www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 08 (1) 51-59 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Dolum Bilya Çapı Değişiminin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine Etkisi Đsmail TÜRKBAY, Vedat SAVAŞ Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Makina Eğitimi Bölümü, ELAZIĞ Özet Bilyalı santrifüj kavrama elektrik motorunun yük altında harekete başlaması istenilen yerlerde kullanılır. Đhtiyaç duyulan momente göre bilyalarla kısmen veya tamamen doldurulur. Sınırlanan bir emniyet momenti tarafından aşırı yüklere karşı elektrik motorunu ve iş makinesini korur. Bunlar ilk hareket kavraması olarak da adlandırılırlar. Bu deneysel çalışmada, kütleleri sabit ve farklı çaptaki bilya dolumlarının farklı devir sayılarında ilettikleri momentler deneylerden elde edilmiştir. Farklı çaptaki bilya dolumlarının ilettikleri kayma momentleri arasındaki farkın nedenleri teorik olarak açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Bilyalı santrifüj kavrama, Kayma momenti, Porozite. 1. Giriş Endüstriyel uygulamalarda tahrik makinası ile iş makinası birbirine bir kavrama ile bağlanır. Tüm kavramaların genel bir sınıflandırılması, şekilleri, açıklayıcı bilgileri ve kullanıldığı yerler kavrama atlasında verilmiştir [1]. Makine işletimleri için kavrama seçimi adlı çalışmada; yük atalet momenti, kavrama çeşitlerinin özellikleri ve motor seçimi konuları incelenmiştir [2]. Yüksek enerji fiyatı ile mücadelede santrifüj kavramalar adlı çalışmada; santrifüj kavrama çeşitleri tanıtılmış ve her birinin özel uygulama alanından bahsedilmiştir. Santrifüj kavramalarda enerji tasarrufunun nasıl elde edildiği gösterilmiştir [3]. Santrifüj kavramaların devreye girmesi ve çalışma esnasında ani aşırı yük momentlerinde kayarak donanımı korumasından bahsetmektedir [4]. Santrifüj kavrama temelleri adlı çalışmada; santrifüj kavramaların avantajları ve bir rijit kavramalı bağlantı ile bir santrifüj kavramalı bağlantılı işletimin karşılaştırılması yapılmıştır [5]. Bazı santrifüj kavrama çeşitleri incelenmiştir [6, 7, 8]. Santrifüj kavramalar, belirli bir devir sayısında kendiliğinden devreye giren ve sürtünme kuvvet bağı ile moment ileten kavramalardır. Tüm santrifüj kavramalar temel olarak giriş, santrifüj ve çıkış elemanı olarak üç kısımdan ibarettir. Giriş elemanı veya döndüren kavrama yarısı, motor veya motor milinden hareket alır. Santrifüj elemanlar, giriş elemanı tarafından ivmelenerek dışa doğru savrulur. Çıkış elemanı veya muhafaza, santrifüj parçalar tarafından sürtünme kuvveti ile hareket ettirilir. Çıkış mili doğrudan yüke veya bir kayış kasnak mekanizmasına bağlıdır. Santrifüj kavramaların en yaygın olanı pabuçlu santrifüj kavramadır. Santrifüj kavramalar sürtünen parçalarının şekillerine göre; santrifüj parçalı ve dolgu malzemeli olmak üzere iki gruba ayrılır. Santrifüj parçalı kavramalar, değişen yük ve hızlara ayarlanma kabiliyeti bakımından sınırlıdır. Her bir kavrama özel bir moment ve hız ihtiyacı için tasarlanır. Dolgu malzemeli kavramalar, ihtiyaç duyulan momente göre dolgu malzemeleri ile kısmen veya tamamen doldurulur. Dolgu malzemeleri bilya, masura ve çelik tozları şeklindedir.