Hibrid rulmanlarla yataklanmış şaftın teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of shaft bearing with hybrid bearings
Yazar: BURCU KÜÇÜKOĞLU DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. TUNCAY KARAÇAY
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Rulmanlar = Bearings ; Temas problemi = Contact problem ; Titreşim = Vibration

Özet:
Gıda ve medikal ürünlerin üretildiği makinalarda kullanılan geleneksel rulmanlar, yağlama sisteminde meydana gelebilecek yağ kaçağı riski göz önünde bulundurulduğunda hijyenik çalışma şartları için elverişsizlerdir. Bu problemin çözümü için hijyenik ortamlarda yağlama problemi olmayan polimer rulmanların kullanımı günümüzde gittikçe yaygınlaşmaktadır. İç ve dış bilezikleri polimer malzemeden, bilyaları ise çelik veya başka malzemelerden olan rulmanlar, polimer hibrid rulmanlar olarak adlandırılmaktadır. Polimer rulmanların çok fazla avantajı olmasına karşın yük taşıma kapasitesi çelik rulmanlara göre çok daha düşüktür. Rulmanların uzun zaman kullanılabilmesi için yapılan yüklemelerin elastik sınırlar içerisinde olması gerekmektedir.  Rulmanlarda elastik bölge sınırının tespit edilmesi ve analizi için, bilya ve bilezikler arasındaki temas mekaniğinin modellenmesi gerekir. Dolayısıyla hibrid polimer rulmanlar ile desteklenmiş bir şaft-rulman sisteminde de, temas mekaniğinin modellenerek rulmanın çalışma bölgesinin analiz edilmesi önemlidir. Çelik rulmanlarda temas mekaniği analiz edilirken Hertz temas teorisi kullanılmaktadır. Polimer rulmanlarda ise temas mekaniği analiz edilirken, bilya ile viskoelastik malzemeden üretilen bilezikler arasındaki temasın elasto-plastik temas yöntemi kullanılarak modellenmesi gerekmektedir. Bu amaçla, rulman üzerindeki kuvvetler ile birlikte, şaft-rulman sisteminin iki serbestlik dereceli hareket denklemleri elde edilmiş, bazı kabuller yapılarak dördüncü mertebeden Runge-Kutta metodu ile iteratif yöntemler ile MATLAB ortamında çözdürülmüştür. Modele sıcaklık değerleri ile değişen elastisite modülü dolayısı ile değişen rulmanın katılığı da eklenmiştir. Bu tez kapsamında, polimer rulmanların dinamik karakteristiklerinin araştırılması amacıyla bir deney düzeneği kurulmuştur. Sistemin titreşim karakteristiğini belirlemek amacıyla ivmeölçerler kullanılmıştır. Aynı zamanda test rulmanı üzerine yerleştirilen ısıl çift ile sistem çalışırken oluşan sıcaklık değişimi belirlenmiştir. Ayrıca test sistemine yerleştirilen yük hücresi ile hibrid polimer rulmanların sürtünme karakteristiğinin değişimi de incelenmiştir. Sensörlerden alınan verilerin bilgisayara kaydedilmesi amacıyla bilgisayarlı veri toplama sistemi kullanılmıştır. Bu veri toplama sistemi ile deney esnasında ivmeölçerden, ısıl çiftten ve yük hücresinden alınan sinyaller MATLAB ortamında geliştirilen bir algoritma ile bilgisayara kaydedilmiştir. Kaydedilen veriler yine MATLAB ortamında hem zaman tanım bölgesinde hem de frekans tanım bölgesinde analiz edilmiş sonuçlar tartışılmıştır.

Abstract:
Conventional bearings are used in machines for producing food and medical products, but there may be a risk of oil leakage in the lubrication system of conventional bearings and this is not suitable for hygienic working conditions. In order to solve oil leakage problem, polymer bearings which have no lubricant problem are used frequently in hygienic places. Polymer hybrid ball bearings' balls may be steel, glass or another polymer and races consist of polymer material. Although polymer bearings have many advantages, their load carrying capacity is much lower than steel bearings. In order for the bearings to be used for a long time, the loadings must be within the elastic limits. For the determination and analysis of elastic area boundart in bearings, the contact mechanics between balls and races must be modeled.  Therefore, the shaft-bearing system supported by hybrid polymer bearings has become important to model the contact mechanics and to analyze the operating region of the bearing. Hertz contact theory is used when analyzing contact mechanics in steel bearings. When analyzing the contact mechanics on the polymer bearings, the contact between the ball and the races made of viscoelastic material should be modeled using the elasto-plastic contact method. For this aim, shaft-bearing system's two degree freedom equation of motion has been obtained with the force on the bearing and equation of motions have been solved by the fourth-order Runge-Kutta method by making some assumptions with iterative methods. This model also includes temperature effect on elastic modulus and changing stiffness of ball bearings.  In the scope of this thesis, a test rig has been set up for investigating the dynamic characteristic of polymer ball bearing. In order to investigate the vibration characteristics of the system the accelerometer has been used. At the same time, the temperature change during the operation of the system has been determined with the thermocouple placed on the test bearing          Also, hybrid polymer bearings change of the frictional characteristics has been researched via the load cell on the test rig. A computerized data acquisition system has been used to save the data from the sensors to the computer. The signals received from the accelerometer, thermocouple and load cell during the experiment have been recorded via this data acqusisiton system on the computer with an algorithm developed in the MATLAB environment. Recorded test datas results analyzed in MATLAB envirement both the time domain and frequency domain and the results have been discussed.