Noise and friction characteristics of polymer ball bearings

Bilyalı polimer yatakların gürültü ve sürtünme karakteristikleri

PDF İndir

Tez No: 507445
Yazar: ALİYYE KARA
Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2018
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 109

Özet

Polimer yataklar, metal yataklardan farklı olarak sunduğu özellikler nedeniyle belli kullanım alanlarında tercih edilmektedir. Yüksek korozyon ve kimyasal direncine sahip olmaları, hafif olmaları, yağsız çalışabilmeleri, düşük sürtünme katsayıları ve yüksek titreşim sönümleme özellikleri polimer rulmanları öne çıkartan üstünlüklerdir. Bu özellikleriyle tıp ve yemek endüstrisi gibi metal rulmanların kullanımının uygun olmadığı alanlarda yaygınlaşmaktadır. Ancak polimer rulmanların üstünlüklerine rağmen çalışma koşullarını sınırlayan olumsuz yanları da bulunmaktadır. Polimer malzemeler, metal malzemelere göre daha düşük sıcaklık dayanımına sahiptirler. Bu nedenle sıcaklık, hız ve yükleme koşullarının değişmesi polimer rulmanların tribolojik davranışını öngörülemeyen ölçüde değiştirebilmektedir. Polimerlerin sürtünme davranışlarının sıcaklık, hız ve yükle olan karmaşık ilişkisi, polimer rulmanların çalışma davranışının anlaşılabilmesi için çeşitli koşullarda deney yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Metal yuvarlanmalı yatakların gürültü karakteristikleri pek çok çalışmada incelenmiş olmakla beraber bilyalı polimer yatakların gürültüsüne ilişkin yeterli çalışma bulunmadığı gözlemlenmiştir. Metal malzemeden yapılmış yuvarlanmalı yatakların gürültü frekanslarının, yatak dinamiğiyle ilişkisi yapılagelen çalışmalarda analitik olarak ifade edilmeye çalışılmıştır. Benzer şekilde polimer malzemelerin tribolojik özelliklerinin araştırılması ise literatürde büyük bir yer kaplamaktadır. Polimer bilyalı yatakların deneysel olarak incelendiği bu çalışma kapsamında farklı çalışma koşullarında sürtünme momenti ve gürültü karakteristiklerinin değişimi ele alınarak çeşitli çıkarımlarda bulunulmuştur. Yapılan üç farklı hız, dört farklı sıcaklık ve üç farklı radyal yükleme koşulunda üç çeşit bilyalı polimer yatak test edilmiştir. Çalışmanın iki yönü bulunmaktadır: Çalışma koşulları olarak adlandırdığımız çeşitli hız, yük ve sıcaklık koşullarının bilyalı polimer yatakların ses basınç düzeyine ve sürtünme momenti karakteristiklerine etkisi; ses basınç düzeyine bilyalı yatak bileşenlerinin malzeme çeşidinin etkisi. Çalışma devirleri, polimer sürtünmesinin hızla olan ilişkisi göz önünde bulundurularak 450 rpm, 900 rpm ve 1300 rpm olarak seçilmiştir. Test yüklerinin belirlenmesi, bilyalı polimer yatakların üretici kataloğunda verilen dinamik yük kapasitesine göre hafif, orta ve ağır yük bölgesi hesaplanarak yapılmıştır. Sıcaklık koşulları polimer malzemelerin çalışma aralığı içerisinde kalacak şekilde seçilmiştir. Seçilen bu sıcaklıklar herhangi bir ısıtma olmadığı duruma karşılık gelen T0 (22ᵒC±3ᵒC); rezistanslarla ısıtılarak elde edilen sıcaklık değerleri olarak T1(50±5ᵒC), T80(80±5ᵒC) ve T2(100±5ᵒC)'dir. Bununla birlikte B3 yatağı özelinde T3(135ᵒC±5ᵒC) sıcaklığında test yapılmıştır. Çünkü PEEK bilezik malzemesine sahip B3 rulmanı POM bileziğe sahip B1 ve B2 yatağına göre daha yüksek sıcaklıklara dayanabilmektedir. Çalışmada malzeme etkisini gözlemlemek amacıyla kullanılan üç yatak çeşidi ve bileşenleri şu şekildedir: 1) POM bilezik, çelik bilya ve PA kafes; 2) POM bilezik, cam bilya ve PA kafes; 3) PEEK bilezik, çelik bilya ve PA kafes. 1. yatak ile 2. yatak verileri arasında bilya malzemesinin etkisi, 1. yatak ile 3. yatak verileri arasında ise bilezik malzemenin etkisi söz konusudur. Bahsedilen deneyleri gerçekleştirebilmek amacıyla bir düzenek tasarlanmıştır. Düzenekte polimer yatağın bağlı olduğu mil, elektrik motoru tarafından tahrik edilmektedir. Motor çıkışındaki moment sensörünün öncesine ve sonrasına esnek kaplin yerleştirilerek olası eksen kaçıklıklarının etkisinin en aza indirilmesi hedeflenmiştir. Test numunesini taşıyan mil, iki adet yuvarlanmalı yatakla desteklenmiştir. Polimer test yatakları, içine yerleştirildiği alüminyum göbeğin ısıtılması vasıtasıyla istenen sıcaklık seviyelerine çıkarılmıştır. Alüminyum göbek ise çevresel olarak açılan deliklere dört adet fişek rezistansın yerleştirilmesi ile ısıtılmıştır. Sıcaklık ölçümü ise alüminyum göbeğin dışından polimer yatağın dış bileziğine yakın bir mesafeye kadar açılan bir kanal içerisine yerleştirilen K tipi termokupl ile alınmıştır. Ses