaplanan pistonların daha yüksek sürtünme direnci gösterdiği, fakat kalayın kaynama noktası ile sınırlandığı, en büyük sürtünmenin, kaplamalar aşındığında piston ana malzemesi ile gömlek arasında olduğu, kaplama malzemesi ve yüzey pürüzlülüğünün piston-gömlek arasındaki sürtünme sıcaklığını etkilediği ve buna bağlı olarak D-10 kaplamasının daha düşük sürtünme sıcaklığı ürettiği, fakat kalay kaplanan pistonlarda en yüksek sürtünme sıcaklığının elde edildiği sonucuna ulaşmışlardır. Truhan ve diğerleri (2005), ağır iş dizel motorlarında kullanılan segman ve gömlek arasındaki aşınma ve sürtünmeyi gösteren bir test düzeneği geliştirmişler ve bir yağlama mekanizması oluşturmuşlardır. Kullanılmış motor yağı ve kullanılmamış yağı sentezleyerek tıpkı motordaki gibi özelliklere sahip motor yağını elde etmişlerdir. Yağlama yağının karakteristiklerinin, aşınma ve sürtünmeye etkisini araştırmışlardır. Çalışmalarının sonucunda; viskozitenin sınır yağlama rejiminde segman ve gömlek arasındaki sürtünmeyi çok az etkilediği, fakat viskozitenin is miktarından ve oksitlenme seviyesinden etkilendiği, is ve kurumun gömlek aşınmasına büyük ölçüde etkisinin olduğu, çalışılan segman malzemeleri için aşınmanın daha az etkili olduğunu tespit etmişlerdir. Keller ve diğerleri (2007), ağır dizel motorlarının silindir gömlekleri için kullanılan gri dökme demirin mikro yapısının ve kimyasal bileşiminin aşınmaya etkisini araştırmışlardır. Mikro alaşımlı gri dökme demirden imal edilmiş, iki farklı honlama parametresinde honlanmış numuneleri yüzey pürüzlülük değişimi ile incelemişlerdir. Bu amaçla numuneler, sürtünme ve aşınma testlerine tabi tutulmuşlardır. Araştırma sonucu, yüzey pürüzlüğünün çok olduğu yüzeylerde en yüksek aşınmanın olduğunu bunun nedeninin de koruyucu etkisi olan tribokimyasal filmin oluşumunun gecikmesinden kaynaklandığını, dökme demir numunelerin honlama dişleri arasındaki aralığın aşınma davranışı üzerinde etkisinin olmadığını belirlemişlerdir. 38

39 Mufti ve diğerleri (2008), tek silindirli benzinli bir motorda piston grubunun sürtünmesini indike efektif basınçtan yola çıkarak deneysel bir biçimde ölçmüşlerdir. Deneysel sonuçları teori ile karşılaştırmak ve sonuçların uygunluğunu onaylamak adına matematiksel bir model geliştirmişlerdir. Piston grubu sürtünme ölçümleri sonucu, düşük yağlama sıcaklıklarında hidrodinamik yağlama daha yüksek sıcaklıklarda ise karma ve sınır yağlama oluştuğu, herhangi bir motor devrinin ölçüm sonuçlarının Stribeck Eğrisi ile uyumlu olduğunu belirlemişlerdir. Düşük sıcaklıklarda sürtünmenin düştüğü fakat yükselen sıcaklıkla beraber sürtünmenin arttığı, orta strokta hidrodinamik yağlamanın oluştuğu ve ölü noktalarda sınır ve karma yağlamanın oluştuğu belirgin bir şekilde görülmüştür. Deneysel veriler ile tahmin değerleri karşılaştırıldığında çok iyi bir uyum içinde olduğu sonucuna varılmıştır. Keller ve diğerleri (2009), büyük dizel motorlarının silindir gömleklerinin malzeme özelliklerinin ve yüzey pürüzlülüğünün aşınma üzerine etkisini aşınma deney düzeneği ile araştırmışlardır. Gri dökme demir, su verilmiş gri dökme demir ve mikro alaşımlı gri dökme demir olmak üzere üç farklı tipteki gömlek malzemesini incelemişlerdir. Araştırma sonucu; gri dökme demir malzemede en fazla aşınma meydana gelmiştir. İlk 50 çevrime kadar aşınma miktarının % 42 si gerçekleşmiş olup, 50 çevrimin bitimiyle beraber tribolojik film oluşmuştur. Bu aşamadan sonra aşınma oranı azalmaya başlamıştır çevrimden sonra bile hala aşınma oranının azalmaya devam ettiği, su verilmiş dökme demir numunede ise çevrime kadar hiçbir aşınma görülmediği, mikro alaşımlı dökme demir numunede ise yüzeyinde çok sert ötektik fosfor yapısı oluştuğu için en yüksek aşınma direncinin görüldüğünü göstermişlerdir. Ayrıca yüzeyin pürüzlülük değerinin aşınmayı önemli bir şekilde etkilediği, yüzeyi pürüzlü olan ve olmayan iki farklı alaşımlı dökme demir numuneden, pürüzlü olanın olmayana göre daha çok aşındığı sonuçlarına ulaşmışlardır. Gara ve diğerleri (2010), tek silindirli hava soğutmalı dizel bir motorda silindir gömleğinin yüzey pürüzlülüğü ve aşınma ölçümleri için deneysel bir çalışma yapmışlardır. Her bir testten önce ve sonra silindir gömleğinin farklı noktalarında aşınma ve yüzey pürüzlülüğü ölçülmüştür. Çalışma neticesinde, aşınmanın ikinci segman bölgesinde en yüksek olduğu, aşınma hacminin ve yüzey aşınma derinliğinin zamanla yükseldiği, motor çalışma şartlarında silindir gömleği yüzey pürüzlülüğünün zamanla azaldığı ve bu düşüş oranının giderek arttığı benzer çalışmalarda da uyum içinde olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Dimkovski ve diğerleri (2011), 486 saat yük altında çalışmış bir dizel motorda silindir gömleğinin alt, orta ve üst bölümlerinden alınan 0.6 mm x 0.8 mm ebatlarındaki numuneler üzerinde, honlama çizgileri ve yüzeydeki çiziklerin ölçüm ve dağılımı için bir algoritma geliştirmeye ve bu bölümlerdeki 3 boyutlu tahmin ölçümleri için matematiksel ve deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışma sonucu, silindir gömleği yüzeyinde bulunan plato honlama olukları ve eksenel çizikleri karakterize eden bir algoritma başarılı bir şekilde geliştirilmiştir. Bu algoritmalardan silindir gömleği yüzey kalitesi otomatik olarak tahmin edilebilir. Eksenel çizgiler orta bölümde olduğu gibi üst bölümde de yoğun bir şekilde görülmekte olup, alt bölümde çok az görülmüştür. Derin honlama çizgileri üst bölgede en az olduğu sonucuna varılmıştır Segman-Gömlek Kaplamalarının Motor Verimine Etkisi Rastegar ve Richardson (1997), yüksek güçlü dizel motorlar için kullanılan segmanları, molibden ile sinterlenmiş ve kaplanmış nikel-krom tozlarının belli oranlarda karışımından oluşturulan toz ile yüksek hızlı oksijen yakıt tabancası (HVOF) kaplama tekniği ile kaplamışlardır. Kaplanan segmanları aşınma düzeneğinde ve bir motor üzerinde 39

