Açısal temaslı rulmanlarla yataklanmış şaftların dinamiği ve rulman hatalarının deneysel analizi
Dynamics of a rigid shaft supported by angular contact ball bearings and experimental analysis of ball bearing faults
Yazar: TUNCAY KARAÇAY
Danışman: PROF.DR. NİZAMİ AKTÜRK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
AÇISAL TEMASLI RULMANLARLA YATAKLANMIŞ ŞAFTLARINDİNAMİĞİ VE RULMAN HATALARININ DENEYSEL ANALİZİ(Doktora Tezi)Tuncay KARAÇAYGAZİ ÜNİVERSİTESİFEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜTemmuz 2006ÖZETRulmanın yuvarlanma elemanlarından birinin iç ve dış bilezik arasındabir tam tur döndüğünde maruz kaldığı şekil değiştirmeler ve bununsonucunda oluşan kuvvetlerin analizi rulmanların dinamik analizinintemelidir. Rulmanın birden fazla yuvarlanma elemanına sahip olmasışaft üzerinde konumu ve büyüklüğü değişen kuvvetlerin etkimesianlamına gelir. Rulmanlarla yataklanmış bir şaftın ağırlığı ve etkiyen dışkuvvetler bilyelerdeki ezilme ile dengelenir. Şaft sürekli olarakdöndüğünde yükleme bölgesinde belirli aralıklarla yerleşmişbilyalardaki ezilme miktarı da sürekli olarak değişmektedir. Ezilmemiktarındaki değişim ve bu ezilmenin doğrusal olmayan karakteristiğişaftın dinamik davranışını rulmanın basit tasarımına karşın oldukçakarmaşık hale getirir. Dolayısıyla bir şaftın titreşim davranışınıinceleyebilmek için rulmanda bilyalar ile bilezikler arasındaki temaskuvvetlerinin analitik olarak formüle edilmesi ve uygun kabullerle şaft-rulman sisteminin modellenmesi oldukça önemlidir. Bu tezde açısaltemaslı rulmanlarla yataklanmış rijit bir şaftın-rulman sistemi 5serbestlik dereceli olarak modellenmiş ve doğrusal olmayan hareketdenklemleri elde edilmiştir. Bu denklemler kullanılarak önce kusursuzrulmanlarla yataklanmış şaftın titreşim davranışları incelenmiştir. Dahasonra model bölgesel rulman kusurlarından iç bilezik, dış bilezik veyuvarlanma elemanı hatası ile dağınık rulman kusurlarından yuvarlanmaelemanı boyutu farklılığı ve şaft dengesizliğini ifade edecek şekildegeliştirilmiştir. Doğrusal olmayan şaft-rulman sistemi davranışını en iyişekilde ifade edebilmek için hareket denklemleri farklı şaft dönüş hızlarıiçin çözülmüş ve sonuçlar zaman, frekans ve zaman/frekans tanımbölgesinde gösterilmiştir. Modelleme sonuçları rulman hatalarınıntitreşimler incelenerek tespit edilebileceğini göstermiştir. Bu amaçlaçalışmanın ikinci kısmında bir deney düzeneği tasarlanmış verulmanlarda çeşitli hatalar oluşana kadar çalıştırılmıştır. Deneysüresince alınan titreşim ölçümleri temel istatistiksel hesaplamalarınyanı sıra frekans ve zaman/frekans tanım bölgesi sinyal analiz teknikleride kullanılarak incelenmiş ve rulmlarda hataların oluşum mekanizmasıaraştırılmıştır. Ayrıca rulmanların kusurlarının titreşim yolu iletespitinde kullanılan bu tekniklerin uygulama parametreleri ve kusuruntespitindeki etkinlikleri tartışılmıştır. Titreşimler kullanılarak rulmanelemanlarındaki kusurların tespitinde en etkin tekniğin dalgacıkdönüşümleri olduğu görülmüştür. Bu tekniğin tek başına kullanımıyerine zaman ve frekans tanım bölgesi teknikleriyle birlikte kullanılmasıbu tez çalışmasında önerilmiş ve uygulamada daha başarılı sonuçlarelde edildiği gösterilmiştir.Bilim Kodu : 914.1.003Anahtar Kelimeler : Rulman, titreşimler, şaft dinamiği, kestirimi bakımSayfa Adedi : 192Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Nizami AKTÜRK

Abstract:
DYNAMICS OF A RIGID SHAFT SUPPORTED BY ANGULAR CONTACTBALL BEARINGS AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF BALL BEARINGFAULTS(Ph.D. Thesis)Tuncay KARAÇAYGAZİ UNIVERSITYINSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYJuly 2006ABSTRACTThe dynamic analysis of ball bearings are based upon the alteration ofthe forces due to the elastic deformation of a rolling element betweenthe inner and the outer rings in one full revolution with the cage. Hencethe resulting force will vary in amplitude and direction consideringthere is more than one rolling elements within a ball bearing. Weight ofthe shaft and external forces are compensated with the elasticdeformation between the inner, outer and rolling elements matchingsurfaces. Nonlinear characteristics of contact mechanics will furthercomplicate the behavior. In this study a rigid shaft supported by a pairof angular contact ball bearing is modeled in five degrees of freedomand nonlinear equations of motion are obtained. First, vibrationcharacteristics of shaft supported by healthy ball bearings areinvestigated, and then model is developed to investigate effects ofouter, inner and rolling element localized defects and distributeddefects such as off-sized ball and unbalance. In order to analyzedynamic response of the shaft-bearing system, equations of motion aresolved for different shaft rotation speed and results are presented intime, frequency and time/frequency domains all. Simulation resultsindicate that ball bearing faults can be effectively pointed out usingvibration analysis. Thus in the second part of this study a test rig wasset up and made run until it partly fails. Vibration signals acquiredduring experiment are analyzed with time, frequency andtime/frequency signal processing techniques and failure mechanismsof ball bearings are investigated. The wavelet analysis is found to beone of the effective techniques for fault diagnosis of ball bearing andthe application of wavelet with time and frequency domain techniquesis further increased the performance of the technique.Science Code : 914.1.003Key Words : Bearings, vibrations, shaft dynamics, predictivemaintanancePage Number : 192Adviser : Prof. Dr. Nizami AKTÜRK