basınç düzeyi ölçümleri ½" çapında mikrofon takılı el tipi cihazla 1/3-oktav bandında 6,3Hz – 12,5 kHz arasında cam yünü ile kaplı akustik bir kutuda gerçekleştirilmiştir. Test rulmanı ve alüminyum göbek, akustik kutu içerisine sokularak gürültü ölçümlerinin dış etkenlerden olabildiğince az etkilenmesi hedeflenmiştir. El tipi ses düzeyi ölçüm cihazı, tripod vasıtasıyla akustik odanın sabit bir noktasından ölçüm alacak şekilde yerleştirilmiştir. Ayrıca motor çıkışına bağlanan moment sensörü ile sürtünmeye bağlı moment değişimleri ölçülerek ses basınç seviyesi ile arasındaki ilişki tespit edilmeye çalışılmıştır. Çalışma sonucunda ses basınç seviyesindeki ve sürtünme momentindeki değişimler yorumlanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla, polimerlerin tribolojik özelliklerine ilişkin teori ve çalışmalardan yararlanılmıştır. Ancak ses basınç seviyesinin değişiminde çalışma koşullarının tribolojik özelliklere olan etkisinin yanı sıra, rulman dinamiklerine olan etkisi de göz önünde bulundurulmalıdır. Makinalardaki gürültünün başat sebeplerinden biri sürtünmedir. Çalışma özelinde kullanılan polimer malzemelerin sürtünme bileşenleri adezyon ve histerisiz sürtünmesidir. Çalışma koşulları, bu bileşenlerden hangisinin baskın olacağı konusunda etkilidir. Düşük hızlarda ve yağsız çalışma koşullarında sürtünmenin adezyon bileşeni baskınken yüksek hızlarda histerisiz bileşeni baskın hale gelmektedir. Öte yandan sürtünme kaynaklı titreşimlerin oluşturduğu gürültü literatürde yaygın olarak üç mekanizma ile açıklanmaktadır: Tutma-bırakma, kitleme-bırakma ve negatif hız-sürtünme ilişkisi. Bunlardan tutma-bırakma mekanizması sürtünmenin adezyon bileşeninde kendini göstermektedir. Dolayısıyla düşük hızlarda tutma-bırakma mekanizmasının etkin olması beklenmektedir. Ayrıca yapılan deneylerde hız arttıkça sürtünme momentinin her zaman artmadığı görülmüştür. Bu da tutma-bırakma mekanizmayla birlikte negatif sürtünme-hız ilişkisinin de açığa çıkan gürültüde etkin rol oynadığı şeklinde yorumlanmıştır. Brüel Kjaer 2260 ses seviyesi ölçüm cihazıyla elde edilen ses basınç seviyeleri üç farklı değişken açısından değerlendirilmiştir. Bunlardan ilki olan hızın ses basınç seviyesine etkisi değerlendirildiğinde her üç yatak için tüm sıcaklık ve frekans değerlerinde hız arttıkça ses basınç seviyesinin arttığı net olarak gözlenmiştir. Bu sonuç literatürdeki bulgularla da uyumludur. İkinci değişken olarak radyal yükün, yatakların ses basınç seviyelerine etkileri farklı çalışma sıcaklıklar için ele alınmıştır. Radyal yüklemenin hafif ve orta yük değer aralığında ses basınç seviyesini önemli ölçüde etkilediğinden bahsedilemese de ilk yükleme değerleri için artış eğiliminden bahsedilebilir. Farklı sıcaklıkların denenmesi bu sonucu değiştirmemiştir. Fakat bu yorumun, B1 ve B2 yatağının 100°C'deki SPL değerlerinde farklı davranış gösterdiği görülmüştür. Çünkü rulmanı çevreleyen göbek 100°C'ye ısıtılıp, radyal yüke maruz bırakıldığında rulmanın işlevini yitirdiği tespit edilmiştir. Belirtilen değerler kısa süreli çalışma için PV değerlerinin altında kalsa da çalışma esnasında rulman bileşenlerinin lokal sıcaklıklarının çok yüksek seviyelere çıkmış olmasının bu sonuca yol açtığı şeklinde yorumlanmıştır. Bu nedenle B1 ve B2 yatağı önceki denemelere ek olarak 80°C'de de test edilmiştir. Üçüncü olarak sıcaklığın etkisi her üç bilyalı yatak için de farklı çalışma devirlerinde incelenmiştir. Ancak bilyalı yatakların sıcaklıkla olan ilişkilerinin ortak olmadığı görülmüştür. Bu nedenle her üç yatak ayrı olarak yorumlanmıştır. B1 ve B2'nin SPL değerleri sıcaklık karşısında benzer yönde hareket ederken B3 yatağının SPL değerleri hem B1 ve B2 yatakları ile hem de kendi içinde tutarsızlık teşkil etmiştir. Üç tip bilyalı yatak arasından B3 yatağının en yüksek ses basınç seviyesine sahip olduğu görülmüştür. B1 ve B2 yatağı birbiri ile kıyaslandığında hız arttıkça cam bilyalara sahip B2 yatağının B1 yatağına kıyasla daha fazla ses basınç seviyesine ulaştığı gözlemlenmiştir. Bilyalı yatakların net sürtünme momentleri incelendiğinde sıcaklıkla değişim eğrilerinin karakteristiği literatürdeki çalışmalarla eşleşmiştir. Ancak hız ve yükle sürtünme momentinin değişimi farklılıklar göstermiştir. Sürtünme momentiyle ses basınç seviyeleri kıyaslandığında bir benzerlikten söz etmek olası değildir. Elde edilen sürtünme momentiyle ses basınç seviyeleri arasındaki ilişkinin daha dolaylı olduğu sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

