bir asenkron motor arıza tespiti öğretim aracı an ınductıon motor fault

Transkript

C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2011 Cilt: 2 Sayı:16
BİR ASENKRON MOTOR ARIZA TESPİTİ ÖĞRETİM ARACI
AN INDUCTION MOTOR FAULT DIAGNOSIS INSTRUCTIONAL
TOOL
Veli TÜRKMENOĞLU1, Necati KOCYİGİT2
ÖZET
Bu çalışmada, 3 fazlı asenkron motorlar için arıza bulmada yardımcı olacak uzman
sistem geliştirilmiştir. Elektrik motorları konusunda yetişen teknik elemanların, 3 fazlı
asenkron motor arızalarının bulunması ve giderilmesi konusunda teknik bilgi ve beceri
kazanmaları gerekmektedir. Bu çalışmayla hissedilen açığın desteklenmesi
hedeflenmektedir. 3 fazlı asenkron motor olası arızaları uzman sistem mantık süzgeci
içerisinde sınıflara ayrılmış ve bilgi tabanı oluşturulmuştur. Bu bilgi tabanını değerlendirip
sonuca giden bir algoritma geliştirmiştir. Bu amaçla CLIPS uzman sistem kabuğu (USK)
kullanılmıştır. CLIPS USK ile algoritma çalıştırılarak kullanıcıya sorunla ilgi önerilerde
bulunmaktadır. Programa görsel özellikler kazandırmak için VC++ programlama dili
kullanılmıştır. VC++ temelli yazılım programı ile uzman sistem kabuğu gömülü olarak
kullanılmaktadır. CLIPS USK gömülü uygulaması için clipsdll.dll düzenlenmiş ve
kullanılmıştır. Motor sorunları, nedenleri ve olası çözüm yöntemleri önerilmektedir.
Kullanıcı menüler yardımıyla arıza türüne ve öngörülen çözümlere yönlendirilmektedir.
Kullanıcı arızaları şikâyetlerden yola çıkarak bulmaktadır. Her şikâyete ait arızanın olası
nedenleri bulunmaktadır. Bu nedenlere bağlı arıza belirtileri bulunmaktadır. Eğer olası arıza
nedenine ait belirtilerin hepsine “evet” denirse o kural olası arıza nedeni olarak kullanıcıya
sunulmaktadır. Geliştirilen yazılımın öğrenciler üzerindeki etkisi bir anketle kontrol edildi.
Öğrencilerin çoğunluğu geliştirilen yazılımı oldukça olumlu buldu.
ABSTRACT
In this study, an expert system for identifying three-phase asynchronous motor’
defection has been improved. The technicians that are being trained on electrical motors
should be trained with technical knowledge and skills about running of three-phase
asynchronous motors as well. The study aims supporting the required lack of experience
and knowledge. A three-phase asynchronous motor’s possible defects have been classified in
a logical algorithm of the expert system and formed database. To do this, an algorithm has
been developed to evaluate the database. For this purpose, the ESS (Expert System Shell),
which is a CLIPS system shell, has been used. It has been performed by functioning CLIPS
ESS algorithm. VC + + based software program has been used together with the expert
system shell embeddedly. Clipsdll.dll has been regulated and used for embedded
applications of CLIPS ESS. Motor defects, reasons, and possible solution methods are
suggested. The user is directly supervised to type and propose solutions by defecting menus.
The user finds out the defects through complaints. Possible solutions for each problem are
available. If 'YES' is said for all indications belonging to possible defecting reason of motor,
the rule is presented to user as a possible defect. The impact on the software developed by
1
2
Ordu University, Electricity and Energy Department/Turkey, [email protected]
Rize University, Electricity and Energy Department/Turkey, [email protected]
1
students were examined too. The majority of students have found that the software
developed was quite positive.
Key words: 3-Phase Asynchronous Motors, Identifying Defect, Expert System, Computer
Supported Vocational Education
1.
INTRODUCTION
Used in various industrial applications, depending on how hard asynchronous motor
is used, even though they provide the physical structure to be converted to electrical energy
to mechanical energy or vice versa, errors in cases may arise. Changing work environment
and dynamic load cause errors in a motor. During normal running, different errors may occur
in asynchronous motor's electrical and mechanical parts. Broken rotor bars, stator and rotor
windings of the coil are short-circuit failures; air gap asymmetry in the magnetic circuit
generates the error. Thus, within the broken rotor bars of motor, eccentricities like winding
and friction will result in errors. Motor larger errors are errors in the beginning before they
affect the overall performance of the motor. These errors occur with appropriate early
diagnostic detection schemes and finally serious performances reduce cause system
failures(Aydin et al, 2005).
Different methods were used for detecting motor error and diagnosis. In this
method known as parameter estimation method and in the other techniques like modelbased, that are most convenient and inexpensive, the system is setup on the mathematical
model. Although parameter estimation technique requires an accurate mathematical model
and a set of system parameters based on a complex understanding of system dynamics, it has
been used widely (Mo Yuen, C. 1997).
The mathematical model of the motor can be diagnosed without knowing exactly
working environment and the status of a motor based on measurements by experienced
engineers or experts. Approaching is simple and reliable. Conditions and measurements of
the broken motor lies in the complex relationship between the engineer's full knowledge
(Gao, XZ, Ovaska, SJ, 2001). However, training of the experienced technicians is an
expensive and difficult task. Instead of using a few experienced technicians, relying on
system monitoring and diagnostics, monitor continuously will be prompted to automatic
update.
In this study, 3-phase asynchronous motor for an expert system was developed to
help finding the error. For electric motor technicians who were trained to locate and
eliminate 3-phase asynchronous motor failure, technical knowledge and skills are also
required.. This study is aimed to support sensable vulnerability.
For possible defects in the filter, 3-phase asynchronous motor expert system logic
that is divided into classes and the knowledge base were developed. This knowledge base
was developed to evaluate the results and an algorithm. For this purpose, the expert system
shell CLIPS Expert System (ES) Shell is used. When there is a problem on running CLIPS
algorithm some suggestions may be useful for the user. To bring to the visual features, VC +
+ programming language is used. The VC + + based software program with the expert
system shell is used for embedding applications and designed clipsdll.dll used. Knowledge
Engineering is called as such a technique which compiles and transfers the knowledge and
expert’s experience. A good rule of knowledge and experience of experts in the computer is
to transfer the Artificial Intelligence (AI) programs to the Expert Systems (ES).
2
3-phase asynchronous motor type of failure was studied and it was grouped under
14 headings in the program. Motor problem, their causes and possible solutions are the
suggested methods here. Menu with the help and predicted solutions are directed to the type
of failure. Failures are found based on user complaints. This is how to understand what a
failure is: If all of the possible failures causes the symptoms; it is also possible that the rules
are presented to users as a cause of failure. If there aren't any symptoms, the user is
prompted to the next rule.
2.
EXPERT SYSTEM FAULT DIAGNOSIS LOGIC
2.1.
Expert System Diagnostics Process
There is a block diagram of expert system logic in finding fault given below. As it
can be understood from the figure 1, to analyse failure complaints must be defined first. YES
and NO answers to the symptoms of the knowledge base are queried. Rules (Probable cause)
all indicate that this rule works of YES, not go to the next rule, and questioning continues. If
the rule tries, the corresponding user sees Probable Causes and Recommendations.
Figure 1. Fault finding logic of expert systems
Figure 2 shows the ‘‘complaints’’,
(complaint
1
"motor may not attempt to start at all")
I
II
III
Figure 2. Structure of the knowledge base complaint
Following is the meaning of a Roman figure:

I - the name of fact.

II -the number of complaint.

III – the complaint.
Figure 3 shows the ‘‘symptom’’,
(symptom
1
I
"asynchronous motor on two-phase")
II
III
Figure 3. Structure of symptoms knowledge base
3

I – the name of the fact

II – symptoms number

III - symptoms
Figure 4 shows the ‘‘cause of failure’’,
(failure
1 1
"one of fuse is broken or overload relay is wrong"
I
II
III
IV
V
Figure 4. Structure of rule knowledge base

I – the name of fact.

II - Rule number

III - Complaint number

IV - probable reason rule

V - the number of symptoms
Figure 5 shows the ‘‘Recommendations’’,
(recommendation
1
"asynchronous motor on two-phase")
I
II
III
Figure 5. Recommendation Information structure of the base

