Kelebek vana tasarımında yapısal optimizasyon ve alternatif malzeme kullanımının değerlendirilmesi

Abstract

Günümüz dünyası ve endüstriyel koşullarında, enerji ve hammadde fiyatlarında tasarrufa gidebilmek ciddi önem arz etmekte ve makine-imalat sanayisindeki üreticileri bu konuda araştırma yapmaya teşvik etmektedir. Talaşlı imalat sonucu ortaya çıkan hurda talaşlar ve diğer prosesler sonucu ortaya çıkan malzemeler, ciddi bir malzeme kaybı ve bertaraf problemi oluşturmaktadır. Bunun için, özellikle dökme demir ve çelik talaşlarının yeniden kullanılabilmesini sağlayacak metotlar geliştirilmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, kelebek vana üretiminde sıklıkla kullanılan SDD talaşları ve araldit malzeme kullanılarak, alternatif malzeme üretimleri yapılmış, ayrıca var olan tasarım optimize edilerek, malzeme kullanımı azaltılmak istenmiştir. Kelebek vanalar, basınç ve çap sınıflarına göre tanımlanırlar, bu sınıfların belirlenmesi ise, vananın kullanılacağı sektör ve çalışma koşullarına bağlı olarak değişebilmektedir. Standart bir kelebek vananın çalışma sıcaklık aralığı -10°C ile 110°C arasındadır. Basınç ve çap sınıfları ise, kullanılacak olan alana ve akışkan basınç değerine göre çok sayıda alternatif içermektedir. Kelebek vanaların geniş kullanım alanından dolayı, özellikle sıvı dağıtım sistemleri, gemicilik, petrol endüstrisi ve diğer çok sayıda alanda akışkan kontrol maliyetleri ciddi oranda artırmaktadır. Bu sebepten, mümkün ise kelebek vana üretim maliyetlerini azaltmak, yapısal tasarım optimizasyonu sağlamak ve alternatif malzemeleri değerlendirmek bu sektörler için ciddi önem arz etmektedir, ancak kelebek vananın yapısal bütünlüğü bozulmamalıdır. Standart bir kelebek vana temel olarak gövde, klape, ayna-kol takımları, sızdırmazlık elemanları, üst ve alt mil bölümlerinden oluşmaktadır. Özellikle, malzeme kullanım miktarının fazla olduğu gövde, klape ve üst-alt mil bölümlerinde optimizasyon sağlamak önemli bir adım olacaktır. Bu çalışmada, özellikle su arıtma sistemleri ve kâğıt endüstrisinde geniş bir kullanım alanı olan, maksimum 16 bar basınçta çalışabilen ve 65 mm anma çapına sahip olan, DN65 vulkanize kelebek vana incelenecektir. Sızdırmazlık elemanı olarak, vulkanizasyon ile elde edilmiş polimer contalar kullanıldığından, kelebek vana bu şekilde adlandırılmaktadır. Çalışma sistematiği belirlenirken, iki farklı tip çalışma yürütülmüştür. İlk çalışmada, hali hazırda var olan kelebek vana tasarımı incelenmiş ve bu tasarıma sonlu elemanlar analizi metodları uygulanarak, yapı üzerine gelen yükler ve gerilme değerleri belirlenmiştir. Sınır koşulları ve yapısal bütünlüğü bozmamak amacı ile değişiklik yapılmayacak bölgeler tanımlanmış, topoloji optimizasyonu ile kalınlık azaltılacak alanlar tespit edilmiştir. Temel olarak, kelebek vana gövdesi, klape ve üst-alt mil bölümlerinde çalışmalar yürütülebileceği belirlenmiş, inceltilmiş tasarıma tekrar sonlu elemanlar yöntemleri uygulanarak, sonuçların doğruluğu teyit edilmiştir. Literatürde yapılan benzer çalışmalardan farklı olarak, inceltilmiş vana numunesinin üretimi gerçekleştirilmiş, üretim koşullarında maruz kalınan kuvvetler ile vana test edilmiş, gövdede ortaya çıkan deformasyon değerleri ve yapısal bütünlük konusu teyit edilmiştir. Yapılan bu ilk çalışmada ortaya çıkan temel bir konu ise, özellikle üst-alt mil ve klape kısmında yapılabilecek optimizasyon çalışmalarının, üretim yöntemi ve tasarım kısıtları sebebi ile deneysel olarak gerçekleştirilememiş olmasıdır. Bu bölüm, ileride üzerine çalışılabilecek bir konu olarak belirlenmiştir. İkinci çalışmada ise, kelebek vana üretim