Mekanik sistemlerde temas problemlerinin incelenmesi

Abstract

Verim, belirli bir amaç veya hedefi gerçekleştirmek için zaman, enerji, finans veya malzeme gibi kaynakların optimum kullanımını değerlendiren bir kavramdır. Çıktının girdi değerine oranıdır ve genellikle yüzde olarak ifade edilir veya 0 ile 1 arasında bir değer olarak verilebilir. Başka bir deyişle verim, israfı en aza indirirken hedefe ulaşmak için kaynakların ne kadar etkili kullanıldığının bir ölçüsüdür. Yaygın olarak kabul edildiği gibi, izafi hareket içeren sistemlerde birbiri ile temas halindeki makina elemanları arasında sürtünme meydana gelmektedir. Meydana gelen bu sürtünme enerji kayıplarına sebep olmaktadır. İnsanlık tarihi boyunca toplumlar bu sürtünme direncinin farkında olmuş ve bu direnci yenebilmek için yöntemler geliştirme, çözümler elde etme girişiminde bulunmuştur. Malzeme teknolojisinin gelişmesi, yeni konstrüksiyonların oluşturulması, mevcut sistemlerin daha verimli hale getirilmesinin amaçlanmasında bu farkındalık büyük bir itki kuvveti oluşturmuştur. Günümüzde dünya çapında üretilen enerjinin yaklaşık olarak dörtte biri meydana gelen sürtünme direncini yenmek için harcanmaktadır veya sürtünme direnci sebebiyle ısıl kayıp olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kayıplar ele alındığında küresel ölçekte ciddi bir enerji miktarı ile karşı karşıya kalınmaktadır. İzafi hareketli sistemlerde yapılacak iyileştirmeler ile bu kayıpları azaltabilmek enerji kaynaklarının verimli kullanılmasını sağlayacaktır. Gelecek nesillerin yakın gelecekte bile ciddi bir enerji problemi yaşayacağı göz önünde bulundurulduğunda enerji kaynaklarının yerinde ve verimli kullanımı insanlığın büyük kazanımlarından biri haline gelmektedir. Birçok sistemde makina karakteristiği ile sürücü motor karakteristiği uyumlu olmadığından birbiri ile doğrudan bağlanmaya uygun değildir. Bu uyumu oluşturulabilmek için hız moment dönüşümü sağlayabileceğimiz mekanizmalar kullanılmaktadır. Hız moment dönüşümünü gerçekleştiren mekanizmalardan ilk akla gelenler kayış kasnak mekanizmaları, zincir mekanizmaları ve dişli çark mekanizmalarıdır. Bu mekanizmalardan dişli çarklar şekil bağlı olmaları, yüksek mukavemete sahip olmaları ve birim hacimde daha yüksek güç aktarma kabiliyetleri sebebiyle ön plana çıkmaktadır. Güç iletimini Watt'tan Megawatt seviyelerine kadar sağlayabilen çeşitli tipleri ve ebatları mevcuttur. Dişli çark mekanizmaları oyuncaktan rüzgâr türbinlerine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Kullanım alanlarına bağlı olarak çeşitli dişli tipleri, dişli çifti malzemeleri ve imalat kaliteleri ile dişli kutuları adı verilen dişli çark mekanizmaları oluşturulabilmektedir. Ödeve özel dişli kutuları tasarlanabileceği gibi ticari açıdan belli dönme hızı ve yükler için hazırlanmış dişli kutuları da mevcuttur. Bu sayede modüler olarak uygun dişli kutusu seçimleri yapılabilmekte ve motor-makina uyumuna göre performans açısından işlevi yerine getirebilecek kurulumlar gerçekleştirilebilmektedir. Otomotiv sektöründen inşaat sektörüne, makina endüstrisinden tekstile kadar hemen her alanda dişli kutuları ile karşılaşılmaktadır. Dişli kutularının güç aktarımında yaygın kullanımı sonucunda bu mekanizmalardaki sürtünme kayıplarının küresel ölçekteki genel enerji kayıpları içerisindeki payı kayda