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Dolum Bilya Çapı Değişiminin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine Santrifüj kavramalı işletimin rijit kavramalı işletime göre avantajları: Düzgün harekete başlama, daha hızlı harekete başlama, azaltılmış motor boyutları ve azaltılmış güç ihtiyaçlarıdır [3]. Bilyalı Santrifüj Kavrama 7 6 6 5 1 2 3 4 Şekil 1. Bilyalı santrifüj kavrama elemanları Şekil 1 de görüldüğü gibi 1 kapak, 2 kanatlı çark, 3 muhafaza, 4 flanş, 5 sabit bilyalı yataklar, 6 bağlama cıvataları, 7 şarj cıvatası ve çelik bilyalar bilyalı santrifüj kavramanın elemanlarıdır. Bu çalışmada kullanılan bilyalı santrifüj kavrama muhafazası iç yarıçapı R=90 mm ve genişliği b=80 mm dir. Kanatlı çark milinin bir ucu kapak yuvasındaki sabit bilyalı yatağa diğer ucu da muhafazadaki sabit bilyalı yatağa monte edilmiştir. Giriş miline bir kama ile bağlanmıştır. Kapak ve flanş muhafazaya cıvatalarla bağlanmıştır. Döndürülen mil bir kama ile flanşa bağlanmıştır. Döndüren mile bir kama ile bağlı olan kanatlı çark muhafaza içini eşit hacimli bölmelere böler. Bu bölmeler ihtiyaç duyulan kavrama gücüne bağlı olarak çelik bilyalarla eşit miktarlarda tamamen veya kısmen doldurulur ve dişli yağı ile yağlanır. Döndüren mil döndürüldüğü zaman, çelik bilyalar bir çember içinde hareket edecektir. Sonuçta santrifüj kuvvet muhafazaya karşı bir basınç üretecektir. Motor harekete başladığında bilyalar, santrifüj kuvvetin etkisiyle muhafaza iç yüzeyine karşı bir basınç uygular. Bilyalı santrifüj kavramanın devreye girmesi süresinde bilyalarda yuvarlanma sürtünmesi ile birlikte kayma meydana gelir. Bilyalı santrifüj kavrama harekete başlama süresi sonunda, herhangi bir kayma olmaksızın statik sürtünme vasıtasıyla hareketine devam eder. Durma anında kanatlı çark ve muhafaza biri birine izafi hareket edebilir. Muhafaza ve çelik bilyalar arasındaki doğal aşınma, harekete başlama süresinde yuvarlanma sürtünmesi ile sınırlı olduğundan ihmal edilebilir. Bilyalı santrifüj kavramanın harekete başlaması süresinde meydana gelen sürtünme ısısı, dış kısımları az bir miktar ısıtırken, dolgu maddesini oldukça fazla ısıtmaktadır. Yüklenmiş veya kilitlenmiş döndürülen makina için bile yüksüz motor hareketi sağlarlar. Emniyetli kısa devreli motor kullanarak ağır hizmet makinası ve en ağır kütleleri sarsarak serbest ivmelenmelerini sağlarlar. Bir emniyet sınırı momenti ile aşırı yüklere karşı motor, makine ve döndürülen birimi korurlar. Harekete başlama akımının çabucak azalmasını sağlarlar [1]. 52
