2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir BİLGİSAYAR KONTROLLU AŞINMA TEST CİHAZ TASARIMI VE İMALATI Recep KOÇ rkoc@balikesir.edu.tr Balıkesir Üniversitesi, Edremit MYO Makine Programı, 10300-Balıkesir ÖZET Günümüzde imalat sanayinin genişlemesi ile birlikte üretimin gerçekleştiği makinelerde birbirleri ile çalışan makine elemanlarındaki sürtünme ve aşınmalardaki malzeme kayıplarını azalmak, malzeme tasarımcılarının öncelikleri arasındadır. Bu konuda üretimi aksatmayacak uzun ömürlü malzeme çifti seçiminde test cihaz ihtiyacı bulunmaktadır. Çeşitli kayma sürtünmesi ve aşınma test modelleri arasından disk üzeri pim aşınmasını test edecek tasarım ve imalatı düşünülmüştür. Bu çalışmada 3 kw lık, 1400 d/dk lık üç faz ile çalışan alternatif akım motoru, iletim oranı:1/10 olan sonsuz redüktör kullanılmıştır. Redüktörün çıkışı kaplin yardımıyla düşey mil hareketi sağlanmaktadır. Milin çıkışına disk üzeri pim aşınmasını test edilmesinde kullanılacak disk bağlanmıştır. Diskin dönme yönüne uygun istikamette load cell konularak sürtünme kuvvetinin ölçülmesi düşünülmüştür. Sistemde operatör paneliyle birlikte PLC kontrollu analog ek modül, 3 kw sürücü ve bilgisayar bağlantısı ile test cihazının tasarım ve imalatı hakkında bilgi verilmektedir. Anahtar Sözcükler: Aşınma, Aşınma Test Cihazı, Makine Tasarımı ABSTRACT Today, with the expansion of manufacturing industry production is carried out on machines that work with each other affects the friction and wear of machine components to minimize material losses, is among priorities of the materials designer. This issue does not disrupt the production in the selection of long-lived material the pair are needed to test devices. Among various sliding friction and wear test models to be tested wear pin on disk was considered design and manufacturing. In this study, 3 kw, 1400 rpm worth of work with three-phase alternating current motor, transmission ratio: 1/10 worm gear units are used. Units of output coupling are provided with the help of the vertical shaft movement. Output of the shaft to pin on disk wear test to be used the disk drive is connected. Appropriate direction to the direction of rotation of the disc is placed on the load cell to measure the friction force is considered. PLC controlled 129
with the analog system, additional modules on the operator panel, 3 kw drive and computer connections, and test equipment design and manufacturing are discussed. Keywords: Wear, Wear Test Equipment, Mechanical Design 1. GİRİŞ Aşınma, mekanik etkileşimlerin sonucunda katı bir yüzeyden malzeme kaldırılmasıdır. DIN 50320 ye göre yapılan aşınmanın tanımı ise; katı, sıvı veya gazın karşı cisme göre izafi hareket ve temas şeklinde mekanik bir etkiden dolayı katı bir cismin yüzeyinden malzemenin ileri derecede kaybı olarak tanımlanmıştır [1,2]. Sürtünme ve aşınmaya maruz uygulama alanlarında yaygın bir şekilde gözlenen, abrasiv, adhesiv, kazıma, erozyon ve yorulma aşınması gibi beş ana aşınma çeşidi vardır. Abrasiv aşınma tüm aşınma maliyetinin yaklaşık % 63 ünü oluşturur. Abrasiv aşınma, sert partiküllerin veya sert çıkıntıların katı bir yüzey boyunca hareket etmesi ve önüne çıkan engellere karşı koyması neticesinde oluşur [3,4]. Mühendislik malzemelerinde meydana gelen yıpranma olayının aşınma sayılabilmesi için gerekli şartlar; Mekanik bir etkinin olması, sürtünmenin olması (izafi hareket), yavaş ancak devamlı