I – Recommendation name

II - Recommended number

III - Recommendation indicates.
Knowledge base links, are given in figure 6.
Figure 6. The facts relations with each other in the knowledge base
4
1 2 3 4)
Knowledge base in the shape can be understood from the above facts such as
numerical been associated. Every complaint has a rule or rule group that exists. The third
part shows the number of complaints. At the end, the rule of the numbered group shows the
figures that indicate symptoms. Each figure shows a symptom number that is signified. Each
rule has a referral number.
3.
EXPERT SYSTEM PROGRAM WORKS
ES, like the MSVC + + and CLIPS ESS embedded applications are being
developed. Figure 7 shows how the developed ES works.
RESULT
INPUT DATA
MSVC++
Function call
Clipsdll.dll
MSVC++ uses data from
text file
Loading Knowledge
Base in CLIPS
KnowledgeBase.txt
Result.txt
The result are extracted in
text files
Figure 7. System architecture
Here, like the MSVC + + compiler with the program files are associated with the
clipsdll.dll CLIPS ES shell. The main window of ES program can be seen in Figure 8.
Program menus, toolbars, buttons, or failure analysis begin. Failure analysis starting from the
database, CLIPS knowledge base and knowledge base are called to order query results.
5
Figure 8. Main window of ASMX
Figure 9. Complaint dialogue box of ASMX
6
When a system of elements belonging to a menu or button is selected, the complaint
dialogue in Figure 9 comes up to the screen box. The fault that belongs to the user must be
choosen, when the complaint is being installed, while knowledge base and knowledge base
are getting scanned. All the symptoms are malfunctions. In Figure10, user knowledgebase
query box is in the form of questions and YES or NO answers.
Figure 10. The knowledge base query dialog box of ASMX
The cause of failure can also be seen here. When a user answers YES to all the
specifications of a rule, that rule is shown as a failure in the failure analysis dialogue box in
Figure 11 and recommendations are given to fix the failure. If the answer is NO to any of the
specifications of a rule, the following failure is questioned. The user can see and print the
report in the query failure analysis report dialogue box whenever s/he wants to. In addition,
failure report can be saved. The flow program diagram for failure diagnosis and report
printing of the program is shown in Figure 12.
When the user has started diagnosing the failure either from the menu or through the
figure, the failure analysis starts with a complaint menu. Then, the query is done according to
the order in the database with the menu that shows the signs of the failure and the reason, and
the result and recommendation are in the result menu.
The report is presented in the report dialog box. Here, the user can see every stage
of database query. Figure 11 and Figure 12 show the knowledge base query results and
failure analysis reports respectively.
7
Figure 11. The knowledge base query results dialog box of ASMX
Figure 12. Failure analysis report dialog box of ASMX
8
Figure 13 given above represents logical execution of the ‘run’.
Figure 13. Flow diagram of ASMX
4.
IMPACT OF THE SOFTWARE OVER THE STUDENTS
The impact of the proposed software over the students was assessed with a
questionnaire. Fifty students who actively continue to their trainings at Department of
Electrical Technology Program participated in the questionnaire. Ten questions were
directed to the participants. Table I shows the questions and the results.
9
Table I. Software assessment results
Questions
Strongly
Disagree
disagree
1 This software is useful for Electrical
Neither agree Agree
Strongly
nor disagree
agree
5
35
10
11
30
8
8
25
17
2
10
20
18
3
20
16
10
2
14
15
19
5
15
30
Maintenance and Fault Diagnosis lectures.
2 Three-phase asynchronous motor defects are
1
found more easily.
3 Visualizations thanks to my attention intensive.
4 Visual elements facilitate my learning.
5 There are enough options in the program the
1
router.
6 Thanks to the program would save time.
7 I do not have difficulty in using the program.
8 I will suggest the software to my friends.
2
8
17
23
9 I believe that this program will be useful for
3
10
20
17
5
20
25
69
213
177
industrial applications.
10 I believe the developed software contributes to
distance technical education.
TOTAL
1
10
13
Never
Less
Middle
Many
Very Much
Seri 6
35
30
25
20
15
10
5
S6
Very Much
Many
0
1
2
Middle
3
4
5
Less
6
7
8
Never
9
10
Figure 14. Survey results
Figure 14 shows the survey results. According to the results shown in Figure 14,
students found the software interesting and useful. In Table I, 35 students out of 50 strongly
agreed that the software was useful for Electrical Maintenance and Fault Diagnosis Course.
The majority of the students think that the software is easy to use. The opinions of students
regarding to the software are listed in the last row of Table I as follows; “Strongly disagree”
1, “Disagree” 13, “Niether agree nor disagree ” 69, “Agree” 213, and “Strongly agree” 177.
According to the results, the majority of the students think that the software is very useful.
5.
CONCLUSION
Asynchronous motors, which are widely used in industrial applications produce
motion energy for machines. It is possible for students of vocational education and
technicians to enrich their knowledge and experience through an expert system in a computer
environment. The order of the procedure for the diagnosis of the failure that an expert will
follow and the recommendations s/he will make for fixing the failure are highly
educational.,
The impact the software developed on the students was assessed with a
questionnaire. The vast majority of students find the software developed positive.
Electricians and electrical engineers can use the developed software as a useful educational
tool. It can be added to proposed software video and audio animations as a further study.
11
6.
REFERENCES
1. Alerich, WN, (1988), ‘‘Delmar Publishers Inc. Electric Motor Control’’. Albany, New
York 12212-5015.
2. Aydın, İ., Karaköse, M., and Akin, E., (2005), “Asynchronous Motor for Diagnostic Error
in a new Soft Computing Approach”, TOK 2005.
3. Bulgurcu, H., “Kompresyonlu Soğutma Sistemlerinde Arıza Gidermek İçin Teşhis Yapan
"Compression of Cooling System for Fault Diagnosis Expenses Development of Expert
Systems ", PhD. Thesis, Marmara Univ. Institute of Science, İstanbul, Türkiye, (1994).
4. CLIPS 6.1 Reference Manual, Volume I Basic Programming Guide, August 5th, 1998.
5. Dhillon, BS, (2000)''Maintanance Engineering: A Modern Approach'', CRC Press, New
York.
6. Gao, XZ, Ovaska, SJ, (2001), ‘‘Soft computing methods in motor fault diagnosis’’.
Applied soft computing. 73-81.
7. Higgins, L., Mobley RK, Mobley K., (2002), ‘‘Maintenance Engineering Handbook’’,
McGraw-Hill, New York.
8. Hughes, E., (1987), ‘‘ Elektrical Technology’’, Longman Scientific & Technical In the
United States with John Wiley & Sons Copublished, Inc., New York.
9. Keity Mobley, R.
Heinmann'', New York.
(2002),''An Induction to Predictive Maintenance Butterworth-
10. Kocyigit, N. "Central Air Conditioning Systems and Operating Info for Fault Based
Troubleshooting Development of Expert Systems ", PhD. Thesis, Marmara Univ Institute of
Science, Istanbul, Turkey, (2008).
11. Kruglinski DJ, (1998),''A Division of Microsoft Corporation One Microsoft Way''
Microsoft Press, Redmond, Washington 98052-6399.
12. Mo Yuen, C. (1997), “Methodologies of Using Neural Network and Fuzzy Logic
Technologies for Motor Fault incipient Detetion”, World Scientific.
13. Splendor, A. (1994),''Electrical Winding Machines'', Ozkan Printing Industry, Çorum.
14. Uysal, M., (2003), “Visual C + +. NET Software Development”, Beta Press Release.
12
ETİAL 171 ALAŞIMINDA YARI-KATI ŞEKİLLENDİRMENİN TANE
BOYUTUNA ETKİSİNİN İNCELENMESİ VE SONUÇLARIN
İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRMESİ
Nurşen SAKLAKOĞLU1, AdnanTÜRKER2
ÖZET
Bu çalışmada yarı-katı şekillendirme prosesinin malzemenin tane boyutuna olan
etkisi incelenmiş ve sonuçlar SPSS programı yardımıyla istatistiksel olarak doğrulanmıştır.
Etial 171 alaşımının yarı-katı sıcaklıkta şekillendirilmesi tane boyutunu küçültmektedir.
Anahtar Sözcükler: Yarı-katı şekillendirme, tane boyutu analizi, alüminyum alaşımı, SPSS
programı
ABSTRACT
In this study, it was investigated the effects of semi-solid processing on grain size at
Etial 171 aluminum alloy and the results was confirmed using SPSS statistical software
package. The processing in semi-solid range of the alloy was reduced the grain size.
Keywords: Semi-solid processing, grais size analyse, aluminum alloy, SPSS program
1.
GİRİŞ
Bu çalışmada otomotiv endüstrisinde kullanılan silindir kapağı, fren balataları,
piston kol vb. parçaların imalatında kullanılan AlSi (Etial 171) alaşımının yarı-katı halde
şekillendirilebilirliği araştırılmıştır. Küresel tane oluşumu yarı katı şekillendirmeler için en
önemli adımlardan biridir. Alaşım yarı katı sıcaklığa ısıtıldığında dentritik yapı akışkanlığa
büyük bir direnç oluşturduğundan bu tür şekillendirmeler için alaşımın küresel tane yapısına
sahip olması çok önemlidir. Bu amaçla bu çalışmada küresel tane yapısının elde edilmesi için
eğimli soğutma plakasından döküm (Cooling Slope Casting – CS) yöntemi kullanılmıştır. Bu
yöntem hakkında literatürde pekçok bilgi mevcuttur [1,2,3,4].
Yarı-katı şekillendirme prosesleri porozitenin azaltılmasına katkılarından dolayı
döküm malzemelere göre daha iyi mekanik özellikler sergiler. Diğer yandan malzemenin
mekanik özellikleri tane boyutundan büyük oranda etkilenmektedir. Tane boyutu ise eğimli
soğutma plakasından döküm parametrelerine, yarı-katı şekillendirme sıcaklığına, uygulanan
kuvvete vb. bağlı olarak değişebilmektedir. Bu çalışmada yarı-katı halde şekillendirmenin
Etial 171 malzemesinin tane yapısına ve boyutuna etkileri incelenmiştir. Tane boyutu
değerleri SPSS programı yardımıyla birbiriyle karşılaştırılarak, prosesler arasında anlamlı bir
fark olup-olmadığı yani çalışmalarımızda elde ettiğimiz sonuçların bilimsel olarak güvenilir
olup olmadığı test edilmiştir. Güvenilirlik değeri bir ölçme aracının tekrarlanan ölçümlerde
aynı sonucu verme derecesinin göstergesidir. Uygun analiz türünün belirlenmesinde ilk kriter
1
Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye Kampüsü, 45140
Manisa, [email protected]
2
K.K.Astsb.M.Y.O K'lığı / Balıkesir, [email protected]
13
verilerin türüdür. Analiz yöntemleri verilerin özelliklerine göre iki temel gruba ayrılır.
Parametrik veriler için kullanılan analiz yöntemlerinden iki ortalamanın karşılaştırılmasında
kullanılan bir analiz yöntemi olan T-Testi kullanılmıştır. Eymen (2007) yaptığı çalışmada T
– testindeki anlamlılık düzeyi ile ilgilli şu bilgiyi vermiştir. SPSS varsayılan olarak p < 0,05
anlamlılık düzeyinde çalışmaktadır. Anlamlılık düzeyini p < 0,01’e yükselterek daha
güvenilir sonuçlar elde etmek için bu bölüme % 99 değeri girebilmektedir. Ancak bu
durumda p < 0,05 anlamlılık düzeyinde anlamlı çıkan bazı ilişkiler, p < 0,01 anlamlılık
düzeyinde anlamlı çıkmayabilir. Bu yüzden pek çok durum için p < 0,05 anlamlılık düzeyi
yeterli olarak kabul edilir.
2.
DENEYSEL ÇALIŞMA
Bu çalışmada kullanılan Etial 171 malzemesinin kimyasal kompozisyonu Çizelge
1’de görülmektedir.
Çizelge 1. Etial 171 alüminyum alaşımının kimyasal kompozisyonu.
Al
Si
Mg
Fe
Ti
Mn
87,7655
11,6995
0,174
0,1465
0,1165
0,0515
Ni
Zn <
Cu <
Cr
Pb
Sn <
0,0115
0,077
0,015
0,004
0,002
0,001
Sb
0,018
Alaşımlı külçeler elektrik direnç fırınında ergitilip, sıvı alaşımın sıcaklığı önceden
belirlenmiş döküm sıcaklıklarına ulaştığında, 10 x 50 x 500 mm boyutlarında, 60° eğimli ve
su ile soğutulan çelik bir plakanın yüzeyinden kalıba dökülmüştür. Şekil 1’de eğimli soğutma
plakasından döküm yöntemi ile yarı katı şekillendirme prosesi şematik olarak gösterilmiştir
ve Çizelge 2’de döküm parametreleri verilmiştir.
Çizelge 2. Soğutma plakası deney düzenek parametreleri
Plaka malzemesi
Plaka kaplama malzemesi
Plaka eğim açısı
Plaka döküm uzunluğu
Döküm sıcaklığı
1.2344
Bor nitrür (BN)
60°
350 mm.
650 °C
Şekil 1. Eğimli soğutma plakası kullanılarak yarı katı şekillendirmenin şematik gösterimi
14
Şekil 2. Ağırlık kaybına göre TG/DTA analizi.
Dökümden elde edilen numuneler 30 mm çapında 40 mm uzunluğunda kestirilerek,
laboratuarımızda bulunan indüksiyon ısıtma sistemi ile yarı katı sıcaklık aralığına ısıtılmış ve
bu sıcaklıkta belli bir süre bekletilip suda soğutularak yarı-katı sıcaklıkta mevcut tane yapısı
korunarak metalografik inceleme yapılmıştır. Sıcaklık kontrolü K tipi bir termokupl yardımı
ile yapılmıştır. Numuneye açılan 3 mm çapında ve 3 mm derinliğinde bir deliğe yerleştirilen
dijital bir göstergeye bağlı olan prob yardımı ile sıcaklık kontrolü sağlanmıştır. Yarı katı
aralıkta ısıtma esnasında 2-3 °C sıcaklık değişimi ile bile malzeme içerisinde katı-sıvı oranı
oldukça değiştiğinden, sıcaklık ölçümü hassas yapılmıştır. Tüm yarı katı sıcaklığa ısıtma
çalışmaları ± 1 °C’de yapılmıştır.
Kalıpta yarı-katı şekillendirme çalışmaları pres altında, indüksiyon sistemiyle zımba
üzerinde ısıtılan ingotun yarı-katı aralığa (572 °C) gelmesiyle zımbanın yukarı doğru hareket
ederek parçanın şekillendirme kalıbına basılması ile gerçekleştirilmiştir. Şekillendirme kalıbı
önceden 350 °C’ye ısıtılmaktadır. Bu proseste presin alt tablası hareketlidir, ingot zımbanın
