13 YAĞLAMA VE KAYMALI YATAKLAR

Transkript

1 13 YAĞLAMA VE KAYMALI YATAKLAR İzafi hareket ederek kuvvet ileten parçalar arasında sürtünme ve buna bağlı olaraktan aşınma ve ısı açığa çıkar ki buda güç kaybına neden olur. Aşınma ve açığa çıkan ısıyı dolayısıyla güç kaybını azaltmak için izafi hareket eden parçalar arasına yağlayıcı maddeler konur. Bu makina tasarımında çok rastlanan durumlardan birisidir. Yağlayıcı maddelerin yağlama özelliğini belirleyen en önemli özellikleri viskozite ve ıslatma kabiliyetleridir. Yağların birde fiziksel özellikleri mevcut olup onlar; ısıl özellikleri, katılaşma noktası, alevlenme noktası, yanma noktası, oksitlenmesi, yoğunluğu, gibi birçok özelliktir YAG ÇEŞİTLERİ Kaymalı yataklar kuvvet iletiminde çok kullanılan makine parçaları olup bir birine göre izafi hareket ederler ve sürtünmeyi dolayısıyla de aşınmayı izafi hareket eden parçalar arasına konan katı, sıvı ya da gaz yağlayıcılar sayesinde azaltırlar. Yağlayıcı olarak genelde akışkan yağlayıcılar kullanılmakla beraber, bazı koşullarda teflon, karbon, molibden disülfit gibi katı ve basınçlı hava gibi gaz yağlayıcılarda kullanılır. Genelde hareketli makina parçalarının yağlanmasında sıvı yağlar kullanılmaktadır. Modern yağlar içerilerine bir ya da birden fazla katkı maddesi katılarak düşük sıcaklıklarda akıcı hale getirilmişlerdir KATI YAĞLAYICILAR Katı yağlar yalnız başlarına toz ya da plaka şeklinde kullanıldıkları gibi bazı durumlarda sıvı ya da greslerle karıştırılarak da kullanılabilirler. Örneğin; karbon küçük plakalar halinde tek basına 500 o C ye varan ortamlarda yağlayıcı olarak kullanılmaktadır. Polimerler de katı yağlayıcı olarak kullanılmakta olup bazı makine parçaları direk olarak polimerlerden (en çok kullanılanı teflon dur) imal edilirler YARI KATI (GRESLER) YAĞLAYICILAR Yarı katı yağlayıcılar sıvı yağlara katılan bir ya da birden fazla katkı maddesi ile elde edilirler ve oda sıcaklığında krem kıvamında bulunurlar. Gresler kullanılan katkı maddesine göre kalsiyum gresi, lityum gresi ve sodyum gresi gibi isimlerle anılırlar, düşük, orta hızla dönen yük taşıyan yatakların ve makine parçalarının yağlanmasında kullanılırlar. Genelde gresler 100 o C sıcaklığa kadar kullanılırlar SIVI YARĞLAYICILAR Sıvı yağlayıcılar organik (hayvansal ve bitkisel) yağlar, madensel (mineral) yağlar ve sentetik yağlar olmak üzere üç grupta toplanabilir. 1

2 ORGANİK YAĞLAYICILAR Organik yağlar çok pahalı ve aynı zamanda içerisinde taşıdığı asitler nedeniyle korozyona sebebiyet verdiğinden endüstride hemen hemen hiç kullanılmazlar. Ayrıca bu yağların kullanma ömürleri de çok azdır. Bazı örnekler; mafsal ve kemik yağı hayvansal yağlara örnek olup, zeytin yağı, fındık yağı, hint yağı gibi yağlarda bitkisel yağlara örnektir SENTETİK YAĞLAYICILAR Sentetik yağlar tamamen kimyasal yollarla elde edilen pahalı ve kaliteli yağlar olup, endüstride çokça kullanılmaktadır. Özellikle son yıllarda tasarlanan yüksek performanslı motorlarda tercih edilmektedirler. Bu yağlar aynı zamanda madeni yağların yağlama özelliklerini de artırmak için katkı maddesi olarak da kullanılmaktadırlar. Bu yağların sıcaklığa karşı dayanımı, oksitlenmeye karşı dirençleri, tutuşma sıcaklığı, sıcaklık viskozite değişimi ve kullanıldığı sıcaklık aralığı yüksektir MADENSEL SIVI YAĞLAR Bu yağlar endüstride kullanılan ve minerallerden (petrolden) damıtılarak elde edilmiş yağlardır. Bu yağların temel bileşeni hidrokarbonlardır. Ham petrolün yapısına göre parafin, naften ve her ikisinin karışımı şeklindedirler. Sıvı yağlar aşağıdaki genel özelliklere sahiptir: 1. Viskozitesi sıcaklıkla azalır. 2. Viskoz yapıları nedeniyle yüksek hızlarda yağ filmimim direnci iyidir ve yük taşıyabilirler. 3. Yüksek sıcaklıklarda dahi oksitlenmeye (korozyona) karşı metalleri korurlar. 4. Hareketsiz ve hareketli parçalar üzerine yapışması en az düzeydedir. 5. Yük altındaki iki parça arasındaki küçük boşluklara sızarak sürtünmeyi ve aşınmayı azaltır. 6. Yağlanan yüzeyleri temizler 7. Hareket eden parçaları soğutur. 8. Akıcı olması nedeniyle kolay depolanabilir ve ucuza üretilebilir GAZ YAĞLAYICILAR Gaz yağlayıcılar hızın yüksek ve taşınan yükün az olduğu makine parçalarında kullanılırlar. Aynı zamanda gıda sektöründe de kullanma alanı bulmaktadır. Gaz yağlayıcılarda sürtünme en düşük düzeyde olup, buna bağlı olarak da ısınma en düşük düzeydedir. Genelde hava, 2

3 hidrojen ve azot gaz yağlayıcı olarak kullanılmakta olup, diğer gazlarda g uygulama alanına bağlı olarak kullanılabilir KAYMALI YATAK ÇEŞİTLERİ Bir bine karşı izafi hareket eden, kuvvet yönünde hareket etmeyen ve bu hareketler sırasında her iki eleman arasında oluşan yağ filmi sayesinde en az sürtünme kaybı oluşturarak kuvvetin iletimini temin eden makina parçalarıdır. Dönerek hareket iletenn parçaların n yataklanmasında kullanılan yataklar kaymalı yatak, doğrusal hareket ileten parçaların yataklanmasındaa kullanılan yataklar kızak olarak adlandırılır. Bu konu altında sadece kaymalı yataklar incelenecek olup, iki çeşit kaymalı yatak mevcuttur. 1. Radyal kaymalı Yatak: Silindir şeklinde tasarlanmış olup, radyal yönde gelen kuvvetleri karşılarlar (radyal yönde hareket yoktur). 2. Eksenel kaymalı yatak: Bunlar genelde düz yataklar olup, şaft yatağa radyal yönde monte edilmiş olup, sadece şaft doğrultusunda gelen yükleri alır. Şekil 13.1 de görüldüğü üzere, radyal ve exsenel kaymalı yataklara en güzel örnek motor krank şaftının yataklarıdır. Burada krank şaftı (mili) iki yatakla yataklanmış olup, bu yataklar hem radyal yükleri hem de eksenel yükleri karşılamaktadırlar. Şekilde görüldüğü gibi krank şaftı ş silindiri üzerindeki yataklar radyal r kaymalı yataklar olarak adlandırılır ve sadece radyal yöndeki kuvvetlere karşı yataklamaa yaparken,, krank şaftıı silindirinin yan tarafındaki yataklar eksenel kaymalı yataklar olarak adlandırılır ve sadece eksenel yöndeki kuvvetlere karşı yataklama yaparlar. Kullanma yerlerine bağlı olarak radyal yataklar tek parça imal edildikleri gibi, iki yarım halka şeklinde de imal edilirler. Bazı durumlarda exsenel yataklar la radyal yataklar tek bir parça olarak da imal edilmişlerdir. 3