olması, malzeme yüzeyinde değişiklik meydana getirmesi, istenmediği halde meydana gelmesidir. Hareketin iletildiği makine elamanları arasında dişliler, kamalar, kayış ve kasnak sistemleri, hareket halindeki millerin bağlı olduğu yataklar, burçlar, fren ve kavrama sistemleri sürtünme malzemelerinin en çok kullanıldığı yerler arasındadır. Bu birbirleri ile çalışan malzeme çiftleri arasında sürtünme ve aşınmaları en aza indirecek malzeme seçimini yapabilmek her zaman araştırma konusu olmuştur. Bu araştırma çalışmalarında kullanılacak iyi bir aşınma test cihazı sürtünme malzeme çiftlerinin seçimine yön verecektir. Bu çalışmada, pim-disk aşınma test cihazı tasarlanmış, loadcell ile sürtünme kuvvetlerinin ölçülebilmekte, operatör paneliyle verilerin bilgisayara kaydedilip sürtünme katsayılarının belirlenebilmektedir. 2. TRİBOLOJİK SİSTEM Triboloji, sürtünme, aşınma ve yağlamanın bilimsel incelenmesini ve tribolojik bilgilerin teknik uygulanmasını içermektedir [5]. İçinde aşınma ve sürtünme olaylarının gerçekleştiği teknik sistemlere tribolojik sistem denilmektedir. Mühendislik malzemelerinin sürtünme ve aşınma davranışlarının araştırılmasında mekanik sistemleri bir tribolojik sistem olarak dikkate almak gerekir. Yani aşınma olayı bir sistem bütünlüğü içinde ele alınmalıdır [6,7]. Şekil 1 de bir tribolojik sistemin elemanları görülmektedir. Tribolojik sistemi oluşturan unsurlar, ana malzeme (aşınan), karşı malzeme (aşındıran), ara malzeme, yük, hareket ve çevreden oluşmaktadır. Bir tribolojik sistem bu unsurların bir 130
çoğunu içinde bulundurur. Aşınma çiftini oluşturan ana malzeme ve karşı malzeme aralarında belirli bir ara malzeme varken az veya çok yük altında hareket ettiklerinde aşınma başlar. Ana malzeme; metal, mineral, plastik, kauçuk, ağaç, deri v.s. gibi aşınma karakteristiğine önem verilen katı cisimdir. Aşındıran malzeme ise metal, mineral, plastik, ağaç v.s. şeklinde katı olabileceği gibi sıvı veya gazlarla karışım durumunda da olabilir. Ara malzeme ise yağlar, aşınma partikülleri v.b. olabildiği gibi bazen hiçbir madde olmayabilir. Endüstride çoğu zaman aşınma partikülleri yüzeylerden temizlenememektedir. Böyle durumlarda arada yağlayıcı da yoksa, teknik de kuru sürtünmeden söz edilir. Çevre çalışma ortamıdır. Yükleme darbeli, darbesiz, sabit, değişken, artan, azalan v.s. şeklinde veya bunların birden fazlasının bir arada bulunması halinde olabilmektedir. Hareket ise kayma, yuvarlanma, kaymalı yuvarlanma, darbe gibi biçimlerde olabilir [5,8,9]. Tribolojik sistemde ortaya çıkan aşınma mekanizmaları da farklıdır. Adhesiv aşınma, abrasiv aşınma, yorulma aşınması, tribooksidasyon aşınması gibi mekanizmalarla tanımlanan aşınma, tribolojik sistem içerisinde genellikle tek başlarına bulunmazlar ve etkin oranları kesin olarak belirlenemez. Ancak etken olan aşınma mekanizmasına göre önlemler yoğunlaştırılabilir. Tribolojik test cihazları, gerçek sistemlerde etkenlerinin analiz edilebilmesinin zorluğu ve ölçümlerin uzun sürelerde ve güçlükle yapılabilmesinden dolayı model sistemlerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Araştırmacılar genellikle inceledikleri sistemi dikkate alarak çalışmalarında kullanacakları aşınma test cihazlarını seçerler ve tasarlarlar. Bu seçim veya tasarımlarda, gerçek sistemi oluşturan tribolojik unsurları sağlayabilen ve sonuçları büyük oranda tekrarlayabilen cihazların belirlenmesi önemlidir. Aşınma test cihazları kısmen standartlaştırılmıştır [10,11]. Ancak standart test cihazlarında her sistemin şartlarını bulmak mümkün olmamaktadır. Karşılıklı Zorlama 6 4 Tribolojik Sistemin Yapısı 5 3 2 1 1-Karşı Malzeme 2-Ana Malzeme 3-Ara Malzeme 4-Çevre Şartları 5-Yük 6-Hareket Yönü Yüzey Değişimi Malzeme Kaybı Aşınma Büyüklükleri Şekil 1. Bir tribolojik sistemin şematik gösterimi [12] 131