40 teste tabi tutmuşlardır. HVOF ile kaplanan segmanlar, krom kaplamaya nazaran 3 6 kat daha az aşınmışlardır. Motor gömleği aşınması ise 1 3 kat krom kaplanan segmanlara nazaran daha yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Uzun ve diğerleri (1999), altı silindirli, dört zamanlı, turbo şarjlı, intercooler sistemine sahip bir dizel motorda yanma odasını CaZrO3, NiCrAl ve MgZrO3 seramikleri ile plazma ortamında kaplamışlardır. Kaplanmayan motor ve kaplanan motoru aynı çalışma şartlarında deneye tabi tutmuşlar ve motor performansı ile egzoz emisyonları arasındaki ilişkileri incelemişlerdir. Yanma odasının kaplanması sonucu, egzoz sıcaklığının ºC arasında yükseldiğini, silindir duvar sıcaklığının yükselişinden ve artık gazlardan dolayı volümetrik verimin azaldığını, kaplanan motorda CO emisyonlarının % 35-40, HC emisyonlarının % 40 ve partikül emisyonlarının % 48 daha az oluştuğunu, kaplanan motorda duman koyuluğunun orta yüklerde daha az olduğunu, fakat yüksek yüklerde hızla arttığını ve termal verimin % 10 yükseldiğini, kaplanan motorda özgül yakıt tüketiminin % 2 azaldığını, sonuçta efektif verimde % 2 lik bir artışla motor performansında bir artış olduğunu belirlemişlerdir. Chan ve Khor (2000), üç silindirli benzinli bir motorunda yanma odası yüzeyini seramik malzeme ile termal bariyer kaplama yöntemi ile kaplamışlardır. Kaplanmış ve kaplanmamış pistonlu motor için silindir içi basınç verisini, yakıt tüketimini ve motor performansını karşılaştırmışlardır. Araştırmaları sonucu; düşük motor devirlerinde % 6 civarında yakıt tüketiminde bir azalmanın olduğunu, silindir içi pik basıncın kaplanmış pistonlu motorda 8 bar dan 10 bar a yükseldiği sonucuna varmışlardır. Ayrıca yanmamış hidrokarbon oranının kaplanmış pistonlu motorda ciddi bir şekilde arttığı, silindir içi basınç verilerine bakılarak, kaplanmış pistonlu motorda ateşleme avansının benzinli bir motora göre biraz arttığını belirlemişlerdir. Hejwowski ve Weronski (2002), su soğutmalı, dört silindirli, dört zamanlı ön yanma odalı bir dizel motorda termal bariyer kaplamaların motor performansına etkisini deneysel olarak incelemişlerdir. Termal olarak izole edilen pistonun sıcaklık verileri temel motor verileri ile karşılaştırılmıştır. Pistondaki ısıl ve gerilme dağılımlarını Cosmos/Sonlu elemanlar koduyla sayısallaştırmışlardır. Dört silindirli motorun her bir pistonunu farklı kalınlıkta ve kimyasal bileşime sahip farklı kaplama malzemesiyle kaplamışlardır. Dönme hızı, tork, yakıt tüketimi, egzoz gaz sıcaklığı ve soğutma suyu sıcaklığı parametrelerini, deney düzeneği aracılığı ile iki şart için de verileri kaydetmişlerdir. Deneyler sonucu modifiye edilen motorda, özgül yakıt tüketimini % arasında azaldığını bulmuşlardır. Egzoz gaz sıcaklığının modifiyeli motorda 200 K daha yüksek olduğunu belirlemişlerdir. Soğutma suyu ve yağ sıcaklığının ise birkaç K derece daha yüksek olduğunu kaydetmişlerdir. Modifiye edilen motorda tork, düşük devirlerde % 4 daha az, yüksek devirlerde ise % 6 daha yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Sonuç olarak, seramik kaplanan pistonlarda yanma odasından olan ısı kaybının azaldığı ve gaz sıcaklığının arttığını belirlemişlerdir. Li ve diğerleri (2003), benzinli bir motorda Cr kaplanmış, Mo + NiCrBSi kaplanmış ve nitrürlenmiş segmanlar ile dökme demir gömlek malzemesinin kombinasyonlarında gerçek bir motorun çalışma şartlarını tasvir eden sürtünme deneyleri yapmışlar ve deneylerde API SJISAE 5W-30 motor yağı kullanmışlardır. Mg ve Ca içeren katkı maddelerinin kaplanan segman ve dökme demir gömleğinin yüzey tribolojisine etki ederek aşınma direncini artırdığı sonucuna ulaşmışlardır. 40