4 Şekil 13.1 Krank Şaftının Radyal ve Eksenel Yatakları 13.3 YAĞLAMAA ÇEŞİTLERİ Şekil 13.2 de görüldüğü gibi, hareket edenn parçaların bir birine olan konumuna göre üç çeşit yağlamaa şekli mevcuttur. 1. Hidrodinamik Yağlama (Sıvı Sürtünmesi): Burada bir birine b karşı izafi hareket eden iki parça Şekil 13.2a da görüldüğüü gibi bir yağlayıcı eleman yardımı ile birinden tamamen ayrılmıştır. Metal - metal teması söz konusu olmayıp, sürtünme sadece sıvı molekülleri arasında oluşan kayma kuvvetinden ibarettir. Burada radyal kuvvet her iki yüzeyi bir birine yaklaştırmaya çalışırken izafi hareket sonucunda sıvıda oluşan basınç bunu dengeler. Yüzey sürtünmesi sadece yağlayıcı içinde oluşur ve aşınma meydana gelmez. Tipik yağ filmi kalınlığı en düşük noktada ila 0.02 mm olup, tipik sürtünme katsayısı ise ila aralığında değişkenlik gösterir. 4

5 2. Karışık Yağlama (Yarı Sıvı Sürtünmesi): Bu durumda Şekil 13.2bb de görüldüğü gibi çok az bölgelerde metal-metal teması olmakla beraber kısmen hidrodinamik yağlamada söz konusudur. Böylee bir yatak tasarımında yüzey teması son derece az olup, yüzeyy aşınması da az olur. Böyle bir yatakta tipik sürtünme s katsayısı ila 0.1 arasındaa değişkenlik gösterir. 3. Sınır Yağlaması: Burada bir birine karşı izafi hareket eden iki parçaa bir birine tamamen değmektedir.. Bazı yağ zerrecikleri ancak yüzey pürüzlükleri arasına sıkışmış olup, sürtünmeyi ve aşınmayı az da olsa azaltır. Böyle bir yatakta tipik sürtünme katsayısı ila 0.2 arasında değişkenlik gösterir. Şekil 13.2 Üç Temel Yağlama Çeşidi (Yüzeyler Oldukça Büyütülmüştür) ) Buradan da anlaşılacağı üzere en iyi yağlama şekli hidrodinamik k yağlamadır. Hidrodinamik yağlama hidrostatik yağlama şeklinde de yapılabilmektedir. Yüksek basınçlı yağ, su veya hava kullanılarakk kaymalı yatakta bulunan iki parça izafi bir hareket olmasa bile bir birinden ayrılabilir. Bu tip yağlamalarr çök pahalı olup özel durumlar d için tasarlanabilirler HIDRODİNAMİK YAĞLAMANIN BASİT TEMELLERİ Şekil 13.3 de tipik bir kaymalıı yatak örneği görülmektedir. Burada yatak muyludan çok az büyük tasarlanmış ve aradaki boşluk ise yağ ile doldurulmuştur.. Yağ uygunn bir yerden yatağı sürekli olarak beslemekte ve içeriye girenn yağ yağlama görevinii yaptıktan sonra yatağın kenarlarından sızarak yatağı terk etmektedir. Mil (muylu) yatak içerisinde belli bir açısal hız ile saat yönündee dönerek yatak zarfı ile muylu arasındaa oluşan izafi hız ve yatak boşluğunun dönme yönünde daralması d yük taşıyıcı yağ filmininn oluşmasını sağlar. Aynı anda muylu yatak içinde sağa doğru d kayarak eksantrik bir konum almasına ve en ince yağ filminin oluşmasını neden olur (Şekil( 13.3b). Hareketin devamı ile muylu sanki yatağın iç kısmına tırmanıyormuş gibi olur o ve bu durum sınır tabaka t yağlamasını oluşturur. Hareketin devamı ve hızlanması ile sıvı sürtünme s şartları oluşur ve muylu hareket yönünde sol tarafa doğru kayarak eksantrik (e) bir konum alır. Bu durumda yağ filmi kalınlığı h o değerine ulaşarak yüzeyleri bir birinden uzaklaştırır ve aynı anda da muyluya gelen radyal yükü karşılayacakk basınç değerine ulaşır (Şekil 13. 3c). 5

6 Şekil 13.3 Kaymalı Yatak Yağlaması Muylunun yatak içinde harekete başlayıp son hızına ulaşıncaya kadar üç aşamalı bir yağlama söz konusudur. Bu hareketler sırasında sürtünme katsayısının değişimi Stribeck eğrileri ile Şekil 13.4 de verilmiştir. Stribeck eğrilerii sürtünme katsayısının n üç temel yağlama durumuna göre nasıl değiştiğini göstermektedir. Şekil 13.4 Stribeck Egrisi 1. Viskozite ): ( Hidrodinamik yağlama oluşması için artann viskozite ile devir sayısının azalması gerekir. Hidrodinamik yağlama oluşturmak içinn gereğinden fazla viskoz yağlayıcınınn kullanılması sürtünme kuvvetlerinin artmasına neden olur. Bu durumda yük artırılması yağ filminin kopmasına nedenn olunur. 6

7 2. Devir sayısı (n(dev/s)): Verilen sabit yük altında hidrodinamik yağlama oluşturabilmek için artan hızla birlikte düşük viskoziteli yağ kullanılmalıdır. Hidrodinamik yağlama oluştuktan sonra devrin (hızın) artırılması yağ filminin kopmasına neden olacağından yatak sürtünmeleri ve aşınma artar. 3. Yatak basıncı (p): Kaymalı yatağa gelen birim yük (basınç), kaymalı yatağa gelen radyal yükün yatağın iz düşüm alanına bölünmesiyle elde edilir. D yatak çapı, L yatak genişliği ve W yatağa gelen yük ise yatağa gelen basınç, p=w/(dl) olarak hesap edilir. Sabit bir viskozite değeri için yatağa gelen kuvveti azaltmak için dönme hızının azaltılması gerekir. Fakat viskozite yatakta hidrodinamik yağ filmini oluşturmalıdır. Kaymalı yatakta sürtünme katsayısı, sürtünme kuvvetinin radyal yüke (W) oranıdır. Hidrodinamik yağlama bölgesinde sürtünme katsayısının artması, / denklemi ile açıklanabilir. Denklemde görüldüğü gibi açısal hızın (devir sayısının) artması kayma gerilmesini artırmaktadır. Kayma gerilmesinin artması sürtünme kayıplarını da artırmaktadır. Şekil 13.4 özel bir yatağa ait olan Stribeck eğrisi görülmektedir. Örneğin; daha düzgün yüzeylerde (daha az pürüzlü yüzeylerde) daha ince hidrodinamik yağ filmi oluşur. Böylece n/p değeri (yatak parametresi) A noktasında azalır. Aynı zamanda yatakla mil (muylu) arasındaki tolerans hidrodinamik yağ filmi oluşması için çok önemlidir. Hidrodinamik yağlama olabilmesi için aşağıdaki üç koşul çok önemlidir. 1. Yüzeylerin ayrılabilmesi için izafi hareket gereklidir. 2. Şaftın (muylunun) yatağın iç duvarına doğru tırmanması. 3. Uygun bir yağın kullanılması. Değişik bir örnek verirsek, bir kişi çıplak ayakla gölde kaymaya çalışırsa, birim alana gelen basınç çok fazla olacağından suya batar. Bu durumda gerekli olan n/p değerlerinin sağlanması için ya göl yüksek viskoziteli sıvı ile doldurulmalı veya kayma hızı artırılmalıdır. Motor krank şaftı başlangıçta yavaş bir dönme hareketi yaparak yatağın içinde sınır yağlaması oluşturur. Hareketin yeni başladığı bu durumda yatağa gelen kuvvetler azdır. Fakat motor çalışır çalışmaz yatağa gelen kuvvetler hızla maksimum değerlerine ulaşır. Buna rağmen krank mili ile yatak arasındaki izafi hızın da artması sonucunda hidrodinamik yağ filmi oluşur ve tüm kuvvetler oluşan yağ filmi tarafından karşılanır VİSKOZİTE Sıvıların en önemli özelliklerinden birisi molekülleri arasındaki sürtünmeden (kayma sürtünmesi) dolayı farklı akış karakteristikleri göstermeleridir. Sıvıların akmasını zorlaştıran kayma sürtünmesine viskozite adı verilir ve bu akışkanlara da viskoz akışkanlar denir. Sıvılardaki viskozite, dinamik viskozite olarak da adlandırılır ve Şekil 13.5 de görüldüğü gibi katılardaki kayma gerilmesiyle aynı karakteristiğe sahiptir. 7

