Sağım Makinalarında Kullanılan Meme BaĢlığı Lastiklerinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi

Transkript

1 Sağım Makinalarında Kullanılan Meme BaĢlığı Lastiklerinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi Mustafa ÇETĠN 1, Evren BarıĢ KAYHAN 2, Taner AKBAġ 1, Erkan ġġmġek 1 1 Adnan Menderes Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Aydın 2 Adnan Menderes Üniversit esi Koçarlı MYO, Tarım Alet ve Makinaları Bölümü, Aydın. mcetin06@gmail.com Özet: Bu çalıģmada; sağım makinalarında kullanılan farklı kesite sahip meme baģlığı lastiklerinin bilgisayar destekli analizi gerçekleģtirilmiģtir. Dairesel ve üçgen kesite sahip meme baģlığı lastiklerinin katı modelleri Solidworks yazılımı ile oluģturulmuģ olup, analizler ise Ansys yazılımı ile gerçekleģtirilmiģtir. Analizler sonucu meme baģlığı lastiklerine iliģkin, gerilme ve deformasyon değerleri incelenmiģtir. En yüksek gerilmenin ve deformasyonun dairesel kesitli meme baģlığı lastiğinde oluģtuğu görülmüģtür. Anahtar kelimeler: Meme baģlığı lastiği, sonlu elemanlar analizi Finite Element Analysis of Teatcup Liners Used in Milking Machines Abstract: In this study, analysis of different cross-section teatcup liners used in milking machines was performed with computer-assisted. Solid model of teatcup liners having circular and triangular cross-section were created with Solidworks software and analysis was carried out using the Ansys software. Analysis of results from teatcup liners, the stress and deformation values were examined. The highest stress and deformation were seen in circular cross-section teat liner. Keywords: Teat liners, finite element analysis GĠRĠġ Makinalı sağımda meme baģlığı lastiği, sağım sırasında önemli fonksiyonları yerine getirmektedir. Lastik yüzeyine uygulanan vakumun oluģturacağı radyal geniģlemeyi sınırlayarak meme baģını desteklemektedir. Ayrıca, nabız odası basıncını meme baģına ileterek, oluģturulan sıkıģma kuvveti etkisiyle meme baģına masaj yapılmaktadır. Diğer yandan, lastik cidar hareketi, meme baģlığında, süt ile havanın ileri ve ters yönde akıģını sağlayan değiģken bir hacim oluģturmaktadır. Lastik cidar hareketi, meme baģına uygulanan kuvvetleri, bu kuvvetlerde sağım performansını ve meme baģı sağlığını etkilemektedir (Gürhan ve ark., 2000). Yapılan çalıģmalar meme lastiği hareketinin önemini ortaya koymuģtur. Düzgün olmayan meme lastiği duvar hareketleri baģarısız bir pulsasyon oluģturmakta ve bu durum hayvan memelerinde yeni enfeksiyon ve meme ucu hastalıklarının oluģmasına yol açmaktadır (O'Callaghan et al., 1976; Mein et al., 1983; Mein et al., 2003). Puls odası vakum seviyesi ve meme baģı ucundaki vakum seviyesi arasındaki basınç farkı meme lastiği boyunca oluģan diferansiyel bir basınçtır ve bu basınç farkı meme lastiği geometrisi ve malzeme karakteristiğine bağlı olarak meme lastiği hareketini etkilemektedir. Meme baģı ucu vakum seviyesi değiģtiğinde, meme baģı ucu ve puls odası arasındaki basınç farkı değiģeceğinden meme lastiği tepkisi de değiģmektedir. Sağım ünitelerindeki yapısal farklılıklar meme baģı ucundaki vakum seviyesinde önemli ölçüde etkili olmaktadır. DeğiĢik ölçülerdeki komponentlerin meme baģı ucu ve meme lastiği diferansiyel basıncı üzerine olan etkilerini tahmin edebilmek, ancak sağım baģlığı içerisinde sütün akıģ hareketlerini simüle ederek mümkün olabilecektir. Aksi taktirde, eğer yeni bir meme lastiği geliģtirilecekse, farklı diferansiyel basınçlarda meme lastiği hareketi ve meme lastiğinde oluģabilecek deformasyonun tahmini mümkün olamayacaktır. Bu nedenle meme baģlığının sonlu eleman yöntemiyle analiz edilerek modellenmesi, meme lastiği yüzeyindeki belirli sayıda ayırım noktasında meme lastiği duvar profil hareketinin 292

