Çamaşır makinesinde mekanik kayıpların ölçülmesi için test düzeneği geliştirilmesi ve ölçümler
Development a test rig in order to measure the mechanical dissipation of torque and measures
Yazar: SARP DEDEKÖY
Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Çamaşır makineleri = Washing machines

Özet:
Günümüzde; evlerde kullanılan çamaşır makineleri daha az enerji tüketen, daha fazla çamaşır yıkayabilen, maliyeti ve gürültü seviyesi düşük, daha az su harcayan bir hale getirilmeye çalışılmaktadır. Bu yüzden çamaşır makinesi üreticileri rekabet ortamında ayakta kalabilmek için ürün geliştirmeye giderek daha çok önem vermektedir. Enerji tüketimini azaltmak için özellikle çamaşır makinesinin tahrik grubundaki komponentler (keçe,rulman,elektrik motoru,amortisör,tambur deseni) üzerinde iyileştirme çalışmalarının yapılması gerekmektedir. Tahrik grubundaki her komponentin farklı varyasyonları bulunmaktadır. Bu durumda bütün kombinasyonlar için prototip üreterek test yapmaya dayalı klasik ürün geliştirme yöntemleri yüksek maliyetli olacaktır. Bu yüzden tahrik grubundaki komponentlerin ve elektrik motorunun kolay bir şekilde montaj ve demontajına olanak sağlayan bir test düzeneğine ihtiyaç duyulmuştur. Bu test düzeneğinin maliyeti yüksektir; bu yüzden bilgisayar destekli ortamda tasarlanırken mühendislik açısından her türlü detayın doğru bir şekilde hesaplanması gerekir. Aynı zamanda test düzeneği çamaşır makinesinin dinamik özelliklerini simule etmesi gerektiğinden, sonlu elemanlar yöntemiyle analiz edilmesi gerekmektedir. Test düzeneğinde yapılacak testlerin gerçeğe yakın olabilmesi için test düzeneğinin dinamik davranışının çamaşır makinesinin dinamik davranışına denk veya yakın olması gerekir. Bu yüzden referans alınan çamaşır makinesine titreşim testleri uygulanmıştır. Çamaşır makinesinde tamburun kazana göre hareket ettiği doğal frekanslar elde edilmiştir. Test düzeneğinin doğal frekansı, bu elde edilen değere denk olacak şekilde bilgisayar ortamındaki model revize edilmiştir Bilgisayar ortamındaki modelin dinamik özelliklerinin imal edilen test düzeneği ile aynı olabilmesi için model üzerinde pek çok detaya dikkat edilmiştir. Yapılacak testlerin çokluğu nedeniyle, test edilecek komponentlerin kolay montaj ve demontaja uygun test düzeneği tasarlandı ve imal edildi. İkinci aşama olarak, torkmetre cihazı ile elde edilecek sürtünme kaynaklı tork miktarınn ve enerji kayıplarının doğruluğu tespit edilmiştir. Bunun için referans alınan çamaşır makinesinden torkmetre ile yapılan ölçüm değerleri ile test düzeneğinde torkmetre ile yapılan ölçüm değerlerinin denkliği kontrol edildi. Yapılan testler ile tahrik grubundaki komponentlerin, sistemin harcadığı toplam enerji ve tork miktarındaki payı elde edildi. Bu pay elde edilirken test düzeneğine önce rulman ve tambur mili takılarak sistemdeki rulmanların neden olduğu sürtünme torku tespit edildi. Daha sonra sırayla diğer komponentler sisteme eklenerek sistemin tork ihtiyacı ölçüldü. Her ölçümde bir önceki duruma göre sürtünme kaynaklı tork miktarında artış olmaktadır. Bu aradaki fark sisteme eklenen komponentin yarattığı ilave tork ihtiyacıdır. Test düzeneğinde ölçümler yapılırken saçınıklığın engellenmesi için her test koşulu için en az 10 adet olmak üzere testler çoklandırıldı. Tork metre ile sistemin tork ihtiyacını ölçerken sadece sistem sabit devirde dönerken ihtiyaç duyulan tork miktarı güvenilir bir şekilde ölçülebilmektedir. Değişken devirlerdeki tork değerlerinin aynı test sistemi üzerinde ölçülebilmesi için bir "Matlab" programı kullanılarak bir kod yazıldı. Ardından test düzeneği maksimum hıza ulaştığında tahriğin sistemden ayrılması sağlanarak sistem durana kadar açısal hız ölçüldü. Zamanın fonksiyonu olarak ölçülen sistemin açısal hız değerleri ve sistemin atalet özellikleri kullanılarak sisteme etkiyen sürtünme kaynaklı tork değerleri zamanın ve acisal hızın fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Bu testler sonucunda özellikle harcanan toplam enerjide yüksek paya sahip olan komponentler üzerinde alternatif değişiklikler yapıldı. Bu değişiklikler ve öneriler harcanan toplam enerji ve sistemin tork ihtiyacını sistematik bir şekilde minimize edimesine imkan tanımaktadır. Sonuç olarak, teknoloji ile gelişmekte olan çamaşır makinası tahrik grubu komponentlerinin ve elektrik motorlarının enerji tüketimini belirlemek ve azaltmak için kullanılabilecek bir test düzeneği bu tez kapsamında geliştirilmiş ve kullanıma sokulmuştur.