hareket etmesi ile kalıp içine dolmaktadır (Şekil 1). Şekil 2’de yarı-katı halde şekillendirilmiş
numuneler görülmektedir.
Şekil 3. Yarı katı halde şekillendirilmiş numune
15
Soğutma plakasından döküm yöntemine referans oluşturabilmek amacıyla grafit
potada eritilen sıvı metal 650 °C sıcaklıkta kalıp içerisine doğrudan boşaltılarak gravite
döküm yöntemiyle üretilmiştir.
Metalografik incelemeler CLEMEX dijital kamera ile desteklenen NIKON Eclipse MA - 100 optik mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tane boyutu analizleri ImageJ
1.44 programında yapılmıştır. ASTM-E112 (American Society for Testing Materials)
standardına dayanılarak, 100X büyütmede mikroyapı analizleri yapılmıştır. Analizde
belirlenen aralık dışında kalan parçacıklar ihmal edilmiştir. Her mikroyapı fotoğrafı için
programda aynı oranlar, değerler, biçimler ve kontrastlar seçilmiştir. Aynı zamanda her bir
numuneye ait kenar, kenar-merkez ve merkezden olmak kaydıyla 10 ar ölçüm yapılmış bu
ölçümlerin ortalamaları gerçek değer olarak kabul edilmiştir. Bu sayede numuneler arasında
kıyaslamada hatanın en aza indirilmesi hedeflenmiştir.
Bu çalışmada, test edilecek verilere ait datalar SPSS statistics 17.0 programına
girildikten sonra güvenilirlik testleri yapılmıştır. Sonuçları değerlendirmek için independent
samples test tablosunun Sig. (2-tailed) değerleri incelenmiştir. Bu değerin 0,05’den küçük
olduğu durumlarda H0 hipotezi reddedilirken, 0,05’den büyük olduğu durumlarda H0
hipotezi reddedilemez. Örneğimizde p= 0,099 değeri 0,05’den büyük olduğu için H0 hipotezi
reddedilememiş ve analiz sonrasında bulunan iki numune arasındaki farkın istatistiksel
olarak anlamlı olmadığı kabul edilmiştir.
3.
BULGULAR
Şekil 3a’da gravite döküm yoluyla üretilmiş Etial 171 malzemenin mikroyapısı
görünmektedir. Gravite döküm tipik dendritik yapı oluşmasına neden olmuştur. Nondendritik malzeme üretmek üzere, Etial 171 alaşımı eğimli soğutma plakasından döküm
yöntemiyle üretilmiştir (Şekil 3b). Katılaşma esnasında kesme gerilmesinin dendrit kolların
kırılmasına, ikinci çekirdeklerin oluşmasına neden olduğu iddia edilmektedir [5, 6, 7, 8]. Bu
teoriyi destekler şekilde Etial 171 alaşımı, eğimli soğutma plakasından döküm sonucunda
dentritik kollar kırılmış ve yarı katı sıcaklığa ısıtma sonucunda küresel tane yapıları
oluşmuştur.
Yarı katı sıcaklığa ısıtma sırasında tanelerin arası, yapıda var olan düşük ergime
sıcaklığına sahip faz veya bölgelerin erimesi ile oluşan sıvı faz tarafından ıslatılır. Birincil αfazı, eğimli soğutma plakasından döküm etkisi ile kırılan dendrit kollarından sonra meydana
gelen rozet yapı, yarı katı hale ısıtma prosesi ile küresel hale dönüşmektedir. Bu çalışmada
gravite dökümden elde edilen ingotlar yarı katı hale yeniden ısıtılmıştır. Böylece yarı katı
şekillendirme öncesinde non-dendritik yapı üretiminin önemi ortaya konulmuştur. Gravite
döküm yöntemiyle üretilen ingotlar yarı katı haldeyken dendrit yapıların oldukça büyüyerek
kaba hale dönüştüğü ve hiçbir şekilde küreselleşme oluşmadığı anlaşılmıştır (Şekil 3c).
Eğimli soğutma plakasından dökümle üretilmiş ingotların yarı katı aralığa ısıtılmasıyla
küresel tane oluşumu gerçekleşmektedir (şekil 3d ve 3e).
Şekil 4’te yarı-katı aralığa ısıtılmış/soğutulmuş ve yarı-katı aralıkta şekillendirilmiş
numunelerin kenar bölge ile merkez bölgelerinden ayrı ayrı alınmış tane boyutu değerleri
verilmiştir. Döküm esnasında kenar bölgelerde soğuma hızının yüksek olması nedeniyle
çekirdeklenme daha fazla olmakta ve tane boyutu daha küçük olmaktadır. Yarı katı aralığa
ısıtma prosesiyle birlikte kenar bölgeler daha küçük küresel tanelere dönüşmektedir. Öte
yandan, yarı katı aralıkta kuvvet uygulanarak şekillendirme yapılması tane boyutunu
küçültmektedir. Kenar bölgede %30 mertebesinde olan bu fark, merkez bölgede 2 katına
ulaşmaktadır.
16
Şekil 4. Gravite döküm ve eğimli soğutma plakasından döküm yöntemiyle üretilmiş
numunelerin yarı-katı aralığa ısıtılması ve yarı-katı şekillendirilmesi sonrası mikroyapıları
(Malzemenin genelini ifade etmesi bakımından kenar ile merkez arasında kalan bölgeden
çekilmiş mikroyapı fotoğrafı verilmiştir).
Şekil 5. Ortalama tane boyutları.
17
Çizelge 3’te tane boyutunun istatiksel güvenilirlik testi sonuçları gösterilmiştir.
SPSS’de varsayılan olarak p < 0,05 anlamlılık düzeyinde güvenilirlik testine tabi
tutulduğunda yarı-katı şekillendirilmiş numunelerin kenarı ile merkezi arasındaki tane
boyutu açısından anlamlı bir fark olup olmadığına bakıldığında Sig. (2-tailed) değeri
0,05’den küçük çıkmıştır. Bu durumda H0 hipotezi reddedilmiştir. Yani anlamlı bir fark
olduğu ortaya çıkmıştır. Yarı katı sıcaklığa getirilmiş numunelerin tane boyutu açısından
kenarları ile merkezleri arasında anlamlı bir fark olup olmadığına bakıldığında her ikisinde
de anlamlı bir fark olduğu ortaya çıkmıştır. Başka bir deyişle, aynı malzemenin kenar bölgesi
ile merkez bölgesi arasında tane boyutu açısından fark olduğu istatistiksel olarak
doğrulanmıştır.
Çizelge 4’de malzemenin yarı katı sıcaklığa ısıtılması soğutulması ile yarı katı
sıcaklıkta şekillendirmesi sonrası oluşan tane boyutlarının istatiksel güvenilirlik testi
sonuçları gösterilmiştir. Bu analizde kenar ve merkez bölgelerinden ölçülen tane boyutu
değerlerinin hepsinin ortalaması alınmıştır. Numunelerin yarı katı sıcaklığa ısıtılması ve bu
sıcaklıkta şekillendirilmesi prosesleri arasında tane boyutları açısından anlamlı bir fark
olduğu ortaya çıkmıştır.
Çizelge 3. Etial 171 Kenar- merkez arası tane boyutu T- testi.
18
Çizelge 4. 171 Genel tane boyutu T- testi.
4.
SONUÇLAR
Gravite döküm yöntemiyle tipik dendritik yapı oluşurken eğimli soğutma
plakasından döküm yöntemi tdendrit kollarında kırılmalara neden olmaktadır. Yarı katı
aralığa ısıtma sonucunda gravite dökümle üretilmiş numunede dendrit kabalaşması meydana
gelirken, eğimli soğutma plakasından dökümle üretilmiş numunede α-Al taneleri küresel hale
gelmektedir. Numunelerin kenar bölgelerinde daha küçük taneli yapı meydana gelirken, yarı
katı aralıkta şekillendirme tane boyutunda incelmeye sebep olmaktadır. Söz konusu bu
sonuçlar SPSS programı yardımıyla istatistiksel olarak doğrulanmıştır.
TEŞEKKÜR
Deneysel çalışmalar Componenta Döktaş A.Ş. ve Alkar Alüminyum A.Ş tarafından
desteklenmiştir.
19
5.
REFERANSLAR
[1] Legoretta E.C., Atkinson H.V., Jones H., 2007. Cooling slope casting to obtain
thixotropic feedstock, Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock. In:
Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial International Conference on
Solidification Processing, 23-25 July, Sheffield, UK.
[2] Birol, Y., 2007. A357 thixoforming feedstock produced by cooling slope casting. J.
Mater. Process. Technol. 186, 94–101.
[3] Haga, T., Kapranos, P., 2002. Simple rheocasting processes. J. Mater. Process. Technol.
130–131, 594–598.
[4] Haga, T., Suzuki, S., 2001. Casting of aluminium alloy ingots for thixoforming using a
cooling slope. J. Mater. Process. Technol. 118, 169–172.
[5] Nili-Ahmadabadi, M., Pahlevani, F., Babaghorbani P., 2008, Effect of slope plate
variable and reheating on the semi-solid structure of ductile cast iron, Tsinghua Science and
Technology 13, 2, April, 147-151.
[6] Cardosa, E., Atkinson H., and Jones, H., 2007. Cooling slope casting to obtain
thixotropic feedstock, Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial
International Conference on Solidification Procesiing, 23-25 July, Sheffield, UK.
[7] Birol, Y., Altıntas, S., Önsel, M., Bozkurt, U., and Çakır, O., 2005. Alüminyum
Alasımlarında Eğimli Soğutma Plakasında Döküm Yöntemiyle Tiksotropik Yapı Elde
Edilmesi, 12. Kongre Bildirileri, OK-020.
[8] Zhang, D. K., Ge, S. R., and Qiang, Y. H., 2003. Research on the fatigue and fracture
behavior due to the fretting wear of steel wire in hoisting rope, Wear,255,7-12, 1233-37.
20
ALÜMİNYUM FAN KANATLARININ ÇEKME TEST VERİLERİNİN
YAPAY SİNİR AĞLARI İLE İNCELENMESİ
Nurcan KUMRU1, Ayla TEKİN2
ÖZET
Özellikle hafifliğin önemli olduğu otomotiv ve uçak sanayiinde alüminyum ve
alaşımlarından yapılan parçalar ile alüminyumdan yapılan rüzgâr türbin ve fan kanatları,
çalışma esnasında çoğunlukla tekrarlı yüklemelere maruz kalmaktadır. Tekrarlı yüklemeler
ise yorulma kırılmasına neden olmakta ve yorulma kırılması da gevrek türde olduğundan
nerede ve ne zaman olacağı önceden bilinememektedir. Bu nedenle soğuk hava depolarında
kullanılan alüminyumdan üretilmiş fanların yorulma ve mekanik özelliklerini
belirleyebilmek için çekme deneyi yapılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar çok katmanlı,
ileri beslemeli ve hatanın geri yayılım algoritmasının kullanıldığı YSA modelini eğitmek için
kullanılmış ve sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bir kez eğitilmiş ağ önceden
tahmin etme ve genel sonuç çıkarma işlemleri yüksek hızda yapabilmektedir. YSA’nın
eğitme ve test işlemlerinden sonra alüminyum fan kanatlarında çekme deneyi sonuçlarının
tahmin edilebileceği belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Çekme dayanımı, Yapay sinir ağları
ABSTRACT
Especially in automotive and plane industries in which lightness is of great importance,
structural materials made of aluminium and its alloys and wind turbine and fan blades made
of aluminium are greatly subjected to cycling loadings during the service conditions. Cycling
loadings cause fatigue breaking and because fatigue breaking occurs in brittle type, it is
difficult to know beforehand where and when it will happen. In this study; in order to
determine fatigue and mechanical properties of fan blades made of aluminium which are
used in cold-storage depots were made tensile test. Experimental results obtained from the
multi-layered, feed-forward and back propagation algorithm is used to train the artificial
neural network (ANN) model used and the results are compared with experimental results.
Networks which have been educated can be high rapidly operated estimating and inferring.
After educating and testing process of ANN, it was found that tensile test results of fan
blades of aluminium can be predicted.
Key Words: Aluminium, Tensile strength, Artificial neural network
1.
GİRİŞ
Günümüzde alüminyum, dayanım/ağırlık oranının yüksek olması, ısı ve elektrik
iletkenliğinin iyi olması, korozyona dayanıklı, işlenebilme ve dökülebilme kolaylığı ve
yaşlanma ile dayanımının artırılabilmesi gibi pek çok özelliği dolayısıyla tercih edilmektedir
[1,2]. Alüminyum ve alaşımları kullanıldığı yerlerde çoğunlukla tekrarlı yüklemelere maruz
kaldıkları bilinmektedir. Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda,
1
2
Yrd. Doç. Dr., C.B.Ü., Soma M.Y.O., Soma-MANİSA, [email protected]
Yrd. Doç. Dr., C.B.Ü., Soma M.Y.O., Soma-MANİSA, [email protected]
21
gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma
sayısı sonunda genellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayına neden
olurlar [3]. Yorulma kırılması gevrek türde olduğundan nerede ve ne zaman olacağını
önceden kestirmek zordur [4]. Bu amaçla alüminyumun bu şartlardaki mekanik özelliklerinin
bilinmesi gerekmektedir. Bu konuda R. Sakin ve M. Er [5] yaptıkları bir çalışmada çekme
dayanımının yorulma ile doğru orantılı olduğunun ve aralarında ampirik bir formülle bağlantı
kurulabileceğini göstermişlerdir.
Diğer yandan, yapay zekânın popüler bir dalı olan yapay sinir ağları, son derece
karmaşık ve doğrusal olmayan davranışları kolay bir şekilde öğrenebilmekte ve öğrenme
işlemi tamamlandıktan sonra, fonksiyonel bir yaklaşım gibi sonuca gerçek zamanlı
ulaşabilmektedir [6-8]. Bu konu ile ilgili olarak H. Durmuş ve diğerlerinin [9] yapmış
oldukları çalışmada TIG kaynağı ile birleştirilmiş Al-SiC kompozitlerinin takviye oranı,
sertlik ve çekme dayanımına bağlı olarak eğme dayanımının yapay sinir ağı oluşturarak
tahmini yapılabileceğini göstermişlerdir. Bir başka çalışmalarında ise AA 6351 serisi
Alüminyum alaşımının aşınma davranışını YSA ile inceleyen Durmuş ve arkadaşları [10]
kısa sürede ve çok az hata oranıyla sonuca ulaşmışlardır.
Bu çalışmada Konya Seydişehir ETİ Alüminyum A.Ş. Tesislerinden fan kanatları
yapımında kullanılan üç farklı özellikte (AlSi12Fe=Etial141, AlSi12MgCu(NiFe)=Etial145,
AlSi8Cu3Fe=Etial160) üç külçe Al alınmıştır. Alınan külçelerden kum kalıba döküm
yöntemiyle test numuneleri üretilmiş ve mekanik özelliklerini saptamak amacıyla çekme
deneyi uygulanmıştır. Deney sonuçlarından YSA eğitme ve test fazlarında kullanmak üzere
Etial141-3, Etial145-4 ve Etial160-1 nolu test numunelerinin verileri, genel ortalamaya en
yakın değerler olduğu için seçilmiştir. Daha sonra deney sonuçlarından yararlanılarak yapay
sinir ağları yoluyla % şekil değiştirme oranı; sertlik, gerilme ve malzemelerin kimyasal
bileşim oranları (Fe, Si, Cu) girdileriyle modellenerek hata oranı en az olacak şekilde tahmin
edilmesi amaçlanmıştır. Burada herhangi bir makine parçasının uzama miktarını pratikte
tahmin etme ve ölçmek mümkün olamayacağı ve parça üzerine etkiyen yük bilindiği için;
gerilme girdi, % şekil değiştirme oranı çıktı olarak alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, modelin
hassasiyetinin yüksek olduğunu ve modelin gerçek zamanlı geri hesaplama yapabilmeye
olanak sağladığını göstermiştir. Bu imkân, mühendislik uygulamalarında karar verici
durumunda olan çalışanlara klasik tekniklerle çözümü zor problemler için etkin bir alternatif
