Sızdırmazlık elemanlarına çevre koşullarının etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the impact of environmental conditions on sealing elements
Yazar: ÖNDER TÜRKÖLMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sızdırmazlık elemanları, mühendislik uygulamalarında iki ayrılabilir mekanik bağlantı arasındaki akışı veya basınç farkı arasındaki oluşabilecek kaçakları önlemek amacıyla sızdırmazlık probleminin çözümü için kullanılırlar. Birçok mühendislik uygulamasında da olduğu gibi elektrik motorlarının sorunsuz çalışabilmesi için gerekli olan sızdırmazlık koşulunun sağlanmasında sızdırmazlık elemanları önemli yer teşkil etmektedir. Elektrik motorlarının gelişmesi ve ürünlerin enerji sınıflarındaki iyileşmesi birlikte her geçen gün elektrik motoru özelinde standartlar geliştirilmektedir. Asenkron motorlarının pompa, redüktör, asansör, mermer kesme, süz sağma, hamur karma, vinç, kompresör vd. olmak üzere çok farklı alan Standartların gelişimiyle beraber sızdırmazlık elemanlarının performansında da yeni beklentilerin ortaya çıkmıştır. Bu noktada elektrik motorlarında çevresel etkiler nedeniyle su ve toza karşı koruma sağlayacak sızdırmazlık elemanının farklı çalışma koşulları altındaki performansının aynı olması motor üreticileri ve kullanıcıları için önemli bir husus teşkil eder. IP (Ingress Protection) koruma sınıfı olarak adlandırılan elektriksel ürünlerin dış etkilere karşı korunması standartı gün geçtikçe üreticileri zorlaştırmaktadır. 
Asenkron motorlarda sızdırmazlık sağlamak amacıyla kullanılan elemanın hem problemi çözmesi hem de enerji verimliliği sınıfları kapsamında en az kayıba neden olması beklenir. Enerji kayıpları ile ilgili yapılan akademik çalışmalarda elektrik motorlarında kullanılan sızdırmazlık elemanlarının motor boşta gücüne %4 ile %10 arasında olumsuz etkide bulunduğu tespit edilmiştir. Bu etkinin oranı sızdırmazlık sistemi ihtiyacına göre seçilmiş sızdırmazlık elemanının kontrüksiyon yapısına, malzemesine ve kullanım yerine göre değişiklik göstermektedir.  
Hem enerji verimliliğinin sağlanması amacıyla mekanik kayıpların azaltılması hem de IP (Ingress Protection) koruma sınıflarındaki şartların karşılanması amacıyla iyileştirmeye açık alan olarak sızdırmazlık elemanları üzerine araştırmalar ve incelemeler yapılmış, yapılmaya devam etmektedir. Farklı amaçlar için tasarlanan, çok farklı çalışma şartları altında çalışan sızdırmazlık elemanları ve malzemeleri vardır. Sızdırmazlık elemanları sızdırmazlık istenen bölgede, mil ve kapak arasında her iki parça ile temas halinde bulunur. Asenkron motorlarda da kullanılan sızdırmazlık elemanlarından dolayı motorun boştaki güç testi verilerini etkiler. Zamanla mildeki hareketten oluşan temas nedeniyle aşınmalar görülür ve sızdırmazlık elemanı performansı düşer.
Sızdırmazlık elemanlarındaki performans kaybı nedeniyle IP koruma sınıfı şartları sağlanamaz. Bu durum mekanik olarak yataklama elemanı ve yağlayıcının performansını azaltır, elektriksel olarak motorun rotor-stator arasındaki hava aralığını etkileyen partikül, toz vb. nedeniyle motorun performans ve verimlilik değerlerini düşürür, statordeki sarımlarda kısa devre vb. elektrik arızaların oluşmasına neden olur.
Çalışmanın kaynağı olarak ele alınan sızdırmazlık sağlama özelliğini yitirmiş 10 yıl üzeri kullanım süresine sahip 2 adet keçe, boyutları 3 boyutlu ölçüm cihazı ve yüzey görüntüleme kamerası kullanılarak detaylı şekilde incelenmiştir. Boyutsal ölçümlerde L3 tipi NBR malzemesine sahip standart ölçülerde kullanıldığını varsaydığımız ürünün 10 yıl üzeri kullanımının ardından iç çap ölçüsünün %2,6 oranında arttığı, hacimsel değişiminde %11 azalma olduğu tespit edilmiştir. Yüzey pürüzlülük değerleri 0,56 µm olarak ölçülmüştür. Detaylı incelemeler sırasında sızdırmazlık elemanının motorun kullanıldığı farklı bölgelerde dış ortamda bulunan kimyasallara maruz kalmasınında yüzey aşınmalarında etkili olduğu, malzemenin elastikiyet özelliğinin azaldığı görülmüştür. Bu doğrulta sızdırmazlık elemanlarında zaman içerisinde oluşan sorunların ömür testlerinde irdelenmesi amacıyla tez konusu olan çalışmanın kapsamı oluşturulmuştur.