değer bir yer almaktadır. Dişli kutularındaki bu kayıplar, dişli çark çiftlerindeki diş sürtünmesinden, sızdırmazlık elemanlarındaki sürtünme direncinden, yuvarlanma elemanlı yataklardaki sürtünmeden ve sistemde kullanılan yağlayıcının etkisinden kaynaklanabilmektedir ve bunların tümü çevre koşullarından da etkilenmektedir. Bu sebeple bu enerji kayıplarını hesaplayabilmek birçok parametreye sahip çözümü zor bir hal almaktadır. Her bir eleman için literatürde yoğun çalışmalar yapılmış ve eleman performansları, çalışma iyileştirmeleri, hasar mekanizmaları vesair konularda geliştirmeler gerçekleştirilmiştir. Dişli çarklar özelinde dişli malzemeleri, diş profilleri, dişli imalat iyileştirmeleri alanlarında birçok çalışma bulunmaktadır. Bununla birlikte dişli çarklarda yağlama konusunda akademik ve ticari alanda yapılmış çalışmalar mevcuttur. Aynı şekilde sızdırmazlık elemanlarında ve yuvarlanma elemanlı yataklarda sürtünme direnci oluşumundaki etkiler çalışılmış, bu çalışmalar neticesinde sızdırmazlık elemanı geometrilerinin nasıl şekillendirileceği, bu geometrideki değişikliklerin etkilerinin incelendiği araştırmalar oluşturulmuştur. Yuvarlanma elemanlı yataklarda da benzer şekilde yatak tiplerinin geometrilerindeki değişikliklerin sürtünme direnci açısından incelendiği çalışmalar ile verimin iyileştirilmesi yönünde adımlar atılmıştır. Yuvarlanma elemanlı yatakların yağlanma koşulları ve sürtünme direncinin azaltılması amacıyla modeller geliştirilmiştir. Ancak herhangi bir eleman için yapılan gerek geometrik gerekse çalışma koşullarındaki iyileştirmeler diğer bir eleman için çalışma performansını kötüleştirebilmektedir. Hatta bazı durumlarda eleman bazında kötü olarak düşünebileceğimiz eksen kaçıklıkları veya geometrik tolerans hataları diğer elemanlardaki montaj hataları veya imalat hataları ile birleşerek genel performans iyileşmesini sağlayabilmektedir. Tüm bu bilgiler ışığında dişli kutularındaki elemanları tekil olarak incelemenin dişli kutusu verimini iyileştirme açısından yetersiz kalacağı ve sadece incelenen elemanın performansı ile sınırlı kalacağı gerçeğini ortaya çıkarmaktadır. Bu durum dişli kutuları gibi çok sayıda makina elemanından oluşan bir sistemin, bütün olarak incelenmesi gereksinimini doğurmuştur. Bununla birlikte tüm etkenlerin göz önünde bulundurularak verimin sayısal olarak hesaplanabilmesi zor bir problem haline gelmektedir. Her ne kadar literatürde bu hesaplamalar hakkında yaklaşımlar bulunsa da tekil ölçümlerde dahi deneysel çalışmanın verdiği sonuçlar ile doğrulanmadan kullanılmaları pek mümkün olamamaktadır. Birçok hesaplamada ise düzeltme katsayıları ile yapılan matematiksel hesaplamaların düzeltilmesi ihtiyacı oluşmaktadır. Bu çalışma, dişli kutusunu tüm bileşenleri ile ele alarak, dişli kutusunun çeşitli çalışma koşullarındaki verimini deneysel olarak belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu sayede dişli kutularının verim odaklı en uygun çalışma aralığının belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda bir dişli kutusunun verimini elde edebilecek bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Deneylerin yapılabilmesi ve ölçümlerin yapılıp kaydedilmesi ölçüm sistemine uygun bir arayüz oluşturularak yazılım desteği ile gerçekleştirilmiştir. Ölçüm sistemi iki adet moment transdüseri, elektrik dirençli