2 yüksek bir doğrulukla tespitini mümkün kılabilecektir (Harty et al., 2004). Sonlu elemanlar analizi yapısal mekanik ile ilgili diferansiyel denklemlerin çözümü için kullanılabilecek bir bilgisayarlı sayısal analiz tekniğidir (Harty et al., 2004). Malzemelerin yük altındaki gerilme ve davranıģları, sonlu elemanlar metotlarını kullanarak analiz yapan Ansys programında çözümlenebilmektedir (Kohnke, 2007; Dadkhah et al., 2010). Bu çalıģmanın amacı sağım makinalarında izin verilen en yüksek anma vakum basıncında (50 kpa) malzeme özellikleri ve geometri gibi temel (birincil) yapım bilgilerine dayalı olarak iki farklı kesite sahip meme lastiği davranıģının sonlu elemanlar yöntemi ile bilgisayar ortamında modellenerek analizinin ortaya konulmasıdır. lastiklerinin kesit görünüģleri ve bazı ölçüleri ġekil 1 de verilmiģtir. ÇalıĢmada seçilen meme baģlığı lastiklerinin malzemesi elastomer özellik gösteren kauçuk malzeme olarak tanımlanmıģtır. Elastomer malzemelere iliģkin çekme ve kayma deneyi eğrileri ġekil 2 de verilmiģtir (Gent, 2001). Elastomer malzemelerin sonlu elemanlar analizi için gerekli parametreleri metaller için olanlardan farklıdır. Metaller genelde Hooke malzeme olarak çözülür ve doğrusal gerilim-gerinim iliģkisi altında değerlendirilirler. Elastomer malzemeler için ise durum çok farklıdır. Elastomerler doğrusal analiz olarak çözüldüğünde malzemelerin poisson oranları 0,49-0,5 arasında alınabilmektedir (Anonim, 2010a). MATERYAL ve YÖNTEM Materyal ÇalıĢmada materyal olarak, malzeme özellikleri aynı, kesitleri farklı 2 adet meme baģlığı lastiği kullanılmıģtır. Bu meme baģlığı lastiklerinden biri dairesel kesitli, diğeri ise üçgen kesitli bir yapıya sahiptir. Seçilen meme baģlığı ġekil 1. Dairesel ve üçgen kesitli sağım baģlığı lastikleri. 293

