Değişken yük içeren dönel makinelerde dengesiz yükün dinamik sistem üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical analysis of unbalanced load on dynamic system in rotary machines with variable load
Yazar: BATUHAN ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. VAHİT MERMERTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde çamaşır makinelerinin tasarımı, teknolojik ve bilimsel gelişmeler ışığında kullanıcı açısından daha pratik olmaya, mekanik ve dinamik anlamda optimum bir seviyeye ulaşmaya doğru ilerlerken, pazar rekabeti ve kullanıcı erişilebilirliği açısından maliyet odaklı çalışmaların artması kaçınılmaz olmaktadır. Beyaz eşya kullanıcı taleplerinin yıllar içerisinde daha yüksek kapasiteli ve daha yüksek devirli çamaşır makinelerine doğru kayması, aynı gövde boyutları dahilinde daha büyük çaplı tamburlar içeren, dönüş hızı daha yüksek tasarımların yapılmasını zorunlu kılmaktadır.
Kapasite artışı ile birlikte, tambur içerisinde dengelenemeyen çamaşır yükü miktarının da artma olasılığı, oluşan merkezkaç kuvvetlerinin büyümesine sebebiyet vereceği için, tasarımların da bu bağlamda iyileştirilmesini gerektirmektedir. Makine tamburunda dengesiz çamaşır yükü kaynaklı oluşan ve dinamik olarak etkiyen merkezkaç kuvvet, yatak görevi gören elemanlar tarafından karşılandığı için bu elamanlarda zaman içerisinde mekanik problemlere yol açabilmektedir. Bu dinamik kuvvetler, belirli çevrim sonucu ortaya çıkan arıza durumu öncesinde, bahsi geçen merkezkaç kuvvet etkisinin doğru tasarımsal yöntemler ile sınırlarının belirlenememesi durumunda, kazanın deterjan kutusu, gövde, cam vb. gibi makine parçalarına çarpması veya makinenin yürümesi şeklinde kendini göstermektedir. Bu durumlar temelde, çamaşır makinesinin rezonans frekanslarına karşılık gelen devirlerden geçildiği süreçlerde ya da çok yüksek devir hızına ulaşıldığı durumlarda gözlenmektedir.
Dengesiz yük kaynaklı oluşan fiziksel problemleri azaltabilmek için, dengesizlik miktarının yeterli doğrulukta belirlenebilmesi ve buna bağlı olarak dönüş devrinin sınırlandırılması sorunları hafifletici bir yol olabilmektedir. Ancak bu durum, makine içerisindeki ıslak çamaşırların, sıkma verimliliği açısından ihtiyaç duyulan devir hızından daha düşük bir devirde sıkılması ve dolayısıyla kullanıcı tarafında arzu edilen performansın alınamamasına yol açabilmektedir. Bu açıdan, çamaşır makinesi dinamik davranışının tasarım kısıtları hesaba katılarak bir ürün ortaya konulmadan önce detaylı bir şekilde incelenerek tasarımın yapılmasını gerekli kılmaktadır.
Bu tez kapsamında, çamaşır makinelerinde dengesiz yük kaynaklı meydana gelen titreşim ve yürüme problemlerine bir çözüm sunabilmek amacıyla ideal tasarım kriterleri belirlemeyi kolaylaştıracak bir katı cisim modelinin kurulması planlanmıştır. Aynı zamanda bir çamaşır makinesinin dinamik karakteristiği hakkında bilgi verici sinyallerin toplanacağı bütünsel bir ölçüm sistemi kurulması da hedeflenmiştir. Elde edilen deneysel veriler aracılığıyla dinamik model doğrulanmış ve askı sisteminin temel iki elemanından biri olan amortisör parametrelerine (sönüm kuvveti, açısı, sayısı) bağlı olarak, dinamik sistemin optimizasyonuna yönelik çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, dinamik sistem öncelikleri gözetilerek, dinamik sistem performansını temsil eden amaç fonksiyonlarını en iyi şekilde karşılayacak ideal amortisör parametreleri belirlenmiştir.

Abstract:
Today, while the design of washing machines is moving towards being more practical for the user in the light of technological and scientific developments and reaching an optimum level in terms of mechanics and dynamics, increase of cost-oriented studies in terms of market competition and user accessibility is inevitable. The shifting of white goods user demands towards higher-capacity and higher-speed washing machines over the years necessitates designs that include larger-diameter drum within the same body dimensions and with higher rotation speeds.
The possibility of the unbalanced laundry load amount to increase in the drum is going to cause the centrifugal forces to grow with the increase in capacity, therefore the designs should be improved in this context. The centrifugal force caused by the unbalanced laundry load in the drum of the machine may cause mechanical problems in these elements over time, as it is met by the elements acting as a bearing. When the limits of the centrifugal force effect cannot be determined by correct design methods, it manifests itself in the form of the hitting to the tub the machine parts such as the detergent box, housing, glass lid etc. or the machine walking prior to the fault condition resulting from the specific cycle. These situations are basically observed when the washing machine passes through the region corresponding to the resonance frequencies or when a very high cycle speed is reached.
To reduce the physical problems caused by unbalanced loads, determining the amount of imbalance with sufficient accuracy and limiting the rotation cycle accordingly could be a way to ease the problems. This situation may lead to the spinning of the wet laundry in the machine at a speed lower than the spin speed required for spinning efficiency and cause the user not to get the desired performance. In this respect, considering the design constraints of the dynamic behaviour of the washing machine, it is necessary to make a design by examining in detail before a product is produced.
In the study, firstly by defining the problem, it was stated that meeting the future user expectations for washing machines and the expectations of the manufacturers due to cost and quality can only be possible by presenting an ideal product in terms of dynamic system design. From past to present, studies on washing machine dynamic system design have been examined in detail and shared in the literature research section. It was decided to proceed with a numerical modelling software where dynamic analysis studies can be carried out, since the experimental development of the studies to be carried out for the optimization of dynamic system design requires a lot of time and labour. In order to provide a solution to vibration and walking problems caused by unbalanced loads in washing machines, it is planned to establish a numerical model that is going to make it easier to determine ideal design criteria in a dynamic analysis software.
To verify the numerical model of the washing machine, a complete washing machine measurement system, which collects informative signals about the dynamic characteristics of the washing machine, was installed and experimental comparison measurements were performed on this system. As a result of the comparison of numerical analysis and experimental measurements performed under similar operating conditions, washing machine numerical model has been verified with an acceptable accuracy.
With the verification of the numerical model, the stage of multi-objective optimization work has been initiated to solve the design problems of the dynamic system. For this purpose, three objective functions related to the hitting state between the excitation group and the housing and the walking state of the machine were created. After creating the objective functions, parameters with values such as angle, force, number of the dry friction shock absorber were determined to participate in the optimization study. To clearly reveal the dynamic system performance in the dynamic analysis, a difficult loading condition (dynamic unbalance) was selected.
A factorial experiment was designed to determine the number of analyses required to create a regression model based on the analysis outputs obtained from the parameter values. After the required number of analyses was determined as a result of the factorial experiment design, dynamic analysis studies were carried out on the software and outputs related to the objective functions were obtained from the analysis data. Separate regression models were created for each objective function through a statistical software using the outputs obtained from the values related to different damper parameters. The regression models created were checked over certain statistical data in terms of accuracy and reliability. After it was determined that these models represented the objective function outputs with high accuracy, the multi-purpose optimization stage was started. Finally, considering the dynamic system priorities, ideal shock absorber parameters that is going to best meet the objective functions representing the dynamic system performance were determined.