Modelling and analysis corrosion fatigue behaviour of steel wire rope
Çelik tel halatların korozyonlu yorulma davranışının modellenmesi ve incelenmesi
- Tez No: 444192
- Danışmanlar: PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Resim ve Tasarımı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Tel halatlar; asansör, vinç, köprü, teleferik gibi sistemlerde maden işletmelerinde, denizcilikte yük kaldırma ve iletme elemanı olarak yaygın kullanılan ve dinamik yükler altında yüksek derecede zorlanan önemli elemanlardan biridir. Uygulama alanı çok geniş olan tel halatlarda, çalıştırılmaları esnasında belirli bir zaman aralığında meydana gelen mekanik yorulma ve bozulma olaylarına bağlı hasar mekanizmalarının oluşması ve ilerlemesi oldukça karmaşık bir konudur. Tel halatların çalışmaları sırasında yorulmaya neden olacak genel olarak iki çeşit yükleme durumu mevcuttur. Bunlar; çekme-çekme yorulması ve makara üzerine sarılması nedeniyle oluşan eğilme (bending over sheave) yorulmasıdır. Çekme-çekme yorulması, değişken bir çekme yükünün varlığıyla tel halat üzerinde meydana gelen yorulmadır. Eğilme yorulması ise tel halatların büyük bir uygulama alanı bulduğu vinçler ve asansörlerde olduğu gibi statik bir çekme yüküne karşılık tel halatın makaralara sarılmasından (Bending over Sheave, BoS) dolayı meydana gelen dinamik tekrarlı eğilmenin oluşturduğu yorulmadır. Dinamik yüklere maruz tel halatlarda sonlu bir ömür ve farklı ortam ya da farklı çalıştırılma koşullarında ömür kısalması söz konusudur. Yorulma konusunda günümüze kadar klasik silindirik deney numuneleri üzerinde yapılan deneysel çalışmalar sonucunda malzemenin yorulma ömrüne etki eden parametreler belirlenmiştir. Ancak korozyonlu yorulma konusunda klasik silindirik deney numuneleri üzerinde yapılan deneysel çalışmaların sonuçlarına göre belirlenmiş olan bu parametrelerin bazılarının etkisinin farklı yönde olduğu gözlemlenmiştir. Litreratürde klasik silindirik deney numuneleri kullanılarak yapılmış yorulma ve korozyonlu yorulma deneylerine sıklıkla rastlanmaktadır. Buna göre normal yorulma deneylerinde etkin parametrelerin, korozyonlu yorulma deneyleri sonuçlarına göre aynı oranda etkin olmadığı söylenebilir. Tel halatlarda ise yapı klasik deney numunelerinden çok daha karmaşıktır. Bu nedenle gerek yorulma deneylerinin gerekse korozyonlu yorulma deneylerinin neticeleri doğrultusunda tel halatların ömrüne etki eden parametreleri yorumlamak oldukça karmaşık bir konudur. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde ömrü bilinen bir halatın, çalıştırıldığı ortama göre, beklendiğinden çok daha kısa sürede ömrünü tamamladığına dair sonuçların var olduğu görülmüştür. Bu durum emniyetli ve ekonomik çalışma koşulları bakımından incelenmeye değer bir konudur. Bu doktora tez çalışmasında incelenen yorulma türü eğilme yorulmasıdır. Kullanım yerlerine göre çelik tel halatlar, makaralar üzerinde sarılarak çalışmaları nedeniyle eğilme yorulmasına maruz kalmaktadır. Literatürde tel halatlarda eğilme yorulması ile ilgili pek çok çalışma bulunmasına karşın, tel halatların çalışma koşulları gereği kaçınılmaz olan korozyonun halat yorulma ömrüne etkisinin araştırıldığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Korozyonlu yorulma konusunda yapılmış olan çalışmalar ise genellikle klasik silindirik deney numuneleri üzerinde çalışılmış ve hasar mekanizmaları incelenmiştir. Klasik silindirik deney numuneleri kullanılarak yapılan yorulma veya korozyonlu yorulma deneyleri ile çelik tel halat numuneleri kullanılarak yapılan yorulma deneylerini birbirinden ayırmak gerekir. Klasik deney numuneleri ile yapılan yorulma deneylerine göre çatlak çekirdeklenmesinin genellikle parça yüzeyinden başladığı bilinmektedir. Ancak çeşitli şekillerde örülerek veya bükülerek bir araya getirilmiş çok sayıda telin teşkil ettiği halatlarda tek bir yüzey varlığından söz edilemez. İç tellerin birbiri ile teması nedeniyle oluşan kazınmalı aşınma bölgesi de çatlak çekirdeklenmesine sebep olabilir. Bu nedenle tel halatlarda çatlak çekirdeklenmesinin daima dış yüzey bölgesinde oluşabileceğini söylemek doğru bir yaklaşım olmaz. Dolayısıyla hasar mekanizmaları açısından da, klasik deney numuneleri ile tel halatlar arasında önemli farklar olduğu görülmektedir. Bu nedenle klasik silindirik deney numuneleri ile yapılan korozyonlu yorulma deneylerinin neticelerini kullanarak tel halatlarda benzer kabuller ile yaklaşım yapmak doğru değildir. Çalışma koşulları gereği korozyona maruz kalan tel halatlarda eğilme yorulmasında etkin parametrelerin belirlenmesi ile halat ömrünün daha doğru tespit edilebilmesi mümkün olacaktır. Bu durum hem halat imalatçıları açısından hem de çalışma güvenliği ve standart bir muayene metodunun tespit edilebilmesi açısından kritik bir öneme sahiptir. Bu doktora tez çalışmasında, halat eğilme yorulma ömrüne korozyonun etkisini inceleyebimek için halat numuneleri %5 tuz, %95 su bulunan ortamda belirli sürelerde tutulmuştur. Ön korozyon oluşturma aşaması sonucunda 6 x 36 Warrington-Seale halatların 32 (W) x 7 dönme dirençli halatlara göre korozif ortamdan daha hızlı etkilendiği görülmüştür. 