41 Edrisy ve diğerleri (2005), bir motor bloğunun iç yüzeyini, (silindir) düşük karbon çeliği ASTM 1020 ve % 2,5 Al ekleyerek HVOF yöntemiyle kaplamışlardır. Sürtünen silindir duvarlarının mikro yapısı göstermiştir ki, en yüksek sürtünme sonucu oluşan hasarın, yanma zamanı segmanların dayanma yüzeyinde olduğunu, kaplanan yüzeyin tribolojisi incelendiğinde maksimum plastik deformasyonun yanma zamanında güç üretiminin maksimum olduğu noktada oluştuğu sunucuna varmışlardır. Uozato ve diğerleri (2005), dizel otomotiv motorlarının ağırlığını azaltmak amacıyla, motor bloklarında ve gömleklerde aşınma ve korozyon dirençlerini incelemişler, gerçek motor bloklarına uygulanabilirliği için yeni geliştirilen demir tozlarını (Fe C Ni Cr Cu V B alloy) plazma termal sprey tekniğini kullanılarak kaplamışlar ve klasik kaplama tozları ile karşılaştırmışlardır. Deneyler sonucu, başta hedeflen 250 μm kaplama kalınlığının tüm yüzeyde görüldüğünü, yeni geliştirilen toz kaplamanın, motorlarda kullanılan gömlek malzemeleri ile karşılaştırıldığında mükemmel bir aşınma direnci ve korozyon direnci gösterdiğini belirlemişlerdir. Silindir bloğunun termal spreyle kaplanması sonucu oluşan sertlik derecesi, standart motor gömleğinin sertlik derecesinden daha büyük veya yaklaşık eşit olduğunu ve sonuç olarak, termal sprey kaplamayla kaplanan gömleksiz alüminyum silindir bloğunun uygulamada kullanılabilirliğinin uygun olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Zhong ve diğerleri (2006), dökme demir motor silindir gömleğine, yakıt karışımının neden olduğu aşırı aşınma ve korozyon etkisini azaltmak amacıyla NiCr alaşımını lazer yöntemiyle toz halinde gömlek yüzeyine kaplamışlardır. Araştırma sonucu; 75Ni25Cr kaplanan gri dökme demir gömlekte çatlaksız ve gözeneksiz bir yapıda sağlam alaşım tabakaları oluştuğunu, Ni alaşım elementinin başlıca östenite, Cr alaşım elementinin ise sementite yerleştiğini, alaşım tabakasının korozyon direncini, sulandırılmış H2SO4 ve NaOH çözeltilerinde gösterdiği etkiyi gri dökme demir gömlek malzemesi ile karşılaştırmışlardır. 75Ni25Cr kaplanan gömleğin, gri dökme demir gömlekten 4,34 kat daha yüksek korozyon direncine sahip olduğunu, dökme demirin korozyonundaki ve aşınmasındaki bu artışın, Ni ve Cr elementlerinin dökme demirin mikro yapı ve bileşiminde yaptığı değişimden dolayı kaynaklandığı sonucuna varmışlardır. 4. SONUÇLAR Şimdiye kadar yapılmış çalışmalar incelendiğinde aşağıdaki sonuçlar ortaya çıkmaktadır: Segmanların gömlek üzerindeki kayma hareketi süresince, sınır yağlama ve hidrodinamik yağlama rejimleri arasında sürekli bir geçiş söz konusu olduğundan, segmangömlek arasında Stribeck Eğrisi nin değişimi ile ilgili matematiksel bir model geliştirilebilir ve farklı motor parametrelerinde deneysel olarak araştırılabilir. İçten yanmalı pistonlu bir motor çevriminde iş zamanında pistonun dayanma yüzeyine, segman tarafından uygulanan kuvvet neticesinde iki yüzey arasında sınır yağlama ortamı oluşmaktadır. Metal-metal teması neticesinde kuru sürtünme meydana gelmekte ve adhezif aşınma olayı oluşmaktadır. Segman ve gömlek yüzeylerine uygulanabilecek farklı modifikasyonlar ve çeşitli nano kaplamalar ile özellikle çevrimin iş zamanındaki aşınma araştırılabilir. Segman-gömlek temas açıları ve temas alanlarının sürtünme, aşınma, ısı transferi ve motor performansı açısından değişimi araştırılabilir. 41

42 5. KAYNAKLAR 1. Andersson B. S., Company perspectives in vehicle tribology Volvo, 17th Leeds- Lyon Symposium on Tribology - Vehicle Tribology, 18: Bolander N. W., Steenwyk B. D., Sadeghi F. and Gerber G.R., Lubrication regime transitions at the piston ring-cylinder liner interface, Proc. IMechE Part J: Engineering Tribology, 219: Bolander N., W., Sadeghi F., Deterministic Modeling of Honed Cylinder Liner Friction, Tribology Transactions, 50, Cesur İ., Farklı Yakıt Karışımlarının Segman-Silindir Çifti Arasındaki Sürtünme Ve Aşınma Özelliklerine Etkisinin İncelenmesi, SA.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 96 s., Sakarya. 5. Chan S. H., Khor K. A., The Effect of Thermal Barrier Coated Piston Crown on Engine Characteristics, Journal of Materials Engineering and Performance, 9: Charles P., Elfassi M., Lubrecht A. A., Double-Newtonian rheology in a model piston-ring cylinder-wall contact, Tribol. Int., doi: /j.triboint Dimkovski, Z., Anderberg C., Ohlsson R., Rosén B. G., Characterisation of worn cylinder liner surfaces by segmentation of honing and wear scratches, Wear, 271, Edrisy A., Perry T., Alpas A. T., Investigation of Scuffing Damage in Aluminum Engines with Thermal Spray Coatings, Wear 259, Gara L., Zou Q., Sangeorzan B. P., Barber G., C., McCormick H. E., Mekari M. H., Wear measurement of the cylinder liner of a single cylinder diesel engine using a replication method, Wear 268, Hejwowski, T., Weronski A., The Effect of Thermal Barrier Coatings on Diesel Engine Performance, Vacuum 65, Henein N. A., Ma Z., Huang S., Bryzik W., Glidewell J., In Situ Wear Measuring Technique in Engine Cylinders, Tribology Transactions, 41:4, Johansson S., Nilssona P. H., Ohlssonb R., Rosénc B. G., Experimental Friction Evaluation of Cylinder Liner/Piston Ring Contact, Wear 271, Keller J., Fridrici V., Kapsa Ph., Vidaller S., Huard J. F., Influence of Chemical Composition and Microstructure of Gray Cast Iron on Wear of Heavy Duty Diesel Engines Cylinder Liners, Wear 263,