3. AŞINMA TEST MODELLERİ Aşınmanın gerçek sistemlerde belirlenmesinin zorluğu, bir kısmı standartlaştırılan model cihazların geliştirilmesine yol açmıştır. Model cihazlarda tribo sistemi oluşturan unsurların, gerçek sisteme uygun şekilde oluşturulması, sonuçların tekrarlanabilir olması bu cihazlardan beklenen özelliklerdir. Kayma sürtünme ve aşınma test cihazı modelleri tribolojik prensiplere göre Şekil 2 de şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 2. Şematik kayma sürtünmesi ve aşınma test modelleri [12] Katı, sıvı ve gaz halindeki maddelerin etkisi altında ve yalnız karşı malzeme aşınmasının ölçüldüğü aşınma test cihazı modelleri de şematik olarak Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 3. Şematik abraziv aşınma test modelleri [12] Model aşınma test cihazlarıyla yapılan testlerin amaçları genellikle şöyle sıralanabilir; Sistem elemanlarının verimini, ömrünü, güvenilirliğini, fonksiyonunu, bakım yapılıp yapılmaması gerektiğini belirlemek, kalite kontrolünü yapmak, malzemelerin ve 132
yağlayıcıların tribolojik davranışlarını belirlemek, malzeme kayıplarını araştırmak, yeni malzeme veya sürtünme ve aşınmayı azaltıcı yöntemleri geliştirmek. 4. AŞINMA TEST CİHAZI 4.1. Aşınma Test Cihazının Elemanları 4.1.1. Motor ve Redüktör 3 KW gücü sahip, max. devir sayısı 1400 d/dk, 380 V şebeke geriliminde çalışan, AC akım motoru kullanılmıştır. Motor tezgâhın ana güç sağlayıcısı konumundadır. Elektrik motor miline direkt bağlı iletim oranı 1/10 olan sonsuz redüktör kullanılmıştır. Redüktör giriş ve çıkış milleri arasında 90 lik açıya sahiptir. İstenilen hareketin düşey olması nedeni ile 90 lik çıkış mil açısı, istenilen güç ve devir oranları ile birleştiğinde sorunsuz çalışmaktadır. 4.1.2. Kaplin ve Disk Kaplin, redüktör ve disk arasındaki bulunur, hareketin iletilmesinde iki mil arasında bağlantı elemanı olarak kullanılmaktadır. Tezgahtaki bir arıza veya değişim durumunda diskin, redüktör ve motorun sökülebilmesinde bize kolaylık sağlar. Disk kaplinden gelen mile bağlanmış, milde boşluk olmaması için rulman ile yataklanmıştır. Disk üzerinde aşınma testinde kullanılacak üzerinde pim ile de test edilen malzemenin sabitlenmesi ve senkronize dairesel hareket etmesi sağlanmıştır. Diskin bağlantısı için pim ve civatalı bağlantı ile sabitlenmiştir. 4.1.3. Sürücü Hız Kontrol Ünitesi Elektrik motorunun aşınma testi sırasında devrini ayarlamak için kullanılmaktadır. 380 V 16 A şebeke elektriği ile çalışmaktadır. AC akım motorunu 0-1400 d/dk kontrol aralığında sabit devirde ayarlanabilmektedir. Stabil çalışma frekansı 50 hz dir. Fakat istenildiği takdirde motor devrini fabrika değerlerinin de üstünde bir değere çıkarmak için frekans 200 hz e kadar yükseltilebilmektedir. Sürücü hız control ünitesinin koruma kapağına entegre devir ayar ve açma kapama düğmeleri mevcuttur. Manuel olarak devir ayarı yapılabilir. 