8 Şekil 13.5 Viskozite ve Kayma Gerilmesi Benzerliği i Şekil 13.5 de görüldüğü gibi sabitlenmiş bir şaft ile hareketli birr silindir arasına lastik bir elaman yapıştırılmış gibi düşünülsün. Hareketli silindire herhangi bir kuvvet uygulandığında şekil 13.5b de görüldüğü gibi lastik elemanda sabit bir yer değiştirme söz konusudur. Eğer lastik eleman Newton akışkanı ile yer değiştirilir ise, şekil 13.5cc de görüldüğü gibi yerr değiştirme () de sabit bir hızla (U) yer değiştirmiş olur. Bu durum Newtonn kanununun viskoz akışlara uygulamasıdır ve kanun ince film kalınlığı içindeki hız değişiminin düzgün olduğunu kabul eder. Yağ tabakaları arasında oluşan düzgün kayma Newton kanununaa göre, akışkan moleküllerinin yüzeylere çok iyi yapıştığı ve yağ filmi içinde i basınç olmadığı kabulü ile aşağıdaki gibi yazılır. / / / / 13.1 İngiliz sisteminde viskoziteninn birimi lb-s/in 2 veya reyn ve SI sistemde ise N-s/m 2. İki sistem arasındaki dönüştürme katsayısı aynıdır The reyn and Pascal-saniye çok büyük değerler olup, mikroreynn (reynvee milipascal-saniye (mpa.s genelde kullanılır. Standart metrik sistemde viskozite birimi olarakk sıkça Poise birimine rastlanmaktadır. Burada; 1 cp(centipoise) = 1 mpa.s Akışkan viskozitelerini ölçmek için değişik yollar mevcut olup, tüm ölçümler izafidir. Bazen akışkan viskozitesi, belli bir miktar akışkanın, belli çaptaki bir borudan, b yerçekimininn etkisi 8

9 altında akma zamanının ölçülmesiyle elde edilir. Yağların viskozitelerinin belirlenmesinde Saybolt Universal Viscometer kullanılır ve ölçülen değer saybolt saniye olarak verilir. Bazen sonuçlar aşağıdaki şekilde de olduğu gibi verilebilirler, SUS (Saybolt Universal Second), SSU (Saybolt Seconds Universal) veya SUV (Saybolt Universal Viskosity). Bu ölçümler gerçek viskozite değerleri değildir. Çünkü ölçüm sırasında akışkanın kütle yoğunluğu, yerçekimi etkisiyle oluşan akışa etki etmektedir. Böylece, viskozite metreden aynı viskoziteye sahip fakat yüksek kütle yoğunluğuna olan akışkan, az kütle yoğunluğu olan akışkandan daha hızlı akar. Saybolt tipi viskozite metreden ölçülen viskozite kinematik viskozitedir ve viskozitenin akışkan yoğunluğuna bölünmesiyle bulunur. ü ğğ 13.3 Burada birim cm 2 /s olup stoke olarak adlandırılır ve kısaca st ile gösterilir. Net viskozite, Saybolt viskozite metresinden saniye birimiyle ölçülen değerin aşağıdaki denkleme konulmasıyla elde edilir. Denklemde; S zamanı (saniye) ve Burada; kütlenin yoğunluğu olup, birimi gram/santimetre küp (g/cm 3 ) tür. Petrolden elde edilen yağlar için 60 o F (15.6 o C) deki kütle yoğunluğu 0.89 g/cm 3 dür. Diğer derecelerdeki yoğunluk ise aşağıdaki denklemden elde edilir. o Ca o Fb Amerikan Otomobil Mühendisleri Derneği tarafından yağlar viskozitelerine göre sınıflandırılmıştır. Bazı SAE yağlar için viskozitenin sıcaklıkla değişimi Şekil 13.6 da verilmiştir. Herhangi bir yağ verilen viskozite eğrisinden fazlasıyla sapabilir, fakat SAE sürekli olan birçok viskozite aralığı tanımlanmıştır. Örneğin; Bir SAE 30 yağının, SAE 20 yağından biraz daha viskozdur veya SAE 30 yağı SAE 40 yağından biraz daha az viskozdur. Bununla birlikte, her bir viskozite aralığı (bantı) sadece bir sıcaklık için belirlenmiştir. SAE 20, 30, 40 ve 50 yağları 100 o C (212 o F) de değişik SAE 5W, 10W ve 20W yağları ise -18 o C (0 o F) de viskozite bantları belirlenmiştir. Birden fazla numaralı yağlarda ise yağ verilen değerlerdeki viskozite değerlerini taşır. Örneğin, SAE 10W-40 yağı 10W viskozite değerlerine -18 o C (0 o F) de ve 40 viskozite değerlerini 100 o C (212 o F) de sağlamak zorundadır. 9

10 Şekil SAE Yağları İçin Viskozite Sıcaklık Eğrileri Endüstride kullanılan akışkanların viskoziteleri genelde uluslararası standartlar da ASTM D 2422, American National Standart Z11.232, International Standart Organization ISO standart s 3448ve bazıları. Farklı viskozite değerlerii için ISO VG olarak ifade edilip, takip eden numara 40 o C deki kinematik viskozite değerini gösterir. Gres, Newton bir akışkan olmadığından, kayma gerilmesi akmaa gerilmesini geçinceyee kadar akış özelliği yoktur. Dolayısıyla viskoziteleri belli bir sıcaklık ve v akma oranı (debi) için belirlenir. (bak ASTM D1092) ). Problem:1 Bir motorda kullanılan yağın viskozitesi Saybolt viskozite (Şekil 13.7) metresi kullanılarak 100 o C de ve 58 saniyede testt edilmiştir. Viskozitesii milipascal-saniye olarak (veya centipoises), ve microreyns olarak nedir? Yağın SAE numarası nedir? Verilenler: 100 o C, akış zamanı: 58 s 10

11 İstenen: Viskozite? Çözüm: Denklem 13.6a; o C g/cm 3 Denklem 13.4;., Denklem 13.5; Şekil 13.6 dan bakıldığında problemdeki yağın SAE 40 yağına yakın y olduğu anlaşılır SICAKLİĞİN VE BASINCIN VİSKOZİTEYE ETKİSİ Çok numaralı yağların (SAE 10W-40) tekk numaralı yağlara (SAE 40 veya SAE 10W) oranla viskozitelerinin sıcaklıkla değişimleri daha azdır. Viskozitenin sıcaklıkla s değişiminin ölçülmesine viskozite indexi ( sıralaması) adı verilir. Viskozite sıralaması s (indexi) ilk kez 1929 yılında Pensilvanya ham petrolünden elde edilen yağlar vee Gulf Coast ham petrolünden elde edilen yağlar için Dean ve Davis tarafından yapılmıştır. Pensilvanya petrolünden elde edilen yağlara VI 100 değeri ve Gulf Coast petrolünden elde edilen yağlaraa ise 0 değeri verilmiştir. Diğerleri ise indekste 0 ila 1000 arasına serpiştirilmiştir. Çağdaş viskozite indeksi ANSI/ASTM şartname D2270 de verilmiştir. Petrolden elde edilmeyen (sentetik) yağların viskoziteleri sıcaklıkla çok az değiştiğinden bunlar petrolden elde edilen yağların viskozite indeksinin dışınaa çıkarlar. Yani viskozite indeks numaraları 100 den fazladır. Tüm yağlayıcıların viskozitelerinin sabit sıcaklıktaa basınçlaa değiştiği bilinmektedir. Bu etki kaymalı yataklarda basıncın yatak k basıncının üzerine çıktığı durumlarda fazlasıyla etkili olur. 11

12 13.7 YATAK SÜRTÜNMESİ İÇİN PETROFF DENKLEMİ Hidrodinamik yatakta (Şekil 13.8) sürtünme analizi ilk kez yılında Petroff tarafından yapılmıştır. Petrofff denklemleri basit ideal bir durum için aşağıdaki kabuller yapılarak elde edilmiştir. 1. Yatakla mil (muylu) merkezleri arasında eksantriklik yoktur. 2. Muylu yatağın içine doğru tırmanma hareketi yapmıyor. 3. Yağ filmi yük taşımıyor. 4. Eksenel doğrultuda yağğ akımı yok. Şekil 13.8 Petroff un Analizlerin nde Kullandığı Yük Taşımayan T Kaymalı Yatak Şekil 13.5 i referans alarak sürtünme momentini, yağğ filmini birr akışkan bloğu gibi kabul edip, şekil 13.8 i kullanarak aşağıdaki denklemi eldee ederiz. / / / Burada; ; ; 2 2; 2, ç ç 2 4 Eğer W yükü safta uygulanırsa, sürtünme momenti aşağıdaki gibi ifade edilir, 2 Burada p birim iz düşüm alanının gelen radyal basınç (yataktakii yağ basıncı). Şüphesiz, yükün uygulanması sonucunda a şaft yatağın merkezinee göre eksantrik bir konum alır. Bu durumun etkisin denklem b de ihmal edip ve denklem b denklem c ye eşitlenip gerekli işlemler yapılışa aşağıdaki denklem elde edilir. 12

