Polimer esaslı dişli çarkların nanopartikül katkılı yağlayıcı ortamındaki tribolojik performanslarının incelenmesi
Investigation of the tribological performance of polymer based gear wheels in nanoprticle additive lubricant environment
Yazar: ÖMER KARTALTEPE
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMET HÜSEYİN ÇETİN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, nanopartikül katkılı yağlayıcıların kestamid (PA 6G) ve polilaktik asit (PLA) termoplastik dişlilerin tribolojik performansına etkisi incelenmiştir. Yağ katkısı olarak, nano gümüş (AgNP) ve nano grafen partikülleri kullanılmış ve kolloidal süspansiyonlar hazırlanmıştır. Nano gümüş baz yağ ile, nano grafen ise saf su ile karıştırılmıştır. Kestamid dişliler sabit yük ve devirde, kuru, gres, baz yağ, %96 baz yağ + %4 AgNP ve %92 baz yağ + %8 AgNP olmak üzere 5 farklı yağlayıcı koşulunda çelik dişli ile eş çalıştırılmıştır. PLA dişliler ise; farklı yük ve devirlerde kuru, saf su, %90 Saf su + %10 grafen ortamında 9 farklı koşulda (Taguchi L9) çelik dişliye karşı çalıştırılmıştır. Ayrıca PLA dişlilerin tribolojik performansına nano grafen konsantrasyonun etkisini belirlemek için 3 farklı oranda saf su ve nano grafen karışımı yağlayıcı ortamında konsantrasyon deneyleri yapılmıştır. Dişlilerin aşınma deneyleri güç aktarım aşınma cihazında (FZG) yapılmıştır. Dişliler arduino ve motor sürücü tarafından kontrol edilen yağlayıcı sistemi vasıtasıyla deney süresince yağlanmıştır. Deney esnasında dişlilerin temas noktalarına 0,027 ml/s debide yağlayıcı damlatılmıştır. Devir kontrolü motor sürücüsü ve redüktör sistemi ile sağlanmıştır. Dişlilere tork uygulamak için hidrolik ünite kullanılmıştır. Deney esnasında dişlilere tatbik edilen yağlayıcının ve katkılarının karakterizasyonunu belirlemek için zeta potansiyel ölçümü, partikül boyut analizi, yüzey gerilimi, ıslatabilirlik ve Uv-absorbans değerleri ölçülmüştür. Dişlilerin farklı koşullar altında aşınma performansını inceleyebilmek için aşınmaya etki eden sıcaklık faktörü deney süresince ölçülmüştür. Aşınma miktarı ağırlık farkı metodu ile tespit edilmiştir. Diş yüzeylerinde meydana gelen aşınma türleri optik mikroskop, 3D topoğrafya, SEM ve EDX ile incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde baz yağ içerisinde nano gümüş ve saf su içerisinde nano grafen katkılı yağlayıcı ortamlarında aşınma miktarının ve sıcaklığın azaldığı tespit edilmiştir. Kestamid dişlilerin performans deneylerinde minimum sıcaklık artışı, 25 °C değeri ile %92 baz yağ + %8 AgNP koşulunda elde edilmiştir. Minimum ağırlık kaybı ise gres ortamında (0,0288 g) meydana gelmiştir. Yüzey pürüzlülüğü gres ortamında (Rt=18,129) minimum olmuştur. PLA dişliler sıcaklık açısından en iyi performansı %90 saf su + %10 grafen ortamında, 100 d/dk hızda ve 0.235 Nm tork parametresinde göstermiştir. Devir ve yük arttıkça sıcaklık artmıştır. Kütle kaybı açısından en iyi performans %90 saf su + %10 grafen ortamında, 200 d/dk hızda ve 0,441 Nm tork parametresinde elde edilmiştir. Devir sayısı arttıkça kütle kaybı azalmış, yük arttıkça kütle kaybı artmıştır. Konsantrasyon deneylerinde PLA dişlilerin sıcaklık ve kütle kaybı en az %85 saf su + %15 nano grafen ortamında olmuştur. Saf su içerisinde grafen konsantrasyonu arttıkça sıcaklık ve kütle kaybı azalmıştır.

Abstract:
In this study, the effect of nanoparticle added lubricants on the tribological performance of cestamide (PA 6G) and polylactic acid (PLA) thermoplastic gears was investigated. Nano silver (AgNP) and nano graphene particles were used as oil additives and colloidal suspensions were prepared. Nano silver was mixed with base oil and nano graphene was mixed with pure water. The kestamide gears were co-operated with the steel gears in 5 different lubricating conditions: dry, grease, base oil, 96% base oil + 4% AgNP and 92% base oil + 8% AgNP at constant load and speed. PLA gears; It was run against the steel gear in 9 different conditions (Taguchi L9) in dry, pure water, 90% Pure water + 10% graphene environment at different loads and speeds. In addition, to determine the effect of nano graphene concentration on the tribological performance of PLA gears, concentration experiments were carried out in a lubricant medium mixed with 3 different ratios of pure water and nano graphene. The wear tests of the gears were carried out on the power transmission wear device (FZG). Gears were lubricated during the experiment by means of the lubricating system controlled by the arduino and the motor driver. During the experiment, lubricant was added to the contact points of the gears at a flow rate of 0.027 ml/s. Speed control is provided by motor driver and reducer system. A hydraulic unit is used to apply torque to the gears. Zeta potential measurement, particle size analysis, surface tension, wettability and Uv-absorbance values were measured to determine the characterization of the lubricant applied to the gears and its additives during the experiment. In order to examine the wear performance of gears under different conditions, the temperature factor affecting wear was measured during the experiment. The amount of wear was determined by the weight difference method. Wear types on tooth surfaces were examined by optical microscope, 3D topography, SEM and EDX. When the results were examined, it was determined that the amount of wear and temperature decreased in the lubricant environments with nano silver in the base oil and nano graphene in pure water. In the performance tests of kestamide gears, the minimum temperature increase was obtained at 25 °C and at 92% base oil + 8% AgNP condition. The minimum weight loss occurred in the grease medium (0.0288 g). Surface roughness was minimal in the grease environment (Rt=18.129). PLA gears showed the best performance in terms of temperature in 90% pure water + 10% graphene environment, 100 rpm speed and 0.235 Nm torque parameter. As the speed and load increased, the temperature increased. In terms of mass loss, the best performance was obtained in 90% pure water + 10% graphene medium, at 200 rpm speed and 0.441 Nm torque parameter. As the number of revolutions increased, the mass loss decreased and as the load increased, the mass loss increased. In the concentration experiments, the temperature and mass loss of PLA gears was at least 85% pure water + 15% nano graphene environment. As the graphene concentration in pure water increased, the temperature and mass loss decreased.