43 14. Keller J., Fridrici V., Kapsa Ph., Vidaller S., Huard Jf., Influence of Material Nature and Surface Texturing on Wear of Heavy-Duty Diesel Engine Cylinder Liners, Tribology Transactions, 52, Kılıç İ., İçten Yanmalı Motorlarda Sürtünme Kayıpları, İTÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 77 s., İstanbul. 16. Li S., Zhang R., Jin Y., Competitive Surface Interactions of Critical Additives with Piston Ring-Cylinder Liner Components under Lubricated Breaking-In Conditions, Tribology Transactions, 46:2, Ma Z., Henein N., A., Bryzik W., A Model for Wear and Friction in Cylinder Liners and Piston Rings, Tribology Transactions, 49, Ma Z., Henein N. A., Bryzik W., Glidewell J., Break-In Liner Wear and Piston Ring Assembly Friction in a Spark-Ignited Engine, Tribology Transactions, 41:4, Ma Z., Henein N. A., Bryzik W., Glidewell J., Cylinder Liner Surface Analysis During SI Engine Break-In, 45:3, Mishra P. C., Rahnejat H. and King P. D., Tribology of the ring-bore conjunction subject to a mixed regime of lubrication, Proc. IMechE Part C: J. Mechanical Engineering Science, 223: Mufti R. A., Priest M., Chittenden R. J., Analysis of Piston Assembly Friction Using the Indicated Mean Effective Pressure Experimental Method to Validate Mathematical Models, Proc. IMechE Vol. 222 Part D: J. Automobile Engineering, Öz, İ.H., Borat, O. ve Sürmen, A., İçten Yanmalı Motorlar, Birsen yayınevi, İstanbul. 23. Radil, K. C., Test Method to Evaluate Cylinder Liner-Piston Ring Coating for Advanced Heat Engines, NASA Center for Aerospace Information, NASA TM ARL-MR Rastegar F., Richardson D. E., Alternative To Chrome: HVOF Cermet Coatings For High Horsepower Diesel Engines, Surface and Coating Technology, 90, Ronen A., Etsion I., Fiction-Reducing Surface-Texturing in Reciprocating Automotive Components, Tribol. Trans., 44:3, Shuster M., Mahler F., Metallurgical and Metrological Examinations of the Cylinder Liner-Piston Ring Surfaces after Heavy Duty Diesel Engine Testing, Tribology Transactions, 42:1,

44 27. Smedley G., Piston Ring Design for Reduced Friction in Modern Internal Combustion Engines, Massachusetts Institute of Technology, Thesis of Master of Science in Mechanical Engineering, p Spencer A., Optimizing Surface Texture for Combustion Engine Cylinder Liners, Lulea University of Technology, Licentiate Thesis, p Stolarski T., A., Zhou Q., Temperature Friction Characteristics of Used Lubricant From Two-Stroke Cross-Head Marine Diesel Engines, Wear 252, Tamminen J., Sandstroma C. E., Andersson P., Influence of Load on the Tribological Conditions in Piston Ring and Cylinder Liner Contacts in a Medium-Speed Diesel Engine, Tribology International 39, Truhan J. J., Qub J., Blau P. J., The Effect of Lubricating Oil Condition on The Friction and Wear of Piston Ring and Cylinder Liner Materials in a Reciprocating Bench Test, Wear 259, Uozato S., Nakata K., Ushio M., Evaluation of Ferrous Powder Thermal Spray Coatings on Diesel Engine Cylinder Bores, Surface & Coatings Technology 200, Uzun A., Çevik İ., Akçil M., Effects of Thermal Barrier Coating on a Turbocharged Diesel Engine Performance, Surface and Coatings Technology , Wang H., S., Chao G., Y., Xiang X., H., Dao W., J., Mzhong Z., Distributed Law of Hydrodynamic Lubrication of a Cylinder Liner of an Internal Combustion Engine, Tribology Transactions, 41:4, Ye Z., Zhang C., Wang Y., Chenga H. S., Tung S., Wang Q. J., Hea X., An Experimental Investigation of Piston Skirt Scuffing: A Piston Scuffing Apparatus, Experiments, and Scuffing Mechanism Analyses, Wear 257, Zhong M., Liu W., Zhang H., Corrosion and Wear Resistance Characteristics of NiCr Coating by Laser Alloying with Powder Feeding on Grey Iron Liner, Wear 260,