yük motoru, sıcaklık ölçüm sensörü, bir elektrik motoru ve iki kademeli helisel dişli kutusundan oluşmaktadır. Dişli kutusu giriş milinden okunan moment ve dönme hızı değerleri ile dişli kutusunun çıkış milinden okunan moment ve dönme hızı değerlerinden eş zamanlı olarak giriş ve çıkış güçleri hesaplanmış ve çıkış gücünün giriş gücüne oranı ile verim elde edilmiştir. Veriler toplanırken asenkron olarak çalışan elektrik motorunun kaymasından doğabilecek anlık veri akış problemlerini en aza indirebilme amacıyla veriler 1024 Hz'te toplanarak kaydedilmiştir. Bu çalışma açısından mevcut bir dişli kutusunda herhangi bir makina elemanını değiştirmeden sadece çalışma koşullarının verime olan etkisi ele alınmak istenmiştir. Bu doğrultuda parametre olarak dişli kutusu girişindeki dönme hızı, yağlayıcı sıcaklığı ve yağlayıcı seviyesi ile yağ tipi seçimleri yapılmıştır. Parametreler belirlendikten sonra parametre sayısı ve her bir parametredeki seviye dikkate alınarak deneysel tasarım oluşturulmuştur. Parametrelerin ve parametre seviyelerinin verime etkileri genel bir tam faktöriyel tasarım kullanılarak incelenmiştir. Bu parametrelerin her biri için farklı değerlerde sistem çalıştırılarak parametrelerin ve parametre seviyelerinin verime etkilerine bakılmıştır. Bilgisayar komutları ile yapılan deneylerde giriş devirleri 700 ile 2700 devir/dakika aralığında 400 devir/dakika'lık değişiklikler ile kademeli olarak arttırılarak 700, 1100, 1500, 1900, 2300 ve 2700 devir/dakika hızlarında 6 farklı kademe kullanılmıştır. Ayrıca dişli kutusunda farklı yağlayıcı miktarlarında deneyler yapılmıştır. Mevcut dişli kutusunun tasarımı göz önünde bulundurularak 150, 200, 250, 300 ve 400 ml yağ miktarları deneylerde kullanılmıştır. Aynı zamanda yağ sıcaklığı, deney öncesinde 25, 30 ve 35 ℃ seviyelerinde koşullandırılmış ve deney esnasında da ölçümler yapılarak dişli kutusu verimine etkisi araştırılmıştır. Ardından farklı viskozite indekslerine sahip yağlayıcıların sisteme ve verime etkisini görebilmek amacıyla VG220 ve 5W30 yağları kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Görüleceği üzere birbirinden farklı 180 kontrollü deney oluşturulmuştur. Deneyler tekrarlı şekilde yapılarak deneylerin doğruluğu ve tekrarlanabilir olmasına dikkat edilmiştir. Doğrulama tekrarları ile birlikte bir dişli kutusu için yaklaşık 400 deney gerçekleştirilmiştir. Bu deneysel tasarım sonucunda her durum için rejim verim değerleri elde edilmiştir. Böylece dişli kutusu sisteminin farklı çalışma koşullarında sergilediği davranış ve sistemdeki güç kaybı tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar istatistiki olarak değerlendirilmiştir. Varyans analizi (ANOVA) tabloları oluşturularak parametrelerin birbirleriyle etkileşim halinde olup olmadığı kontrol edilerek parametrelerin sistem üzerindeki etkileri ve verim sonuçları belirlenmiştir. Buradan elde edilen bulgular ile regresyon analizi yapılmış ve bir dişli kutusunun verimini öngörmek için tahmine dayalı bir model geliştirmek amacıyla regresyon fonksiyonu elde edilmiştir. Sonuç olarak matematiksel olarak yapılan hesaplamalarda dönme hızı ve sıcaklık gibi gövde yapısının bile etkili olabileceği parametreler deneysel olarak anlamlı bağıntılar haline getirilmiş ve hızlı çözüm elde etme seviyesinde incelenebilecek bir model oluşturulmuştur.