3 ġekil 2. Elastomerler için çekme ve kayma gerilmesi eğrisi. Yöntem Dairesel ve üçgen kesitli sağım baģlığı lastiklerine ait üç boyutlu katı modeller SolidWorks yazılımı 2010 öğrenci sürümü kullanılarak oluģturulmuģtur. SolidWorks yazılımda oluģturulan katı modeller yazılımın orjinal dosya uzantısı ile kaydedilerek, Ansys yazılımı v12.1 sürümü Workbench arayüzünde açılmıģtır. Analiz türü olarak doğrusal olmayan statik analiz tanımlanmıģtır. Elastomerler için doğrusal olmayan malzeme özelliklerinin tanımlanması oldukça zordur. Hiperelastik malzemeler için gerinme enerji yoğunluğu referans alınarak büyük elastik deformasyonları tanımlayan teoriler geliģtirilmiģtir. Bu teoriler yüksek deformasyonun olduğu analizlerde rahatlıkla kullanılabilmektedir (Anonim, 2010a). Temel denklemler iki ana kategoridedir, bunlardan gerinme enerji yoğunluğu asal enerji aralığında polinomial denklem olarak kabul edilir ve sıkıģmayan malzemeler Rivlin malzemeler olarak tanımlanır. Eğer sadece birinci dereceden terimler kullanılır ise genellikle Mooney-Rivlin malzeme olarak tanımlanır. Ġkinci katagoride ise gerinme enerji yoğunluğu 3 ana dal olarak ayrılabilir ve bunlara örnek olarak Ogden, Peng, ve Peng-Landel verilebilir (Anonim, 2010a). Bu çalıģmada doğrusal olmayan analizlerinde yüksek oranda doğru sonuç veren Ogden malzeme modeli tanımlanmıģtır (Anonim, 2010b; Kohnke, 2007). Ogden malzeme modelinde gerinim enerji yoğunluğu ve gerilim denklemleri ile ifade edilir (Ogden et al, 2004; Kohnke, 2007, Anonim, 2010c). U def N N 2 i i i 1 i 2i ( ) ( jel 1) i 1 i i 1 Di U p Ogden denkleminde N, µ, ve malzemeye iliģkin test değerleridir. Bu teoriye göre makine elemanları üzerindeki gerilmelerin neden olduğu biçim değiģtirme enerjisinin büyüklüğü çekme deneyinde akma noktasında meydana gelen biçim değiģtirme enerjisine ulaģtığında hasar geçekleģir. Meme lastiğinin tepkisinin modellenmesi amacıyla geliģtirilen sonlu eleman modeli; vakum basıncı, meme lastiği geometrisi ve malzemesi, gerilme temel verilerindeki değiģimler ile etkilenecek Ģekilde gerçekleģtirilmiģtir. Analiz için sınır Ģartları belirlenerek, sağım baģlığı lastiklerinin, sağım baģlığı içerisindeki pozisyonu referans alınarak, basınç uygulanmayan yüzeyler serbestlik derecesi sıfır olacak Ģekilde sabitlenmiģtir. Nabız odasında meme baģlığı lastiğinin yüzeylerine dik gelecek Ģekilde 50 kpa statik basınç uygulanmıģtır. ARAġTIRMA SONUÇLARI ve TARTIġMA Analizler sonucunda meme baģlığı lastiklerine iliģkin gerilme ve deformasyon verileri elde edilmiģtir. Daire kesitli meme baģlığı lastiğine iliģkin gerilme değerleri ġekil 3 te, toplam deformasyon (yer değiģtirme) değerleri ise ġekil 4 te verilmiģtir. Üçgen kesitli meme 294

4 baģlığı lastiğine ait gerilme değerleri ġekil 5 te, toplam deformasyon değerleri ise ġekil 6 da verilmiģtir. ġekil 3. Daire kesitli sağım baģlığı lastiğinde oluģan gerilmeler ġekil 4. Daire kesitli sağım baģlığı lastiğinde oluģan toplam deformasyonlar ġekil 5. Üçgen kesitli sağım baģlığı lastiğinde oluģan gerilmeler 295