45 RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE OLUŞAN HASARLARIN İNCELENMESİ ÖZET Can ÇİVİ 1, N. Sinan KÖKSAL 2 Teknolojinin gelişmesiyle enerji gereksinimi artmakta ve enerji üretiminde kullanılan fosil yakıt miktarlarının giderek azalması ile yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri rüzgar enerjisi olup son yıllarda enerji üretiminde önemli bir yer teşkil etmektedir. Dünyada ve ülkemizde enerji üretiminde kullanılan rüzgar türbini sayısı giderek artmaktadır. Bu artışla beraber kullanıma bağlı olarak rüzgar türbinlerinde meydana gelen aşınma, korozyon gibi hasarların önlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada rüzgar türbinlerinde gövde, kanat ve aktarma organlarında oluşan hasarlar, tasarım, çalışma ortamı ve montaj gibi yönlerden incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Rüzgar Türbini, Hasar Analizi, Enerji ABSTRACT Demand for electiricy is increasing with the growth of technology and renewable energy sources become important with the reduction of fossil fuel day by day. Energy production from wind is important in renewable energy sources. Because of this, prevention of failure that occur in wind turbines are important to reduce the availability of energy and the efficiency of wind turbines. In this study, failures that occured wind turbines investigated from in terms of design and using. Key Words: Wind Turbine, Failure Analysis, Energy 1. GİRİŞ Rüzgâr enerjisi, nükleer ve fosil yakıtlardan elde edilen enerjiye göre daha ucuz ve temin edilebilmesi çok daha kolay bir enerjidir. Rüzgâr enerjisine büyük önem verilmesinin sebebi, fosil yakıt kaynaklarının birkaç yüzyıl içerisinde tükenecek olması ve bu yakıtların çevreye verdiği zararlardır [1]. İlk çağlarda rüzgar enerjisine çok önem verilmekteydi. Rüzgâr enerjisinden yararlanılarak yelkenlilerle dünyada birçok yerin keşfi mümkün olmuştu. Sanayi devrimi ile buharlı makinelerin kullanımı sonrası rüzgar enerjisine ilgi azaldı li yıllara gelinceye kadar, fosil yakıtların ucuz olması dolayısı ile rüzgar enerjisine yeterli derecede önem verilmemiştir lerdeki petrol krizleri sonucunda yavaş yavaş rüzgar enerjisinin kullanımına yönelim gerçekleşmiş, 1980 li yıllardan sonra ise rüzgar türbinleri tüm dünyada çağdaş enerji üretim yöntemleri arasına girmiştir li yılların sonlarında, rüzgar enerjisi 1 Araş. Gör.,Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45140, Manisa, can.civi@bayar.edu.tr, 2 Yrd. Doç. Dr., Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45140, Manisa, sinan.koksal@bayar.edu.tr 45

46 sağlayan küçük rüzgar türbinleri, diğer alternatif enerjilerle karşılaştırıldığında, yatırım maliyetlerinin azlığı ve gelişen teknolojilerin etkisiyle, bir çok kişinin ilgisini çekmiştir [2]. Dünyada; rüzgar enerjisinden elektrik üreten ilk türbin, 1891 de modern aerodinamiğin önemli mühendisi olan Paul la Cour tarafından Danimarka da inşa edilmiştir [3]. Bu tarihten sonra rüzgar enerjisine yönelim artmış ve 1996 yılında dünya genelinde 6,100 MW olan rüzgâr enerjisi kurulu gücü 2010 yılında 194,390 MW a ulaşmıştır [4]. Tablo 1 de kurulan ve toplam rüzgar enerji türbinlerinden elde edilen enerjinin MW cinsinden değeri yer almaktadır. Tablo 1. Dünya genelinde rüzgâr enerji türbinlerinden elde edilen enerjinin yıllara göre MW cinsinden değeri [4] YIL KURULAN (MW) TOPLAM (MW) Günümüzde, endüstrileşmiş ülkeler, enerjilerinin yaklaşık % 65 lik kısmını fosil yakıtlardan elde etmektedirler. Yapılan araştırmalar, gelişmiş ülkelerin 2030 a kadar dünya enerji üretiminin % 50 sini gerçekleştireceğini belirtmektedir. Bu ülkeler, enerji üretiminde % 65 oranında fosil yakıt kullanımına devam ettikleri takdirde hava kirliliğinde artışın büyük düzeyde devam edeceği, dünya üzerinde sera etkisinin artacağı ve ayrıca petrol fiyatlarının da kaynakların azalması ile hızla yükseleceği bilinmektedir [1]. Bu sebeple rüzgar enerjisi ve su enerjisi gibi geri dönüştürülebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına verilen öneminin gün geçtikçe arttığı görülmektedir. Ülkemizde 1998 yılına kadar rüzgar enerjisine önem verilmemiştir. Bu yılda toplam kurulu rüzgâr enerjisi santrallerinden elde edilen enerji değerleri 8,7 MW miktarındadır. İlerleyen yıllarda ülkemizde rüzgar enerjisi kullanım miktarının artışının çok az olduğu görülmektedir. Son yıllarda ise yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim ile ülkemizde elektrik üretimi için kullanılan rüzgar enerjisinin hızla artış gösterdiği görülmektedir. 46

47 Tablo 2. Türkiye deki rüzgâr türbinlerinden elde edilen enerji miktarları [5] YIL KURULAN (MW) TOPLAM (MW) , ,2 18, , , ,2 20, , , , ,3 146, ,4 363, ,9 791, , ,15 Sürdürülebilir enerjilerin içinde en büyük güce sahip olan rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisi çeşitli şekillerde meydana gelmektedir. Bunlardan biri dünyanın dönüşünden oluşan, sürekliliği olan rüzgarlar diğeri ise elize adı verilen yörünge değişikliğinden oluşan rüzgarlardır. Diğer bir rüzgâr türü ise ısı değişikliğinden kaynaklanan rüzgârlardır [6]. Rüzgâr türbinleri rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine çevirmektedir. Rüzgâr türbini telekomünikasyon sistemleri gibi sistemlerin ve konutların elektrik ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Örnek rüzgar türbinleri Şekil 1 de verilmiştir [7]. Şekil 1. Örnek rüzgâr türbinleri [7] Rüzgâr türbinleri bir rotor, güç şaftı ve alternatörden meydana gelmektedir. Alternatör, rüzgârdan elde edilen kinetik enerjiyi elektrik enerjisine çevirmektedir. Rüzgârın rotordan geçmesi sırasında, aerodinamik bir taşıma kuvveti meydana gelmektedir ve bu taşıma kuvveti rotoru döndürmektedir. Bu dönel hareket jeneratörü hareket ettirerek elektrik üretmektedir [7]. Rüzgâr türbinlerinde, türbinin tüm aksanını taşıyan gövde, sürekli olarak aerodinamik taşıma kuvvetine maruz kanatlar ve rotorda meydana gelen dönme enerjisini elektrik üretimi amacını gerçekleştiren jeneratöre ileten aktarma organları, hasar meydana gelebilme olasılığı bakımından türbinin kritik elemanlarıdır. Burada oluşabilecek hasarların analiz edilmesi türbin ömrü açısından çok büyük önem teşkil etmektedir. 47