Türkbay, Đ., Savaş, V. Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 2. Deneysel Çalışma ve Yöntem Deney Seti Montajı Bilyalı santrifüj kavrama Elektrikli dinamometre Elektrik motoru Yataklar Helisel direnç Reosta Çizici Şekil 2. Deney seti Şekil 2 de deney setinin üstten görünüşü verilmiştir. Elektrik motoru mili ile bilyalı santrifüj kavrama döndüren mili arasındaki güç iletimi iki kademeli V kayış-kasnak mekanizması ile sağlanmıştır. V kayış kasnaklarının biri elektrik motoru miline diğeri bilyalı santrifüj kavramanın döndüren miline monte edilmiştir. Ölçümler esnasında bilyalı santrifüj kavrama giriş miline ve elektrik motoru miline sıra ile bağlanan, beş adet iki kademeli V kayış kasnağı kullanılmıştır. Her bir kademeli kasnaktan iki ve toplam on farklı devir sayısı elde edilmiştir. Bilyalı santrifüj kavramanın giriş mili kanatlı çarka, çıkış mili flanşa bağlanmıştır. Giriş ve çıkış milleri üzerine yerleştirilen oynak rulmanlı yataklar, dik yatak yuvalarına yerleştirilerek bağlanmıştır. Bilyalı santrifüj kavrama çıkış mili ile elektrikli dinamometre arasına bir oynak lastikli kavrama yerleştirilerek, iki milin eksen kaçıklıkları ve hareket verme mekanizmalarının sebep olduğu mekanik titreşimlerin elektrikli dinamometreye geçmesi önlenmiştir. Şekil 2 de görüldüğü gibi elektrik dinamometresinin sağ tarafındaki çıkış miline bir takogeneratör bağlanmıştır. Takogeneratörün dönmesi ile elde edilen gerilim, kablo bağlantısı ile çiziciye gönderilmektedir. Böylece bilyalı santrifüj kavrama çıkış milinin dönmeye başlamasıyla, tam kavrama gerçekleşinceye kadar süre arasındaki, zaman ile devir sayısı değişimi grafikleri çizdirilmiştir. Deneyler sırasında elektrikli dinamometreyi yükleyerek, bilyalı santrifüj kavrama çıkış milini frenlemek için bir sürgülü reosta kullanılmıştır. Bilyalı santrifüj kavrama çıkış mili tarafından döndürülen elektrikli dinamometre elektrik enerjisi üretmektedir. Bu elektrik enerjisi sisteme eklenen bir helisel dirençle ısıya dönüştürülerek sistemden atılmaktadır. Deneylerin Yapılması Bilyalı santrifüj kavrama kanatlı çark bölmelerinin her birine eşit miktarda d=6 mm çaplı çelik bilyalardan toplam m=3,032 kg bilya doldurulmuştur. Devreye girme süresinde meydana gelen aşınmaları azaltmak için kavramaya 50 gr dişli yağı doldurulmuştur. Elektrik motoru çalıştırılmış, V kayış kasnak mekanizması ile bilyalı santrifüj kavrama hareke etmeye başlamış ve bir süre sonra sabit devir sayısına ulaşmıştır. Şekil 3 de çiziciden elde edilen 1 nolu eğride bu hareketin zaman devir sayısı grafiği görülmektedir. Bilyalı santrifüj kavrama yük momentini artırmak için sürgülü reostanın sürgüsü hareket ettirilerek devreye giren direnç miktarı artırılmış ve yukarıda yapılan işlemler tekrar edilmiştir. Giriş devir 53
Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Dolum Bilya Çapı Değişiminin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine sayısı ile çıkış devir sayısı arasında bir farkın meydana geldiği nokta, bilyalı santrifüj kavramanın ileteceği nominal momentidir. Bu Şekil 3 de 13 nolu eğridir ve kayma momenti eğrisinin geçtiği yerdir. Daha sonra bilyalı santrifüj kavrama yük momenti artırılarak deneylere devam edilmiştir. Bilyalı santrifüj kavrama giriş mili devir sayısının moment iletimi üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, giriş