Abstract:
It is becoming increasingly more important to design washing machines consuming less energy and water. Furthermore, customers are demanding these machines to have more laundry capacity, to be economic and producing less noise. Consequently, washing machine producers are trying to come up with solutions to satisfy customer demands so as to survive in a competitive environment. In order to reduce energy consumption, improvements need to be made specifically on components within the excitation group (seal, ball bearing, electromotor, silencer, drum pattern). There are different variations for each component in the excitation group. It is well known that, it will be too costly to use classical product development methods based on designing, prototyping and testing prototypes for all possible combinations. Therefore, a special test rig is required, which will enable easy assembly and disassembly for electromotor and components within the excitation group. As the test rig needs to represent the dynamics of a washing machine, this test rig needs to be designed using the state-of-the-art design tools such as finite element method. In order to have realistic results, the dynamic behavior of the test rig should be quite similar to the dynamic behavior of the washing machine. Therefore, the fundamental characteristics of a washing machine are identified first using vibration tests. Natural frequencies of the excitation group (drum, tub, electric motor assembly) are determined experimentally. Then the finite element model of the washing machine is revised to make the natural frequencies predicted by the model as close as possible to the experimental values. Various details in the model of the test rig need to be included in order to bring the dynamic behaviour of the numerical model closer to that of the washing machine. Another criteria during the design of the test rig is that it should allow easy assembly and disassembly of the components as the tests to be done are numerous. The finite element model is used to simulate various possible design options. Various models are created, analysed and the mechanical components of the final design are produced and a test rig is built.
Once the test rig is operational, some preliminary tests are carried out in order to validate the performance of the test rig.  To do this, the torque requirement of a washing machine is measured using a torque meter installed on a washing machine first.  Then the torque requirements of the test rig are also measured when similar components are used in the test rig.  After getting  very similar results from washing machine and test rig measurements, more detailed torque measurements using the test rig are carried out  so as to establish the amount of torque requirement (or energy consumption) of the individual components of the washing machine. In order to do so, the ball bearing and the drum shaft are assembled first to determine the frictional torque caused by the ball bearings itself in the system. After that, other components are added to the system to measure the amount of additional frictional torque needed in the system. In other words, as more components are added to the system, the amount of frictional torque is increased relative to the previous case, difference being due to the added component. For each case, the measurements are repeated at least 10 times for averaging purposes. It is shown that the test rig developed is capable of measuring the frictional torque safely at steady state condition at constant speed using the torque meter.  However, a special test procedure is developed in this thesis in order to obtain the frictional torque requirement as a function of rotational speed using the same test rig, but without the need for a torque meter. According to this procedure, the system is accelerated to the maximum rotational speed first.  Then the belt between the electric motor and the pulley is removed and the rotational speed is measured until the system stops. A code is developed using by Matlab program. Frictional torque is then obtained by processing the angular speed as a function of time and the inertia of system using a Matlab code developed for this purpose. Following such tests, various combinations of components are tested so as to identify their contributions to the energy consumption of the washing machine. These measurements and the resulting suggestions allow for systematic minimization of the total energy consumption of the machine. The test rig developed in this thesis can also be used for quality control purposes.