İş Makinalarında Gürültü Kontrolü gürültü kontrolü Kamil Alper YALÇINKAYA, Timur ARIKOĞLU Hidromek LTD.ŞTİ. Sincan Organize Sanayi Bölgesi Mehmet ÇALIŞKAN Prof. Dr., ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü GİRİŞ İş makinaları sektörü, günümüzde inşaat işleri, taş ve mermer ocakları, yol çalışmaları, ormancılık faaliyetleri gibi her türlü ağır iş alanında faaliyet göstermektedir. Özellikle yerleşim yerlerinde çalışan iş makinaları çalışmaları sırasında gürültü kirliliğine sebep olmaktadırlar. Son yıllarda, gürültü kirliliğini önlemek için iş makinalarının çevreye yaydığı gürültü düzeylerinin üst sınırlarını belirleyen yönetmelik, tebliğ, tüzük vb. yasal dökümanlar uygulanmaktadır. Avrupa Birliği direktifi 000/14/EC [1] iş makinalarının çevreye yaydığı gürültü düzeylerinin üst limitlerini belirlemektedir. Bu limitler 00 yılından itibaren ve 006 yılından itibaren geçerli olacak şekilde belirlenmiştir. 006 yılından geçerli olacak limitler 00 yılında açıklananların 3 db (desibel) kadar altındadır. Gürültü düzeyindeki 3 db kadarlık azalma, makinanın çevreye yaydığı gürültü enerjisinin yarıya düşürülmesi ile eşdeğer bir büyüklüktür. Bu bilgiler doğrultusunda ilk olarak ekskavatörlerin ve kazıcı-yükleyicilerin çevreye yaydığı gürültü düzeyleri ve kabin içi gürültü düzeyleri bulunmuştur. Limit değerler ile karşılaştırılan değerlerin iyleştirilmesi için ilk olarak gürültü kaynağının tespit edilmesi amaçlanmış ve bu amaç için gürültü kaynağı tanılama testleri gerçekleştirilmiştir. Yüksek gürültü enerjisine sahip gürültü kaynaklarının kontrolü için çeşitli yöntemlere başvurulmuştur. Bu yöntemlerin sonuçları birbirleri ile ve daha öncekilerle karşılaştırılmıştır. Çözüm yöntemlerinden en uygun olanı seçilmiştir. Sözü edilen çalışmalar iki ana başlık altında incelenecektir: Ekskavatörlerde Gürültü Kontrolü Çalışmaları ve Kazıcı-Yükleyicilerde Gürültü Kontrolü Çalışmaları EKSKAVATÖRLERDE GÜRÜLTÜ KONTROLÜ ÇALIŞMALARI Ekskavatörlerin çevreye yaydığı gürültü düzeyi ISO 6393 [] standardında belirtilen şekilde A-ağırlıklı ses gücü düzeyi cinsinden ifade edilir. Bu nicelik makina çevresinde belirli konumlarda ölçülen A-ağırlıklı ses düzeyleri kullanılarak hesaplanır.bu amaçla makina standartta belirtildiği şekilde asfalt/beton yüzey üzerine kule dönme merkezi, 16 m yarıçaplı çemberin merkeziyle çakışacak biçimde yerleştirilir. Şekil 1 ve 'de belirtilen 6 noktadan 3'er dakikalık A-ağırlıklı ses düzeyi ölçümleri alınır. Ölçümlerin makina yüksüz iken; motor, maksimum net gücün elde edildiği devirde çalışırken alınması gerekmektedir. Makina çalıştırılmadan önce her noktada arka plan gürültüsü düzeyi ölçülürek ölçümün sağlıklı olması denetlenir. Yapılan ölçümlerin güvenilir olabilmesi için, arka plan gürültüsünün ölçülen Şekil 1. ISO 6393 Ölçüm Noktaları 430 gürültüden en az 10 db daha az olması, rüzgar hızının 5 m/s'den daha fazla olmaması, zeminin düz asfalt olması, havanın yağışlı olmaması gerekmektedir. Şekil 1 ve 'deki ölçüler mm cinsindendir. Yapılan ölçümler sonucunda elde edilen ses düzeyi verileri kullanılarak makinanın çevreye yaydığı ses gücü düzeyi ISO 6393 [] standardında verilen formüller yardımı ile hesaplanır. Hesaplanan ses gücü düzeyi direktif 00/14/EC'deki [1] limit değeri ile karşılaştırılır. 3 Ocak 00'den itibaren limit değerleri: Kazıcı Yükleyiciler için: 85+11logP, 9 1100