Polymer bearings are preferred in certain areas due to their superior properties to metal bearings. They have high corrosion and chemical resistance, they are light, they can work without oil. In addition to this, low friction coefficients and high vibration damping properties are the advantages that polymer bearings stand out. With these qualities, it becomes widespread in areas where the use of metal bearings such as the medical and food industry is not suitable. However, despite the advantages of polymer bearings, there are also negative aspects that limit working conditions. Polymer materials have lower temperature resistance than metal materials do. For this reason, changes in temperature, speed and loading conditions can change the tribological behavior of polymer bearings. The complex relationship of the friction behavior of polymers with temperature, speed, and load makes it necessary to test with various conditions in order to understand the running behavior of polymer bearings. In this experimental study of ball bearings made of polymers, variation in friction moment and noise characteristics in different operating conditions are of interest. Three types of polymer ball bearing were tested at three different rotational speed, four different temperature value, and three different radial loading condition. There are two aspects considered in this study: How the working conditions (i.e. speed, load and temperature) affect the sound pressure level and friction torque of the polymer ball-bearing; the effect of the material content of the components of the ball bearing on the sound pressure level. The three types of bearings used to examine the material effect in the study are: 1) POM rings, steel ball, and PA cage; 2) POM rings, glass ball, and PA cage; 3) PEEK rings, steel ball, and PA cage. The influence of the ball material was investigated by comparing the noise characteristics of the bearing-1 and the bearing-2. The effect of ring materials was investigated by comparing the data of bearing-1 and bearing-3. The operating speeds were selected as 450 rpm, 900 rpm, and 1300 rpm. The determination of the test loads was made by calculating the light, medium and heavy load zones according to the dynamic load capacity given in the manufacturer's catalogue of the polymer ball bearings. The temperature conditions were chosen to remain within the working range of the polymer materials. The test temperatures were T0 (22ᵒC±3ᵒC), T1(50±5ᵒC), T80(100±5ᵒC), and T2(100±5ᵒC). Also, B3 was tested under T3(135ᵒC±5ᵒC) condition as its ring material PEEK and resistant to higher temperatures than POM. A test apparatus was designed in order to carry out the experiments. In the apparatus, the shaft to which the polymer bearing was mounted was driven by an electric motor. It was aimed to reduce the effect of possible axial misalignment by placing a flexible coupling before and after the moment sensor at the motor output. The shaft was supported by two ball bearings. The polymer test bearing was mounted into the bore of an aluminum hub. The polymer test bearings were heated up to the desired temperature levels by heating the aluminum hub. The aluminum hub has four bores for the purpose of fixing up the flat cartridge heaters. It has also hook having a screw which enables us to apply a radial load on bearing. The temperature measurement was performed with a K-type thermocouple placed in the hole from outside of the aluminum hub to a distance close to the outer ring of the polymer ball bearing. An acoustic box having 85x170x170 cm dimensions had been used for sound level measurements. The acoustical box isolates the test bearing from the environmental sound which is over 400 Hz. Sound pressure level measurements were carried out between the frequency of 6,3 Hz and 12,5 kHz in a 1/3-octave band with a hand-held sound level meter fitted with a ½ "microphone. The test bearing and the aluminum hub were inserted into the acoustic box. The sound level meter was placed on a tripod so that the sound level meter will measure from a fixed point of the acoustic box. In addition, the torque sensor connected to the motor output was used to measure the torque fluctuations due to the friction. As a result of the study, the changes in the sound pressure level and friction torque were compared, and the reasons were interpreted. For this purpose, theories and studies related to the tribological properties of polymers were utilized. However, the effect of operating conditions on tribological properties as well as bearing dynamics was taken into account in the change of sound pressure levels. The first and clear finding of the study was that the sound pressure level increases with increasing speed in all frequency bands and all temperature conditions for each bearing in accordance with the information in the literature. The second parameter of the study was radial load. The bearings were radially loaded. It was observed that radial load did not have a significant effect on sound pressure levels of bearings. However, SPL of the polymer bearings increased with increasing radial load. After a point, the rate of increase decreased and remained almost constant. A difference was obtained in the SPL values of B1 and B2 at T2 (100 ᵒC). This differentiation of the curves in B1 and B2 bearings at T2 was not considered correct since the bearing disabled its function when it loaded radially at 100ᵒC. The third parameter which was the temperature didn't have a direct and simple relation with the sound pressure levels of the bearings. Temperature effect was evaluated at different rotating speeds. While B1 and B3 reacted nearly in the same way B2 was differentiated by its inconsistent and incomprehensible results. The B3 bearing which consists of PEEK rings and steel balls had the highest SPL values at all rotational speeds and temperature values. In addition to this, having glass balls made the SPL values increase at higher rotational speeds.