13 Elde edilen denklem (denklem 13.7) Petroff denklemi olarak adlandırılır. Petroff denkleminin açısal hız cinsindenn ifadesi aşağıdaki gibidir Denklem 13.7a kullanılarak hafif yük altındaki kaymalı yataklarda oluşan sürtünme katsayısının basit bir hesaplamayla elde edilmesini sağlar. Petroff denklemi kaymalı yataklardaki ikii önemli parametreyi belirler. Birincisi n/p ve ikicisi de R/c oranı, bazen boşluk oranı olarak da adlandırılır ve genelde 500 ila 1000 arasında bir değere sahiptir. Problem 2: Şekil 13.9 da görülen kaymalı yatak içinde 100 mmm çapında muylu, 80 mmm boyunda yatağın içine 0.10 mmm lik tolerans ile yerleştirilmiştir. Yağlama Y yağının viskozitesi 50 mpa.s dır. Şaft 600 rpm hızla dönerkenn 5000 N luk yük taşımaktadır. Yatakta oluşan sürtünme katsayısını ve güç kaybını bulunuz. Verilenler: D = 100 mm, c = mm, L = 80 mm, n = 600 rpm, 50., F = 5000 N İstenenler: ve Güç Kaybı =? Şekil 13.9 Kaymalı Yatak Çözüm: Denklem 13.7 kullanılarak k; /

14 Sürtünme momenti; üç NOTE: Burada kayıp enerji, isi enerjisi olarak sistemden atılır. Bu B durumdaa yağın ısısı artar, gerçek bir hesaplamadaa viskozitenin sıcaklıkla değişimi kontrol edilmelidir HİDRODİNAMİK YAĞLAMAA TEORİSİ Şekil Beauchamp Tower Deney Düzeneği ve Ölçülen Ö Basınç Dağılımı Hidrodinamik yağlama teorisi Osborne Reynoldsa kadar uzanmakta olup, Beauchamp Tower tarafından 1880 li yıllarda Şekil görülen bir deney düzeneği kullanılarak laboratuvarda demiryollarında kullanılan makinelerin yatakları için deneysel çalışmalar ç yapılmıştır. Deney düzeneğinde yağlama yağını yatağın içinee göndermek için bir delik açılmıştır. Tower deneyleri sırasında, bu delikten yağ göndermediği zaman, yağınn buradan dışarı aktığını gözlemlemiştir. Tower deliği kapamasına a rağmen, hidrodinamikk yağ basıncının tapayıı fırlattığını gözlemlemiş ve bunun üzerinee başka deliklerde delerek buralardan hidrodinamik yağ basıncını ölçmeye başlamıştır. Ölçümler sonucunda, toplamm bölgesel hidrodinamik basıncın, diferansiyel yatak iz düşüm alanıyla çarpımının yatak tarafından karşılanan yüke eşit olduğunu bulmuş. Reynolds teorik analizi sonucunda hidrodinamik yağlamanın temel denklemini elde etmiştir. Reynoldsun bunu takip eden denklemleri,, bir boyutluu iki düzgünn plaka arasındaki akışş içindir. Bu denklemler kaymalı yataklara da uygulanabilir çünkü yağ filminin kalınlığı yatağın çapına oranla çok küçük olduğundan yatak düz kaymalı yatak gibi düşünülebilir. Bir boyutlu akış kabul edilip, yatağın kenarlarından olan akış göz önüne alınmadan ve yaklaşık olarak L/D 14

15 oranı 1. 5 alınarak kabuller yapılmıştır. Şekil de görülen elemana x-doğrultusundaki etkiyen kuvvetlerin denge durumu aşağıdaki kabuller yapılarak yazılır. 1. Yağlayıcı viskoz Newtonian akış özelliği gösterir. 2. Yağlayıcının atalet kuvvetleri ihmal edilir. 3. Yağlayıcı sıkıştırılamaz. 4. Yağın viskozitesi yağ filmi f boyunca sabittir. 5. Basınç eksenel doğrultuda değişmez. 6. Yatak boyu (z yönünde) sonsuzdur. Bunun anlamı yatakk boyunca akış yoktur. 7. y-yönünde basınç sabittir. Böylecee basınç sadece x-yönünde değişir. 8. Yağ filmi içindeki herhangi bir yağ zerresininn hızı x ve y yönünde değişir. Şekil Basınç ve Sürtünme Kuvvetleri x-doğrultusundaki Bir Yağlama Elemanı Üzerinde Görülmektedir 0 Gerekli işlemler yapılınca, Denklem 13.1 de F/A değeri kayma gerilmesi değeridir. Şekil deki blok şeklindeki diferansiyel elemanın yüksekliği dy, hızı u, üsten altaa doğru hız değişimi duu dur. Bunları denklem 13.1 de verilen / da yerine koyalım. Burada sadece u hızı x ve y doğrultusunda değiştiğinden kısmi türev kullanılır. 15

16 Aynı şekilde, x ve y doğrultularında değişmektedir. / kısmi türev şekil ve denklem a da kullanılmıştır. Basıncın y vee z doğrultularında değişmediği kabul edildiğinden sadece dp/dx türevi kalır. Denklem c nin y ye göre türevi alınıp denklem b de yerine yazılırsa; y ye göre iki kez integral alınırsa (x sabit) ), 1 ve ç : 1 İç ğ : 1 2 Sınır şartları olarak, akışkan ile sınır yüzeyler arasında kayma kabul k edilmez. Buradan ve katsayıları hesaplanır. 0 0 Gerekli işlemler yapılınca; 2 0 Bu değerler denklem d de yerine yazılırsa; Şekil Yağlayıcının Hız Değişimi Denklem 8 yağlayıcı filmin herhangi bir yz düzlemindeki hız dağılımını, mesafenin (y), basınç değişiminin (dp/dx), yağ filmi kalınlığı (h) ve yüzey hızının (U) fonksiyonuu olarak ifade edilmektedir. Dikkat edilirse hız değişimii iki terime bağlıdır. 1) düzgün dağılım, ikinci terimle ifade edilir ve şekill de kesik kesik çizgi ile gösterilmiştir. 2) parabolik dağılım ise 16

17 birinci terim ile verilmiştir. Parabolik terim, düzgün değişim olan kısmın toplanması ya da çıkarılması sonucu ya pozitif ya da negatif olabilir. Basıncın maksimum olduğu yerde dp/dx=0, olur ve hız dağılımı denklem 8 den aşağıdaki gibi ifade edilir. Yağlayıcının birim zamanda belli bir debiyle, şekil de görülen z doğrultusundaki kesitten aktığını kabul edelim Sıkıştırılamayan akış için, debi (akış oranı) kesit boyunca aynı olmalıdır. Denklem e de gerekli işlemler yapılırsa; 0 veya Denklem 9, bir boyutlu akış için Reynolds denklemidir. Yapılan kabulleri özetlersek: Newtonian akışkan, sıkıştırılamaz, sabit viskozite ve yerçekimi veya atalet yükü, laminer akış, sınır tabakada kayma yok, yağ filminin çok ince olması nedeni ile film kalınlığı boyunca basınç değişimi yok ve mil çapı sonsuz (z- yönünde akiş yok) düşünülmüştür. z-yönünde de akış olduğu düşünülürse, aynı yöntemle iki boyutlu akış için Reynolds denklemi elde edilir Denklem 11 için analitik çözüm yoktur. Sadece sayısal ve analog çözümler mevcuttur. Uygulamada modern yataklar eskilere nazaran daha kısa yapılmaktadır. Genelde L/D oranı 0.25 ila 0.75 arasında değişmektedir. Bu durumda toplam akışın çok büyük bir kısmı z yönünde yataktan dışarıya doğru akar. Böylece, kısa yataklarda x doğrultusunda basınç değişimi göz önünde bulundurulmaz. Buna göre;