Ekskavatörler için: 83+11logP 6 Ocak 006'dan itibaren limit değerleri: Kazıcı Yükleyiciler için: 8+11logP, Ekskavatörler için: 80+11logP P : motordan alınan maksimum net güç (kw) Limit değerlerinin 006 yılından devirde çalıştırılırken 30'ar saniyelik titreşim/gürültü veri kayıtları alınır. Şekil 3'deki ölçüler mm cinsindendir. Alınan bu verilerin ses basıncı düzeyi frekans ekseninde incelenip belirlenen tepe noktalarında frekans değerleri kaydedilir. Ölçümlere başlamadan önce arka plan gürültüsünün de izgesel gürültüsünün izgesel çözümlemesi aşağıda gösterilmiştir. Yukarıdaki izgesel çözümlemeler Şekil 6. Numaralı Noktadaki İzgesel Şekil 7. 3 Numaralı Noktadaki İzgesel Şekil 3. Gürültü Kaynağı Tanılama Testi itibaren 3 db düşürüldüğü gözükmektedir. Mevcut durumda limit değerlerine yakın olan ekskavatör dış ortam gürültü düzeyinin düşürülmesi için yapılan çalışmalar aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir: Şekil 8. 4 Numaralı Noktadaki İzgesel 1. Gürültü kaynağı tanılama testleri. Yapılan iyileştirmeler ve sonrasında yapılan gürültü düzeyi belirleme testleri 3. Yapılan iyileştirmelerin diğer performans parametrelerine olan etkisinin araştırılması Gürültü Kaynağı Tanılama Testleri: Geliştirilen çözüm sürecinde, gürültü kaynaklarını belirlemek için makinanın dört tarafından (ön, arka, sağ ve sol) makinanın çevreye yaydığı gürültünün izgesel(spektral) çözümlemesi(analizi) yapılır. Ölçüm noktalarından (Şekil 3) makina maksimum net gücü verdiği 10 Şekil 4. Arka Plan Gürültüsü İzgesel si Şekil 5. 1 Numaralı Noktadaki İzgesel çözümlemesi kaydedilir. Örnek bir makina için 4 noktada ölçülen ses basıncı düzeylerinin ve arka plan incelendiğinde ortam gürültüsünün (Şekil 4) (arka plan gürültüsü) ölçülen değerlerin (Şekil 5, 6, 7, 8) en az 10 db altında olduğu görülmüştür. Ölçümlerin sağlıklı yapılabilmesi için, ortam gürültüsünün ölçülen değerlerin en az 10 db kadar altında olması koşulunun sağlandığı görülmüştür. Dört noktadaki izgesel çözümlemeler (Şekil 5, 6, 7, 8) incelendiğinde hepsinde ortak olarak görülen en yüksek tepe noktası 35.46 Hz'dedir. Bu frekansa karşılık gelen gürültü kaynağı araştırıldığında, radyatör fanının (kanat geçiş frekansı 330 Hz olarak
hesaplanmıştır) bu gürültünün kaynağı olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, fan gürültüsünün. ve 3. harmonikleri de dört noktadan alınan izgesel çözümlemelerde görülmektedir. (649.4 Hz ve 971.6 Hz) Fan gürültüsü dışında izgesel çözümlemelerden tespit edilen gürültü kaynakları ve ilgili frekansları aşağıdaki gibi sıralanabilir: Motor ateşleme frekansı ve harmonikleri: 36.5 Hz, 7.9 Hz ve 109.0 Hz Hidrolik pompa çalışma frekansı: 300.0 Hz Yapılan İyileştirmeler ve Sonrasında Yapılan Testler: Ekskavatörün çevreye yaydığı gürültü düzeyini düşürmek için yukarıda belirtilen gürültü kaynaklarında değişiklikler yapılmıştır. Bu değişikliklerin sonuçlarını görebilmek için ISO 6393 [] testi tekrarlanmıştır. En yüksek ses basıncı düzeyi