Raylı sistemler için grafit plakaların sürtünme ve aşınma davranışlarının geliştirilen deney düzeneği ile araştırılması
Investigation on wear and friction of carbon strips by developed testing system for railway systems
Yazar: MUHAMMET ANIL KAYA
Danışman: PROF. DR. KEMAL YILDIZLI
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Demir yolu taşıtları = Railway vehicles  ; Katener sistemi = Catenary system ; Raylı sistemler = Railway systems ; Sürtünme = Friction

Özet:
Günümüz şehirlerinde yaşanan trafik ve ulaşım sorununun çözümünde hafif raylı sistemler yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. HRS'lerin tercih edilmesinde konforlu toplu taşımaya uygun olmasının yanı sıra çevreye duyarlı olması ve enerji verimliliğinin yüksek olması gibi teknik özellikleri etkili olmaktadır. Elektrik enerjisinin HRS'lerin güç aktarma sistemine iletilmesinde pantograf-katener sistemi aktif rol oynamaktadır. Bu doktora tezinde, pantograf mekanizması elemanlarından akım toplayıcı grafit plaka ile katener temas teli arasında meydana gelen kayar sürtünmeli örseleme hareketini gerçeğe yakın bir şekilde simüle eden, programlanabilir ve ölçüm yapabilen bir deney düzeneğinin tasarımı ve imalatı yapılmıştır. İmalatı yapılan deney düzeneğinde, grafit plaka ve temas telinin etkileşimi sırasında temas kuvveti, sürtünme kuvveti değişim trendleri Taguchi Metodu ve ANOVA istatistiksel analiz ile değerlendirilmiştir. Ayrıca imalatı yapılan deney düzeneğinde Samsun ili OMÜ Yurtlar-Tekkeköy HRS güzergâh hattı durak bilgileri kontrol analiz yazılımı ile benzeştirilmiş, böylelikle grafit plakaların mekanik sürtünme ve aşınma davranışları gerçeğe yakın bir şekilde araştırılmıştır. Kuru ve sulu ortam şartlarında yapılan deneyler sonucunda temas kuvveti, hız ve mesafeye bağlı olarak sürtünme ve aşınma verileri elde edilmiş, elde edilen aşınmış grafit plakaların yüzey görüntüleri analiz edilmiş ve yorumlanmıştır. Deneyler sonucunda raylı sistemler alanında tren hareketini gerçekçi bir şekilde benzeştirebilen, senkron çalışabilen bir tribolojik deney düzeneği literatüre kazandırılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda, sürtünme ve aşınma deneyleri sırasında kullanılan temas kuvveti, mesafe ve hız parametrelerinin, aşınma ortamı değişmediği sürece sürtünme katsayısını etkilemediği belirlenmiştir. Samsun ili OMÜ Yurtlar-Tekkeköy HRS güzergâh hattı boyunca kuru şartta, 50-55 N temas kuvveti değeri altında yapılan aşınma deneylerinde sürtünme katsayısı 0,75, çalışma sıcaklığı 55 ºC, aşınma sonucunda grafit plakanın kütle kaybı ise 0,72 g olarak ölçülmüştür. Aynı güzergâh bilgileri ile sulu şartta yapılan deney sonucunda ise sürtünme katsayısı 0,65, çalışma sıcaklığı 32 ºC, aşınma sonucunda grafit plakanın kütle kaybı ise 0,98 g olarak ölçülmüştür. Aşınmış grafit plakaların yüzeylerinde yapılan SEM ve AFM analizleri sonucunda, kuru şartta yüzeyin orijinal haline göre daha pürüzsüzleştiği (R_a 28,34 nm), abrasiv ve adhesiv aşınma mekanizmalarının etkili olduğu, bakır temas telinden malzeme transferi gerçekleştiği ve yüzeylerde plastik deformasyon hasarları oluştuğu belirlenmiştir. Sulu ortam sonuçlarında ise yüzeyin orijinal haline göre yakın pürüzlülük değerine (R_a 55,35 nm) sahip olduğu görülmüş ve malzeme transferine rastlanılmamıştır. Kuru ortam şartına göre daha fazla yüzey hasarı görüntülenmiştir.

Abstract:
Light rail systems are widely used to solve the traffic and transportation problems in today's cities. In addition to being suitable for comfortable public transportation, the technical features such as being sensitive to the environment and high energy efficiency are effective in the preference of HRS. The pantograph-catenary system plays an active role in the transmission of electrical energy to the power transmission system of the HRS. In this doctoral thesis, a programmable and measuring experimental setup that simulates the sliding frictional disturbance movement between the current collector graphite plate and the catenary contact wire, which is one of the pantograph mechanism elements, has been designed and manufactured. In the experimental setup, the contact force and friction force change trends were examined during the interaction of the graphite plate and the contact wire, and then these parameters were analyzed with the Taguchi Method and ANOVA statistical program. In addition, in the experimental setup, the stop information of the Samsun province OMU Yurtlar-Tekkeköy HRS route line was simulated with the control analysis software, thus the mechanical friction and wear behaviors of the graphite plates were investigated in a realistic way. As a result of the experiments carried out in dry and wet conditions, friction and wear data were obtained depending on the contact force, speed and distance, and the surface images of the worn graphite plates were analyzed and interpreted. As a result of the experiments, a synchronous tribological experiment setup, which can realistically simulate the train movement in the field of rail systems, has been brought to the literature. As a result of the experimental studies, it was determined that the contact force, distance and speed parameters used during the friction and wear tests do not affect the friction coefficient as long as the wear environment does not change. The friction coefficient was measured as 0,75, the operating temperature was 55 ºC, and the mass loss of the graphite plate as a result of wear was 0,72 g in the wear tests carried out under the 50-55 N contact force in dry condition along the OMU Yurtlar-Tekkeköy HRS route line in Samsun. As a result of the experiment performed in wet condition with the same route information, the friction coefficient was measured as 0,65, the operating temperature was 32 ºC, and the mass loss of the graphite plate as a result of wear was 0,98 g. As a result of SEM and AFM analyzes performed on the surfaces of the worn graphite plates, it was determined that the surface became smoother in dry condition (R_a  28.34 nm), abrasive and adhesive wear mechanisms were effective, material transfer from the copper contact wire and plastic deformation damages occurred on the surfaces. In the results of the wet environment, it was observed that the surface had a roughness value (R_a 55.35 nm) close to its original state and no material transfer was observed. More surface damage was observed compared to the dry environment condition.