18 Denklem 9, 10 ve 11 integral edilip kaymalı yatakların tasarımında ve analizinde kullanılır. Bu prosese genel olarak Ocvirk,s kısa yatak yaklaşımı denir HİDRODİNAMİK YATAKLARDA TASARIM EĞRİLERİ Şekil En İnce Film Kalınlığının Değişim Grafikleri Denklem 9 un çözümü ilk kez 1910 yıllarda yapılmışş olup, L/D oranının 1. 5 dan az ve yatağın sonsuz uzunlukta olduğu kabulü yapılarakk son derece iyi sonuçlar elde edilmiştir. Diğer çözüm olan Ocvirk kısa yatak çözümü (denklem 11), L/D oranının 0.25 ila 0.75 olduğuu durumda da gerçeğe çok yakın sonuçlar vermektedir. Günümüzde denklemm 11 kısa yatak tasarımında sıkça kullanılmaktadır. Raimondi ve Boyd denklemm 10 nu nümerik olarak çözüp pratik kullanım için eğriler elde etmişlerdir. Bu eğriler şekil ila arasındakii şekillerde gösterilmiş olup, yatak tasarımlarında kullanılmaktadırlar. Raimondi ve Boyd kismi yataklar (60 o, 120 o veya 180 o ) ve eksenel yataklar içinde eğrilerr elde etmişlerdir. Eğriler kullanılarak elde edilmiş birçok yatak değeri şekil de gösterilmiştir. Raimondi ve Boyd grafiklerinin tümü yatak karakteristik numarası veya Sommerfeld değişkeni, S, gibi boyutsuz yatak parametreleri ile ifade edilmekte olup, burada S, yatak karakteristik numarası olarak adlandırılır. S değeri hesaplanırken kullanılacak birimler; 18

19 ,,,, ;,,,,. Görüldüğü gibi S daha önce anlatılan nin ve nin karesinin fonksiyonudur. Eğriler logaritmik skalada çizilmiş olup lineer (düzgün) kısmı 0 ila 0.01 arasındadır. Şekil ve daki eğriler elde edilirken yağın atmosferik basınçla yatağa girdiği, yağın debisinin değişmediği ve yağ kanallarının göz önünde bulundurulmadığı durumda elde edilmiştir. Yağlama süresince yağın sıcaklığının yatak girişi ve çıkışı arasında değişmediği dolayısıyla viskozitenin değişmediği kabul edilmektedir. Şekil ile şekil za kadar olan tüm şekillerde gösterilen eğriler herhangi bir yatağın performans değerleri L/D oranının 0.25 den büyük herhangi değerleri için Raimondi ve Boys in verdiği aşağıdaki İnterpolasyön denklemi kullanılarak elde edilmiştir Burada, y istenen ve L/D oranının ¼ den büyük olduğu performans değeridir. Ayrıca, sırasıyla,, / ve / yatağın L/D oranına karşılık gelen değerler olup sırasıyla, 1, dür. 19

20 Şekil Sürtünme Katsayısının Değişkeni Grafiği Şekil Maksimum Filim Basıncının Belirlendiği Grafikler 20

21 Şekil Minimumm Filim Kalınlığının ho Olduğu Yeri Y Belirleyen Grafikler Şekil Maksimum Filim Basıncının Olduğu ve Filimin F Kaybolduğu Yeri Belirleyen Grafikler 21

22 Şekil Akışkan Değişkenlerinin Grafikleri G Şekil Kenar Akışının Toplam Akışa Oranın Gösteren Grafikler 22

23 Şekill Filimin Basınç Dağılımını Gösteren Polar Grafik Problem 3: Şelik de görülen kaymalı yatağın boyu 1 inch, toleransı inch, muylu çapı 2 inch olup radyal yönde 1000 lb yükü 3000 rpm de taşımaktadır. SAEE 20 yağı kullanılmakta olup atmosferik basınçla yağlama yapmaktadır. Yağ Y filimininn ortalama sıcaklığı 130 o F dır. Raimondi-Body grafiklerini kullanarak, minimum filim kalınlığını, yatak sürtünmesini, filimin maksimum basıncını, açıları,ve ve toplam yağ debisini bulunuz. Kenardan akan yağğ kadar yatağa sürekli yağ katılmaktadır. Verilenler: D = 2 inch, L = 1 inch, c = inch, n = 3000 rpm,, W = 1000 lb, T = 130 o F İstenenler: Raimondi-Body filimin maksimum basıncını, açıları,ve grafiklerini kullanarak, minimum filimm kalınlığını, yatak sürtünmesini, ve toplam yağ debisini, yağlamada kullanılan ve dışarıya akan yağ debii oranlarını bulunuz. Şekil Basit Kaymalı Yatak 23

24 Öncelikle verilenlerden yatak karakteristik numarasının hesaplanması gerekmektedir. Çünkü bütün grafikler bu değere bağlı olarak hazırlanmıştır. Burada; p = W/(LD) Şekil kullanılarak viskozite S = 0.13 ve L/D = 1/2 = 0.5 kullanılarak Şekil den, / ve buradan Şekil den, (R/c) = 4.25 ; buradan; =(4.25)(0.04)/25 = Şekil den, p/p max = 0.29, buradan; p max = /0.29 = Pa Şekil den, o Şekil den, ve Şekil den, Şekil den, 0.85, buna göre yağın %85 inin sürekli yağlama yağına ilave edilmesi gerekirken %15 si yatakta kalır. NOTE: Burada sadece dengede olan ve radyal yükün hiç değişmediği bir problem çözülmüştür. Gerçek sistemde örneğin krank milinde yükler çok hızlı bir şekilde çok büyük değerlere ulaşabilmekte ve yağ filimi sıkıştırılmakta ve sonra tekrar yük azalmaktadır. Bu durum çok az zaman aralıklarında olduğundan denge durumu söz konusu değildir. Bu olay bazen sıkıştırılan filim davranışı olarak adlandırılmakta olup, yağ filimi sıkıştırılan filim davranışı olarak incelenir YAĞLAYICI TEMİNİ Hidrodinamik yağlama prensibinde yataktan sızan yağ miktarı kadar yeni yağın sürekli olarak yatağa kazandırılması gerekmektedir. Mühendisler bu amaca yönelik değişik yatak tasarımları yapmıştır. Yağ Halkası: Şekil de görüldüğü gibi yağ halkası milin 1.5 ila 2 katı çapında imal edilmiş olup, milin üzerine serbest olarak takılır, fakat mil ile döner. Mil dönerken, halka yağı alarak milin üzerine taşır. Tecrübeler göstermiştir ki bu yöntem efektif yağlama için uygun bir yöntemdir. 24

25 Şekil Yağ Halkalı Yatakk Yağ Kaşığı: Burada mile takılan kaşık şeklindeki parça yağ tankından aldığı yağı üst yağ deposuna taşır. Yatakların üstüne gelecekk şekilde üst yağ deposuna açılmışş olan deliklerden yerçekiminin etkisiyle akan yağla yataklar yağlanır. Çarpma: Burada hareket eden (dönen) parçalar küçük bir yağ banyosunun içine hızla dalarak yağı yataklara ve etrafa fırlatır. Her tarafaa fırlayan bu yağla tümm yataklar vee piston silindirleri yağlanır. Bu yöntem motorların tasarlandığı ilk yıllarda kullanılmıştır. Yağ Banyosu: Buna örnek Şekil daa görülmektedir. Şekilde de görüldüğü gibi, dönen parçanınn (milin, yatağın) belli bir kısmı yağ banyosunun içine daldırılmıştırd r. Bu durumda, dönmeyle birlikte yağ tanecikleri yatağın içine taşınarak yağlama gerçekleştirilir. Fakat dönme hızının artmasıyla türbülansların oluşması ve buna bağlı olarak sürtünmelerin artması kaçınılmaz olur. Yağ deliği ve Kanalı: Şekil de yağ deliği ve kanalı görülmektedir. Yağ kanalı yağın exsenel olarak dağılımını sağlamaktadır. Yağ içeriyee grince ya yerçekimi y kuvveti ya da basınçlaa yatağın içine dağılır. Genelde yataklarda kanal istenmemektedir çünkü kanalın olduğu bölgede hidrodinamik basınç sıfıra düşer. Bu durum şekil de gösterilmiştir. Burada yatak silindir şeklinde bir kanal ile ikiye ayrılmış olup her h bir taraf ayrı ayrı L/ /D oranına sahip olup, her bir tarafın genişliği kanal olmayan yatağın genişliğinin yarısından biraz azdır. Hidrodinamik yağlamayı etkilemeyecek şekilde, silindir şeklinde uygun birr kanalın oluşturulması bazı uygulamalarda son derece zor olabilmektedir. 25

