Döner mil keçelerinin dinamik davranışının sonlu elemanlar yöntemiyle analizi

Abstract

Sızdırmazlık çok eski zamanlardan beri ihtiyaç duyulan bir kavramdır. İnsanlar eski çağlarda deri, yün gibi malzemeleri kullanarak kendilerine sızdırmazlık çözümleri üretmişlerdir. Günümüzde ise makine elemanları sınıfına ait olan döner mil keçeleri çok sık kullanılan sızdırmazlık elemanlarındandır. Döner mil keçeleri endüstri, otomotiv, savunma, beyaz eşya ve havacılık gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu farklı uygulamaların değişik çalışma şartlarında sızdırmazlık ihtiyaçları mevcuttur. Bu yüzden keçeler birden çok parametreyi kapsayacak şekilde sızdırmazlık sağlamak zorunda kalabilmektedir. Bu çalışma kapsamında sıcaklık, aşınma ve dinamik eksen kaçıklığı(titreşim) parametrelerini dikkate alan kapsamlı bir sonlu elemanlar modeli Ansys’ de kurulmuştur. Kauçuk malzeme modeli tek eksenli gerilme testinden elde edilen verilerle iki parametreli MooneyRivlin katsayıları ile tanımlanmıştır. Kauçuk malzemenin yağ içindeki sürtünme katsayısı, ısıl genleşme katsayısı, ısıl iletkenlik, özgül ısı değerleri ve Archard aşınma katsayısı deneysel olarak elde edilmiştir. Sonlu elemanlar modeli iki ve üç boyutlu olarak oluşturulmuştur. Sıcaklık ve aşınma modeli iki ve üç boyutlu geometride oluşturulabiliyorken, dinamik eksen kaçıklığı sadece üç boyutlu geometride oluşturulabilmektedir. Keçe aşınma deneyinde, dinamik eksen kaçıklığı olmayan bir mil kullanılmış ve termal kamera yardımıyla keçe dudağının mil devrine göre değişen sıcaklık grafiği elde edilmiştir. Bu sıcaklık sadece keçe ile mil sürtünmesinden kaynaklanan sıcaklık artışıdır. Deneyde ekstra bir sıcaklık girişi yapılmamıştır. Sıcaklığın keçe dudağında oluşturduğu etkiyi dikkate alabilmek için sıcaklık analizi sonucu, dinamik analize ön gerilme olarak verilmiştir. Sonrasında çapta 0,2 mm eksen kaçıklığı olan bir mil ile deneysel olarak keçe dudağının çevresel olarak nasıl aşındığı incelenmiştir. Her iki durum için Archard aynı aşınma katsayısı kullanılarak sonlu elemanlar programında doğrulama analizleri yapılmıştır. Doğrulanan model üzerinden aşınma etkisini azaltmak adına keçe dudağı profilinde açı farkı oluşturulmuştur. Dinamik eksen kaçıklığı(titreşim) altında keçenin mili izleyebilme kabiliyetini arttırmak adına keçe dudağına yay gibi görev yapabilecek ince bir boğaz tasarlanmıştır. Sonrasında ise titreşim altında aşınma etkisini görebilmek için iki tasarım birleştirilmiştir. Analiz sonuçları incelendiğinde standart profilli keçenin titreşim altında mil izleme kabiliyetinin yavaş olduğu, yeni tasarlanan profilli keçenin ise hassas bir şekilde mili izleyebildiği görülmüştür. Bu yavaş dudak hareketi mil ile arasındaki temas basıncının anlık olarak yok olmasına ve muhtemel yağ kaçaklarına sebep olmaktadır. Standart profilli keçe ile tasarlanan keçe sonlu elemanlar modelinde zorlayıcı bir aşınmaya maruz bırakılmış ve tasarlanan keçenin, standart profilli keçeye göre daha geç aşınma başlangıcına sahip olduğu görülmüştür. Buna paralel olarak analiz sonucunda tasarlanan keçede aşınan dudak mesafesinin de daha az olduğu görülmüştür.