yaratan radyatör fanı ve davlumbazı dikkate alınmıştır. Radyatör fanı gürültü düzeyi daha düşük olan başka bir fan ile değiştirilmiştir. Bu değişiklikle beraber fan davlumbazında da çeşitli alternatifler denenmiştir. Her bir alternatif için ISO 6393 [] testindeki 1,,3 ve 4 numaralı noktalardan A- ağırlıklı ses düzeyi ölçümleri alınmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bu alternatiflerin arasından en düşük ses düzeyinin ölçüldüğü seçilmiştir. Seçilen alternatif makinanın çevreye yaydığı gürültü düzeyinin dba kadar azalmasını sağlamıştır. Yapılan İyileştirmelerin Diğer Performans Parametrelerine Etkisi: Ekskavatör fan ve davlumbazında yapılan değişikliklerin soğutma sistemi performansına olan etkilerinin belirlenmesi için soğutma sistemi performans testleri yapılmıştır. Makinanın soğutma sisteminde belirli noktalara (motor suyu radyatörü giriş ve çıkış, hidrolik yağ radyatörü giriş ve çıkış, intercooler giriş ve çıkış) ısılçiftler (thermocouple) yerleştirilmiştir. Motor üzerindeki termostat çıkartılmıştır. Sıcaklık değerleri sabitleninceye kadar kazı yapılmıştır. Kazma, ulaşılabilecek maksimum derinliğe kadar yapılmıştır. Gölgedeki hava sıcaklığı kaydedilmiştir. Makinanın çalışabileceği maksimum ortam sıcaklığı, elde edilen Şekil 9. ISO 6393 Ölçüm Noktaları değerlerden hesaplanmıştır. İzin verilen minimum ortam sıcaklığı değeri ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, makinanın çevreye yaydığı gürültü düzeyi soğutma sistemi performansı da göz önüne alınarak dbadüşürülmüştür. KAZICI-YÜKLEYİCİLERDE GÜRÜLTÜ KONTROLÜ ÇALIŞMALARI 00/14/EC'deki [1] limit değeri ile karşılaştırılır. Şu an limit değerlerine yakın olan kazıcı yükleyici dış ortam gürültü düzeyinin düşürülmesi için yapılan çalışmalar aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir: 1. Gürültü Kaynağı Tanılama Testleri İzgesel Testleri Gürültü-Titreşim Eşevresellik İlişki Testleri. Çözüm Yöntemleri Geliştirilen çözüm sürecinde kazıcı Gürültü Kaynağı Tanılama Testleri: yükleyici makinaların çevreye yaydığı Makinanın çevreye yaydığı gürültünün gürültü düzeyi, ISO 6393 [] makinanın hangi bölgesinden standardında belirtildiği gibi bulunur. Şekil 9 ve 10'da belirtilen 6 noktadan kaynaklandığını tespit ederek, belirlenmiş olan bu gürültü kaynaklarının gürültü 3'er dakikalık A-ağırlıklı ses düzeyi düzeylerini düşürme çalışmalarına ölçümleri alınır. Ölçümler yapılmadan önce her noktada arka plan başlayabilmek için yapılan bir dizi testten ve değerlendirmeden oluşur. gürültüsü ölçülür. Ölçümler makina yüksüz iken; motor, maksimum net gücün elde edildiği devirde çalışırken alınır. Alınan bu veriler kullanılarak makinanın çevreye yaydığı ses gücü düzeyi standartta belirtildiği gibi hesaplanır. Hesaplanan ses gücü düzeyi direktif Şekil 10. ISO 6393 Ölçüm Noktaları 11