26 Şekil Exsenel Kanallı Yatak Şekil Silindir Kanallı Yatakta Basınç Dağılımı Yağ Pompası: Şekil de görüldüğü gibi, kaymalı yatak yağlamalarında en çok pompalı yağlamaa sistemleri kullanılır. Motorlarda,, krank şaftının içine açılmış olan ana yağ dağıtma kanalının, her bir kaymalı yatağın miline acılan delik ile birleştirilmesiyle, pompanın bastığı yağ kaymalı yataklara ulaştırılmaktadır. Kaymalı yatağa ulaşan yağ öncelikle yatak üzerindeki kanalı doldurur ve yatak içine dağılır. Şekil Krank Milindeki Yağ Delikleri 26

27 13.11 ISI YAYILIMI VE YAĞ FİLİMİ SICAKLIĞININ DENGESİ Denge durumunda, kaymalı yatakta üretilen ısının tamamı dışarıya taşınır. Bu durumda yağın sıcaklığı istenilen düzeyde tutulur. Genelde yağlama yağının sıcaklığı yaklaşık 70 o C (160 o F) civarlarında tutulmaya çalışılır. Yağ sıcaklığının yaklaşık 90 o C ila 120 o C (200 o F ila 250 o F) arasında olması durumunda petrol menşeli yağların yağlama özelliklerinde önemli oranda azalmalar görülür. Yağların yağlama özelliklerinin azalması nedeniyle kaymalı yataklarda hasar oluşmaya başlar. (Hatırlatma; maksimum yağ filimi sıcaklığı yağın averaj sıcaklığının çok üzerinde olabilir). Kaymalı yatakta kaybolan enerji (ğüç) sürtünme momenti ve şaftın dönme hızından hesaplanır. Bu kayıp gücün bir kısmı isi iletim yoluyla yataktan diğer makine parçalarına aktarılırken, önemli bir kısmı da ısı olarak belli bir debiyle akan ve belli bir özgül ısı değerine sahip (ısı kapasitesi çarpı yoğunluk) olan yağ tarafından yataktan uzaklaştırılır. Petrol menşeli yağlarda 1.36 veya 110. Yağ sıcaklığının ısıl dengesi yataktan çevreye aktarılan ısıya direk olarak bağlıdır. Yataklar tasarlandıktan sonra, çalışma esnasında yatakta oluşan sıcaklık dağılımı ölçümleri yapılarak, yatağın fazla ısınıp ısınmadığı kontrol edilmelidir. Denklem 13 kullanılarak yataktan atılan ısı yaklaşık olarak hesaplanabilir H : Transfer edilen ısı (watt) C: Birleştirilmiş (ışınım ve taşınım) ısı transfer katsayısı (watt/(saat m 2o C)) A: Yatağın yüzey alanı (m 2 ) t o : Yatağın (yağ filminin) ortalama sıcaklığı ( o C) t a : Yatak etrafındaki hava sıcaklığı ( o C) Tablo 13.1 de C katsayısı bazı koşullar için verilmiştir. Alan, şekil de görülen bir yatak için genelde 20DL olarak alınabilir. 27

28 Tablo 13.1 Şekil ye Benzer Yataklar İçin Yaklaşık Isı Transfer Katsayıları YATAK MALZEMELERİ Yeteri kadar basmaa mukavemetine sahip ve düzgün yüzeyli metaller kalın filim yağlamasında yatak malzemesi olarak kullanılabilirler. Örneğin çelik, yatak malzemesi m olarak kullanılabilir fakat hareketin başlangıcı ve bitişi sırasında kaymalıı yatakta ince filim ve karışık filim yağlaması oluşur, bu durumda yatak ile mil yüzeylerinde temastan dolayı bir birine kaynamalar meydana gelir. Böylece oluşan herhangi bir metal parçası, p eğerr yağ filmi kalınlığından daha kalınsa mill ya da yatakk veya her ikisinin de yüzeylerini y bozarak kullanılmaz hale getirebilir. Eğer yatak malzemesi yumuşak bir malzemeden imal edilirse bahsi gecen sert parçacıklar yatak malzemesinin içine gömülerek mile zarar vermeleri engellenir. Tipik kaymalı yatak tasarımı şekil 13.26a da verilmiş olup, aşağıda yatak malzemelerinde aranan önemli özellikler sıralanmıştır. Şekil 13.26a Kaymalı Yatak Tasarımı 28

29 1. Mekanik özellikler. Düşük elastik modülü ve düşük plastik şekil değiştirme özelliği şaftın eğilmesinden ve yatak ekseni ile mil ekseninin tam çakışmamasından dolayı oluşan bölgesel basınçların giderilmesinde, yatak malzemesinin yumuşak olması, ise yabancı maddelerin yatak malzemesinin içine gömülmesine müsaade ederek mil yüzeyinin bozulmamasını, düşük kayma gerilmesi, ise yüzey pürüzlüklerinin kısa sürede düzelmesini ve aynı zamanda yüksek yorulma direncine ve basma gerilmesine sahip olması ise, yatağa gelen yükleri güvenilir olarak taşımasını sağlar. 2. Isı özellikleri. Isı iletim katsayısı, ısının yataktan atılmasında, mil dönmeye başladığı anlarda, yatakla temas halinde olduğundan ısı temas yüzeylerinden geçerek yataktan uzaklaştırılır. Mil dönmeye başladığında ise ısı oluşan yağ filmi ve yatak elemanı üzerinden uzaklaştırılır. Herhangi bir şekilde mil ile yatakta oluşan ısıl genleşmeler sonucunda, milin yatağa sıkışmasına engel olmak için mil ve yatak malzemesinin ısıl genişleme katsayıları bir birine yakın olmalı ve bu özellikler istenilen yağ filimi özellikleri göz önünde bulundurularak yatakla mil arasındaki boşluk belirlenmelidir. 3. Metalürjik özellikleri. Yatak malzemesi mil malzemesi ile kaynamaya ve yüzey tutmasına karşı dayanıklı olmalıdır. Yani mil ve yatak malzemeleri bir birine kolayca kaynamamalıdır. 4. Kimyasal özellikleri. Yağlama sırasında oluşan oksitler veya dışarıdan gelen yabancı etkenler sonucunda mil ve yatak malzemeleri korozyona karşı dayanıklı olmalı. En çok kullanılan yatak malzemesi babbitts (kalay esaslı) malzemelerdir. Bunlar bir kaç guruba ayrılıp; teneke temelli olanlar (%89 Sn, %8 Pb, %3 Cu ve diğerleri), kurşun temelli olanlar ( %75 Pb, %15 Sb, %10 Sn) ve bakır temelli olanlar (büyük bir kısmi bakırdır. Ayrıca, bakır kurşun, teneke bronz, alüminyum ve bronz da kullanılır. Bunlarla birlikte, gümüşte yaygın olarak kullanılan yatak malzemeleridir. Yukarıdaki malzemeler yumuşaklıkları nedeniyle yabancı parçacıkları içine almakta iyi olmalarına karşılık, yorulmaya ve basmaya karşı çok dayanımlı olmadıklarından yaklaşık 120 o C (250 o F) üzerindeki sıcaklıklarda kullanılmaları tavsiye edilmez. Yatak maddesi çelik taşıyıcı zarfın üzerine, genel kullanım için 0.5 mm (0.02 inch) kalınlığında ve motorlarda ise 0.13 mm (0.005 inch) kalınlığında dökülür. Bu kalınlıklar yorulma ya karşı en uygun kalınlıklar olarak ortaya çıkmıştır. Yatağın çelik zarfının hareketleri (deformasyonu) yatak malzemesinin kalınlığından bağımsızdır. Bazen yumuşak yatak malzemesi (babbitt) çok ince (yaklaşık mm veya inch) kalınlığında başka bir metal ile desteklenerek yatağın yorulma direnci daha da artırılabilmektedir. 29