miline bağlı kasnak değiştirilip farklı giriş devirlerindeki momentler ölçülerek deneylere devam edilmiştir. Tablo 1. Zaman, giriş ve çıkış devir sayısı verileri Moment (Nm) Zaman san Giriş devir sayısı (d/dak) Çıkış devir sayısı (d/dak) 1 0,7 1,4 843 2 1,2 1,4 841 3 2,6 1,5 840 4 4,8 1,5 839 5 7,9 1,5 839 6 11 1,7 839 7 14,5 2,0 838 843 841 840 839 839 839 838 8 18 2,7 837 9,9 3,5 835,6 4,2 833 11 21,1 5,0 833 12 21,5 5,4 832 13,1 835 837 835 833 833 832 745 Şekil 3. Zaman devir sayısı değişimi Tablo 2. Kayma noktasından sonra zaman, giriş ve çıkış devir sayısı verileri Moment (Nm) Zaman san Giriş devir sayısı (d/dak) Çıkış devir sayısı (d/dak) 14,2 835 19,9 16 19,6 17 19,8 18 19,8 19 19,3 19,4 21 19,5 736 697 670 652 624 568 546 509 Şekil 4. Kayma noktasından sonra zaman devir sayısı değişimi 54
Türkbay, Đ., Savaş, V. Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Kayma noktasına kadar Tablo 1 ve Şekil 3, yük momentinin artırılması ile birlikte elektrik motoru devir sayısının bir miktar düştüğü görülmüştür. Ayrıca, yük momentinin artırılması ile beraber kavramanın devreye girme süresinin uzadığı görülmüştür. Kayma noktasından sonra Tablo 2 ve Şekil 4, yük momentinin artırılması ile birlikte kavramada sürekli bir kayma meydana gelmiş ve giriş devir sayısı sabit kaldığı halde çıkış devir sayısının yük momentinin artırılması ile birlikte sürekli azaldığı görülmüştür. Yük momenti artırıldığı halde kavramanın ilettiği moment az bir miktar düşmüş ve motor devir sayısının değişmediği görülmüştür. 30 Bilya çapı d=6 mm m=3,032 kg Kayma momenti eğrisi 25 Moment Nm 641 dev/dak 747 dev/dak 832 dev/dak 939 dev/dak 5 0 400 500 600 700 800 900 00 Devir sayısı dev/dak Şekil 5. Sabit kütlede 6 mm çaplı bilya dolumunun kayma momenti eğrisi Şekil 5 de dört farklı devir sayısında deneylerden elde edilen moment devir sayısı diyagramı görülmektedir. Kayma momenti eğrisinin elde edilişi Şekil 3 ve Şekil 4 de görülmektedir. Dolum bilya çapının, bilyalı santrifüj kavrama moment iletim karakteristiği üzerindeki etkisini incelemek amacıyla 4, 6 ve 8 mm çaplı bilyalar kullanılarak deneyler yapılmıştır. Şekil 6 da m=3,032 kg sabit bilya kütlesinde; 4, 6 ve 8 mm çaplı bilya dolumlarında ve farklı devir sayılarında ilettikleri kayma momentleri gösterilmiştir. 40 m=3,032 kg 35 Moment Nm 30 25 d= 8 mm d=6 mm d=4 mm 600 700 800 900 00 Devir sayısı dev/dak Şekil 6. Sabit kütlede farklı çaptaki bilya dolumlarının moment devir sayısı değişimleri 55
Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Dolum Bilya Çapı Değişiminin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine Şekil 6 da sabit kütle miktarı ve farklı çaptaki bilya dolumlarında yapılan deneylerden elde edilen kayma momenti devir sayısı diyagramında, küçük çaplı bilya dolumlarının daha fazla moment ilettiği görülmektedir. 