4.1.4. Yük Hücresi (Loadcell) Loadcell kapasitesi 0-35000 gr aralığında ölçüm yapabilmektedir. İç yapısında manyetik sargılar bulundurur. Dış kısmı ise alüminyum alaşımdan oluşmaktadır. Loadcell Sayısal çevirici kumanda kutusu ile loadcell ölçüm merkezinden gelen matematiksel veriyi plc desteği ile gr a çevirir. Bu ağırlık birimini operatör panelinde görmemizi sağlar. 4.1.5. Operatör Paneli ve PLC DEVRE Operatör Paneli loadcellden gelen verileri okumamızı sağlar. Ayrıca gr veya N gibi birimleri çevirmemize olanak sağlar. Bilgisayar arayüzü ile de ekranda görülen değerleri bağlanmış olduğu bilgisayarda görmemize ve kaydetmemize imkan sağlar. Üzerinde işlem yapabilmemiz için gerekli tuş takımı mevcuttur. PLC Devre 220 V gerilimi loadcell ve 133
operatör panelinin gereksini olan 24 V DC gerilime çevirir. Operatör paneli ve loadcell bu devre üzerinden çalışır. 4.1.6. Kumanda Kutusu Motor sürücüsü, operatör paneli, plc devre, loadcell çevirici ve sigortaları muhafaza eder. Dış kapağında hız kontrol düğmesi, açma-kapama düğmesi ve operatör paneli bulunur. Sarsıntıyı sönümlemesi ve titreşimli çalışırken elektronik devreleri korumaktadır. Makinaya monte olduğundan elektrik kısa devresine yol açmaması için bakalit malzemedendir. 4.2. Aşınma Test Cihazı Tasarımı Aşınma deneyinin amacı, birbirleri ile sürtünen malzeme çiftinin cinsine, sürtünen yüzeylerin biçimine, sürtünme koşullarına ve çevrenin kimyasal etkilerine bağlı olarak sürtünen yüzeyden malzeme kaybını öğrenebilmektir. Bu amaç doğrultusunda aşınma test cihazı tasarımında, disk üzeri pim aşınma test modeli seçilerek yapımı esas alınmıştır. Burada temel ve karşı sürtünme elemanı malzemelerinden oluşan sürtünme çiftlerinin, faklı hız ve yüklerde, kuru ve yağlamalı çalışma şartlarındaki etkilerini inceleme imkânı sağlayacak aşınma test cihazı tasarlanmış ve bu tasarımın şeması da Şekil 3. de görülmektedir. Şekil. 3. Bilgisayar destekli aşınma test cihazının tasarım şeması Şekil 4 de görülen bilgisayar destekli aşınma test cihazının imalat resmi üzerinde bulunan motor devirini 0-1400 d/d arasındaki hareketini önce 1/10 oranındaki redüktöre iletir. Redüktörün giriş ve çıkış milleri arasında 90 lik açı ile hareket kaplin yardımıyla diskin 134
bağlı olduğu mile iletilir. Diskin bağlı olduğu mil rulmanlı yatak ile desteklenmiştir. Diskin üzerinde istediğimiz çapta bağlayabileceğimiz sürtünme disk malzemesini pim ve bağlama civatası ile sabitlenir. Disk üzerinde sürtünme karşı malzemesi olan pimin sökülüp takılabildiği kol bulunmaktadır. Bu kol özel mengene üzerine yataklanmış, perno ile bağlanmış olup hem yukarıya kaldırılıp tekrar inebilmesi, çevresinde 360 dönebilmesi ve pimin disk yüzeyinde farklı çaplarda hareket edebilmesi sağlanır. Kolun bir ucunda vidalı hareket edebilen denge ağırlığı diğer tarafında da aşınma esnasında istenilen yük ağırlıklarının konulabileceği kutulu mil bulunmaktadır. Temel sürtünme elemanı üzerine uygulanacak faklı yüklemelerle aşınma kaybı miktarınca, pimin bağlı olduğu kol düşey doğrultuda serbestçe hareket edebilecektir. Sürtünme numunesinin eksenlerine dik doğrultuda sürtünme esnasında yükleme kolunun karşısına monte edilen load-cell ile sürtünme kuvveti belirlenebilecektir. Aşınma test cihazının çalışması için önce sürtünme disk ve pim malzemeleri uygun yerlerine takılır. Yük konulmadan su terazisi kullanılarak denge ağırlığı ile teraziye getirilir. Yük çubuğuna istenilen yük ağırlıkları konulur. Gerekli elektrik anahtarları ve bilgisayar açılır. Bilgisayardan sürücü ve load-cell için arayüz programları açılır. Sürücü arayüz programı ile motor istenen devire ayarlanır. Diskin dönmesi ile üzerinde sabitlenmiş teste tutulan pim parçasıda dönmeye zorlanacaktır. Dönme esnasında ise pime bağlı kol titreşim yaparak motor dönüş yönünde bir hareket verecek ve load-celle baskı uygulayacaktır. Şekil. 