30 Plastik ve diğer elastik maddeler şekil 13.26b de görüldüğü gibii kaymalı yatak olarak kullanılabilirler. Örneğin gemii şaftlarınınn (pervane Şaftının) yaltaklanmasında kullanılmaktadır. Burada, plastik yataklarr genelde bir koruyucu gövdenin içine monte edilmiş ve oluklu olarak imal edilmişlerdir. Su buu yataklardan akarak hem yatağın yağlanmasını hem de yatağın kumlardan temizlenmesini sağlar. Kaymalı yatak olarak kullanılan bazı plastikler: 1. PTFE (Teflon) 2. PA (Poliamid) : PA6, PA66, PA4..6, PA 12 gibi malzemelerdir. 3. POM : Delrin 4. PI ve PMMA(Polimetil Metagrilat) (yüksek sıcaklıklard a) Şekil 13.26b Plastikk Yatakların Tasarım Örnekleri i Yatak malzemesinde aranan özellikler: 1. Yağlama yağı tarafından iyi ıslatılmalıdır. 2. Yüksek basma ve aşınma mukavemetine sahıp olmalıdır. 30

31 3. Yatak zarfı üzerine iyi yapışmalıdır (adeziv bağları yüksek olmalı). 4. Çalışma sıcaklığında sertlik özelliğini kaybetmemelidir. 5. Yağsız kalma durumunda mile hemen kaynamamalı. 6. İmalatı kolay olmalı ve düzgün yüzey elde edilebilmeli. 7. Isıyı iyi iletmeli. 8. Korozyona dayanıklı olmalı. 9. Özgül ağırlığı düşük olmalı. 10. Çok pahalı olmamalı HİDRODİNAMİK YATAK TASARIMI Daha önce basit bir hidrodinamik yatağınn hesaplamaları problemm 3 de yapıldı. Normalde kaymalıı yatak tasarımı şu ana kadar verilen bilgileri ve bundan sonra verilecek bilgileri de içeren daha kapsamlı hesaplamalar gerektirir. Buradaa deneysel olarak o elde edilmiş (ampirik) formüller ve grafikler kullanılarak yatak tasarımı anlatılmaktadır. Çok dahaa detaylı yatak tasarım bilgileri literatür araştırmasıyla elde edilebilir. Birim Yükleme: Tablo 13.2 de uygulandıkları yerlere göre genelde yataklar için seçilen yaklaşıkk birim yükler verilmektedir. Motor krank mili yataklarına kısa sürede olsa uygulanan maksimum yük genel olarak normalde uygulananın yaklaşık 10 katı kadardır. Bu anda yatak basıncı da aynı oranda artar. Tablo 13.2 Uygulandığı Yeree Göre Yatak Birim Yükleri Yatak L/D Oranı: Modern makinalarda L/D oranı ila 0.75 arasında değişmekte olup, daha eski makinalarda bu oran 1.0 civarındadır. L/D oranının büyük olmasıı yatağın boyunu uzatacağından, yatak kenarlarından sızan yağ azalır. Buna bağlı olarak da yağ kullanımı düşer, fakat yağın yatak içinde kaldığı sürenin uzaması yağın daha fazla ısınmasına neden olur. Kısa yataklar ise, şaftın eğilmesinden ve uygun yerleştirilmemesindenn (eksenlerin çok 31

32 az sapması) fazla etkilenmezler. Yatak ve yatağın içindeki milin boyutlandırılmasında genelde şaft çapı milin eğilmeye karşı olan direnci göz önüne alınarak belirlenirken, yatak boyu yatağın kapasitesi (taşıyacağı yük) göz önüne alınarak belirlenir. Kabul Edilebilir h o Kalınlığı: En az (minimum) kabul edilebilir filim kalınlığı, yüzey pürüzlüğüne bağlıdır. Minimum filim kalınlığı hesabı için birçok ampirik (deneysel) formül mevcut olup, aşağıda Trumpler in önerdiği formül verilmiştir. veya Bu denklemler yüke etki eden uygun bir güvenlik katsayısı ile kullanılmalıdır. Trumpler düzgün yükler için güvenlik katsayısını SF = 2 önermektedir. Bunlarla birlikte, denklem 15 sadece maksimum yüzey pürüzlülüğünün mm (0,0002 inch) geçmediği ve iyi geometrik düzgünlüğe sahip yataklarda kullanılır. Motor yatakları genelde hızlı değişen ve çok kısa süreli maksimum değerlere ulaşan yüklere maruz kalırlar. Kaymalı yataktaki denge durumunun maksimum yükte olduğu kabul edilerek hesaplar yapılır. Hesaplanan filim kalınlığı gerçek filim kalınlığının üçte biri kadar bir değerdedir. Denklem 15 kullanılırken bu mutlaka göz önüne alınması gereken bir durumdur. Gerçekte bu durum için sıkıştırılabilen filim davranışı göz önüne alınmalıdır. Sıkıştırılabilen filim davranışı burada incelenmeyecektir. Tolerans Oranı (c/r veya 2c/D): Mil çapı 25 mm den 150 mm ye kadar olan miller için, iyi tasarlanmış yataklarda bu oran olarak alınır. Genel tasarımlar için ve daha kötü tasarımlar içi se olarak alınabilir. Genelde bu oran tasarımcı tarafından belirlenir. Aşağıda hidrodinamik yatak tasarımı yapılırken göz önüne alınacak önemli maddeler sıralanmıştır. 1. Minimum yağ filmi kalınlığı kalın-filim yağlamasını oluşturacak kalınlıkta olmalıdır. Denklem 15 i kullanırken yük değişimini ve yüzey pürüzlüğünü hesaba katmak gerekir. 2. Uygun bir filim kalınlığında en düşük sürtünme olması sağlanmalıdır. Tasarımda, şekil deki uygun alanda kalınmalıdır. 3. Mutlaka yeteri kadar debide, temizlikte ve uygun sıcaklıkta olan yağın yatağın girişinde her zaman hazır olması gerekir. Bu durum pompalı sistem ve yağ soğutucu gerektirebilir. 4. Yağın maksimum sıcaklığı kabul edilebilir değerlerden (genelde 100 o C veya 200 o F) az olmalıdır. 5. Yağ yatak boyunca uygun bir şekilde dağılmalıdır. Bu durum yatağa kanal açılmasını gerektiriyor olabilir. Eğer yatağa kanal açılacaksa, kanalın maksimum basıncın oluşacağı bölgeden uzak tutulması gerekir. 32

33 6. Yatak için çalışma sıcaklığında gerekli direnci sağlayacak, yeteri kadar elastikliğe ve korozyona karşı dayanıma sahip malzeme seçilmelidir. 7. Tasarım, milin eğilmesinden ve düzgün olmayan yatak - mil yerleşmesinden gelecek uygun olmayan yükleri karşılayabilmelidir. Yatağın bu özellikleri ö olmaz ise, yatak zarar görebilir. 8. Mil yatak içinde dönmeye başlarken ve dururken yatağa gelen yükler hesaplanmalı ve kontrol edilmelidir. Yatak basıncı her iki durumda da 2 Mpa veya 300 psi değerinin altında kalmalıdır. Eğer düşük hızda uzun süre kalınıyorr ise, ince-filim yağlaması göz önünde bulundurulmalıdır. 9. Kabul edilebilir tolerans ve yağ viskozitesi için tasarımınn uygun olduğundan emin olunmalıdır. Çalışma toleransı ısıll genleşme ve buna bağlı aşınma göz önüne alınarak kontrol edilmelidir. Yağ sıcaklığı ve buna bağlı olarak viskozite değişimi ısıl faktörlerden etkilenerek yağın zamanla değişmesine neden olabilir. Kullanıcı bazen hesapladığından bir derece daha kalın yağ kullanabilir. Problem 4: Şekilde görülen buhar türbinii kaymalı yatağı 1800 rpm r hızla dönerken 17 kn yük taşımaktadır. Şaftınn çapı 150 mm olarak verilmiştir. Yağlayıcı olarak o SAE 10 yağı seçilmiş olup, yağ filiminin sıcaklığı 82 o C de ve yağ pompa ile basılmaktadır. Uygun yatak boyunu ve toleransını hesaplayın. Ayrıca sürtünme katsayısını, sürtünmeden doğan güç kaybını, yağın giriş ve çıkış debisini ve yatak boyunca yağ sıcaklığını bulunuz.. Verilenler: n = 1800 rpm, W = 17 kn, D = 150 mm, Yağ SAE 101 ve sıcaklık 82 o C İstenenler: L =? sürtün nmeden doğan güç kaybını, yağın giriş ve çıkış debisini, ve yatak boyunca yağ sıcaklığını bulunuz. Şekil Problem 4 İçin Verilen Kaymalı Yatakk Çözüm: 1. Türbin yatakları için tablo 13.2 dee yatak basıncı 1Mpa dan d 2 Mpa a kadar olan bir aralıkta verilmiştir. p = 1.6 Mpa seçildi. 33