oluşturmakta, önemli bir zaman avantajı ve ciddi bir hesap kolaylığı sağlamaktadır.
2.
MALZEME VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Yapılan deneylerde üç farklı alüminyum
AlSi12MgCu(NiFe)=Etial145,
AlSi8Cu3Fe=Etial160)
alaşımlarının kimyasal analizi Tablo 2.1 de verilmiştir.
alaşımı (AlSi12Fe=Etial141,
kullanılmıştır.
Alüminyum
Tablo 2.1 Alüminyum Alaşımlarının Kimyasal Analizi (%ağ.).
ISO STANDARDI
Fe
Si
Ti
Mn
Zn
AlSi12Fe (Etial141)
0.68 11.94 0.027 <0.01 <0.02
AlSi12MgCu(NiFe) *
0.50 11.87 0.019 0.013 <0.02
(Etial145)
AlSi8Cu3Fe (Etial160)
0.62
8.26 0.02
0.04 <0.02
* Kaynak No:[11]
22
Cu
<0.01
1.230
Mg
<0.01
1
Ni
1.12
3.380
<0.01
-
Alüminyum fanlar yaş kum kalıba dökülerek elde edildiği için, çalışmada
kullanılacak numuneler de aynı şartlarda elde edilmesi amacıyla 15 kg’lık potada ayrı ayrı
ergitilerek, hazırlanan kum kalıplara dökülmüştür. Ergitme işlemi esnasında gaz giderici
olarak Hegza Kloretan (C2Cl6) tabletleri kullanılmıştır. Deney standartları göz önüne
alınarak, gerekli çekme, kesme ve işleme payları verilerek ahşap malzemeden hazırlanan ve
yüzeyleri boyanan modellere göre toplam 5 numune elde edilecek olan parçalar, bir tarafta 2
numune diğer tarafta 3 numune olacak şekilde kesilmiş, bu şekilde mengenenin çeneleri
arasında sıkılarak yüzeyleri frezede işlenmiştir.
Numunelere 100g yük 10sn uygulanarak Vickers sertlik ölçümleri yapılmıştır. Beş
ölçümün ortalaması alınmıştır(Tablo 2.2).
Tablo 2.2 Malzeme türlerinin ortalama sertlik değerleri.
Etial 141
Etial 145
71.52 HV
96,52 HV
Etial 160
120,5 HV
Çekme testlerine tabi tutulacak deney numunelerinin boyutları “ASTM B 557 – 02a
Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminium and Magnesium
Alloy Products” standardına göre hazırlanmıştır(Şekil 2.1) [11].
Şekil 2.1 Çekme deneyi test numunesi
Yaş kum kalıp yöntemine göre imal edilen üç değişik tipteki döküm numuneler
(ASTM B 557 – 02a) standardına uygun olarak 2 mm/dak’lık çekme hızı altında çekme
testleri yapılmıştır (Şekil 2.2). Testler [50 kN / 5000 kgf = 5000 daN] kapasiteli, dijital,
kalibreli ve Load Cell tipi SFL – 50kNAG olan (SHIMADZU) marka standart çekme
cihazında gerçekleştirilmiştir. Her bir numune tipinden altışar (6) adet numune çekme testine
tabi tutulmuştur.
23
Şekil 2.2 Döküm numunenin çekme testi ve çekme testi sonucu kırılan numunelerin
görüntüsü.
Tüm alüminyum alaşımı gruplarındaki numuneler için çekme testleri sonucu
ortalama mukavemet değerlerinin sıralı grafiği Şekil 2.3’te verilmiştir.
Şekil 2.3 Deneylerde kullanılan alüminyum alaşımlarının ortalama çekme
dayanımları
24
(a)
(b)
(c)
Şekil 2.4 Etial 141, Etial 145 ve Etial 160 malzemelerinin mikro yapı görüntüleri
(büyütme 20X).
Kum kalıba döküm yoluyla elde edilen numunelerin metalografik incelemesinde ise;
Etial 141 malzemesinde Al matris içinde ötektik yapıda dağılmış Si tabakaları ve yer yer
bağıl olarak büyük Si partikülleri gözlenmiştir (Şekil 2.4 – a). Etial 145 malzemesinde ise;
Etial 141’den farklı olarak Al matris içinde dağılmış Si tabakalarından daha açık renkli Ni
partikülleri göze çarpmaktadır. Yine bağıl olarak büyük sayılabilecek gözenekler
görülmüştür (Şekil 2.4 – b). Etial 160 malzemesinin mikro yapısında dikkati çeken de Tablo
2.1’de de görüldüğü gibi Si miktarındaki azalmadır. Burada Al matris içinde dağılmış
diğerlerine göre nispeten daha az olan Si tabakalarının yanında, yer yer tabaka halinde, bazı
yerlerde de büyük parçacıklar halinde, yine açık renkli görünen Tablo 2.1’deki bilgilerden
Cu olduğunu tahmin ettiğimiz parçacıklar gözlenmiştir (Şekil 2.4 – c).
3.
YAPAY SİNİR AĞI MODELİ
Yapay sinir ağları insan beynindeki nöronların meydana getirdiği ve öğrenme
işlemini gerçekleştiren paralel ağ yapısını taklit ederek, bu sisteme benzeyen zeki programlar
tasarlamayı hedefleyen bir yöntemdir. YSA yöntemi, modelleme, simülasyon, öğrenme,
tanımlama ve tahmin yapma gibi bir çok uygulama alanında başarı ile kullanılmaktadır.
Yapay sinir ağı işleyişi kabaca incelenecek olursa, girdiler, girdi katmanından ağa
girer, bağlantılar aracılığıyla çıktı katmanına ulaşıncaya kadar her neuronda işlenerek bir
neurondan diğerlerine geçilir. Şekil 2.5’de yapay bir nöron yapısı verilmektedir. Bir nöron N
tane xi girişinin wij toplamını alarak bu toplamı doğrusal olmayan ƒ(.) fonksiyonundan
geçirerek bir yj çıktısı üretmektedir. Yapay sinir ağları, kullanılan nöron modeli, bu
nöronların ağ yapısında bir arada bağlanma şekli yani ağ topolojisi ağırlıkların ayarlanması
için öğrenme kuralının belirlenmesi ve hatırlama ile karakterize edilir.
25
Şekil 2.5 Yapay nöron modeli
Şekil 2.5’de verilen çok katmanlı bir ağ için, herhangi bir birimin giriş değeri
kendisine diğer katmanlardan gelen değerlerin bir ağırlıklı toplamı olarak
N
v j   xi wi j
(1)
i
şeklinde ifade edilir. Birimin çıkışı ise bu ağırlıklı toplamın doğrusal olmayan bir
fonksiyondan geçirilmesi ile
y j  f (v j )
(2)
hesaplanır. Fonksiyonun uygulanması ile birimin çıkışı
1
yj 
(3)
N
(
1 e
 xi wi j )
i
olarak hesaplanır. Söz konusu sigmoid fonksiyon
f ( x) 
0    1 olmak üzere
1
1  e  x
olup geri yayılma ağlarında
(4)
 değişkeni genellikle 1 alınmaktadır [13].
Bu çalışmada geriye yayılım algoritması kullanan, çok katmanlı sinir ağı modeli
oluşturulmuştur. Toplam 5 katmandan oluşan modelin girdi katmanında 5 nöron, birinci gizli
katman 6 nöron, ikinci gizli katman 6 nöron, üçüncü gizli katman 6 nöron ve çıktı katmanı
ise 1 nöron içermektedir (Şekil 2.6).
26
Şekil 2.6 YSA mimarisi
Toplam 60 veriden 51 değer eğitim, geri kalan 9 değer ise test amacı için
kullanılmıştır. Ağın eğitimi sırasında hata miktarının yapılan iterasyon ile değişimi Şekil
2.7’de verilmiştir. İterasyon sayısı arttıkça hata oranı düşmekte ve 50000 iterasyonda ise
eğitme fazının ortalama hata oranı %1,76 olmaktadır. Ayrıca eğitme fazı sonuçları ile
deneysel sonuçlar Şekil 2.9’da karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Grafiklerde görüleceği gibi
% şekil değiştirme için YSA ile elde edilen sonuçlar ve deneysel sonuçlar birbirine çok yakın
çıkmıştır.
Ortalama Hatanın Karesi
0,003
0,0025
0,002
0,0015
0,001
0,0005
0
0
100
200
300
400
500
600
İterasyon Sayısı(*100)
Şekil 2.7 50000 iterasyon sonucunda elde edilmiş olan MSE değeri
Her bir alüminyum alaşımı grubundan altışar çekme testi yapılmış, bunlardan Etial
141 grubundan 3 nolu numunenin, Etial 145 grubundan 4 nolu numunenin ve Etial 160
27
grubundan 1 nolu numunenin test sonuçları ile aynı numunelerin YSA sonuçları Şekil 2.8’de
karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
ETİAL 141-3
ETİAL 145-4
120
180
160
100
GERİLME(N/mm2)
GERİLME(N/mm2)
140
80
DENEYSEL
60
YSA
40
120
100
DENEYSEL
YSA
80
60
40
20
20
0
0,000
0,004
0,008
0,012
0,016
0
0,00
0,020
%ŞEKİL DEĞİŞİM İ
0,01
0,01
0,02
0,02
0,03
%ŞEKİL DEĞİŞTİRME
ETİAL 160-1
160
140
GERİLİM (N/mm2)
120
100
DENEYSEL
80
YSA
60
40
20
0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
%ŞEKİL DEĞİŞTİRME
Şekil 2.8 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial 160-1 için deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının
eğitme fazında karşılaştırılması
Etial 141-3
0,02
%Şekil Değiştirme
0,018
0,016
0,014
0,012
0,01
Deney
0,008
YSA
0,006
0,004
0,002
0
13,3
19,7
21,7
23
29,6
42,5
Gerilme(N/mm 2)
(a)
28
69,7
94,8
105
Etial 145-4
%Şekil Değiştirme
0,025
0,02
0,015
Deney
0,01
YSA
0,005
0
16,4
22,6
24,7
25,9
35
48
80,9
124
167
Gerilme(N/mm 2)
(b)
Etial 160-1
% Şekil Değiştirme
0,025
0,02
0,015
Deney
0,01
YSA
0,005
0
16,8
19,9
20,7
22,8
29,2
40,2
67,6
109
147
Gerilme(N/mm 2)
(c)
Şekil 2.9 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial 160-1 için Gerilme - % Şekil Değiştirme
oranlarının deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının eğitme fazında karşılaştırılması
Deneylerden elde edilen 9 değer eğitme işleminde kullanılmamış, test fazı için üç
ayrı kimyasal bileşimin gerilme değeri olarak kritik noktalardan seçilmiştir. Test fazında
ortalama hata oranı %0.58’dir. Gerçek değerler (deneysel ölçüm sonuçları) ile YSA metodu
kullanılarak hesaplanmış değerler(simülasyon değerleri) arasındaki ilişki Şekil 2.10’da
görülmektedir. Değerler, gerçek değere çok yakın çıkmıştır. Bundan dolayı eğitmenin iyi bir
şekilde yapıldığı ortaya çıkmaktadır.
29
Etial 141-3
0,02
0,018
0,016
0,014
0,012
0,01
Deney
0,008
YSA
0,006
0,004
0,002
0
24,8706
63,4596
101,9499
Gerilme(N/mm 2)
(a)
Etial 145-4
0,025
0,02
0,015
Deney
0,01
YSA
0,005
0
28,1749
68,8376
Gerilme(N/mm 2)
(b)
30
164,1988
Etial 160-1
% Şekil değiştirme
0,025
0,02
0,015
Deney
0,01
YSA
0,005
0
24,3596
59,7203
144,0948
Gerilme(N/mm 2)
(c)
Şekil 2.10 Etial 141-3, Etial 145-4, Etial 160-1 için Gerilme - % Şekil Değiştirme oranlarının
deneysel sonuçlar ile YSA sonuçlarının test fazında karşılaştırılması
4.
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Şekil 2.3’ten çekme deneyi sonuçları incelendiğinde; genel olarak en yüksek çekme
mukavemeti 150,494 MPa’lık gerilme değeri ile Etial 145 (9XXX.X serisi Al – Si – Ni)
malzemesinden elde edilen numunelere ait olduğu tespit edilmiştir. Daha sonra sırasıyla Etial
160 (3XXX.X serisi Al – Si – Cu) ve çok az farkla Etial 141 (4XXX.X serisi Al – Si)
malzemesinin geldiği görülmektedir. Genel değerlendirmede; Etial 145 numunesindeki
YMK kafes yapısına sahip Ni içeriğinin çekme mukavemetini arttırdığı söylenebilir. Sonuç
olarak sadece çekme gerilmesine maruz kalan yerlerde Etial 145 malzemesi tercih edilebilir.
Ayrıca bu çalışmada, çekme sonuçlarından yararlanılarak; sertlik, gerilme ve
malzemelerin kimyasal bileşim oranlarına bağlı olarak elde edilen % şekil değiştirmeler YSA
modeli ile tahmin edilmiştir. Modelde sertlik, gerilme ve malzemelerin kimyasal bileşim
oranları (Fe, Si, Cu) girdi değerlerini, % şekil değiştirme ise tahmin edilmek istenen çıktı
değerini ifade etmektedir. Giriş verileri 0 ve 1 arasında olacak şekilde normalize edilmiştir.
İterasyon sayısı denemeler sonucunda 50000 olarak seçilmiş, 50000 iterasyonda ise eğitme
fazının ortalama hata oranı %1,76 olduğu bulunmuştur. Elde edilen grafikler dikkate
alındığında deneysel sonuçlar ile YSA’dan elde edilen değerlerin çok yakın olduğu
gözlenmiştir. Deneylerden elde edilen 9 değer eğitme işleminde kullanılmamış, test fazı için
üç ayrı kimyasal bileşimin gerilme değeri olarak kritik noktalardan seçilmiştir. Eğitme
fazının hata oranının düşük olmasından dolayı, YSA’da test fazı için seçilen değerler deney
sonucuna çok yakın olduğu grafiklerle gösterilmiştir. Test fazında ortalama hata oranı
%0.58’dir.
Sonuç olarak YSA metodunun Alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerinin
belirlenmesinde oldukça başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca YSA
da kısa sürede sonuca ulaşıldığı için, hem deney sürecini hem de deney masraflarını
azaltmaktadır.
31
TEŞEKKÜR
Bu çalışma, CBÜ BAP Koordinasyon Birimi (Proje No: MÜH 2005-042) tarafından
desteklenmiştir.
5.
KAYNAKLAR
1- WANG, Q. G.; APELİAN, D.; LADOS, D. A. “Fatigue behavior of A356-T6 aluminum
cast alloys. Part I. Eff.ect of casting defects” Journal of Light Metals 1 (2001) 73±84
2- POLMEAR, I. J. “ Light Alloys Metallurgy of The Light Metals” Arnold, a division of
Hodder Headline PLC, 338 Euston Road, London NW1 3BH 1995
3- KAYALI, E. SABRİ; ENSARİ, CAHİT; DİKEÇ, FERİDUN “Metalik Malzemelerin
Mekanik Deneyleri” İ.T.Ü. Metalürji ve Malzeme Bölümü 1978
4- WEISSBACH, WOLFGANG (ANIK, SELAHADDİN; ANIK, E. SABRİ; VURAL,
MURAT)“Malzeme Bilgisi ve Muayenesi” Birsen Yayınevi 1998
5- SAKİN, R., ER, M., “1100-H14 Alüminyum alaşımının düzlemsel eğme gerilmeli
yorulma davranışının incelenmesi” Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. , 2010, Cilt 25, No 2,
213-223
6- BOSE, N. K. VE LİANG, P., “Neural Network Fundamentels with Graphs”, McGrawHill Int. Ed., (1996) 478.
7- FU, L., “Neural Networks in Computer Intelligence”, McGraw-Hill Int. Ed., USA
(1994), 460.
8- HAYKİN, S., “Neural Networks”, A. Compreh. Foundation. Prentice-Hall NJ, (1999),
842.
9- DURMUŞ, H., AKGÜN, S., ŞAHİN, S. “TIG Kaynağı ile Birleştirilmiş Al-SiC
Kompozit Malzemelerin Eğme Dayanımının Yapay Sinir Ağları ile Tahmini”, 14. Uluslar
arası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, 2010.
10- DURMUŞ, H., ÖZKAYA, E., MERİÇ, C., “The Use of neural Networks fort he
prediction of wear loss and surface roughness of AA 6351 aluminium alloy”,
Materials&Design, (2006),156-159.
11- ÇAKMAK, H. F. “Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarının Özellikleri” ETİBANK
Alüminyum İşletmesi Müessesesi Dökümhane Müdürlüğü Seydişehir 1983
12- ASTM B 557 – 02a “Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast
Aluminium- and Magnesium- Alloy Products”
13- ÜLKER, M., CİVALEK, Ö., “Yapay Sinir Ağları İle Eksenel Yüklü Kolonların
Burkulma Analizi”, Turkish J. Eng. Env. Sci., 26,(2002), 117-125.
32
İÇTEN YANMALI MOTORLARDA SEGMAN-GÖMLEK
SÜRTÜNMESİNİN MOTOR PERFORMANSI İLE İLİŞKİSİ
ÜZERİNE BİR İNCELEME
AN INVESTIGATION ON CORRELATION BETWEEN ENGINE
PERFORMANCE AND PISTON RING-CYLINDER FRICTION IN
INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Mehmet ÇAKIR1, İsmail Hakkı AKÇAY2
ÖZET
İçten yanmalı motorlu taşıtlarda, yakıt olarak sisteme verilen toplam enerjinin
sadece %12’si faydalı işe dönüşür. Yanma sonucu oluşan enerjinin kalanı ise, soğutma
sistemi, egzoz, pompalama ve mekanik kayıplar olarak kaybolur. Segman ve silindir gömleği
arasındaki sürtünme enerjisi kaybı, toplam mekanik kayıpların % 20–40’ı oranında olup, en
büyük mekanik kayıp olarak görülür.
