Kaos tabanlı yeni nesil bir bilyalı öğütücü tasarımı ve analizleri
Design and analysis of a new-generation ball mill based on chaos
Yazar: MÜKREMİN AY
Danışman: PROF. DR. İHSAN PEHLİVAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Öğütülecek ürünün toz haline getirilmesi için kullanılan öğütücü sistemleri, gıda işleme ve ilaç sektörlerinde, yeni kompozit malzeme üretimi çalışmalarında, metalürji ve malzeme mühendisliğinin çeşitli alanlarında, boyut küçültme işlemlerinin son aşamasında kullanılırlar. Enerji maliyetlerinin artması nedeniyle, öğütme sistemlerinde gezegensel ve bilyalı öğütücü olarak bilinen geleneksel yöntemlerden ziyade, yeni nesil öğütücülere yönelmek bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu amaçla geliştirilen yeni nesil bilyalı öğütücüler özellikle enerji kaynaklarının verimli kullanımında önemli katkılar sağlamaktadır.
Bu tez çalışmasının amacı; geleneksel öğütücülerin toz boyutu ve enerji verimliliği kriterlerinde performanslarının iyileştirilmesi için kaos tabanlı yeni nesil bir bilyalı öğütücü tasarlanarak analizlerinin yapılmasıdır. Tez çalışmasında mevcut bir yeni nesil bilyalı öğütücünün(YENBÖ) modernizasyon çalışmaları için sistem PLC ile kontrol edilebilir ve öğütücünün tüm fonksiyonları HMI operatör panel üzerinden yönetilip izlenebilir duruma getirilerek kaotik sinyaller yardımı ile iyileştirilmiş yeni nesil bilyalı öğütücü(İYENBÖ) geliştirilmiştir. Mevcut öğütücüde öğütme haznesi hem dairesel hem de yatay eksende sabit hızlarda hareket ederken, İYENBÖ hem dairesel hem de yatay eksende sabit veya kaotik hızlarda hareket etme yeteneği kazanmıştır.
İYENBÖ'deki frekans invertörleriyle bağlantılı öğütücü motorları rastgele değişen hızlarda kontrol etmek için PLC ve HMI yazılımlarıyla entegre edilmiş ve örnek olarak seçilen Silisyum Karbür (SiC) tozu öğütülmesi üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar önce toz boyutu kriteri için Elek analizi ile daha sonra enerji verimliliği açısından karşılaştırılarak en verimli sonuçlar tablolar halinde sunulmuştur. Toz boyutu ve enerji verimliliği karşılaştırma grafiklerinden görüldüğü üzere, her iki kriter açısından da, dairesel eksen kaotik (23-27 Hz, Lorenz sistemi)- yatay eksen kaotik (33-37 Hz, Lorenz sistemi) çalıştırma senaryosunda en iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu en iyi çalıştırma senaryosu sonuçları mevcut standart çalıştırma modu sonuçlarıyla karşılaştırıldığında; 32 µm altı toz boyutu kriterinde % 77 ve enerji verimliliği kriterinde ise % 2,83 daha iyi olduğu görülmektedir. Ayrıca öğütülmüş tozların incelenmesinde Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analiz yöntemi de kullanılmıştır.

Abstract:
Milling systems are used in the food processing and pharmaceutical industries, in producing new composite materials, in various fields of metallurgical and materials engineering, and in the final stage of size reduction processes. The tools used to pulverise the product to be ground are called grinding mills. Due to the increase in energy costs, it's necessary to turn to new-generation mills in milling systems rather than traditional methods known as planetary and ball mills. The new generation ball mills developed for this purpose make significant contributions to companies by helping them efficiently use energy resources.
This thesis study aims to design and analyse a new-generation chaos-based ball mill to improve the performance of traditional mills in terms of particle size and energy efficiency. In the thesis study, for the modernisation studies of an existing new generation ball mill (NGBM), the system can be controlled by PLC and all functions of the mill can be managed and monitored via the HMI operator panel, and an improved new generation ball mill (INGBM) has been developed with the help of chaotic signals. While, in the current mill, the grinding chamber moves at constant speeds in both circular and horizontal axes, INGBM has gained the ability to move at constant or chaotic speeds in both circular and horizontal axes.
It was integrated with PLC and HMI software to control the mill motors connected to the frequency inverters at IYENBÖ at randomly changing speeds, and experimental studies were carried out on the milling of silicon carbide (SiC) powder selected as an example. The results obtained from the experimental studies were first compared with Sieve analysis for the powder size criterion and then in terms of energy efficiency, and the most efficient results were presented in Tables. As can be seen from the powder size and energy efficiency comparison graphs, in terms of both criteria, the best results were obtained in the circular axis chaotic (23-27 Hz, Lorenz system) - horizontal axis chaotic (33-37 Hz, Lorenz system) operating scenario. When these best operating scenario results are compared to the current standard operating mode results; It is seen that it is 77% better in the dust size criterion below 32 µm and 2.83% better in the energy efficiency criterion. In addition, the Scanning Electron Microscope (SEM) analysis method was also used to examine the milled powders.