3. Teorik Đnceleme Şekil 7 a, b ve c prizmalar içine yerleştirilen aynı çaplı bilya dolumlarının, her bir prizma yan yüzeyine yaptıkları baskı kuvvetleri görülmektedir. Bu kuvvetlerin bir sıra bilya dolumu için olmadığı ve artan bilya sıra sayısı ile arttığı görülmektedir. Bilya dolumlarının prizma tabanına yaptıkları baskı kuvveti, her bir bilya dolumunun kütlesine eşittir. Şekil 7. Prizmada iç ve yan yüzey bilya kuvvetleri a b Şekil 8. Bilyalı santrifüj kavramada 8 mm ve 4 mm bilya dolumları Santrifüj kavrama harekete başladığında merkezkaç kuvvet etkisiyle bilyalar muhafaza iç yüzeyine bir baskı kuvveti uygularlar. Đç sıradaki bilyalar dış sıradaki bilyaların arasına girerek onların yan yüzeylere bir baskı kuvveti uygulamasına neden olurlar. 8 mm çaplı bir sıra bilya dolumunun kütlesi ile 4 mm çaplı iki sıra bilya dolumunun kütlesi yaklaşık olarak biri birine eşittir (Şekil 8 a, b). Bu bilya dolumlarının ilettiği iç yüzey momentleri de biri birine eşittir. 8 mm çaplı bilya dolumunda yan yüzeylerde moment iletimi yoktur; 4 mm çaplı bilya dolumu iki sıra olduğundan yan yüzeyleri moment iletir. Kavrama dönme eksenine en uzak en dış kısımdaki bilya sırasının, yan yüzey moment iletimleri yoktur. Kavrama iç yarıçapı R, bilya dolumunun yarıçapı r ve kavrama genişliği b dir. Boşluk faktörüψ = r R ve kavrama geometrisi faktörü ϕ = b R dir. Bilya dolumlarının poroziteleri [] nolu çalışmadan alınmıştır. Bilya dolumlarının iç yarıçapları [] [ m [( 1 P ) ρ πb ] 2 r= R (1) Đç yüzeyin ilettiği moment [9] o Fe 3 π 2 M1 = n ϕρ Fe O 1 (2) 1350 5 3 ( 1 P ) µr [ Ψ ] 56
Türkbay, Đ., Savaş, V. Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Yan yüzeylerin ilettiği moment [9] M π = (3) 2250 3 2 2 n ρfe o 1 5 5 ( 1 P ) µ R ( Ψ ) Şekil 9 da yukarıdaki denklemlerden elde edilen; 4 mm, 6 mm ve 8 mm çaplı m=3,032 kg bilya dolumlarında elde edilen teorik devir sayısı moment diyagramı görülmektedir. Sabit kütle dolumlarında tüm bilya çapları için iç yüzey momentleri biri birine yaklaşık olarak eşittir. Aradaki önemli olmayan fark, bilya dolumlarının iç yarıçapı r ve kütle ağırlık merkezlerinin R S kavrama eksenine olan mesafelerinin biri birine eşit olmayışından kaynaklanmaktadır. Bu bilya dolumlarının porozitelerinin farklı oluşundan ileri gelmektedir []. m=3,032 kg 40 35 Moment Nm 30 25 600 700 800 900 00 Devir sayısı dev/dak d=8 mm d=6 mm d=4 mm Şekil 9. Teorik devir sayısı moment diyagramı m=3,032 kg 35 30 Moment Nm 25 d=8 mm d=6 mm 600 700 800 900 00 Devir sayısı dev/dak Şekil. Sabit kütle miktarında farklı çaptaki bilyaların teorik moment değişimleri 57
Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 Dolum Bilya Çapı Değişiminin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine Bilya dolumlarında, en dıştaki bir sıra bilyanın yan yüzey moment iletimine bir etkisi yoktur. Bu en dış sıradaki bilyaların kütlelerinin olmadığı varsayılıp, yan yüzeylerin ilettiği moment hesaplanmış ve iç yüzeyin ilettiği moment ile toplandıktan sonra Şekil daki diyagram çizilmiştir. Deneylerden elde edilen Şekil 6 ile teorik olarak elde edilen Şekil un kabul edilebilir değerlerde örtüştüğü görülmektedir. 