48 2. RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE MEYDANA GELEN HASARLAR Herhangi bir parçanın tamamen kullanılamaz duruma gelmesi, kullanılabilecek durumda olup fakat kendisinden istenilen performansı karşılayamaz duruma gelmesi veya parçada ciddi bir hasar oluşup, bu hasarın parçayı kullanmayı tehlikeli duruma sokması parçanın hasara uğradığını gösteren parametrelerdir. Hasar analizinin amacı hasara sebep olan mekanizmayı belirleyip teknolojik hatayı bulmaktır. Hasarlar, yanlış malzeme seçimi, fabrikasyon hatası, tasarım hatası, beklenilmeyen çalışma koşulları ve uygun olmayan ortam koşulları sebebiyle meydana gelebilir. Bu gibi durumlar sonucunda korozyon, yorulma, gevrek kırılma, aşırı yükleme, yüksek sıcaklık korozyonu, gerilmeli korozyon, sürünme ve aşınma gibi hasar mekanizmaları meydana gelebilir [8]. Bir rüzgar türbininin ortalama ömrü 20 yıl civarındadır. Ömrü boyunca rüzgar türbinleri sürekli olarak çalışarak enerji üretimini sağlarlar. Herhangi bir hasar nedeniyle rüzgâr türbininin çalışmasının durması veya ortalama ömründen daha kısa sürede ömrünü yitirmesi, yatırımcı açısından büyük maddi kayıplara neden olur. Rüzgâr türbinleri, gelişen teknoloji ve rüzgar enerjisine olan eğilim ile son yıllarda önem kazanmıştır. Giderek artan sayıda kurulan türbinlerde özellikle tasarım ve kullanım yönünden oluşabilecek hasarların analiz edilmesi, sistemin hasar nedeniyle durmasını ve böylece oluşabilecek enerji kaybının önüne geçilmesini sağlar. Rüzgâr türbinlerinin birçok aksamında hasar meydana gelebilmekle beraber, özellikle türbinin gövde, kanat ve aktarma organı kısımlarındaki hasarların analizi, önem teşkil etmektedir Rüzgâr Türbinlerinin Gövdelerinde Meydana Gelen Hasarlar Rüzgâr türbinlerinde kule, pervaneyi ve diğer düzenekleri taşır. Bu sebeple rüzgâr türbini gövdeleri rüzgâr türbinlerinin önemli bir parçasıdır. Türbinlerin gövdeleri genel olarak çelik, beton ve boru tipi çelikten yapılmakla beraber ahşap ve kompozit malzemeden yapılan rüzgâr türbini gövdeleri nadiren de olsa mevcuttur. Dünyada en çok kullanılan rüzgâr türbini gövdesi boru tipi çelikten yapılan ve flanşların cıvatalar ile birbirine bağlandığı tip gövdelerdir. Şekil 2 de 28 Eylül 2008 tarihinde, Tayvan da meydana gelen yoğun yağış ve şiddetli rüzgar ile rüzgar türbininde oluşan hasarın fotoğrafları yer almaktadır. Şekil 2. Yıkılmış rüzgar türbini [9] Rüzgâr türbininde oluşan hasar incelendiğinde hasarın Şekil 3 te görülen, kulenin 17,3 metre yükseklikteki kısmında meydana geldiği görülmüştür. 48

49 Şekil 3. Yıkılmış rüzgâr türbininde meydana gelen hasarın yeri [9] Gövdenin şiddetli fırtına sonucu meydana gelen kuvveti karşılayamaması nedeni ile kırılma meydana gelmiştir. Şekil 4 te görülen, gövdenin kenarında bulunan cıvataların kırılması ile gövdenin hasara uğradığı belirlenmiştir. Gövde flanşını bağlamakta kullanılan cıvataların düşük dayanımlı olması bu hasarın meydana gelmesine yol açmıştır. Standartlara göre seçilen cıvatalar Japon Endüstriyel Standartlarına (JIS) göre incelendiğinde, kırılan cıvataların ve sağlam kalan diğer cıvataların dayanımları Tablo 3 de verilen değerler olup, standartlardan düşük değerler görülmüştür [9]. Tablo 3. Cıvatanın Mekanik Özelliklerinin Deneysel Değerlerinin Japon Standartlarıyla Karşılaştırılması [9] Mekanik Özellik Sağlam Kırılan JIS ye Göre cıvatalar Cıvatalar Standart Değer %Uzama 12,83 13,67 >9 Akma Gerilmesi (MPa) >940 Kopma Gerilmesi (MPa) >1040 Bu durumun sebepleri incelendiğinde, cıvata seçiminde kalite kontrolün iyi yapılmamış olabileceği, cıvata montajında cıvataya gelen burulma momentinin iyi ayarlanamayıp cıvataların üzerinde ek gerilme oluşturmuş olabileceği, bu gerilmenin cıvatanın ömrünü düşürmüş olabileceği ve oksidasyon gibi etkilerle cıvataların mukavemetinin zamanla azalabileceği öngörüleri yapılmıştır. Bu sebeple cıvata seçiminde kalite kontrolün iyi yapılması, cıvata montajı sırasında montajı yapan elemanların iyi bir şekilde bilgilendirilmesi ve zamanla mukavemet azalmasına karşılık periyodik olarak bakım ve gerektiğinde yenileme yapılması önerilmiştir [9]. Bu hasardan alınacak sonuç, malzeme seçimindeki kalite kontrolün iyi yapılması, malzeme montajının iyi yapılması ve bakımların zamanında yapılması ile gövdede oluşabilecek hasarların önüne geçilebileceğini göstermektedir. 49