32 (W) x 7 dönme dirençli halat konstrüksiyonu teşkil edilirken teller üst üste sarıldığı için korozyonun iç tellere ulaşması için daha fazla zamana ihtiyaç duyulmuştur. Böylelikle aynı ortam koşullarında tutulan iki farklı konstrüksiyona sahip halatın korozyondan etkilenme seviyeleri incelenmiştir. Ön korozyonlu çelik tel halatların yorulma ömrünün kıyaslanabilmesi için her iki halat konstrüksiyonu da aynı korozyon hücresinde belirli sürelerce bekletilmiştir. Ayrıca her iki halat türü için aynı çekme yükü ve aynı makara çapı seçilmiştir. Buna ek olarak, diğer tüm parametler sabit tutularak, 17.0 kN ve 11.7 kN olmak üzere iki farklı çekme yükü uygulanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Böylece çekme yükü değişimi ve korozyon seviyesinin birleşik etkisi araştırılmıştır. Halat eğilme yorulma ömrü üzerinde bir başka etken parametre ise test makarasının çapıdır. Test makarasının çapındaki değişimin korozyonlu numuneler üzerindeki etkisini incelemek için 250 mm ve 170 mm olmak üzere iki farklı çapta makara kullanılmıştır. Her bir korozyon seviyesi, halat konstrüksiyonu ve çekme yükü için deneyler tekrar edilmiştir. Birinci bölümde, literatürde tel halat yorulması ve korozyon konusunda bu çalışmaya referans olabilecek çalışmalar anlatılmıştır. İkinci bölümde, çelik tel halatların genel yapısı, kullanım alanları, imalatı, mekanik özellikleri, konstrüksiyon şekilleri, halat malzemeleri detaylı olartak anlatılmıştır. Üçüncü bölümde, tel halat ömründe etkili parametreler sıralanamıştır. Bu parametreler hakkkında literatürde yer alan çalışmalar sunularak her bir parameter ayrı ayrı tanımlanmıştır. Bu bölümde halat ömrüne etki eden faktörlerden çekme yükü (S), çap oranı (D/d), halat çapı (d), eğilme türü, halat türü, tel anma dayanımı, halat yuvası şekli, halat yuva malzemesi, tel halat kalınlığı, yağlama, işletmede tekrar yağlama, korozyon, halat sarılma açısı, halat kenar sapması, halat öz tipi, sapma açısı, özel halat kullanımı gibi faktörler irdelenmiştir. Dördüncü bölümde tel halatların imalatı ya da çalıştırılması sırasında oluşabilecek halat kusurları tariflenmiştir. Tel halatların servis dışı bırakılması için standartlarda belirtilen izin verilebilir maksimum hasar mertebeleri sunulmuştur. Bu bölümde açıklanan halat kusurları başlıca aşınma, korozyon, halat çapında azalma, demet kopması, tel kopması, elastikiyetin azalması, şekil değiştirme, dalgalanma, kafes oluşumu, demet çıkması, tel çıkması, halat çapında bölgesel büyüme/küçülme, yassılaşma, kıvrılmalar veya gerilmiş ilmekler, bükülme yetersiz yağlama, ısı sebebiyle hasarlanma, tel kırık sayıları ve bu kırık tellerin halat içindeki dağılımı, martenzitik gecrekleşme ve dış etkiler nedeniyle oluşan hasarlar olarak sıralanabilir. Beşinci bölümde, çelik tel halatlar üzerinde farklı seviyelerde korozyon oluşturulmuş ve bu korozyon seviyeleri gösterilmiştir. Eğilme yorulması deneylerinde kullanılan test makinası ve bileşenleri detaylı olarak anlatılomıştır. Ayrıca kullanılan tel halat numunelerinin mekanik özellikleri anlatılmış ve deneylerde kullanılan parametreler seçilme nedenleriyle birlikte sunulmuştur. Ön korozyon oluşturulmuş halat numuneleri eğilme yorulma testine tabi tutulmuş ve deneysel sonuçlara göre, korozyon miktarı artışının yorulma ömnrüne etki eden diğer parametrelerle ortak etkisi anlatılmıştır. Son bölümde, deneylerden elde edilen sonuçlara göre korozif ortamda çalıştırılan tel halatların dinamik yükler altında davranışı yorumlanmıştır. Sonuçlar özetlenmiş ve gelecekte bu konuda çalışacak olan araştırmacılar için tavsiyeler sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Steel wire rope is a critical component in many engineering applications, including cranes, lifts, mine hoisting, bridges, cableways, offshore mooring systems, where is mostly subjected to dynamic loads. Although there are many different compositions of rope available with a range of characteristics to suit the variety of applications, a wire rope consists of a large number of wires spun or twisted together to create complex structures, sharing many parallel load paths, which combine high axial strength and stiffness with flexibility in bending. The simplest geometry of rope will consist of layers of concentric wires around a central wire (termed a spiral strand). More complicated stranded rope, have a double helix arrangement where helically spun strands (usually six or eight) are themselves spun around a core, which