34 Bu değer L = 75 mm olarak alınsın. L/D = 75/150= 1/2 Bu oran Raimondi-Boydd grafiklerini kullanmakk için uygundur. Bu orana göre yatak basıncı yeniden hesaplanırsa; Şekil den L/D = 1/2 için uygun yatak tasarım aralığı S = den S = 0.35 kadardır. Hesaplar için S = alınsın. Şekil 13.6 dan SAE 10 yağı için 82 o C deki viskozite 6.3 mpa.s dır Eğer S = 0.35 alınır ise, c/r = c = mm ve c/r = Görüldüğü üzere S = 0.35 için hesaplanan tolerans oranı den az olup, iyi bir yatak tasarımı için istenilen koşuluu sağlamaktadır. 3. Radyal yöndeki toleransa karar vermeden önce,,,,, değerleri c ye bağlı olarak uygun alanın her iki tarafına doğru hesaplayalım. Tablo hesaplamalardan ve önceki grafiklerden elde edilirken, Şekil ise tablo 13.3 denn elde edilmiştir. Tablo 13.3 Problem 4 ün c ye Göre Değerleri 34

35 Şekil 13.27,,, nin c ile Değişimi D,,, Sabit) 4. Şekil gösteriyor ki boşluk c nin 0.04 mm ila 0.15 mm m arasındaki değerler için bir operasyon bölgesi elde edilir. Fakat bu denklem 15 ile kontrol edilmelidir Bu değeri hesaplanan en küçük filim kalınlığı ile karşılaştıralım. Burada emniyet katsayısı 2 olarak ve en kötü koşul için c = mm alınır Şekil den; Bu değer film kalınlığıı olan 0.011mm değerinden daha küçüktür. k Bununla birlikte başlangıçta yatak için kabul edilenn sıcaklık çok gerçekçii değildir. Genelde yüksek debide akan yağın etkisiyle, yatakk sıcaklığı verilenden daha düşük olur buda daha küçük yatak toleransı verir. Daha sonra, yatağın aşınması ile daha kalın yağ kullanılır. Örneğin. SAE 20 yaği 82 o C de, c = 0.15 mm ve 17 kn yük y taşımasıı durumunda en ince filim kalınlığı hesaplanır. Buda den büyüktür. 5. Bu noktadaa yatak için tolerans t kararı verilebilir. Eğer yatak boşluğuu 0.05 mm ila i 0.07 mm aralığında seçilir ise, yatak çalışma koşulları en iyi bölgede b kalsa bile yatakta aşınmalar olur. Boşluğu biraz daha artırıp 0.05 mm ila 0.09 mm arasına çekersek, daha ucuza yatakların imal edilmesi mümkün olur. Eğer boşluk biraz daha artırılıp 0.08 mm 35

36 ila 0.11mm arasına çekilir ise, yatak sürtünmeleri azalır buna bağlı olarak da yatak sıcaklığı düşer. 6. Yağlama yağı debisi Şekil de görülmektedir. Yağlama yağı atmosfer basıncında ve yatağın girişinde her zaman hazır durumdadır. Yağ pompası yatağa sürekli olarak yataktan sızan miktar kadar basınçlı yağı basmaktadır. Basınçlı yağ kullanılması, yatağa gereğinden fazla yağın basılmasına neden olur ve de birim miktardaki yağın yataktan taşıdığı ısı azalır. Şekildeki yatakta kalan ve yataktan dışarıya akan yağ debisi arasındaki fark yatak boşluğu ile pek değişmez. Belli bir toleransla imal edilen yatağa yüksek duyarlılıkla basılan yağ debisinin, basıncındaki değişmeler takip edilerek, yatakta oluşan aşınmalar belirlenebilir. 7. Sürtünme sonucu oluşan güç kaybı Tablo 13.3 de veya şekil de verilen herhangi bir c değeri için hesaplanır. Şüphesiz en büyük kayıp, boşluğun en az olduğu durum için söz konusu olur. Hesabı c = 0.04 mm tolerans için yaparsak, Kayıp gücün (1.27 kw) tamamının ısı enerjisine dönüştüğünü ve bu ısının yatağa atmosfer basıncında belli bir debiyle giren yağ tarafından yataktan taşındığını kabul edersek. Yağın ısınması şöyle hesaplanır Yağın yatağa giriş sıcaklığını 60 o C kabul edersek, çıkış o C olur ki bu değer sıcaklık limiti olan 100 o C nin üzerindedir. Eğer yatak boşluğunu 0.05 mm ye çıkartırsak, yağ debisini artması ve sürtünme kuvvetlerinin azalması sonucu, yağ çıkış sıcaklığının çok fazla düşeceğini hesaplarız. Bunlarla birlikte bu değerler atmosfer basınçlı yağ için olup, gerçekte yağın pompa ile basılıyor olmasından dolayı, yatağa daha fazla yağ girmiş olur. 36

37 Yatak boyu, L = 75 mm Radyal yatak boşluğu, c = 0.05mm ila 0.07 mm Kayıp Güç, P = 1.18 kw ila 0.99 kw Yağ debisi, / ila / Yağ sıcaklığı değişimi, = 27.3 o C ila 13.9 o C KARIŞIK YAĞLAMA Karışık yağlama konsepti şekil 13.2b de gösterilmiş olup, sürtünme katsayısı ile / değerlerinin değişimi ise şekil 13.4 de verilmiştir. Karışık yağlamada yatak yüzeyleri çok düzgün dahi olsa, metal- metal temasının olduğu alan toplam yatak yüzey alanının çok az bir kısmıdır. Bunun sonucunda, bölgesel temas yerlerinde kısa süreli de olsa çok fazla basınç ve sıcaklık oluşmaktadır. Bu bölgeler herhangi bir şekilde korunmaz iseler, sürtünme soncunda yataklar kullanılamaz hale gelirler. Böyle durumlarda yatak yüzeylerinde bazı yağlayıcılar veya yağlayıcı özelliği olan katılar, örneğin, yağ, molibden disülfit, grafit ve gres gibi kullanılarak yağlayıcı bir yüzeyin oluşması sağlanır. Bu oluşan filimin kayma direnci az olduğundan yük altında kesilir ve oluşan sert yüzeyleri de ortadan kaldırır. Fakat hemen arkasında yeni bir filim tabakası takip eder. Bu filim tabakası yatağa gelen yükün az bir kısmını taşırken, yükün büyük kısmı yine hidrodinamik filim tarafından taşınır. Karışık yağlama genelde yatakların imalat tekniklerinin değiştirilmesiyle geliştirilebilirler. Sinterlenmiş yataklar buna genel bir örnektir. Bu yataklar genelde bakır, teneke gibi metal tozlarının basınç altında sinterlenmesi ile elde edilir ve daha sonra her iki metalin ergime sıcaklıklarının ortasına kadar ısıtılarak gözenekli bir yapıya kavuşturulurlar. Daha sonra bu yataklar kullanılmadan önce yağ banyosuna daldırılırlar gözenekli yapı sayesinde içlerine yağ emdirilir. Kullanım sırasında, yatağa emdirilmiş yağ basınç altında iken yatağın yüzeylerine yayılarak yağlama sağlar ve yük kalkınca tekrar yatak tarafından emilir. Bazı metaller (grafit) ve plastiklerin (teflon) doğal yapıları gereği sürtünme katsayıları düşüktür ve bu metallerden direk olarak düzgün yüzeyli yataklar üretilebilir. Bazı plastikler, örneğin naylon ve teflon, herhangi bir katkı maddesi kullanılmadan orta derecenin altındaki yükler için yatak malzemesi olarak kullanılmaktadırlar. Plastik yatak malzemeleri için iki önemli sorun vardır: 1) Malzemenin fazla yük altında akması, 2) ısı transfer katsayılarının düşük olması nedeni ile fazla ısınmalarıdır. Bu iki nedenden dolayı plastik malzemeler endüstriyel uygulamalarda pek kullanılmazlar. Bunlara karşın, karışık yağlama, tüm dişlilerde çeşitlerinde, silindirin içindeki piston hareketinde ve bir biri üzerinde kayan diğer makine parçalarında (rulmanlarda, kızaklı yataklarda) söz konusudur. 37