Toz metalurjisi ile özellikleri iyileştirilmiş demiryolu kollektör pabucunun tasarımı ve imalatı
Design and manufacturing of railway collector shoes with improved properties by powder metallurgy
Yazar: ŞENOL ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. YUSUF USTA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kollektör pabucu, trenlerin çalışma güvenliğini etkileyen önemli bir bileşen olmakla birlikte sistemin yapısı, ara yüzdeki elektrik akımı nedeniyle malzemenin sürtünme ve aşınma davranışı üzerinde karmaşık bir etkiye sahip olmaktadır. Bu tezde, Ankara Metrosu trenlerinde kullanılan üçüncü ray ve kollektör pabuçları ara yüzünde meydana gelen etkileşim, bu etkileşim nedeniyle kollektör pabucunun aşınma davranışı, kullanılan mevcut pabuç malzemesinin yerine toz metalurjisi ile özellikleri iyileştirilmiş yeni parçanın nasıl davranacağıyla ilgili deneysel ve sonlu elemanlar analizine yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bunun için bakır-grafit malzeme çifti kullanılmış, farklı oranlarda karışımlar hazırlanarak performans testleri uygulanmıştır. Mevcut durumda kollektör pabucu olarak kullanılan GGG40 küresel grafitli dökme demir pabuçta sertlik ortalama 184 HB olarak iken üretilen bakır-grafit çiftinde ortalama 161 HB olarak ölçülmüştür. Kollektörler üzerinde akım yoğunluğu ve baskı kuvveti olmak üzere iki farklı parametre bulunduğundan numuneler üzerinde de aynıları test edilmiş, mevcut durumda kullanılan 150 N kuvvet değerinde sabit tutulmak suretiyle akım yoğunlukları değiştirilirken akım yoğunluğu da 0,033 A/mm2 değerinde sabit tutulmak suretiyle kuvvet değiştirilmiştir. Gerçekleştirilen sonlu eleman analizi ve pin-on-plate testinden elde edilen sıcaklık ölçümlerine göre uygulanan kuvvet 150 N değerinde sabit tutularak kayma mesafesi 100 metreye ulaştığında temas yüzeyindeki sıcaklığın hızla arttığı ve sonraki artışların daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi ile pin-on-plate testinde gerçekleştirilen ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında ölçüm farklılığının %0,8 ile %10 arasında değiştiği görülmüştür. Ayrıca %5, %10 ve %15 grafit ilaveli bakır grafit çiftleri kıyaslandığında ise %10 grafit ilaveli bakır-grafit çiftinin daha az aşınma miktarına sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Baz değerlerde (150 N-0.033 A/mm2) %10 grafit ilaveli bakır-grafit çiftinin aşınma miktarı 4,50 mg/m olarak gerçekleşirken, bu rakam %15 ve %5 grafit ilaveli bakır grafit çifti için sırasıyla 4,98 mg/m ve 5,45 mg/m olarak gerçekleşmiştir. Mevcut GGG40'dan yapılmış kollektör pabucu için oluşan aşınma miktarı ise bakır-grafit çiftinden yapılmış kollektör pabucundaki aşınma miktarına göre artış göstererek 6.4 mg/m olarak meydana gelmiştir.

Abstract:
The collector shoe is a crucial element that has an impact on how safely trains run. Due to the electric current at the contact, the system's structure has a complex impact on the material's wear and friction behavior. The interaction between the third rail and the collector shoes used in the Ankara Metro trains, the wear behavior of the collector shoe as a result of this interaction, and how the new part whose properties have been improved by powder metallurgy will behave in place of the existing shoe material used have all been studied experimentally and through finite element analysis in this thesis. Performance tests were conducted by creating mixes with various ratios using the copper-graphite material pair for this. The copper-graphite pair of the new production has an average hardness value of 161 HB compared to the GGG40 ductile cast iron, which is currently utilized as a collector shoe, which has an average hardness value of 184 HB. The current density and the force applied to the samples are two different parameters that change during the experimental tests. Here, the current densities were altered while maintaining a constant force of 150 N. In a similar manner, the current density was varied while remaining constant at 0.033 A/mm2 to observe how different force values affected the system. According to the temperature measurements from the wear tests and finite element analysis, the applied force in the pin-on-plate test was kept constant at 150 N, and when the sliding distance reached 100 meters, the temperature at the contact surface increased quickly and the subsequent increases were lower. It was discovered that the measurement difference ranged between 0.8% and 10% when the results of the pin-on-plate test technique were compared to those obtained from the finite element analysis The 10% graphite added copper-graphite pair had smaller wear amount when 5%, 10%, and 15% graphite added copper-graphite couples are compared. It was found that the wear amounts for copper-graphite couples with 10%, 15%, and 5% graphite additions are 4.50 mg/m, 4.98 mg/m, and 5.45 mg/m, respectively, for the base values (150 N-0.033 A/mm2). On the other hand, the wear rate for the collector shoe made of existing GGG40 increased in accordance with the rate of wear on the collector shoe made of a copper-graphite pair and occurred at 6.4 mg/m.