is a rope in itself. The greater flexibility of the six strand types of compositions lends well to running rope application. It is well known that a major advantage of such elements is their capacity to support large axial loads with comparatively small bending or torsional stiffness. In nearly all service applications a wire rope will be subjected of dynamic load which causes fatigue. Fatigue loading may split into two categories; a mean tensile load with a superimposed fluctuating tensile load which name is tension-tension fatigue and a static tensile load combined with repeated bending which name is bending over sheave (BoS) or bending fatigue. The great majority of applications, e.g. cranes, lifts, and winches will subject the rope to bending fatigue. Although there are many studies, which have examined the fatigue life prediction based on initial state of the wire rope, it has observed that the wire rope might rupture before the stated fatigue life. The reason of this mostly about the running condition. When the wire rope runs under the atmospheric influences, the fatigue life estimation of it usually not valid. In order to determine the exact lifetime of wire rope, degradation influence such as corrosion, wear, broken wire etc. must be considered. This thesis shows the combine effect of corrosion and fatigue on wire ropes. It reports the outcome of a series of test undertaken on 6 x 36 Warrington-Seale ropes, and 32 Warrington (W) x 7 rotation ressistance ropes, in order to determine their exact fatigue endurance under different conditions. The reason of using two different types of wire rope composition is to show the difference the corrosion influence with respect to way of twisting strands and wires. One of the mayor degredation parameter on wire rope is corrosion. In order to determine corrosion effect on wire rope, all the samples have kept in salty water solution, which consists of 5% salt and 95% water. Then bending fatigue tests have performed for each wire ropes with different level of corrosion, and the data have compared with the reference test results. The other important parameter is tensile load. When the tensile load increases, the fatigue lifetime decreases. However, it is important to determine how much the wire ropes effected by the combination of increasing tensile load, and increasing corrosion level. Another crucial parameter, which examined in this thesis, is diameter ratio D/d. Use a smaller sheave causes the decline on wire rope lifetime. Wire ropes with different level of corrosion have tested in two different sheave diameter. This thesis organized as follows: In the introduction section, available studies about wire ropes have presented and their missing points have discussed. In the next sections, available wire ropes and their properties, important parameters, which are effected lifetime of wire rope, and discard criteria have explained respectively. Further section includes the information about test machines and its components, and specimen properties, which have chosen for this study. Final section includes the results and outlines the most important conclusions.
Benzer Tezler
- Çelik ve alüminyum alaşımlı çekirdekli burkulması önlenmiş çaprazların (BÖÇ) tasarımı, üretimi ve yön değiştiren tekrarlı yükler etkisindeki davranışı
Design, fabrication, and cyclic behavior of steel and aluminum alloy core buckling restrained braces (BRBs)
ÇİGDEM KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Yüksek hızlı darbelere karşı çok tabakalı, karbon elyaf takviyeli kompozit bir zırhın modellenmesi, sayısal ve deneysel olarak analizi
Modeling, numerical and experimental analysis of a multi-layered, carbon fiber reinforced composite armor against high-velocity impact
YELDA ÖZDİL KAÇAN
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiBaşkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER FARUK ELALDI
- Nokta direnç kaynağı ile birleştirilmiş dp1000 çeliğinin farklı yüklerdeki yorulma ömrüne korozif ortamın etkileri
An investigation of the effect of corrosive environment on the fatigue life of dp1000 steel junctioned with resistance spot welding
MUSTAFA GÖKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE DEMİR
- Wear behaviour analysis of different metals by the finite element method
Farklı metallerin aşınma davranışının sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
CANAY DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Eksenel yük altındaki çeşitli çatlaklı ve yay ekli kirişlerde titreşimlerin analizi
Vibration analysis of generally cracked beams with springs and masses and axial load
KAAN ALTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekanizma Tekniği ve Makine Dinamiği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT KARADAĞ