50 Şekil 4. Gövde bağlantısını sağlayan cıvatalarda oluşan hasarlar [9] 2.2. Rüzgâr Türbinlerinin Kanat Kısımlarında Meydana Gelen Hasarlar Rüzgar türbinlerinin kanat kısımları, rüzgar türbinlerinin amacı olan rüzgar enerjisini elektrik enerjisine çevrilmesinde, rüzgarın enerjisinin toplandığı kısım olduğundan rüzgar türbininin en önemli kısımlarındandır. Kanat tasarımında, rüzgar enerjisinden yararlanmanın yüzdesinin artırılması amaçlanırken, bir yandan da üretim kolaylığı ve dayanım da hedeflenmektedir. Rüzgar türbinlerinin kanatları, hafif ve dayanıklı olduklarından ve sürekli hava ile temasta olduklarından dolayı havanın olumsuz tesirlerinden etkilenemeyen kompozit malzemelerden üretilmektedir. Kompozit malzemelerin en önemli avantajı dayanımlarının ağırlıklarına oranlarının düşük olmasıdır. Birçok mühendislik uygulamasında fiberglas, glas epoksi, grafit epoksi ve bor epoksi kompozitler kullanılmaktadır [10]. Kanatlar, kompozit malzemelerden, hafifliği artırmak amacıyla içi boş olarak kabuk şeklinde üretilmekte ve kabukların arasına dikey olarak destek elemanları koyularak mukavemetlerinin artırılması sağlanmaktadır. Rüzgar türbinlerinin kanat kısımlarında meydana gelen hasarların en önemli sebebi kanatlarda meydana gelen yorulmadır. Bu hasarlar genelde pervanelerin kök bölgesine bağlandığı yerlerde meydana gelir. Yorulma sebebiyle meydana gelen bu hasarlar yüksek yorulma yüklerinde daha kısa sürelerde meydana gelirken, kanat tasarımının iyi yapılması ile kanat ömürleri artırılabilmektedir. Şekil 5 te yorulmaya uğramış kompozit kanat görülmektedir [11]. Bölgesi) (Kök Aerodinamik Bölge Şekil 5. Dış yüzeyinde kırık meydana gelen kanat [11] 50

51 Kompozit kanatta oluşan hasarın incelendiğinde, gövde kısmından kanat kısmına geçilen bölgede kesit değişiminden dolayı en zayıf bölgeyi oluşturduğu tespit edilmiştir. Meydana gelen gerilme yığılmaları sebebiyle yüzey kısmında Şekil 6 da görüldüğü gibi çatlak meydana geldiği belirlenmiştir. Bu çatlağın ilerlemesi ile gerilme yığılmalarının iyice arttığı ve bu sayede çatlağın hızlı bir şekilde ilerlediği gözlemlenmiştir [11]. Şekil 6 a) Dış yüzeyde Oluşan Çatlak b) Çatlağın İlerlemesi ile Kırılma c)kırılmış Parça [11]. Birleşim yerleri bütün yapılarda en zayıf noktalardır. Ayrıca buralarda başka kusurların bulunması, zayıflığın daha da artmasına sebep olur. Kök ile aerodinamik yüzey arasındaki bölge, reçine eksikliği ve takviye elemanının bağlanmasında sıkıntı yaşanması gibi üretim kusurlarına yol açmaktadır. Reçine, elyafın mukavemetini etkilememesine rağmen, reçinesi eksik olan yüzey, orijinal yüzey gibi davranış gösteremez. Özellikle kuvvet altında yük taşıma kapasitesini azaltır ayrıca liflerin yüzeyden ayrılmasına yol açar [11]. Kanatlarda oluşan hasarların incelenmesi sonucunda üretim esnasında oluşan yüzeydeki kusurların, kalınlık değişiminin ve ani geçişlerin gerilme artışına ve dolayısıyla yorulma dayanımında ani düşüşe sebep olduğu görülmüştür. Bu sebeple kanat tasarımında ve kanatların üretiminde bu hususlara dikkat edilmelidir Rüzgar Türbinlerinin Aktarma Sistemlerinde Meydana Gelen Hasarlar Dişli kutusu bir rüzgar türbininin aktarma sisteminin önemli bir bileşenidir. Normal bir rüzgar türbin pervanesinin hızı devir/dakika iken bir jeneratörün optimum hızı devir/dakika civarındadır. Bu yüzden dönme hızının jeneratörün hız gereksinimlerine göre ayarlanabilmesi için iletim hattında güç aktarma sisteminin bulunması gerekir [12]. Son yıllarda Direct Drive adı verilen dişli kutusu olmadan direk olarak kanadın dönmesi ile türbinin döndüğü teknolojiye geçiş eğilimi olmasına rağmen, kullanımda olan rüzgar türbinlerinin büyük kısmında ve yeni üretilen rüzgar türbinlerinin önemli bir kısmında dişli kutuları bulunmaktadır. Bu sebeple burada meydana gelen hasarların incelenmesi önem taşımaktadır. Türbin jeneratörü ile dişli kutusunu bağlamak için emniyet pimleri kullanılmaktadır. Bu pimler aşırı yükleme meydana geldiğinde kırılıp dişli kutusu ile jeneratör arasındaki bağlantıyı kesme ve sistemin olumsuz etkilenmesini önleme görevi üstlenirler [13]. 51