Bu çalışmada, içten yanmalı motorlarda, segman-gömlek arasındaki ilişkilerin motor
performansına olan etkisi son teknolojik gelişmelerle birlikte ele alınmıştır. Yapılan literatür
araştırması sonucu; Segmanların gömlek üzerindeki kayma hareketi süresince, sınır yağlama
ve hidrodinamik yağlama rejimleri arasında sürekli bir geçiş söz konusudur. Segman-gömlek
arasında Stribeck Eğrisi’nin değişimi ile ilgili matematiksel bir model geliştirilebilir ve farklı
motor parametrelerinde deneysel olarak araştırılabilir. Segman ve gömlek yüzeylerine
uygulanabilecek farklı modifikasyonlar ve çeşitli nano kaplamalar ile özellikle çevrimin iş
zamanındaki aşınma araştırılabilir. Segman-gömlek temas açıları ve temas alanlarının
sürtünme, aşınma, ısı transferi ve motor performansı açısından değişimi araştırılabilir.
Anahtar Kelimeler: Segman-Gömlek Tribolojisi, Motorlarda Sürtünme ve Aşınma.
ABSTRACT
In internal combustion motor vehicles, only 12% of the total power obtained from
the fuel is converted to useful energy. The rest of the energy from combustion of the fuel
goes into cooling, exhaust, pumping and mechanical losses. The mechanical contribution
amounts to 17% of the total losses and the friction between the piston assembly and cylinder
liner is the single largest contributor; amounting to 20-40% of the total mechanical losses.
In this review, the relationship between piston ring and cylinder are discussed to the
effect on engine performance in internal combustion engines with latest technological
developments. As a result of literature research; Between boundary lubrication and
hydrodynamic lubrication regimes are always interconnected during the movement of the
piston ring on cylinder liner. As related with exchange of Stribeck Curve in piston ring1
Uzman, Süleyman Demirel Üniversitesi., Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. Anabilim
Dalı, [email protected]
2
Prof. Dr., Süleyman Demirel Üniversitesi, Müh. Mim. Fak. Makine Müh. Böl., Otomotiv
Müh. Anabilim Dalı Başkanı, [email protected]
33
cylinder interface between the different engine parameters a mathematical model can be
developed and investigated experimentally. As the piston ring and cylinder surfaces process
the different modifications and various nano-coatings, especially the wear of the engine cycle
can be ascertained. It can be ascertained friction, wear, heat transfer, engine performance
with change of the contact angles and areas of piston ring and cylinder liner.
Keywords: Piston Ring-Cylinder Liner Tribology, Friction and Wear in Engines.
1.
GİRİŞ
Son yıllarda hızla artan taşıt sayısı, enerji kullanımındaki artış, fosil yakıtlara
bağımlılık ve bu enerji kaynaklarının giderek azalması, motor üreticilerini motorlarda
performans artırıcı tasarımlara ulaşma, yakıt ekonomisi sağlama ve düşük egzoz emisyonları
üzerine olan çalışmalara yönlendirmiştir. Bu amaçlara ulaşmak için izlenecek yollardan birisi
de motorlarda mekanik kayıpların azaltılmasının sağlanmasıdır.
Motorlu taşıtlarda, yakıt olarak sisteme verilen toplam enerjinin sadece %12’si
faydalı işe dönüşür. Yanma sonucu oluşan enerjinin kalanı ise, soğutma sistemi, egzoz,
pompalama ve mekanik kayıplar olarak kaybolur. Mekanik kayıplar, kayıp enerjinin
%17’sini oluşturur (Andersson, 1991). Segman ve silindir gömleği arasındaki sürtünme
enerjisi kaybı, toplam mekanik kayıpların % 20–40’ı oranında olup, en büyük mekanik kayıp
olarak görülür (Bolander ve diğerleri, 2005). Mekanik kayıplardan %10’luk bir kazanç
sağlandığı takdirde, yakıt tüketiminden %1,5–2,5 oranında bir artış söz konusu olabilecektir
(Andersson, 1991; Mishra ve diğerleri, 2009; Spencer, 2010). Otomotiv endüstrisi için,
motorun yakıt tüketimi, araç tasarımı yapılırken dikkate alınması gereken en önemli
faktörlerden birisi haline gelmiştir. Çünkü enerjideki kaygıların artması, yükselen yakıt
fiyatları ve içten yanmalı pistonlu motorlarda en çok kullanılan fosil yakıtların giderek
azalması araçlarda yakıt tüketimini önemli kılmaktadır. Bu nedenle içten yanmalı motorlarda
mekanik kayıpların azaltılması ile efektif verimde bir artış sağlanacak olup, birim yakıt ile
daha fazla faydalı iş elde edilecektir. Motorda mekanik kayıplar içinde en fazla orana sahip
olan segman-gömlek arasındaki ilişkinin incelenmesi ve bu amaçla ikilinin malzeme,
honlama çizgilerinin açı ve derinlikleri, yüzey özellikleri ve tasarımlarının optimizasyonu
yönünde yapılacak çalışmalarla efektif verim üzerine olan etkisi araştırılabilecektir.
2.
MOTORDA SEGMAN-GÖMLEK İLİŞKİSİ
İçten yanmalı bir motorda genel olarak Şekil 2.1’ de gösterildiği gibi, piston
üzerinde bulunan dairesel oyuklara yerleştirilmiş şekilde segmanlar bulunur. Segmanlar,
çevrim boyunca gömlek üzerinde sürtünerek hareket ederler. Yanma anında açığa çıkan
yüksek basıncı korumak için gömlek piston arasındaki sızdırmazlığı sağlamak segmanların
en önemli görevidir. Segman gömlek arasında bir conta vazifesi gören yağ filminin de
yüzeye etkin bir şekilde dağılması segmanlar sayesinde olmaktadır. Segman gömlek arasında
istenenden fazla yağ filminin kalması sonucu, yanma zamanında silindir cidarında bulunan
bu tabakanın da yanmaya katılmasıyla motorda yağ yakma sorunu ortaya çıkabilir. Ayrıca
piston üzerindeki sıcaklığın etkili bir biçimde gömleğe iletilmesi yine segmanlar sayesinde
olmaktadır (Smedley, 2004).
34
PİSTON
Alt Kompresyon Segmanı
SİLİNDİR GÖMLEĞİ
Üst Kompresyon Segmanı
Yağ Segmanı
Şekil 2.1. Tipik bir piston-silindir ilişkisi ve segmanların konumu
Motor gömlekleri genellikle dökme demir malzemeden üretilmektedirler.
Gömlekler çoğunlukla honlama olarak adlandırılan yüzeye uygulanan çapraz çizgilerin
oluşturulduğu karakteristik bir işlemden geçirilerek son haline gelmektedirler. Honlanmış bir
yüzey farklı sıklıkta, açılarda, derinlikte ve genişlikte honlama çizgilerinden oluşur
(Smedley, 2004; Spencer, 2010). Bu çizgilerin yoğunluk, açı ve genişliklerinin değişimi ile
sürtünme ve yağ tüketim özelliklerinin belirlenmesinde bir optimizasyonun yapılması motor
verimi açısından araştırılması gereklidir.
3.
LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
İçten yanmalı pistonlu motorlarda piston, gömlek ve segman ilişkilerinin incelendiği
ve bu konuyla ilgili çalışmaların ele alındığı bu bölümde; segman-gömlek tribolojisi,
sürtünme ve aşınma ilişkisi ve segman-gömlek kaplamalarının motor performansına olan
etkileri üzerine olan araştırmalar özetlenmiştir.
3.1.
Segman-Gömlek Tribolojisi
Segman-gömlek arasında yağlama rejimlerinden hidrodinamik yağlama baskın bir
şekilde görülür (Johansson ve diğerleri, 2011). Fakat segmanın ÜÖN ve AÖN arasındaki
konumuna ve çevrim zamanına göre karma ve sınır yağlama rejimleri de görülmektedir. Bu
rejimlerin motor performansına olan etkileri ilgi çekici bir araştırma konusudur.
Radil (1997), gelişmiş dizel motorlar için kullanılan segman ve gömlek
malzemelerinin tribolojik açıdan araştırılması amacıyla, kompresyon segmanının etkilendiği
bölge olan ÜÖN etrafında meydana gelen aşınma ve sürtünme ilişkisini tasvir eden bir pinon disk deney düzeneğinde araştırmasını gerçekleştirmiştir. Krom kaplanan üst kompresyon
segman numunesi ile perlitik dökme demir gömlek arasında gerçekleştirilen deneyler sonucu,
gerçek motor segman ve gömlek arasında meydana gelen aşınma ve sürtünmenin deney
sonucu meydana gelen aşınma ile oldukça benzer olduğu belirlemiştir. Gömlek
numunesindeki aşınmanın gerçek motor gömleğine göre daha çok olduğu, fakat segman
numunesindeki aşınmanın ise motor segmanına göre daha az aşındığı sonucuna ulaşmıştır.
35
Wang ve diğerleri (1998), segman ve gömlek arası yağlama rejiminin analizi için
yağ kalınlığını belirlemeye yönelik olarak matematiksel bir model oluşturmuşlardır. Aynı
zamanda yağlama film kalınlığının tahmini için Bir CAD programı yazmışlardır. Bu program
sayesinde motor segmanlarının ve gömleklerinin farklı yağlama durumlarının analizi, farklı
çalışma şartlarında araştırılmasına imkan sağlamış olunacaktır. Çalışma sonucu, motorun
çalışma anında segmanın gömlek üzerindeki herhangi bir noktasındaki yağlama rejiminin
analiz edilebilir olduğu, en kötü yağlamanın ÜÖN’da olduğu, hesap yöntemiyle gerçek
şartlar incelendiğinde bilgisayar programının uyumlu bir tahmin yaptığı sonucuna
ulaşmışlardır.
Stolarski ve Zhou (2002), iki zamanlı dizel motorun üst ölü noktasında, segmansilindir arasındaki sınır sürtünme ve yağlama rejiminin belirlenmesi amacıyla, motor çalışma
şartlarına çok benzeyen bir sistem kurmuşlardır. Sınır yağlama şartları altında sıcaklıksürtünme arasındaki değişimi incelemişlerdir. Pin-on disk aparatı ile sürtünme
mekanizmasını oluşturmuşlar. Gerçek motor çalışma şartlarındaki segman silindir arasındaki
sürtünmeyi tasvir etmişlerdir. Yapılan deneyler sonucu, kullanılmış ve kullanılmamış motor
yağlarının sıcaklık-sürtünme karakteristiklerinin benzer olduğunu, fakat sürtünme
katsayısının kullanılmış yağda kullanılmamış yağa göre daha yüksek olduğunu sonucunu
belirlemişlerdir.
Ma ve diğerleri (2006), motor gömlekleri için tek boyutlu bir hidrodinamik ve
karma yağlama rejimi altında aşınma ve sürtünme modeli geliştirmişlerdir. Geliştirilen model
ile yüzey pürüzlülüğü, temas noktaları, aşınmadaki sıcaklık, basınç ve viskozite, segman ve
gömlek arasındaki yağlama ve sürtünme tahmin edilmiştir. Aşınma yüzey temas basıncına
bağlı tahmin yapılmıştır. Yüklü bir motorun çalışma anındaki segman sürtünmesi ve gömlek
aşınması tasvir edilmiş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sürtünme ve aşınmanın
silindir duvar sıcaklığına ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi incelenmiştir. Araştırmaları sonucu;
teorik kurguda, üst segmanın dönme noktasındaki aşınma ve sürtünme tahmini deneysel
sonuçlarla karşılaştırıldığında iyi bir uyum göstermiştir. Yağ viskozitesinin yüksek sıcaklıkla
beraber azaldığı, sonuç olarak silindir duvar sıcaklığı yükseldiğinde yağ film kalınlığının
küçüldüğü, segman ve gömlek aşınmasının yükseldiği görülmüştür. Daha yüksek
sıcaklıklarda viskoz sürtünmenin azaldığı ve temas sürtünmesinin arttığı, dolayısıyla toplam
segman sürtünmesinin belirli bir sıcaklıkta minimum düzeyde olabileceği, büyük yüzey
pürüzlülüğünün yüksek sürtünme ve aşınmaya yol açacağı, motor deneyleri ve silindir duvar
sıcaklığı birleştiğinde viskoz sürtünme azaldığı için toplam segman sürtünmesinin de
azalacağı sonucuna ulaşmışlardır.
Tamminen ve diğerleri (2006), orta devirli, dört zamanlı, 200 mm silindir çapına
sahip bir dizel motorunda, segman-gömlek arasındaki yağ filmi kalınlığının belirlenmesi ve
tribolojik özelliklerde motor yükünün etkisini, gömlek ve segmanlar arasındaki yağ filminin
oluşumunda ve gelişimindeki kompresyon etkisini çalışmışlardır. Bu amaçla gömlek üzerine
4 adet basınç sensörü yerleştirmiş ve motor çalışma şartlarında basınç ve sıcaklık değerlerini
bir veri toplama sistemi ile bilgisayara kaydetmişlerdir. Deneyler sonucu; üst kompresyon
segmanı için en kritik yağlama şartları, düşük yüklerde egzoz zamanının sonuna doğru üst
ölü nokta civarında olduğunu belirlemişlerdir. Üst kompresyon segmanı ve gömlek
arasındaki yağ filmi kalınlığının, egzoz zamanının sonunda üst ölü noktaya yakın bölgelerde
en ince olduğunu, pistonun ana sürtünme yüzeyindeki yağ filmi kalınlığının motor yükü ile
birlikte yükseldiğini göstermişlerdir.
36
Bolander ve Sadeghi (2007), segman ve honlanmış silindir gömleği arasındaki
yağlama durumunu ve sürtünme kayıplarını araştırmak ve belirlemek için bir deney düzeneği
ve analitik bir model geliştirmişlerdir. Deneysel çalışmada, çeşitli koşullar altında segmangömlek arasındaki sürtünme ölçülmüştür. Deneysel sonuçları doğrulamak için geliştirilen
analitik model, sınır şartları ve tamamen belirleyici bir yaklaşım kullanarak karışık yağlama
koşullarını içerir. Ölçülen ve modellenen yüzeyler için bir karşılaştırma modeli kurulmuştur.
Deneysel ve analitik sürtünme sonuçlarının karşılaştırıldığında iyi bir uyum içinde olduğu
görülmüştür.
3.2.
Segman-Gömlek Sürtünme ve Aşınma İlişkisi
Segman-gömlek arasındaki temastan kaynaklanan sürtünme enerjisi, toplam motor
sürtünme enerjisinin hemen hemen yarısına eşittir. Bu yüzden bu temastaki sürtünmenin
azaltılması, toplam motor verimi açısından oldukça önemlidir (Charles ve diğerleri, 2009).
Henein ve diğerleri (1998), tek silindirli, dört zamanlı bir benzin motorunda,
segman-gömlek temasında en fazla aşınmaya maruz kalan üst kompresyon segmanının geri
dönme noktasındaki (ÜSDN) aşınmayı ve yüzey pürüzlülük değişimini belirlemek amacıyla
yerinde ölçüm yapabilen bir aşınma probunu motor gömleği üzerine yerleştirmişlerdir.
Silindir içi basınç, krank açısına bağlı olarak kaydedilmiştir. Motor güç ve tork değerlerini
deney süresinde ölçerek kayıt altına almışlardır. 1600 ve 1800 devir/dakikada
gerçekleştirilen deneylerde % 10, %30 ve tam yükte motor yüklenmiş ve her 10-20-30
dakikada ve 1-2-3 saatte olmak üzere aşınma probu ölçülmüştür. Yapılan deneyler sonucu;
içten yanmalı bir motor gömleğinin aşınma ve yüzey özellikleri zamana bağlı olarak
kaydedilmiştir. Deneylerin ilk saatinde aşınma maksimum düzeyde olup, ilk saatten sonra
düşüşe geçmiştir. İlk saatteki aşınma oranı 2. ve 3. saate göre 12 kat daha fazla olduğu
görülmüştür. Yüzey pürüzlülüğündeki maksimum değişim aşınmada olduğu gibi ilk saatte
olmuştur. Çalışmada aşınma probunun kullanımıyla, motor silindir gömleğinin aşınması ve
yüzey pürüzlülük değişimi oldukça başarılı bir şekilde ölçülmüştür.