süreçlerinde kullanılan veya atık olarak ortaya çıkan malzemeler kullanılarak, deney numuneleri hazırlanmış, bu numunelere çekme ve basma testleri uygulanarak mekanik özellikleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Burada ilk olarak, döküm ile üretilen kelebek vana gövdesi için, döküm modeli yapmakta kullanılan ve termoset bir malzeme olan araldit kullanılmıştır. Döküm yöntemi ile araldit malzemeden basma testi numuneleri oluşturulmuş ve mekanik özellikleri deneyler ile belirlenerek, gövde üretiminde kullanılabilirliği tartışılmıştır. Daha sonrasında ise, talaşlı imalat süreçleri sonucunda ortaya çıkan sfero dökme demir talaşları ve araldit malzeme karıştırılarak, polimer matrisli bir kompozit malzeme üretimi denemesi yapılmış ve basma testi numuneleri üretilmiş, deneyler sonucunda mekanik özellikler elde edilerek, vana gövdesinde kullanılabilirliği tartışılmıştır. Buna ek olarak, araldit-sfero dökme demir talaşı ve dolgu kumu karışımından basma testi numuneleri üretilerek deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu üç malzeme üretim denemesinde, test standardı olarak DD695-15 kullanılmıştır. Üretilen malzemelerin yapısında gözenek bulunması, homojen olmaması ve numunelerinin silindirik olmasından kaynaklı olarak, basma testi tercih edilmiştir. Bu çalışmanın bir kapsamı olarak, üretim aşamaları sonucunda ortaya çıkan ve pik dökme demir talaşları, herhangi bir yüzey temizleme ve ayrıştırma işlemine tabi tutulmadan, bağlayıcı kullanımı olmaksızın farklı kuvvetlerdeki soğuk/ılık presleme sonucunda briket numuneleri haline getirilmiştir. Son olarak, sfero dökme demir ve bağlayıcı malzeme kullanımı ile, soğuk/ılık presleme metodları kullanılarak, kübik numuneler elde edilmiştir. Tüm testler için, ASTM D3039 standardı kullanılarak basma testi gerçekleştirilmiştir. Basma testinin tercih edilme sebebi ise, elde edilen numunelerin homojen olmayan ve gözenekli yapısıdır. İkinci çalışmada ortaya çıkan temel sorunlar, genel olarak üretilen malzeme ve numunelerin çoğunun ilk defa deneniyor olması ve literatürde örneğinin olmamasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca hurda talaşların malzeme içindeki yönlenmesinin farklı olması ve yöne bağlı olarak numune dayanımının etkilenebilmesi, standart bir ölçüm yapmayı zorlaştırmaktadır. İlk aşamada, alternatif malzeme denemelerinin seri üretime uygun bir şekilde üretilememesi de ayrı olarak araştırılması gereken bir konudur. Elde edilen bulgularda, özellikle soğuk/ılık presleme ile elde edilen numunelerin, bazı proses iyileştirmeleri ile vana gövdesi olarak kullanılabileceği görülmüştür. Diğer yöntemler sonucu üretilen malzemeler ise, vana gövdesi olarak kullanılamasa da kuvvete maruz kalmayan vana elemanlarının üretiminde kullanılabilir. Yapılan iki farklı tip çalışma sonucunda, vulkanize kelebek vana yapısal tasarım optimizasyonu ve alternatif malzeme geliştirilmesine yönelik bir metodoloji elde edilmiş, bunun sonucu olarak da gerek var olan tasarımın iyileştirilmesi, gerekse tasarım malzemelerinin değiştirilmesi hususunda belirli bir birikim oluşturulmuştur. Yapılan incelemelerin, endüstrideki seri üretime uygunluğu, elde edilen malzemelerin ekonomik olarak üretilip üretilemeyeceği, farklı sektörlerdeki uygulamaları konusunda pratik oluşturulması, ileride incelenebilecek konular olarak tespit edilmiştir. Buna istinaden, akışkan kontrolü sağlayan vanalar üzerinde yapılacak optimizasyon ve alternatif malzeme belirleme çalışmalarına yönelik bir sistematik oluşturma amacı güdülmüştür. DN65 vana için uygulanan çalışmalar, diğer vana tipleri için de benzer koşullarda sürdülebilir.