52 Montaj Görünümü Emniyet Pimleri Şekil 7. Emniyet pimleri ve montajlanmış görüntüsü [13] Pimlerde Şekil 8 de görüldüğü gibi bir boyun bölgesi bulunmaktadır. Bu boyun bölgesi pimin emniyet görevini yerine getirebilmesi yani üzerine gelen kuvvet arttığında boyun bölgesinden kırılarak sistemin zarar görmemesi için güç aktarımının kesilmesi amacı ile pimlerde mevcuttur [13]. Şekil 8. Emniyet Piminin Ölçüleri [13] Sankar ve diğerlerinin yaptığı çalışmada, 2001 yılında kurulan ve sürekli olarak emniyet pimleri hasar gördüğü için çalışması duran bir 350 KW lık bir rüzgar türbini incelenmiştir ve emniyet pimlerinin kısa sürelerde kırılmalarının nedenleri araştırılmıştır [13]. Tablo 4 te emniyet pimlerinde görülen hasarların tarihleri ve pimlerin değiştirilmesi için harcanan zaman miktarları görülmektedir. Tablo 4. Emniyet Pimi Hasarlarının Tarihleri ve Pimin Değiştirilmesi İçin Harcanan Süreler [13] Türbinin Çalışma Başlangıcı Hasar Zamanları Pimin Değiştirilmesi İçin Harcanan Zaman (Saat)

53 Hasarların meydana geldiği tarihler incelendiğinde pimlerde oluşan hasarların fazla olduğu görülmektedir. Pimlerde hasar oluştuğunda, rüzgar türbininin enerji üretimine devam edebilmesi için pimlerin değiştirilmesi gerekmektedir. Bu emniyet pimlerinin dayanımının gerektiğinden az olduğunu görüldüğünden, pimler üzerinde incelemeler gerçekleştirilmiştir [13]. Malzeme olarak incelendiğinde, pimlerin ETG 88 çeliğinden (iyi mekanik özelliklere ve talaşlı öğretimde iyi işlenebilme yeteneğine sahip) yapıldığı görülmüştür. Pim çeliğin mekanik özellikleri Tablo 5 te görülmektedir. [13] Tablo 5. Pimlerde kullanılan ETF 88 çeliğinin mekanik özellikleri Mekanik Özellik Elastisite Modülü [MPa] 2,1x10 5 Akma Gerilmesi [MPa] >685 Kopma Gerilmesi [MPa] Sertliği [HRC] 29 Şekil 9 da görülen hasarlı pimlerde, hasarın meydana geldiği kırılma yüzeyi incelendiğinde, pimlerin boyun bölgesinde talaşlı imalat izlerine rastlanmıştır.. Kırık yüzeyi incelendiğinde, tipik burulma yorulma kırılması meydana geldiği görülmüştür. Yorulma kırılması boyun bölgesinin köşe kısımlarında talaşlı imalat izlerinin olduğu yerlerde başlamış ve tekrarlı yüklemelerle hasara yol açmıştır [13]. Kırık yapısı da şekilde görülmektedir. Şekil 9. Hasarlı Emniyet Pimleri ve Kırılma Yüzeyi Görüntüsü [13] Yapılan mikro yapı incelemesinde de numunede boyun etrafındaki talaşlı imalat izlerinin hemen yakınında yorulma çatlağının meydana geldiği ve çatlağın sürekli yükleme ile ilerleyerek kırılmaya sebep olduğu görülmüştür [13]. Pimlerde meydana gelen hasarların nedenlerini inceleyebilmek amacı ile sonlu eleman analizi yapılmıştır. Normal çalışma şartlarında pime burulma gerilmesi etki etmektedir. Numuneye yapılan sonlu eleman analizinde, pimlere gelen burulma gerilmesine karşı pimlerin güvenilir olduğu tespit edilmiştir. Pimlerde oluşan beklenmedik hasarlara, ilave bir yükün etki etmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu sebeple, oluşabilecek eksen kaçıklıkları nedeniyle pimlere gelen gerilmeler incelenmiştir. İnceleme sonucu Şekil 10 da 53

54 görülmektedir ve Von Misses Kriterlerine göre hesaplanan gerilme değerleri ile Tablo 6 da görülen sonuçlara ulaşılmıştır [13]. Şekil 10. Pimlere Sonlu Elemanlar Metoduyla Uygulanan Analiz sonuçları [13] Tablo 6. Eksen kaçıklığı değerlerine bağlı olarak oluşan gerilme değerleri [13] Eksen Kaçıklığı (mm) Kayma Gerilmesi N\mm 2 Bileşik Gerilme N\mm ,5 287,9 0,05 78,0 668,5 0,1 87,7 688,0 0,15 101,8 989,2 0,2 171,2 1276,0 Yapılan sonlu elemanlar analizinin sonuçları incelendiğinde, pimlerin üzerine gelen gerilmelerin burulmadan dolayı saf kayma gerilmesi olduğu durumlarda pimin bu gerilmeyi taşıyabileceği görülmektedir. Ancak pimlerde sürekli hasar meydana gelmesinin sebebinin pimlerin eksen kaçıklığından dolayı kesme ile beraber eğilme gerilmelerine de maruz kalması olduğu belirlenmiştir. Pimlerin boyun bölgelerinin pimlerdeki dayanımı gereğinden fazla düşürdüğü ve eksen kaçıklığı nedeni ile de pimlere gelen bileşik gerilme neticesinde pimlerin dayanımının büyük miktarda azaldığı sonucuna varılmıştır. [13] 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Rüzgâr türbinlerinde hasarların önlenmesi için kullanılan malzemelerin, çalışma süresinde havanın olumsuz etkilerine maruz kalan zor hava şartlarına, hava şartlarındaki değişimlere ve korozyon gibi olumsuz etkilere dayanıklı malzemeler olması gerekmektedir. Sürekli olarak olumsuz hava şartlarına maruz kalan ve bu şartlar altında sürekli çalışan rüzgar türbinlerinin bakımlarının aksatılmadan yapılması ve gerekli görüldüğü takdirde parça tamir ve değişimlerinin zamanında yapılması oluşabilecek hasarların önüne geçilmesini sağlar. Rüzgâr türbinlerinde kullanılan kanat parçalarının tasarımları yapılırken, enerji verimliliği ile birlikte, üretim kolaylığı ve malzeme dayanımı da göz önüne alınmalıdır. 54