Ma ve diğerleri (1998), tek silindirli, dört zamanlı, hava soğutmalı, 17,8 hp gücünde
ve benzinli bir motorda, üst kompresyon segmanının geri dönme noktasındaki (ÜSDN)
aşınma ve yüzey pürüzlülük değişimini incelemişlerdir. Bu amaçla bir aşınma probunu
ÜSDN’na yerleştirmişlerdir. Yüzey pürüzlülüğü ile aşınma arasındaki ilişkiyi
araştırmışlardır. Motorda anlık sürtünme torkunun, atalet torku, motor biyel torku ve yükten
dolayı gelen karşı tork ile arasındaki ilişkilerin, aşınma ve yüzey pürüzlülük değişimine olan
etkisini incelemişlerdir. Araştırmalarının neticesinde; en yüksek aşınma oranının frenlemenin
ilk anında olduğu ve ilk saat boyunca keskin bir şekilde azaldığını görmüşlerdir. Aşınmanın
3,5 saat sonra kararlı bir hale ulaştığını, aşınmanın segman sürtünmesinin değişimi ile bir
bağlantısının olmadığını, ilk anlarda doğrusal bir şekilde ilişkili bir sonuca ulaşılsa da, 3,5
saat sonra bu ilişkinin terse doğru bir yol izlediğini belirlemişlerdir.
Shuster ve Mahler (1999), çalışmalarında altı silindirli dört zamanlı su soğutmalı bir
dizel motorunda farklı yük ve devirlerde, farklı gömlek ve segman boyutlarında ve farklı
segman ve gömlek malzemeleri ile deneylerini yapmışlar ve segman-gömlek ilişkisini
metalürjik ve metrolojik olarak incelemişlerdir. Motor gömlek ve segmanlarının normal
aşınması 1000 saatlik bir çalışma sonucu belirlenmiştir. Ortalama segman aşınması 13-15
mikron ve ortalama silindir gömleği aşınması ise 3 mikrondan daha az olarak ölçülmüştür.
Krom kaplanan segmanların aşınma direncinin molibden kaplı segmanlardan daha iyi
olduğunu belirlemişlerdir. Ayrıca krom kaplanan segmanla yapılan deneyler sonucu; gömlek
yüzeyinde yağlamanın yoksun oluşu, gömlek yüzeyindeki martenzitik dönüşümü ve
37
muhtemel korozyon etkisiyle kaplamanın termomekanik yorgunluğu nedeniyle aşınmanın
şiddetli oluşuna etki ettiğini belirlemişlerdir. HVOF yöntemi ile krom kaplanan segmanlarda
sürtünme ve aşınma direncinin en yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır.
Ronen ve Etsion (2001), içten yanmalı motorlarda segman-gömlek arasında
meydana gelen sürtünme kuvvetini azaltmak amacıyla, segman-gömlek temasını tasvir eden
bir sistem tasarlamışlardır. Deneyler sonucu; temas yüzeyleri arasındaki etkileşimin önemli
olduğunu ve bu yüzden hidrodinamik basınç dağılımının etkisinin ihmal edilemeyeceğini,
sürtünme kuvvetinin kayma hızıyla değiştiğini ve krank açısıyla değişim halinde olduğunu
belirlemişlerdir.
Ma ve diğerleri (2002), içten yanmalı bir motorun farklı yük ve devirlerde test
edilmesi süresince segman-gömlek arasında meydana gelen teması, aşınma ve sürtünme
açısından değerlendirmişler ve yüzey pürüzlülüğünün aşınma üzerine olan etkisini
incelemişlerdir. Araştırmaları sonucu, gömlek yüzeyinde abrasif aşınma meydana gelmiş
olup, honlama çizgilerinin bozulduğu ve pistonun hareketi yönünde yeni çizgilerin oluştuğu
görülmüştür.
Ye ve diğerleri (2004), piston ve motor gömleği arasındaki harekete benzeyen bir
sistem geliştirerek, piston-gömlek arasındaki sürtünme şartlarını deneysel olarak
araştırmışlardır. Farklı kaplanan gömlek malzemesi ve pistonun sürtünme mekanizmasını
incelemişlerdir. Piston ve gömlek malzemelerinin on altı farklı kombinasyonunda test
etmişler ve sonuçta genel olarak; % 15 grafit parçacıklı poliamidemit (D-10) kaplanan
piston, % 4 bor nitrit parçacıklı nikel-fosfor (NCC) kaplanan yumuşak pistondan daha
yüksek sürtünme direncine sahip olduğu, kalay kaplanan pistonların daha yüksek sürtünme
direnci gösterdiği, fakat kalayın kaynama noktası ile sınırlandığı, en büyük sürtünmenin,
kaplamalar aşındığında piston ana malzemesi ile gömlek arasında olduğu, kaplama
malzemesi ve yüzey pürüzlülüğünün piston-gömlek arasındaki sürtünme sıcaklığını
etkilediği ve buna bağlı olarak D-10 kaplamasının daha düşük sürtünme sıcaklığı ürettiği,
fakat kalay kaplanan pistonlarda en yüksek sürtünme sıcaklığının elde edildiği sonucuna
ulaşmışlardır.
Truhan ve diğerleri (2005), ağır iş dizel motorlarında kullanılan segman ve gömlek
arasındaki aşınma ve sürtünmeyi gösteren bir test düzeneği geliştirmişler ve bir yağlama
mekanizması oluşturmuşlardır. Kullanılmış motor yağı ve kullanılmamış yağı sentezleyerek
tıpkı motordaki gibi özelliklere sahip motor yağını elde etmişlerdir. Yağlama yağının
karakteristiklerinin, aşınma ve sürtünmeye etkisini araştırmışlardır. Çalışmalarının
sonucunda; viskozitenin sınır yağlama rejiminde segman ve gömlek arasındaki sürtünmeyi
çok az etkilediği, fakat viskozitenin is miktarından ve oksitlenme seviyesinden etkilendiği, is
ve kurumun gömlek aşınmasına büyük ölçüde etkisinin olduğu, çalışılan segman
malzemeleri için aşınmanın daha az etkili olduğunu tespit etmişlerdir.
Keller ve diğerleri (2007), ağır dizel motorlarının silindir gömlekleri için kullanılan
gri dökme demirin mikro yapısının ve kimyasal bileşiminin aşınmaya etkisini
araştırmışlardır. Mikro alaşımlı gri dökme demirden imal edilmiş, iki farklı honlama
parametresinde honlanmış numuneleri yüzey pürüzlülük değişimi ile incelemişlerdir. Bu
amaçla numuneler, sürtünme ve aşınma testlerine tabi tutulmuşlardır. Araştırma sonucu,
yüzey pürüzlüğünün çok olduğu yüzeylerde en yüksek aşınmanın olduğunu bunun nedeninin
de koruyucu etkisi olan tribokimyasal filmin oluşumunun gecikmesinden kaynaklandığını,
dökme demir numunelerin honlama dişleri arasındaki aralığın aşınma davranışı üzerinde
etkisinin olmadığını belirlemişlerdir.
38
Mufti ve diğerleri (2008), tek silindirli benzinli bir motorda piston grubunun
sürtünmesini indike efektif basınçtan yola çıkarak deneysel bir biçimde ölçmüşlerdir.
Deneysel sonuçları teori ile karşılaştırmak ve sonuçların uygunluğunu onaylamak adına
matematiksel bir model geliştirmişlerdir. Piston grubu sürtünme ölçümleri sonucu, düşük
yağlama sıcaklıklarında hidrodinamik yağlama daha yüksek sıcaklıklarda ise karma ve sınır
yağlama oluştuğu, herhangi bir motor devrinin ölçüm sonuçlarının Stribeck Eğrisi ile uyumlu
olduğunu belirlemişlerdir. Düşük sıcaklıklarda sürtünmenin düştüğü fakat yükselen
sıcaklıkla beraber sürtünmenin arttığı, orta strokta hidrodinamik yağlamanın oluştuğu ve ölü
noktalarda sınır ve karma yağlamanın oluştuğu belirgin bir şekilde görülmüştür. Deneysel
veriler ile tahmin değerleri karşılaştırıldığında çok iyi bir uyum içinde olduğu sonucuna
varılmıştır.
Keller ve diğerleri (2009), büyük dizel motorlarının silindir gömleklerinin malzeme
özelliklerinin ve yüzey pürüzlülüğünün aşınma üzerine etkisini aşınma deney düzeneği ile
araştırmışlardır. Gri dökme demir, su verilmiş gri dökme demir ve mikro alaşımlı gri dökme
demir olmak üzere üç farklı tipteki gömlek malzemesini incelemişlerdir. Araştırma sonucu;
gri dökme demir malzemede en fazla aşınma meydana gelmiştir. İlk 50 çevrime kadar
aşınma miktarının % 42’si gerçekleşmiş olup, 50 çevrimin bitimiyle beraber tribolojik film
oluşmuştur. Bu aşamadan sonra aşınma oranı azalmaya başlamıştır. 2000 çevrimden sonra
bile hala aşınma oranının azalmaya devam ettiği, su verilmiş dökme demir numunede ise
25000 çevrime kadar hiçbir aşınma görülmediği, mikro alaşımlı dökme demir numunede ise
yüzeyinde çok sert ötektik fosfor yapısı oluştuğu için en yüksek aşınma direncinin
görüldüğünü göstermişlerdir. Ayrıca yüzeyin pürüzlülük değerinin aşınmayı önemli bir
şekilde etkilediği, yüzeyi pürüzlü olan ve olmayan iki farklı alaşımlı dökme demir
numuneden, pürüzlü olanın olmayana göre daha çok aşındığı sonuçlarına ulaşmışlardır.
Gara ve diğerleri (2010), tek silindirli hava soğutmalı dizel bir motorda silindir
gömleğinin yüzey pürüzlülüğü ve aşınma ölçümleri için deneysel bir çalışma yapmışlardır.
Her bir testten önce ve sonra silindir gömleğinin farklı noktalarında aşınma ve yüzey
pürüzlülüğü ölçülmüştür. Çalışma neticesinde, aşınmanın ikinci segman bölgesinde en
yüksek olduğu, aşınma hacminin ve yüzey aşınma derinliğinin zamanla yükseldiği, motor
çalışma şartlarında silindir gömleği yüzey pürüzlülüğünün zamanla azaldığı ve bu düşüş
oranının giderek arttığı benzer çalışmalarda da uyum içinde olduğu sonucuna ulaşmışlardır.
Dimkovski ve diğerleri (2011), 486 saat yük altında çalışmış bir dizel motorda
silindir gömleğinin alt, orta ve üst bölümlerinden alınan 0.6 mm x 0.8 mm ebatlarındaki
numuneler üzerinde, honlama çizgileri ve yüzeydeki çiziklerin ölçüm ve dağılımı için bir
algoritma geliştirmeye ve bu bölümlerdeki 3 boyutlu tahmin ölçümleri için matematiksel ve
deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışma sonucu, silindir gömleği yüzeyinde bulunan plato
honlama olukları ve eksenel çizikleri karakterize eden bir algoritma başarılı bir şekilde
geliştirilmiştir. Bu algoritmalardan silindir gömleği yüzey kalitesi otomatik olarak tahmin
edilebilir. Eksenel çizgiler orta bölümde olduğu gibi üst bölümde de yoğun bir şekilde
görülmekte olup, alt bölümde çok az görülmüştür. Derin honlama çizgileri üst bölgede en az
olduğu sonucuna varılmıştır.
3.3.
Segman-Gömlek Kaplamalarının Motor Verimine Etkisi
Rastegar ve Richardson (1997), yüksek güçlü dizel motorlar için kullanılan
segmanları, molibden ile sinterlenmiş ve kaplanmış nikel-krom tozlarının belli oranlarda
karışımından oluşturulan toz ile yüksek hızlı oksijen yakıt tabancası (HVOF) kaplama
tekniği ile kaplamışlardır. Kaplanan segmanları aşınma düzeneğinde ve bir motor üzerinde
39
teste tabi tutmuşlardır. HVOF ile kaplanan segmanlar, krom kaplamaya nazaran 3–6 kat daha
az aşınmışlardır. Motor gömleği aşınması ise 1–3 kat krom kaplanan segmanlara nazaran
daha yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır.
Uzun ve diğerleri (1999), altı silindirli, dört zamanlı, turbo şarjlı, intercooler
sistemine sahip bir dizel motorda yanma odasını CaZrO3, NiCrAl ve MgZrO3 seramikleri ile
plazma ortamında kaplamışlardır. Kaplanmayan motor ve kaplanan motoru aynı çalışma
şartlarında deneye tabi tutmuşlar ve motor performansı ile egzoz emisyonları arasındaki
ilişkileri incelemişlerdir. Yanma odasının kaplanması sonucu, egzoz sıcaklığının 15-65 ºC
arasında yükseldiğini, silindir duvar sıcaklığının yükselişinden ve artık gazlardan dolayı
volümetrik verimin azaldığını, kaplanan motorda CO emisyonlarının % 35-40, HC
emisyonlarının % 40 ve partikül emisyonlarının % 48 daha az oluştuğunu, kaplanan motorda
duman koyuluğunun orta yüklerde daha az olduğunu, fakat yüksek yüklerde hızla arttığını ve
termal verimin % 10 yükseldiğini, kaplanan motorda özgül yakıt tüketiminin % 2 azaldığını,
sonuçta efektif verimde % 2’lik bir artışla motor performansında bir artış olduğunu
belirlemişlerdir.
Chan ve Khor (2000), üç silindirli benzinli bir motorunda yanma odası yüzeyini
seramik malzeme ile termal bariyer kaplama yöntemi ile kaplamışlardır. Kaplanmış ve
kaplanmamış pistonlu motor için silindir içi basınç verisini, yakıt tüketimini ve motor
performansını karşılaştırmışlardır. Araştırmaları sonucu; düşük motor devirlerinde % 6
civarında yakıt tüketiminde bir azalmanın olduğunu, silindir içi pik basıncın kaplanmış
pistonlu motorda 8 bar’dan 10 bar’a yükseldiği sonucuna varmışlardır. Ayrıca yanmamış
hidrokarbon oranının kaplanmış pistonlu motorda ciddi bir şekilde arttığı, silindir içi basınç
verilerine bakılarak, kaplanmış pistonlu motorda ateşleme avansının benzinli bir motora göre
biraz arttığını belirlemişlerdir.
Hejwowski ve Weronski (2002), su soğutmalı, dört silindirli, dört zamanlı ön yanma
odalı bir dizel motorda termal bariyer kaplamaların motor performansına etkisini deneysel
olarak incelemişlerdir. Termal olarak izole edilen pistonun sıcaklık verileri temel motor
verileri ile karşılaştırılmıştır. Pistondaki ısıl ve gerilme dağılımlarını Cosmos/Sonlu
elemanlar koduyla sayısallaştırmışlardır. Dört silindirli motorun her bir pistonunu farklı
kalınlıkta ve kimyasal bileşime sahip farklı kaplama malzemesiyle kaplamışlardır. Dönme
hızı, tork, yakıt tüketimi, egzoz gaz sıcaklığı ve soğutma suyu sıcaklığı parametrelerini,
deney düzeneği aracılığı ile iki şart için de verileri kaydetmişlerdir. Deneyler sonucu
modifiye edilen motorda, özgül yakıt tüketimini % 15–20 arasında azaldığını bulmuşlardır.
Egzoz gaz sıcaklığının modifiyeli motorda 200 K daha yüksek olduğunu belirlemişlerdir.
Soğutma suyu ve yağ sıcaklığının ise birkaç K derece daha yüksek olduğunu
kaydetmişlerdir. Modifiye edilen motorda tork, düşük devirlerde % 4 daha az, yüksek
devirlerde ise % 6 daha yüksek olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Sonuç olarak, seramik
kaplanan pistonlarda yanma odasından olan ısı kaybının azaldığı ve gaz sıcaklığının arttığını
belirlemişlerdir.
Li ve diğerleri (2003), benzinli bir motorda Cr kaplanmış, Mo + NiCrBSi kaplanmış
ve nitrürlenmiş segmanlar ile dökme demir gömlek malzemesinin kombinasyonlarında
gerçek bir motorun çalışma şartlarını tasvir eden sürtünme deneyleri yapmışlar ve deneylerde
API SJISAE 5W-30 motor yağı kullanmışlardır. Mg ve Ca içeren katkı maddelerinin
kaplanan segman ve dökme demir gömleğinin yüzey tribolojisine etki ederek aşınma
direncini artırdığı sonucuna ulaşmışlardır.
40
Edrisy ve diğerleri (2005), bir motor bloğunun iç yüzeyini, (silindir) düşük karbon
çeliği ASTM 1020 ve % 2,5 Al ekleyerek HVOF yöntemiyle kaplamışlardır. Sürtünen
silindir duvarlarının mikro yapısı göstermiştir ki, en yüksek sürtünme sonucu oluşan hasarın,
yanma zamanı segmanların dayanma yüzeyinde olduğunu, kaplanan yüzeyin tribolojisi
incelendiğinde maksimum plastik deformasyonun yanma zamanında güç üretiminin