Bu çalışmada, radyal dudak contasının performansını ve yüzey pürüzlülüğünü etkileyen çevresel parametreler araştırılmıştır. Sızdırmazlık elemanlarının performansını etkileyen parametreler incelendiğinde; kirlilik tipi, parçacık boyutu, ozon maruziyeti, sıcaklık ve montaj hataları olarak tanımlanabilir. Tüm kirlilik tipleri (katı, sıvı, gaz) radyal dudak contasının birçok karakteristik özelliğini değiştirir. Bu nedenle, tasarlanan sistemlerde seçilen conta malzemesi, çalışacağı ortam koşullarına uygun olması gereken en önemli konulardan biridir. Ortamdaki radyal dudak contasının yüzeyine zarar verebilecek parçacık boyutu, elastomer malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkiler. Partiküllerin varlığı sürtünme ve aşınma mekanizmalarını hızlandırır. Elastomerlerin çekme uzaması ve aşınma oranı üzerindeki gerilme mukavemeti gibi mekanik özellikleri, daha küçük aşındırıcı parçacık boyutunda daha belirgindir, oysa sertlik ve yırtılma mukavemeti daha büyük aşındırıcı boyutta önemli bir rol oynar. Bu nedenle, parçacık boyutu keçelerin aşınma performansını etkileyen bir diğer önemli parametredir. Ozon etkisi, malzeme bağlarının yapısını ve ultraviyole ışığın etkisi ile bozulmayı etkilediği belirlenmiştir. Özellikle petrol ve kimya endüstrisi, vb. yüksek agresif gaz konsantrasyonlu çalışma koşullarında kullanılacak sızdırmazlık elemanlarını seçerken önem teşkil etmektedir. Radyal dudak contalarının çalışma prensibi, conta ile mil arasındaki sürtünme nedeniyle malzemenin sıcaklığını arttırır. Keçe malzeme maksimum çalışma sıcaklığına ulaştığında, elastomer malzeme yapısı nedeniyle sertleşmeye başlar ve yaşlanmayı hızlandırır. Bu nedenle, malzeme yaşlanması keçenin ömrünü sınırlar.
Çalışma kapsamında elektrik motorları endüstrisinde genellikle üreticilerin tercih ettiği farklı malzeme ve farklı geometrilerdeki radyal dudaklı keçelerin motorun boşta güç testlerine, su ve toz sızdırmazlık testleri performansına olan etkilerini araştırmaktır. Bu amaçla WAT Motor SAN A.Ş.'nin elektrik motorları üretim montaj hatları ve kalite kontrol laboratuvarlarındaki test düzenekleri kullanılarak çalışmalar yapılmıştır.
Testler öncesinde hazırlanan motor numunelerinin kritik parçaları ve keçelerin geometrik ölçüleri koordinat ölçüm cihazı (CMM) kullanılarak belirlenmiştir. Testler, sırasıyla gruplandırılmış keçeleri olan motor numuneleri üzerinde, belirtilen dış etkiler ve döngü adımları altında gerçekleştirilmiştir. Hem su testi hem de toz testinde belirlenen test süreleri sonrasında ürünler demonte edilerek görsel kontrol edilmiş, su kaçak testinde keçe yüzeyine yerleştirilen su emici bez ile hassas terazi kullanılarak su kaçak miktarları ölçülmeye çalışılmıştır. Test süreleri sonunda 15 dk'lık süreler içerisinde yüksek gerilim ve elektriksel performans testlerine monte edilip götürülen ürünlerin test kayıtları tutularak boşta güçleri ölçülmüştür. Keçesiz test edilen elektrik motorlarının boşta gücü ile keçeli test edilen boşta gücünün arasındaki fark izlenmiştir.
Sızıntı kontrolü sırasında 0,1 g hassas terazi ve su emici kâğıt kullanılmıştır. Bakır tellerin fiziksel temasını engellediği için elektrik motorlarında su emici kâğıt da tercih edildi. Testlerden önce bir referans belirlemek için kullanılacak su emici kâğıt, net 2g ağırlığında ölçüldü. Tüm döngüler aynı şekilde tekrarlandı. Dış etkilere maruz kalan contaların yüzeylerinin ortalama yüzey pürüzlülük değerleri Mitutoyo SJ-301 cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Testlerde standartlara göre numuneler çalıştırılmadı, rotor şaftı sabit kaldı. Elektrik boşta güç testleri, SCHLEICH GLP3 motor performans test sistemi cihazı kullanılarak yapıldı. Her test döngüsündeki değerler kaydedildi.