Benzer Tezler

Tez No
75017
Çeşitli katkılı ve katkısız polimer yatakların sürtünme ve aşınma karakteristiklerinin deneysel tayini
Başlık çevirisi yok
VEDAT TEMİZ
Doktora
Türkçe
1998
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GEDİKTAŞ
Tez No
420529
Yüksek yoğunluklu polietilen polimer malzemenin sürtünme karıştırma kaynağında kaynak parametrelerinin kaynak mukavemeti üzerindeki etkilerinin araştırılması ve kaynak parametrelerinin taguchi deneysel tasarım yöntemi ile optimizasyonu
Investigation of the effects of welding parameters on the weld strength in friction stir welding of high density polyethylene polymer material and optimization of welding parameters with taguchi experimental design method
AYDIN ÜLKER
Doktora
Türkçe
2015
Endüstri ve Endüstri Mühendisliği Ege Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VURAL CEYHUN
Tez No
222654
Polimer malzemelerde yüzey pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültü üzerine etkisi
Effect of surface roughness on friction induced noise in polymers
TİBET ERKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. VEDAT TEMİZ
Tez No
166796
Polimer malzemelerde sürtünme kaynaklı gürültü
Friction induced noise in polymers
ATAKAN ALTINKAYNAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
Tez No
831664
Silecek sistemlerinde kullanılan dişli çark mekanizmaları için gürültü analizi
The acoustic analysis of the gearbox of the wiper system
MUSTAFA ERDEM KAFALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR

Geri Dön