İzgesel : Gürültü kaynaklarını belirlemek için makinanın dört tarafından (ön, arka, sağ ve sol) makinanın çevreye yaydığı gürültünün izgesel çözümlemesi yapılır. Ölçüm noktalarından (Şekil 11) makina maksimum net gücü verdiği devirde çalıştırılırken 30'ar saniyelik veriler alınır. Şekil 9, 10 ve 11'deki ölçüler mm cinsindendir. Ölçüm noktalarının yerden yüksekliği 1. m'dir. Şekil 1. Arka Plan Gürültüsü İzgesel si Şekil 13. 1 Numaralı Noktadaki İzgesel 1 Şekil 14. 3 Numaralı Noktadaki İzgesel Alınan bu verilerin ses basıncı düzeyi frekans ekseninde incelenip belirlenen tepe noktalarında frekans değerleri kaydedilir. Ölçümlere başlamadan önce arka plan gürültüsünün de izgesel çözümlemesi kaydedilir. 4 noktanın ve arka plan gürültüsünün izgesel çözümlemesi aşağıda gösterilmiştir. Şekil 15. 4 Numaralı Noktadaki İzgesel Şekil 15. Numaralı Noktadaki İzgesel Alınan bu ölçümlere ve hesaplanan gürültü kaynakları frekanslarına göre gürültü kaynakları tespit edilmiştir. Dört noktadan alınan ölçümlerin hepsinde de görülen en yüksek tepelerden biri 415.67 Hz'dedir. Bu frekansa karşılık gelen gürültü kaynağı araştırıldığında, radyatör fanının kanat geçiş frekansının 415.7 Hz olduğu görülmektedir. Radyatör fanı dışında motor ateşleme frekansı 67.8 Hz, başka bir gürültü kaynağı olarak tespit edilmiştir.izgesel çözümleme testleri farklı motor hızları için tekrarlanmıştır. Elde edilen izgesel çözümlemeler yorumlanarak gürültü kaynakları şu gruplara ayrılmıştır: Titreşim ilintili gürültü kaynakları, akışkan ilintili gürültü kaynakları ve motor devri ilintili gürültü kaynakları. Gürültü-Titreşim Eşevresellik Testleri: İzgesel çözümlemelerde tanılanamayan kaynakları tespit edebilmek için yapılan testlerdir. Bu testlerde sabit bir mikrofon (Şekil 16) ve aday gürültü kaynakları olarak düşünülen makina parçaları üzerine yerleştirilen bir ivme ölçer kullanılır. Alınan ivme ve ses basıncı veri kayıtları arasındaki eşevresellik ilişkisi fonksiyonu (1) bulunur. İvme ölçerden alınan ivme verilerinin mikrofondan alınan ses basıncı verileri ile ilişkisinin daha iyi anlaşılabilmesi için, eşevresellik fonksiyonu ile ses basıncı verisi çarpılarak eşevresel gürültü gücü () elde edilir. Elde edilen eşevresellik fonksiyonu, eşevresel gürültü gücü ve ses basıncı grafikleri frekans alanında incelenerek gürültü kaynakları tanılanmaya çalışılır. Burada? xy? xy xx xy S? S.S yy (1) : Eşevresellik fonksiyonu, S xx : İvme verisi güç izgesi yoğunluğu, S yy : Ses basıncı güç izgesi yoğunluğu
? xy. S : Eşevresel gürültü gücü () yy şeklinde tanımlıdır. Arka Sol Sağ Şekil 16. Titreşim-Gürültü Eşevresellik İlişkisi Tespiti için Gürültü Ölçüm Noktaları Şekil 16'daki ölçüler mm cinsindendir. Gürültü-titreşim eşevresellik ilişkisi tespiti çalışmaları sonucunda, makina üzerindeki plakaların titreşiminin motor devri ile ilintisi olmayan farklı bir gürültü kaynağı olduğu tespit edilmiştir. Çözüm Yöntemleri: Makinanın çevreye yaydığı gürültü düzeyinin azaltılmasında gürültü kaynaklarının çeşitlerine, yapılarına ve gürültü yayma mekanizmalarına göre çözüm yöntemleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Titreşim kaynaklı gürültünün azaltılmasında uygulanacak çözüm yöntemleri şunlardır:titreşen yüzeylerin ana yapıdan çeşitli sönümleyicilerle yalıtılması, yüzey plakalarının tasarımının(geometrik, direngenlik/katılık ve kütle özelliklerinin) geliştirilerek yaydıkları gürültü düzeyinin azaltılması. Hava akışı kaynaklı gürültüyü azaltmak için uygulanacak çözüm yöntemi ise kullanılan radyatör