Sonuç olarak, farklı çevre koşullarında ve farklı yapı ve malzemede keçe kullanılan elektrik motorlarının boştaki gücüne sürtünme kaynaklı olumsuz etkileri olduğu tespit edilmiştir. Çalışma neticesinde ortaya çıkan aynı ölçü ebatlarına sahip keçelerde (Yuva çapı, mil çapı ve cidat kalınlığı) gücü etkileme yüzdeleri çoktan aza olmak üzere aşağıdaki gibi gözlemlenmiştir.
 FKM L3L > NBR L3L > NBR L2 
Testlerin sonucunda keçelerin atmosfere temas eden yüzeylerinde test öncesi pürüzlülük değerlerine (Ra) göre aşağıdaki gibi çoktan aza artış gözlemlenmiştir.
FKM L3L > NBR L3L > NBR L2 
Gerçekleştirilen hem su testinde hem de toz testlerinde FKM keçeler tüm testlerde başarılıdır.
NBR keçeler düşük basınç etkisi altında gerçekleştirilen su ve toz testlerde başarılı sonuçlar vermesine rağmen sonuçlardaki kararsızlık ve olumsuzluklar nedeniyle yüksek IP (Özellikle IP56, IP66) isterlerinin bulunduğu uygulamalarda tercih edilmemelidir. 
Dış ortam etkilerinemaruz kalan keçelerin (özellikle rotor mili ön tarafı) yüzeylerinde ortalama pürüzlülük değerlerinin arttığı gözlenmiştir. 24 saatlik toz ve su testlerinden sonra deney numunelerinin yüzey pürüzlülük değerleri incelendiğinde, 10 yıl kullanım ömrüne sahip olan contanın dış kirlilik nedeniyle yüzey pürüzlülük değerlerine benzer bir artış eğilimi olduğu görülmektedir. 
Bu çalışma, daha büyük toz partikülleri veya yüksek ozon maruziyeti olan ortamlarda daha yüksek basınçların, testlerde daha yüksek masa dönüş hızının ve çalışma koşullarının keçe sızdırmazlık performansına etkilerinin incelendiği çalışmalara katkıda bulunabilir.

Abstract:
Sealing elements are used in engineering applications to solve the sealing problem in order to prevent leakage because of the pressure difference between the two separable mechanical connections. Induction motors in industry are the most preferred electric motors in use because they are cheaper, stronger and easier to maintain in most applications known as asynchronous motors. In the most basic sense, asynchronous motors convert electrical energy into mechanical energy. As in many engineering applications, sealing elements play an important role in ensuring the sealing condition necessary for the smooth operation of electric motors. With the development of electric motors and the improvement in the energy classes of products, standards are being developed with regard to electric motors every day. Asynchronous motors are used differently working contidions as pump applications, reducer, elevator, marble cutting, milking, dough mixing, crane, compressor etc. Each different working environment creates different sealing problems. New expectations have emerged in the performance of sealing elements with the development of many different fields. At this point, the fact that the sealing element, which will protect against water and dust due to environmental effects in electric motors, has the same performance under different operating conditions, constitutes an important issue for motor manufacturers and users. The standard of protection of electrical products, called IP (Ingress Protection) protection class against external effects, makes the manufacturers' design and production processesmore difficult day by day.
The element used for sealing in asynchronous motors is expected to both solve the problem and cause the least loss within the scope of energy efficiency classes. In academic studies on energy losses, it has been determined that sealing elements used in electric motors have a negative effect between 4% and 10% of motor idle power. The rate of this effect varies according to the construction structure, material and place of use of the sealing element selected according to the need of the sealing system. In order to reduce the mechanical losses in order to ensure energy efficiency and to meet the conditions in the IP (Ingress Protection) protection classes, researches and investigations on sealing elements have been made and continue to be made. There are seals and materials designed for different purposes and working under very different operating conditions. Sealing elements are in contact with both parts between the shaft and the cover in the area where sealing is desired. Due to the sealing elements used in asynchronous motors, it affects the idle power test data of the motor. Over time, wear occurs due to contact with the movement in the shaft and sealing performance decreases.
IP protection class conditions cannot be met due to loss of performance in sealing elements. This reduces the performance of the bearing element and lubricant mechanically, electrically affecting the air gap between the rotor and the stator of the motor, particles, dust, etc. It reduces the performance and efficiency values of the motor, short circuit in windings in the stator, etc. causes electrical malfunctions.