4. Sunuçlar Farklı bilya çaplarındaki sabit kütle dolumlarından elde edilen deneysel kayma momenti devir sayısı diyagramı çizilmiştir. Diyagramda küçük çaplı bilya dolumlarının büyük çaplı bilya dolumlarına nazaran daha fazla moment ilettiği görülmüştür. Bilyalı santrifüj kavramada iç yüzeyin ilettiği moment ile yan yüzeylerin ilettikleri momentlerin toplamı kavramanın ilettiği toplam momenttir. Đç yüzeyin ilettiği moment bilya dolumunun kütlesine bağlıdır. Bilya dolumunun en dış bilya sırası yan yüzeylere baskı kuvveti uygulamamakta ve yan yüzeylerin ilettiği moment, dolumların bilya çapına bağlı olarak değişim göstermektedir. Đletilen moment, bilya dolumunun dış sıradaki bilyaların toplam kütlesinin büyüklüğüne bağlı olarak azalmaktadır. Bilya dolumunda iç yüzeyin ilettiği moment hesaplanır, bu en son sıradaki bilya kütlesinin olmadığı varsayılarak yan yüzeylerin ilettiği momentler hesaplandıktan sonra momentler toplanır. Deneysel diyagram Şekil 6 ve teorik diyagram Şekil arasında bir farkın olmadığı görülmektedir. Farklı çap ve sabit kütledeki bilya dolumlarının ilettiği iç yüzey momentleri devir sayısının artması ile değişmeyecektir. Artan devir sayısı ile birlikte farklı çaptaki bilya dolumlarının ilettiği toplam momentler arasında farkın da arttığı görülmektedir. Küçük çaplı bilya dolumlarının devir sayılarının artmasıyla daha çok yan yüzey momenti ilettiği sonucuna varılmıştır. 5. Semboller ϕ : Bilyalı santrifüj kavrama geometri faktörü Ψ : Boşluk faktörü ρ Fe : Bilya yoğunluğu (kg/m 3 ) P O : Porozite m : Kütle (kg) n : Devir sayısı (dev/dak) R : Tambur iç yarıçapı (m) r : Dolumun iç yarıçapı (m) R S : Dolum ağırlık merkezi (m) b : Bilyalı santrifüj kavrama genişliği (m) µ : Sürtünme katsayısı M 1 : Bilyalı santrifüj kavrama tambur iç yüzeyinin ilettiği moment (Nm) M 2 : Bilyalı santrifüj kavrama yan yüzeylerinin ilettiği moment (Nm) Kaynaklar 1. Schalitz, A., 1968, Kupplungs-Atlas A. G. T. Verlag Georg Thum, Württ. 2. Proctor, J., 1961, Selecting Clutches for Mechanical Drives Product Engineering 19, 43-58 3. Goodling, E. C., 1974, Fighting High Energy Costs with Centrifugal Clutches Machine Design 46, 119-124 4. John, St., Richard, C., 1975, Centrifugal Clutch Has Gentle Touch Power Transmission Design 17, 40-42 5. John, St., Richard, C., 1979, Centrifugal Clutch Basics Power Transmission Design 21, 52-55 58
Türkbay, Đ., Savaş, V. Teknolojik Araştırmalar: MTED 08 (1) 51-59 6. Beach, K., 1962, Try These Formulas for Centrifugal Clutches Product Engineering 9, 56-57 7. Town, H. C., 1988, Clutches for Machine Control Power International, 34, 247-249 8. Goodling, E. C., 1977, Trailing Shoe Type Centrifugal Clutch-Design Principles and Characteristics American Society of Mechanical Engineers, 7, 26-30 9. Türkbay, Đ., Dinçer, N., 02, Bilyalı Santrifüj Kavramada Đletilen Momentin Teorik Analizi Politeknik Dergisi Cilt: 5, Sayı: 3, 237-242. Türkbay, Đ., 05, Bilya Dolum Porozitesinin Bilyalı Santrifüj Kavrama Moment Đletim Kapasitesine Etkisi Politeknik Dergisi Cilt: 8, Sayı: 1, 49-54 59