fanının ve davlumbazının aerodinamik ve akustik açılardan daha uygun alternatifleri ile değiştirilmesidir. Dönel parçalardan kaynaklanan gürültünün azaltılmasında uygulanacak çözüm yöntemi, motor kaputunun uygun malzeme ile yalıtılması ve titreşim kontrolünün yapılmasıdır. Kabin İçi Gürültü Kontrolü Çalışmaları: İş makinalarında operatör kabinleri içindeki gürültü düzeylerinin limitleri EN 474-1 [3] standardında belirtilmiştir. Bu standarda göre operatörün etkisinde kaldığı gürültü düzeyi 85 dba'yı aşmamalıdır. Operatörün kulak konumundaki gürültü düzeyi ISO 6394 [4] standardında belirlenen şekilde ölçülmelidir. Sözü edilen standarda göre makina ISO 6393 [] standartında belirtilen şekilde konumlandırılmalıdır. Ölçümlere başlanmadan önce arka plan gürültü düzeyi kaydedilmelidir. Ölçüm alanı asfalt veya beton zemine sahip olmalı, rüzgar hızı 5 m/s'yi geçmemelidir. Ölçümler makina yüksüz iken; motor, maksimum net gücün elde edildiği devirde çalışırken ve kabin içi havalandırma fanı en yüksek devirde çalıştırılırken alınır. Operatörün sağ ve sol tarafından, standartta belirtilen noktalardan, A-ağırlıklı ses düzeyleri ölçülmelidir. Hangi tarafta daha yüksek ses düzeyi ölçüldüyse o taraftan 3 kez daha 1'er dakikalık A-ağırlıklı ses düzeyi ölçümü alınmalıdır. Kaydedilen A-ağırlıklı ses düzeyi ölçümleri kullanılarak standartta belirtilen A- ağırlıklı eşdeğer ses düzeyi hesaplanmalıdır. Kazıcı-yükleyici makinalarda yapılan ilk kabin içi ölçümlerin sonucunda, operatör kulağına gelen gürültü düzeyinin EN 474-1 [3] standardında belirtilen limit değerlerin üzerinde olduğu görülmüştür. Gürültü kaynağını tanılamak için, ISO 6394 [4] standardında belirtilen ölçüm noktasında kabin için gürültüsünün izgesel çözümlemesi yapılmıştır. Bu çözüm-lemeye göre kabin içi havalandırma fanı gürültü kaynağı olarak tespit edilmiştir. EN 474-1 [3] standardında belirtilen limitin altına inebilmek için kabin havalandırma fanı ve fanın konumlandırıldığı bölge değiştirilmiştir. Bu değişiklik sonrasında ISO 6394 [4] standardına göre operatör konumundaki gürültü düzeyi bir kez daha ölçülmüştür. Yapılan değişiklik sonucunda operatör konumundaki gürültü düzeyinin dba azaldığı gözlenmiştir. 1.. 3. 4. KAYNAKÇA Directive 000/14/EC of the European Parliament and of the concil of 8 May 000 on the approximation of the laws of the Member States relating to the Noise Emission in the Environment for useıutdoors ISO 6393 Measurement of Exterior Noise Emitted by Earth Moving Machinery: Stationary Test Conditions EN 474-1 Earth Moving Machinery- Safety : Part 1 General Requirements ISO 6394 Measurement at Operator's Position of Noise Emitted by Earth Moving Machinery: Stationary Test Conditions 5. Çalışkan, M., Transient Noise Source Identification By Multi-Channel Digital Signal Processing And Finite Element Modelling by, PhD Thesis, North Carolina State University, Raleigh, 1983. 6. Beranek, L.L. ed., Noise And Vibration Control, McGraw-Hill Book Company, New York, 1971 7. Broch, J.T., Mechanical Vibration And Shock Measurements, Brüel & Kjaer, Naerum, Denmark, 1973 8. D.A. Bies, and C.H. Hansen, "Engineering Noise Control", Unwin Hyman, 1988 13