The two seals with a usage period over 10 years, which have lost sealing feature, which is considered as the source of the study, have been examined in detail using the 3D measuring device and surface imaging camera. It has been determined that after the use of the product, which we assume that it is used in standard dimensions with L3 type NBR material in dimensional measurements, the inner diameter measurement increased by 2.6% and its volume change decreased by 11%. Surface roughness values were measured as 0.56 µm. During detailed examinations, it was observed that the sealing element was effective in surface abrasions and the elasticity of the material decreased in the exposure of the chemicals in the external environment in different regions where the motor was used. In this line, the scope of the study, which is the subject of the thesis, has been created in order to examine the problems occurring in sealing elements over time in life tests.
The study aims to investigate the effects of radial lip seals of different materials and different geometries on the motor's idle power tests, water and dust tightness tests performance, which are generally preferred by manufacturers in the electric motors industry. For this purpose, studies were carried out using the electrical motors production assembly lines of WAT Motor SAN A.Ş. and the test mechanisms in the quality control laboratories.
In this study, environmental parameters affecting on the performance and surface roughness of the radial lip seal were investigated. When the parameters affecting the performance of the sealing elements are examined; pollution type, particle size, ozone exposure, temperature and assembly faults. All types of pollution types (solid, liquid, gas) change many characteristic properties of radial lip seal. Therefore, the seal material selected in the designed systems is one of the most important issues to be suitable for the ambient conditions in which it will operate.
The particle size that can damage the surface of the radial lip seal in the environment adversely affects the mechanical properties of the elastomer material. The presence of particles accelerates the friction and wear mechanisms. The mechanical properties of the elastomers, such as tensile strength on tensile elongation and wear rate, are more evident in the smaller abrasive particle size, whereas hardness and tear strength play a crucial role in the larger abrasive size. Because of this, particle size is another important parameter that effects of seals.
The ozone effect was determined to affect the structure of the material bonds and deterioration with the effect of ultraviolet light. Especially the oil and chemical industry, etc. When selecting sealing elements to be used in working conditions with high aggressive gas concentration, details about the material properties are important.
Working principle of radial lip seals increases the temperature of the material due to friction between the seal and the shaft. When the felt material reaches its maximum operating temperature, the elastomer material begins to harden due to its structure and accelerates aging. Therefore, material aging limits the life of the felt.
The critical parts of the motor samples prepared before the tests and the geometric dimensions of the seals were determined using the coordinate measuring device (CMM). Tests were carried out on motor samples with grouped seals, respectively, under specified external influences and cycle steps. After each test period, electrical idle power tests were applied to the samples within 15 minutes. After the idle power measurement, the covers of the samples were removed without any damage and leakage control was performed. During leakage control, 0.1g precision scales and water absorbent paper were used. Water absorbent paper was also preferred in electric motors because it prevents physical contact of copper wires. The water absorbent paper to be used for determining a reference before the tests was measured at a net weight of 2g. All cycles were repeated in the same way. Average surface roughness values of the surfaces of the seals exposed to external influences were measured using the Mitutoyo SJ-301 device. In the tests, according to the standards, samples were not run, the rotor shaft remained constant. Electrical idle power tests were performed using the SCHLEICH GLP3 motor performance test system device. Values in each test cycle were recorded.
As a result, it has been determined that electric motors using seals in different environmental conditions and in different structures and materials have negative effects due to friction on the idle power. The power effect percentages of the seals with the same dimensions (Slot diameter, shaft diameter and thickness of the wall) resulting from the study have been observed as follows, with the percentages affecting the power.
 FKM L3L> NBR L3L> NBR L2
As a result of the tests, an increase in the surface of the seals in contact with the atmosphere has already been observed, as compared to the roughness values (Ra) before the test.
FKM L3L> NBR L3L> NBR L2
In both water and dust tests, FKM seals are successful in all tests.
Although NBR seals give successful results in water and dust tests performed under the influence of low pressure, they should not be preferred in applications with high IP (Especially IP56, IP66) demands due to instability and adverse effects.
It has been observed that the average roughness values increase on the surfaces of the shaft seals facing the atmospheric environment (especially the rotor-shaft front side), which are exposed to the external environment. When the surface roughness values of the test samples after 24 hours of dust and water tests are examined, it is seen that the seal, which has a 10-year lifetime, has an increasing tendency similar to the surface roughness values due to the external pollution effects.
This study can contribute to studies examining the effects of higher pressures, higher table rotation speeds and operating conditions on seal sealing performance in environments with larger dust particles or high ozone exposure.