4. Bilgisayar destekli aşınma test cihazının imalat resmi Loadcell üzerine gelen baskıyı gram cinsinden veya ayarlama yaparak Newton cinsinden algılanan değer plc devre ve loadcell kumanda kutusu yardımı ile hem manual operatör panelinde hemde loadcell arayüzü ile bilgisayar ekranında görülecektir. Load-cellden gelen 135
ve bilgisayarda görülen sürtünme kuvveti değerleri bilgisayardaki arayüz programları ile sürtünme katsayısı da görülüp kayıt edilebilecektir. Aşınma testinde önceden belirlenmiş süre zarfında temel ve karşı sürtünme malzemesinde oluşabilecek aşınma miktarı hassas ölçümlü (10-4 g) elektronik terazi ile ölçülebilecektir. Tasarım doğrultusunda imalatı yapılan aşınma test cihazının zaman içinde arızalan parçalarının sökülüp değiştirebilme kolaylığı vardır. 5. SONUÇLAR Aşınma test cihazında temel sürtünme elemanının aşınma özelliklerinin incelenmesi esas alınmış olup, karşı sürtünme malzemesininde aşınma özelliklerinin incelenmesi malzemenin tribolojik özellikleri hakkında daha iyi bilgiler edinmemizi sağlar. Aşınma testinde ortamın sıcaklığı ve nemi ölçülebilir. Aşınma esnasında pim ve diskin sıcaklık değişimini ölçen termokulp veya değişik sıcaklık ölçen cihazlar tasarımda olmamakla birlikte sonradan ilave edilebilinir. Temel sürtünme ve karşı sürtünme malzemelerinden çelik-çelik, çelik-polimer, polimer-polimer sürtünme malzeme çiftleri, kuru ve sulu ortamlarda aşınma davranışlarını test etmek mümkündür. 6. KAYNAKÇA [1] RAMESH, C. S., SESHADRI, S. K., IYER, K. J. L., A Survey of Aspects of Wear of Metals, Indian Journal of Technology, Vol. 29(4), pp. 179-185, (1991). [2] ZUMGAHR, K. H., Microstructure and Wear of Materials, Tribology Series, Vol. 10, Elsevier, p. 560, (1987). [3] NEALE, M. J., M. Gee, Guide to wear problems and testing for industry, William Andrew Publishing, New York, USA, (2001). [4] Standart terminology relating to wear and erosion, Annual book of standarts, ASTM, p.43-250, (1987). [5] ZUMGAHR, K. H., Microstructure and Wear of Materials, Tribology Series, Vol. 10, Elsevier, p. 560, (1987). [6] KARAMIŞ, M. B., Toprak İşleme Aletlerinde İş Organının Aşınmasının Etüdü Doktora tezi, Erciyes Üniversitesi, F.B.E., (1985). [7] ODABAŞ, D., TOPAL, E. S., 100Cr6 Çeliğinin İki Cisimli Abrasif Aşınma Davranışının Kuru veya Sıvı Sürtünme Şartlarında Deneysel Araştırılması, PA.Ü., Mühendislik Fakültesi, 6. Denizli Malzeme Sempozyumu, s. 396-405, (12-14 Nisan 1995). [8] ULUSOY, E., Bazı Toprak İşleme Alet ve Makinelerinde İş Organlarının Aşınması Üzerinde Araştırmalar, Ege Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Yayınları, No: 390, s. 11, İzmir, (1981). 136
[9] ANIK, S., DİKİCİOĞLU, A., VURAL, M., Bakım ve Tamir İşlerinde Kaynak ve Metal Püskürtme, Metal ve Kaynak, Sayı: 49, s. 21-25, (Kasım 1993). [10] SOYDAN, Y. ve ULUKAN, L., Sürtünme ve Aşınma Direnci Ölçme Yöntemleri, 8. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, ODTÜ, s. 581-588, (1988). [11] EYRE, T. S., Friction and Wear Control in Industry, Surface Engineering, Vol. 7, pp. 143-148, (1991). [12] YILMAZ, F., Sürtünme ve Aşınma, 9. Uluslar Arası Metalurji ve Malzeme Kongresi, s. 229-247, İstanbul, Türkiye, (1997). 137