maksimum olduğu noktada oluştuğu sunucuna varmışlardır.
Uozato ve diğerleri (2005), dizel otomotiv motorlarının ağırlığını azaltmak
amacıyla, motor bloklarında ve gömleklerde aşınma ve korozyon dirençlerini incelemişler,
gerçek motor bloklarına uygulanabilirliği için yeni geliştirilen demir tozlarını (Fe–C–Ni–Cr–
Cu–V–B alloy) plazma termal sprey tekniğini kullanılarak kaplamışlar ve klasik kaplama
tozları ile karşılaştırmışlardır. Deneyler sonucu, başta hedeflen 250 μm kaplama kalınlığının
tüm yüzeyde görüldüğünü, yeni geliştirilen toz kaplamanın, motorlarda kullanılan gömlek
malzemeleri ile karşılaştırıldığında mükemmel bir aşınma direnci ve korozyon direnci
gösterdiğini belirlemişlerdir. Silindir bloğunun termal spreyle kaplanması sonucu oluşan
sertlik derecesi, standart motor gömleğinin sertlik derecesinden daha büyük veya yaklaşık
eşit olduğunu ve sonuç olarak, termal sprey kaplamayla kaplanan gömleksiz alüminyum
silindir bloğunun uygulamada kullanılabilirliğinin uygun olduğu sonucuna ulaşmışlardır.
Zhong ve diğerleri (2006), dökme demir motor silindir gömleğine, yakıt karışımının
neden olduğu aşırı aşınma ve korozyon etkisini azaltmak amacıyla NiCr alaşımını lazer
yöntemiyle toz halinde gömlek yüzeyine kaplamışlardır. Araştırma sonucu; 75Ni25Cr
kaplanan gri dökme demir gömlekte çatlaksız ve gözeneksiz bir yapıda sağlam alaşım
tabakaları oluştuğunu, Ni alaşım elementinin başlıca östenite, Cr alaşım elementinin ise
sementite yerleştiğini, alaşım tabakasının korozyon direncini, sulandırılmış H2SO4 ve NaOH
çözeltilerinde gösterdiği etkiyi gri dökme demir gömlek malzemesi ile karşılaştırmışlardır.
75Ni25Cr kaplanan gömleğin, gri dökme demir gömlekten 4,34 kat daha yüksek korozyon
direncine sahip olduğunu, dökme demirin korozyonundaki ve aşınmasındaki bu artışın, Ni ve
Cr elementlerinin dökme demirin mikro yapı ve bileşiminde yaptığı değişimden dolayı
kaynaklandığı sonucuna varmışlardır.
4.
SONUÇLAR
Şimdiye kadar yapılmış çalışmalar incelendiğinde aşağıdaki sonuçlar ortaya
çıkmaktadır:
Segmanların gömlek üzerindeki kayma hareketi süresince, sınır yağlama ve
hidrodinamik yağlama rejimleri arasında sürekli bir geçiş söz konusu olduğundan, segmangömlek arasında Stribeck Eğrisi’nin değişimi ile ilgili matematiksel bir model geliştirilebilir
ve farklı motor parametrelerinde deneysel olarak araştırılabilir.
İçten yanmalı pistonlu bir motor çevriminde iş zamanında pistonun dayanma
yüzeyine, segman tarafından uygulanan kuvvet neticesinde iki yüzey arasında sınır yağlama
ortamı oluşmaktadır. Metal-metal teması neticesinde kuru sürtünme meydana gelmekte ve
adhezif aşınma olayı oluşmaktadır. Segman ve gömlek yüzeylerine uygulanabilecek farklı
modifikasyonlar ve çeşitli nano kaplamalar ile özellikle çevrimin iş zamanındaki aşınma
araştırılabilir.
Segman-gömlek temas açıları ve temas alanlarının sürtünme, aşınma, ısı transferi ve
motor performansı açısından değişimi araştırılabilir.
41
5.
KAYNAKLAR
1. Andersson B. S., 1991. Company perspectives in vehicle tribology – Volvo, 17th LeedsLyon Symposium on Tribology - Vehicle Tribology, 18:503–506.
2. Bolander N. W., Steenwyk B. D., Sadeghi F. and Gerber G.R., 2005. Lubrication regime
transitions at the piston ring-cylinder liner interface, Proc. IMechE Part J: Engineering
Tribology, 219:19–31.
3. Bolander N., W., Sadeghi F., 2007. Deterministic Modeling of Honed Cylinder Liner
Friction, Tribology Transactions, 50, 248-256.
4. Cesur İ., 2008. Farklı Yakıt Karışımlarının Segman-Silindir Çifti Arasındaki Sürtünme
Ve Aşınma Özelliklerine Etkisinin İncelenmesi, SA.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek
Lisans Tezi, 96 s., Sakarya.
5. Chan S. H., Khor K. A., 2000. The Effect of Thermal Barrier Coated Piston Crown on
Engine Characteristics, Journal of Materials Engineering and Performance, 9:103-109.
6. Charles P., Elfassi M., Lubrecht A. A., 2009. Double-Newtonian rheology in a model
piston-ring cylinder-wall contact, Tribol. Int., doi:10.1016/j.triboint.2009.11.010.
7. Dimkovski, Z., Anderberg C., Ohlsson R., Rosén B. G., 2011. Characterisation of worn
cylinder liner surfaces by segmentation of honing and wear scratches, Wear, 271, 548–552.
8. Edrisy A., Perry T., Alpas A. T., 2005. Investigation of Scuffing Damage in Aluminum
Engines with Thermal Spray Coatings, Wear 259, 1056–1062.
9. Gara L., Zou Q., Sangeorzan B. P., Barber G., C., McCormick H. E., Mekari M. H.,
2010. Wear measurement of the cylinder liner of a single cylinder diesel engine using a
replication method, Wear 268, 558–564.
10. Hejwowski, T., Weronski A., 2002. The Effect of Thermal Barrier Coatings on Diesel
Engine Performance, Vacuum 65, 427-432.
11. Henein N. A., Ma Z., Huang S., Bryzik W., Glidewell J., 1998. In Situ Wear Measuring
Technique in Engine Cylinders, Tribology Transactions, 41:4, 579–585.
12. Johansson S., Nilssona P. H., Ohlssonb R., Rosénc B. G., 2011. Experimental Friction
Evaluation of Cylinder Liner/Piston Ring Contact, Wear 271, 625–633.
13. Keller J., Fridrici V., Kapsa Ph., Vidaller S., Huard J. F., 2007. Influence of Chemical
Composition and Microstructure of Gray Cast Iron on Wear of Heavy Duty Diesel Engines
Cylinder Liners, Wear 263, 1158–1164.
42
14. Keller J., Fridrici V., Kapsa Ph., Vidaller S., Huard Jf., 2009. Influence of Material
Nature and Surface Texturing on Wear of Heavy-Duty Diesel Engine Cylinder Liners,
Tribology Transactions, 52, 121-126.
15. Kılıç İ., 2006. İçten Yanmalı Motorlarda Sürtünme Kayıpları, İTÜ. Fen Bilimleri
Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 77 s., İstanbul.
16. Li S., Zhang R., Jin Y., 2003. Competitive Surface Interactions of Critical Additives
with Piston Ring-Cylinder Liner Components under Lubricated Breaking-In Conditions,
Tribology Transactions, 46:2, 200-205.
17. Ma Z., Henein N., A., Bryzik W., 2006. A Model for Wear and Friction in Cylinder
Liners and Piston Rings, Tribology Transactions, 49, 315-327.
18. Ma Z., Henein N. A., Bryzik W., Glidewell J., 1998. Break-In Liner Wear and Piston
Ring Assembly Friction in a Spark-Ignited Engine, Tribology Transactions, 41:4, 497 – 504.
19. Ma Z., Henein N. A., Bryzik W., Glidewell J., 2002. Cylinder Liner Surface Analysis
During SI Engine Break-In, 45:3, 397-403.
20. Mishra P. C., Rahnejat H. and King P. D., 2009. Tribology of the ring-bore conjunction
subject to a mixed regime of lubrication, Proc. IMechE Part C: J. Mechanical Engineering
Science, 223:987–998.
21. Mufti R. A., Priest M., Chittenden R. J., 2008. Analysis of Piston Assembly Friction
Using the Indicated Mean Effective Pressure Experimental Method to Validate Mathematical
Models, Proc. IMechE Vol. 222 Part D: J. Automobile Engineering, 1441-1457.
22. Öz, İ.H., Borat, O. ve Sürmen, A., 2003. İçten Yanmalı Motorlar, Birsen yayınevi,
İstanbul.
23. Radil, K. C., 1997. Test Method to Evaluate Cylinder Liner-Piston Ring Coating for
Advanced Heat Engines, NASA Center for Aerospace Information, NASA TM-107526
ARL-MR-362.
24. Rastegar F., Richardson D. E., 1997. Alternative To Chrome: HVOF Cermet Coatings
For High Horsepower Diesel Engines, Surface and Coating Technology, 90, 156-163.
25. Ronen A., Etsion I., 2001. Fiction-Reducing Surface-Texturing in Reciprocating
Automotive Components, Tribol. Trans., 44:3, 359-366.
26. Shuster M., Mahler F., 1999. Metallurgical and Metrological Examinations of the
Cylinder Liner-Piston Ring Surfaces after Heavy Duty Diesel Engine Testing, Tribology
Transactions, 42:1, 116-125.
43
27. Smedley G., 2004. Piston Ring Design for Reduced Friction in Modern Internal
Combustion Engines, Massachusetts Institute of Technology, Thesis of Master of Science in
Mechanical Engineering, p.131.
28. Spencer A., 2010. Optimizing Surface Texture for Combustion Engine Cylinder Liners,
Lulea University of Technology, Licentiate Thesis, p.104.
29. Stolarski T., A., Zhou Q., 2002. Temperature–Friction Characteristics of Used Lubricant
From Two-Stroke Cross-Head Marine Diesel Engines, Wear 252, 300–305.
30. Tamminen J., Sandstroma C. E., Andersson P., 2006. Influence of Load on the
Tribological Conditions in Piston Ring and Cylinder Liner Contacts in a Medium-Speed
Diesel Engine, Tribology International 39, 1643–1652.
31. Truhan J. J., Qub J., Blau P. J., 2005. The Effect of Lubricating Oil Condition on The
Friction and Wear of Piston Ring and Cylinder Liner Materials in a Reciprocating Bench
Test, Wear 259, 1048–1055.
32. Uozato S., Nakata K., Ushio M., 2005. Evaluation of Ferrous Powder Thermal Spray
Coatings on Diesel Engine Cylinder Bores, Surface & Coatings Technology 200, 2580 –
2586.
33. Uzun A., Çevik İ., Akçil M., 1999. Effects of Thermal Barrier Coating on a
Turbocharged Diesel Engine Performance, Surface and Coatings Technology 116–119, 505–
507.
34. Wang H., S., Chao G., Y., Xiang X., H., Dao W., J., Mzhong Z., 1998. Distributed Law
of Hydrodynamic Lubrication of a Cylinder Liner of an Internal Combustion Engine,
Tribology Transactions, 41:4, 610-614.
35. Ye Z., Zhang C., Wang Y., Chenga H. S., Tung S., Wang Q. J., Hea X., 2004. An
Experimental Investigation of Piston Skirt Scuffing: A Piston Scuffing Apparatus,
Experiments, and Scuffing Mechanism Analyses, Wear 257, 8-31.
36. Zhong M., Liu W., Zhang H., 2006. Corrosion and Wear Resistance Characteristics of
NiCr Coating by Laser Alloying with Powder Feeding on Grey Iron Liner, Wear 260, 1349–
1355.
44
RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE OLUŞAN HASARLARIN
İNCELENMESİ
Can ÇİVİ1, N. Sinan KÖKSAL2
ÖZET
Teknolojinin gelişmesiyle enerji gereksinimi artmakta ve enerji üretiminde
kullanılan fosil yakıt miktarlarının giderek azalması ile yenilenebilir enerji kaynakları önem
kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri rüzgar enerjisi olup son yıllarda
enerji üretiminde önemli bir yer teşkil etmektedir. Dünyada ve ülkemizde enerji üretiminde
kullanılan rüzgar türbini sayısı giderek artmaktadır. Bu artışla beraber kullanıma bağlı olarak
rüzgar türbinlerinde meydana gelen aşınma, korozyon gibi hasarların önlenmesi
gerekmektedir. Bu çalışmada rüzgar türbinlerinde gövde, kanat ve aktarma organlarında
oluşan hasarlar, tasarım, çalışma ortamı ve montaj gibi yönlerden incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Rüzgar Türbini, Hasar Analizi, Enerji
ABSTRACT
Demand for electiricy is increasing with the growth of technology and renewable
energy sources become important with the reduction of fossil fuel day by day. Energy
production from wind is important in renewable energy sources. Because of this, prevention
of failure that occur in wind turbines are important to reduce the availability of energy and
the efficiency of wind turbines . In this study, failures that occured wind turbines
investigated from in terms of design and using.
Key Words: Wind Turbine, Failure Analysis, Energy
1.
GİRİŞ
Rüzgâr enerjisi, nükleer ve fosil yakıtlardan elde edilen enerjiye göre daha ucuz ve
temin edilebilmesi çok daha kolay bir enerjidir. Rüzgâr enerjisine büyük önem verilmesinin
sebebi, fosil yakıt kaynaklarının birkaç yüzyıl içerisinde tükenecek olması ve bu yakıtların
çevreye verdiği zararlardır [1].
İlk çağlarda rüzgar enerjisine çok önem verilmekteydi. Rüzgâr enerjisinden
yararlanılarak yelkenlilerle dünyada birçok yerin keşfi mümkün olmuştu. Sanayi devrimi ile
buharlı makinelerin kullanımı sonrası rüzgar enerjisine ilgi azaldı. 1970’li yıllara gelinceye
kadar, fosil yakıtların ucuz olması dolayısı ile rüzgar enerjisine yeterli derecede önem
verilmemiştir. 1970’lerdeki petrol krizleri sonucunda yavaş yavaş rüzgar enerjisinin
kullanımına yönelim gerçekleşmiş, 1980’li yıllardan sonra ise rüzgar türbinleri tüm dünyada
çağdaş enerji üretim yöntemleri arasına girmiştir. 1970’li yılların sonlarında, rüzgar enerjisi
1
Araş. Gör.,Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü,
45140, Manisa, [email protected],
2
Yrd. Doç. Dr., Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği
Bölümü, 45140, Manisa, [email protected]
45
sağlayan küçük rüzgar türbinleri, diğer alternatif enerjilerle karşılaştırıldığında, yatırım
maliyetlerinin azlığı ve gelişen teknolojilerin etkisiyle, bir çok kişinin ilgisini çekmiştir [2].
Dünyada; rüzgar enerjisinden elektrik üreten ilk türbin, 1891’de modern aerodinamiğin
önemli mühendisi olan Paul la Cour tarafından Danimarka’da inşa edilmiştir [3]. Bu tarihten
sonra rüzgar enerjisine yönelim artmış ve 1996 yılında dünya genelinde 6,100 MW olan
rüzgâr enerjisi kurulu gücü 2010 yılında 194,390 MW’a ulaşmıştır [4]. Tablo 1 de kurulan ve
toplam rüzgar enerji türbinlerinden elde edilen enerjinin MW cinsinden değeri yer
almaktadır.
Tablo 1. Dünya genelinde rüzgâr enerji türbinlerinden elde edilen enerjinin yıllara göre MW
cinsinden değeri [4]
YIL
KURULAN (MW)
TOPLAM (MW)
1996
1280
6100
1997
1530
7600
1998
2520
10200
1999
3440
13600
2000
3760
17400
2001
6500
23900
2002
7270
31100
2003
8133
39431
2004
8207
47620
2005
11531
59091
2006
11245
74052
2007
19866
93820
2008
26560
120291
2009
38610
158738
2010
3760
194390
Günümüzde, endüstrileşmiş ülkeler, enerjilerinin yaklaşık % 65’lik kısmını fosil
yakıtlardan elde etmektedirler. Yapılan araştırmalar, gelişmiş ülkelerin 2030’a kadar dünya
enerji üretiminin % 50’sini gerçekleştireceğini belirtmektedir. Bu ülkeler, enerji üretiminde
% 65 oranında fosil yakıt kullanımına devam ettikleri takdirde hava kirliliğinde artışın büyük
düzeyde devam edeceği, dünya üzerinde sera etkisinin artacağı ve ayrıca petrol fiyatlarının
