Bilyalı polimer yatakların gürültü ve sürtünme karakteristikleri

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.