5 ġekil 6. Üçgen kesitli sağım baģlığı lastiğinde oluģan toplam deformasyon Daire ve üçgen kesitli meme baģlığı lastikleri birlikte incelendiğinde sırasıyla maksimum 7,9 ve 3,5 MPa gerilme değerlerine ulaģıldığı görülmektedir. Daire kesitli meme lastiğinde, üçgen kesitli meme lastiğinde oluģan gerilmenin 2 katından fazla bir gerilme oluģmaktadır. Daire kesitli meme lastiğinde oluģan maksimum gerilme, meme baģlığı lastiğinin ağzının kadehle birleģtiği noktada gerçekleģirken; üçgen kesitli meme baģlığı lastiğinde maksimum gerilme, üçgenin köģe hattı boyunca oluģmaktadır. Bu gerilme değerleri meme baģlığı lastiklerinin dayanım ömrünü etkileyecektir. Daire kesitli olan meme baģlığı lastiklerinin dayanım ömrü, üçgen kesitli olanların dayanım ömrünün yarısından daha az olacağı anlaģılmaktadır. Toplam yer değiģtirme (deformasyon) değerleri incelendiğinde, daire kesitli sağım baģlığında maksimum 12,4 mm olup lastiğin iki noktadan katlandığı görülmektedir. Harty et al. (2004), farklı kullanım sürelerine sahip dairesel kesitli meme baģlığı lastikleri üzerinde yaptıkları sonlu elemanlar analizinde toplam yer değiģtirme değerini maksimum 12,99 mm olarak belirlemiģlerdir. Üçgen kesitli meme lastiğinde gerçekleģen toplam yer değiģtirme ise maksimum 7,9 mm değerine ulaģmıģtır. Daire kesitli meme lastiğinde oluģan maksimum yer değiģtirme, meme baģlığı lastiği ağzından 45 mm aģağısında gerçekleģirken; üçgen kesitli meme baģlığı lastiğinde ise, üçgenin kenarlarının orta noktaları boyunca oluģmaktadır. Toplam yer değiģtirmenin fazla olması yine meme baģlığı lastiğinin yıpranmasında önemli bir etkiye sahiptir. Toplam yer değiģtirme değerleri yönünden bakıldığında, yine dairesel kesitli meme baģlığı lastiğinde oluģan deformasyon, üçgen kesitli olandan önemli oranda büyüktür. SONUÇ Yapılan çalıģma sonucunda, Ansys yazılımı kullanılarak 2 farklı kesite sahip sağım baģlığı lastiğinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi üçgen kesitli sağım baģlığı lastiğinin dairesel kesitli sağım baģlığı lastiğine göre, ele alınan parametreler dıģındaki kriterler göz ardı edilerek değerlendirilmiģtir. Üçgen kesitli sağım baģlığı lastiği, dairesel kesitli sağım baģlığı lastiğine göre daha düģük gerilme ve toplam deformasyon değerleri vermiģtir. Bu veriler ıģığında üçgen kesitli meme baģlığı lastiklerinin dayanım ömrünün daha uzun olduğu ortaya konulmuģtur. Bu modelleme tekniği ile, lastik kullanım ömürleri tahminlenerek, hayvan sağlığının korunması ve sağımın uluslararası standarlara uygun gerçekleģtirilmesi, uygun servis ve bakım süresinin planlanması yapılabilecektir. Bu modelleme çalıģması, meme lastikleri üzerine yapılacak, kullanım süresinin, ömür ve dayanım üzerine etkilerinin ayrıca yeni meme baģlığı lastiklerinin tasarımının yapılmasına temel teģkil edecek bir ön çalıģmadır. LĠTERATÜR LĠSTESĠ Anonim,2010a. /rubber_fea.pdf, EriĢim: Mayıs. 296

6 Anonim,2010b. 03_elast_paper.pdf, EriĢim: Mayıs. Anonim, 2010c. Hyperelasticity. ANSYS 12 Documentation, ANSYS Inc. Theory Reference Manual. Section 4.5 Dadkhah, F., Zahiri, A., Finite Element Analysis of Silicone Rubber Spacers Used in Automotive Engine ControlModules, eedings/2004/papers/73.pdf, EriĢim: Mayıs. Gent, A. N., Engineering with Rubber - How to Design Rubber Components (2nd edition), ISBN: , Hanser Publishers. Harty, E., Grace, P., O Callaghan, E., Designing Milking Units For Optimum Performance Using Milk Flow Simulation And Finite Element Analysis, Proceedings of the British Mastitis Conference, Stoneleigh, P: Kohnke, P., Theory Reference for ANSYS and ANSYS Workbench, ANSYS Inc., USA. Mein, G.A., Brown, M.R., Williams, D.M., Pulsation failure as a consequence of milking with short teatcup liners, J. Dairy Res.,50, P: Mein, G. A., Reinemann, D., Williams, D., Effects of milking on teat end hyperkeratosis: 1. Mechanical forces applied by the teatcup liner and responses of the teat. 42nd Natl. Mast. Coun. Ann. Meet. Proc. P: O'Callaghan, E., O'Shea, J., Meaney, W.J. and Crowley, C., (1976) Effect of milking machine vacuum fluctuations and liner slip on bovine mastitis infectivity. Ir. J. Agri. Res. 15: 401. Ogden, R.W., Saccomandi, G., Sgura, I., Fitting hyperelastic models to experimental data, Computational Mechanics, 34 (6). P: ISSN