da kaynakların azalması ile hızla yükseleceği bilinmektedir [1]. Bu sebeple rüzgar enerjisi
ve su enerjisi gibi geri dönüştürülebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına verilen öneminin
gün geçtikçe arttığı görülmektedir.
Ülkemizde 1998 yılına kadar rüzgar enerjisine önem verilmemiştir. Bu yılda toplam
kurulu rüzgâr enerjisi santrallerinden elde edilen enerji değerleri 8,7 MW miktarındadır.
İlerleyen yıllarda ülkemizde rüzgar enerjisi kullanım miktarının artışının çok az olduğu
görülmektedir. Son yıllarda ise yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim ile ülkemizde
elektrik üretimi için kullanılan rüzgar enerjisinin hızla artış gösterdiği görülmektedir.
46
Tablo 2. Türkiye’deki rüzgâr türbinlerinden elde edilen enerji miktarları [5]
YIL KURULAN (MW) TOPLAM (MW)
1999
0
8,7
2000
10,2
18,9
2001
0
18,9
2002
0
18,9
2003
1,2
20,1
2004
0
20,1
2005
0
20,1
2006
30,9
51
2007
95,3
146,3
2008
217,4
363,7
2009
427,9
791,6
2010
537,55
1329,15
Sürdürülebilir enerjilerin içinde en büyük güce sahip olan rüzgar enerjisidir. Rüzgar
enerjisi çeşitli şekillerde meydana gelmektedir. Bunlardan biri dünyanın dönüşünden oluşan,
sürekliliği olan rüzgarlar diğeri ise elize adı verilen yörünge değişikliğinden oluşan
rüzgarlardır. Diğer bir rüzgâr türü ise ısı değişikliğinden kaynaklanan rüzgârlardır [6].
Rüzgâr türbinleri rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine çevirmektedir. Rüzgâr türbini
telekomünikasyon sistemleri gibi sistemlerin ve konutların elektrik ihtiyaçlarını
karşılamaktadır. Örnek rüzgar türbinleri Şekil 1’de verilmiştir [7].
Şekil 1. Örnek rüzgâr türbinleri [7]
Rüzgâr türbinleri bir rotor, güç şaftı ve alternatörden meydana gelmektedir.
Alternatör, rüzgârdan elde edilen kinetik enerjiyi elektrik enerjisine çevirmektedir. Rüzgârın
rotordan geçmesi sırasında, aerodinamik bir taşıma kuvveti meydana gelmektedir ve bu
taşıma kuvveti rotoru döndürmektedir. Bu dönel hareket jeneratörü hareket ettirerek elektrik
üretmektedir [7].
Rüzgâr türbinlerinde, türbinin tüm aksanını taşıyan gövde, sürekli olarak
aerodinamik taşıma kuvvetine maruz kanatlar ve rotorda meydana gelen dönme enerjisini
elektrik üretimi amacını gerçekleştiren jeneratöre ileten aktarma organları, hasar meydana
gelebilme olasılığı bakımından türbinin kritik elemanlarıdır. Burada oluşabilecek hasarların
analiz edilmesi türbin ömrü açısından çok büyük önem teşkil etmektedir.
47
2.
RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE MEYDANA GELEN HASARLAR
Herhangi bir parçanın tamamen kullanılamaz duruma gelmesi, kullanılabilecek
durumda olup fakat kendisinden istenilen performansı karşılayamaz duruma gelmesi veya
parçada ciddi bir hasar oluşup, bu hasarın parçayı kullanmayı tehlikeli duruma sokması
parçanın hasara uğradığını gösteren parametrelerdir. Hasar analizinin amacı hasara sebep
olan mekanizmayı belirleyip teknolojik hatayı bulmaktır. Hasarlar, yanlış malzeme seçimi,
fabrikasyon hatası, tasarım hatası, beklenilmeyen çalışma koşulları ve uygun olmayan ortam
koşulları sebebiyle meydana gelebilir. Bu gibi durumlar sonucunda korozyon, yorulma,
gevrek kırılma, aşırı yükleme, yüksek sıcaklık korozyonu, gerilmeli korozyon, sürünme ve
aşınma gibi hasar mekanizmaları meydana gelebilir [8].
Bir rüzgar türbininin ortalama ömrü 20 yıl civarındadır. Ömrü boyunca rüzgar
türbinleri sürekli olarak çalışarak enerji üretimini sağlarlar. Herhangi bir hasar nedeniyle
rüzgâr türbininin çalışmasının durması veya ortalama ömründen daha kısa sürede ömrünü
yitirmesi, yatırımcı açısından büyük maddi kayıplara neden olur.
Rüzgâr türbinleri, gelişen teknoloji ve rüzgar enerjisine olan eğilim ile son yıllarda
önem kazanmıştır. Giderek artan sayıda kurulan türbinlerde özellikle tasarım ve kullanım
yönünden oluşabilecek hasarların analiz edilmesi, sistemin hasar nedeniyle durmasını ve
böylece oluşabilecek enerji kaybının önüne geçilmesini sağlar. Rüzgâr türbinlerinin birçok
aksamında hasar meydana gelebilmekle beraber, özellikle türbinin gövde, kanat ve aktarma
organı kısımlarındaki hasarların analizi, önem teşkil etmektedir.
2.1.
Rüzgâr Türbinlerinin Gövdelerinde Meydana Gelen Hasarlar
Rüzgâr türbinlerinde kule, pervaneyi ve diğer düzenekleri taşır. Bu sebeple rüzgâr
türbini gövdeleri rüzgâr türbinlerinin önemli bir parçasıdır. Türbinlerin gövdeleri genel
olarak çelik, beton ve boru tipi çelikten yapılmakla beraber ahşap ve kompozit malzemeden
yapılan rüzgâr türbini gövdeleri nadiren de olsa mevcuttur. Dünyada en çok kullanılan rüzgâr
türbini gövdesi boru tipi çelikten yapılan ve flanşların cıvatalar ile birbirine bağlandığı tip
gövdelerdir. Şekil 2’de 28 Eylül 2008 tarihinde, Tayvan’da meydana gelen yoğun yağış ve
şiddetli rüzgar ile rüzgar türbininde oluşan hasarın fotoğrafları yer almaktadır.
Şekil 2. Yıkılmış rüzgar türbini [9]
Rüzgâr türbininde oluşan hasar incelendiğinde hasarın Şekil 3’te görülen, kulenin
17,3 metre yükseklikteki kısmında meydana geldiği görülmüştür.
48
Şekil 3. Yıkılmış rüzgâr türbininde meydana gelen hasarın yeri [9]
Gövdenin şiddetli fırtına sonucu meydana gelen kuvveti karşılayamaması nedeni ile
kırılma meydana gelmiştir. Şekil 4’te görülen, gövdenin kenarında bulunan cıvataların
kırılması ile gövdenin hasara uğradığı belirlenmiştir. Gövde flanşını bağlamakta kullanılan
cıvataların düşük dayanımlı olması bu hasarın meydana gelmesine yol açmıştır. Standartlara
göre seçilen cıvatalar Japon Endüstriyel Standartlarına (JIS) göre incelendiğinde, kırılan
cıvataların ve sağlam kalan diğer cıvataların dayanımları Tablo 3’de verilen değerler olup,
standartlardan düşük değerler görülmüştür [9].
Tablo 3. Cıvatanın Mekanik Özelliklerinin Deneysel Değerlerinin Japon Standartlarıyla
Karşılaştırılması [9]
Sağlam
Kırılan
JIS’ye Göre
Mekanik Özellik
cıvatalar
Cıvatalar
Standart Değer
%Uzama
12,83
13,67
>9
Akma Gerilmesi
876-943
825-921
>940
(MPa)
Kopma Gerilmesi
1026-1089
955-1034
>1040
(MPa)
Bu durumun sebepleri incelendiğinde, cıvata seçiminde kalite kontrolün iyi
yapılmamış olabileceği, cıvata montajında cıvataya gelen burulma momentinin iyi
ayarlanamayıp cıvataların üzerinde ek gerilme oluşturmuş olabileceği, bu gerilmenin
cıvatanın ömrünü düşürmüş olabileceği ve oksidasyon gibi etkilerle cıvataların
mukavemetinin zamanla azalabileceği öngörüleri yapılmıştır. Bu sebeple cıvata seçiminde
kalite kontrolün iyi yapılması, cıvata montajı sırasında montajı yapan elemanların iyi bir
şekilde bilgilendirilmesi ve zamanla mukavemet azalmasına karşılık periyodik olarak bakım
ve gerektiğinde yenileme yapılması önerilmiştir [9]. Bu hasardan alınacak sonuç, malzeme
seçimindeki kalite kontrolün iyi yapılması, malzeme montajının iyi yapılması ve bakımların
zamanında yapılması ile gövdede oluşabilecek hasarların önüne geçilebileceğini
göstermektedir.
49
Şekil 4. Gövde bağlantısını sağlayan cıvatalarda oluşan hasarlar [9]
2.2.
Rüzgâr Türbinlerinin Kanat Kısımlarında Meydana Gelen Hasarlar
Rüzgar türbinlerinin kanat kısımları, rüzgar türbinlerinin amacı olan rüzgar
enerjisini elektrik enerjisine çevrilmesinde, rüzgarın enerjisinin toplandığı kısım olduğundan
rüzgar türbininin en önemli kısımlarındandır. Kanat tasarımında, rüzgar enerjisinden
yararlanmanın yüzdesinin artırılması amaçlanırken, bir yandan da üretim kolaylığı ve
dayanım da hedeflenmektedir. Rüzgar türbinlerinin kanatları, hafif ve dayanıklı
olduklarından ve sürekli hava ile temasta olduklarından dolayı havanın olumsuz tesirlerinden
etkilenemeyen kompozit malzemelerden üretilmektedir. Kompozit malzemelerin en önemli
avantajı dayanımlarının ağırlıklarına oranlarının düşük olmasıdır. Birçok mühendislik
uygulamasında fiberglas, glas epoksi, grafit epoksi ve bor epoksi kompozitler
kullanılmaktadır [10]. Kanatlar, kompozit malzemelerden, hafifliği artırmak amacıyla içi
boş olarak kabuk şeklinde üretilmekte ve kabukların arasına dikey olarak destek elemanları
koyularak mukavemetlerinin artırılması sağlanmaktadır.
Rüzgar türbinlerinin kanat kısımlarında meydana gelen hasarların en önemli sebebi
kanatlarda meydana gelen yorulmadır. Bu hasarlar genelde pervanelerin kök bölgesine
bağlandığı yerlerde meydana gelir. Yorulma sebebiyle meydana gelen bu hasarlar yüksek
yorulma yüklerinde daha kısa sürelerde meydana gelirken, kanat tasarımının iyi yapılması ile
kanat ömürleri artırılabilmektedir. Şekil 5’te yorulmaya uğramış kompozit kanat
görülmektedir [11].
(Kök
Bölgesi)
Aerodinamik Bölge
Şekil 5. Dış yüzeyinde kırık meydana gelen kanat [11]
50
Kompozit kanatta oluşan hasarın incelendiğinde, gövde kısmından kanat kısmına
geçilen bölgede kesit değişiminden dolayı en zayıf bölgeyi oluşturduğu tespit edilmiştir.
Meydana gelen gerilme yığılmaları sebebiyle yüzey kısmında Şekil 6’da görüldüğü gibi
çatlak meydana geldiği belirlenmiştir. Bu çatlağın ilerlemesi ile gerilme yığılmalarının iyice
arttığı ve bu sayede çatlağın hızlı bir şekilde ilerlediği gözlemlenmiştir [11].
Şekil 6 a) Dış yüzeyde Oluşan Çatlak b) Çatlağın İlerlemesi ile Kırılma c)Kırılmış Parça
[11].
Birleşim yerleri bütün yapılarda en zayıf noktalardır. Ayrıca buralarda başka
kusurların bulunması, zayıflığın daha da artmasına sebep olur. Kök ile aerodinamik yüzey
arasındaki bölge, reçine eksikliği ve takviye elemanının bağlanmasında sıkıntı yaşanması
gibi üretim kusurlarına yol açmaktadır. Reçine, elyafın mukavemetini etkilememesine
rağmen, reçinesi eksik olan yüzey, orijinal yüzey gibi davranış gösteremez. Özellikle kuvvet
altında yük taşıma kapasitesini azaltır ayrıca liflerin yüzeyden ayrılmasına yol açar [11].
Kanatlarda oluşan hasarların incelenmesi sonucunda üretim esnasında oluşan
yüzeydeki kusurların, kalınlık değişiminin ve ani geçişlerin gerilme artışına ve dolayısıyla
yorulma dayanımında ani düşüşe sebep olduğu görülmüştür. Bu sebeple kanat tasarımında ve
kanatların üretiminde bu hususlara dikkat edilmelidir.
2.3.
Rüzgar Türbinlerinin Aktarma Sistemlerinde Meydana Gelen Hasarlar
Dişli kutusu bir rüzgar türbininin aktarma sisteminin önemli bir bileşenidir. Normal
bir rüzgar türbin pervanesinin hızı 30 – 50 devir/dakika iken bir jeneratörün optimum hızı
1000 – 1500 devir/dakika civarındadır. Bu yüzden dönme hızının jeneratörün hız
gereksinimlerine göre ayarlanabilmesi için iletim hattında güç aktarma sisteminin bulunması
gerekir [12]. Son yıllarda Direct Drive adı verilen dişli kutusu olmadan direk olarak kanadın
dönmesi ile türbinin döndüğü teknolojiye geçiş eğilimi olmasına rağmen, kullanımda olan
rüzgar türbinlerinin büyük kısmında ve yeni üretilen rüzgar türbinlerinin önemli bir kısmında
dişli kutuları bulunmaktadır. Bu sebeple burada meydana gelen hasarların incelenmesi önem
taşımaktadır.
Türbin jeneratörü ile dişli kutusunu bağlamak için emniyet pimleri kullanılmaktadır.
Bu pimler aşırı yükleme meydana geldiğinde kırılıp dişli kutusu ile jeneratör arasındaki
bağlantıyı kesme ve sistemin olumsuz etkilenmesini önleme görevi üstlenirler [13].
51
Montaj Görünümü
Emniyet Pimleri
Şekil 7. Emniyet pimleri ve montajlanmış görüntüsü [13]
Pimlerde Şekil 8’ de görüldüğü gibi bir boyun bölgesi bulunmaktadır. Bu boyun
bölgesi pimin emniyet görevini yerine getirebilmesi yani üzerine gelen kuvvet arttığında
boyun bölgesinden kırılarak sistemin zarar görmemesi için güç aktarımının kesilmesi amacı
ile pimlerde mevcuttur [13].
Şekil 8. Emniyet Piminin Ölçüleri [13]
Sankar ve diğerlerinin yaptığı çalışmada, 2001 yılında kurulan ve sürekli olarak
emniyet pimleri hasar gördüğü için çalışması duran bir 350 KW’lık bir rüzgar türbini
incelenmiştir ve emniyet pimlerinin kısa sürelerde kırılmalarının nedenleri araştırılmıştır
[13]. Tablo 4’te emniyet pimlerinde görülen hasarların tarihleri ve pimlerin değiştirilmesi
için harcanan zaman miktarları görülmektedir.
Tablo 4. Emniyet Pimi Hasarlarının Tarihleri ve Pimin Değiştirilmesi İçin Harcanan Süreler
[13]
Türbinin Çalışma
Hasar
Pimin Değiştirilmesi İçin Harcanan Zaman
Başlangıcı
Zamanları
(Saat)
31.12.2001
06.1.2007
7
16.6.2007
4
20.6.2008
5
02.1.2009
12
15.2.2009
5
06.3.2009
4
17.3.2009
4
04.4.2009
4
07.4.2009
5
10.4.2009
7
16.6.2009
5
52
Hasarların meydana geldiği tarihler incelendiğinde pimlerde oluşan hasarların fazla
olduğu görülmektedir. Pimlerde hasar oluştuğunda, rüzgar türbininin enerji üretimine devam
edebilmesi için pimlerin değiştirilmesi gerekmektedir. Bu emniyet pimlerinin dayanımının
gerektiğinden az olduğunu görüldüğünden, pimler üzerinde incelemeler gerçekleştirilmiştir
[13].
Malzeme olarak incelendiğinde, pimlerin ETG 88 çeliğinden (iyi mekanik
özelliklere ve talaşlı öğretimde iyi işlenebilme yeteneğine sahip) yapıldığı görülmüştür. Pim
çeliğin mekanik özellikleri Tablo 5’te görülmektedir. [13]
Tablo 5. Pimlerde kullanılan ETF 88 çeliğinin mekanik özellikleri
Mekanik Özellik
Elastisite Modülü [MPa]
2,1x105
Akma Gerilmesi [MPa]
>685
Kopma Gerilmesi [MPa]
800-950
Sertliği [HRC]
29
Şekil 9’da görülen hasarlı pimlerde, hasarın meydana geldiği kırılma yüzeyi
incelendiğinde, pimlerin boyun bölgesinde talaşlı imalat izlerine rastlanmıştır.. Kırık yüzeyi
incelendiğinde, tipik burulma yorulma kırılması meydana geldiği görülmüştür. Yorulma
kırılması boyun bölgesinin köşe kısımlarında talaşlı imalat izlerinin olduğu yerlerde başlamış
ve tekrarlı yüklemelerle hasara yol açmıştır [13]. Kırık yapısı da şekilde görülmektedir.
Şekil 9. Hasarlı Emniyet Pimleri ve Kırılma Yüzeyi Görüntüsü [13]
Yapılan mikro yapı incelemesinde de numunede boyun etrafındaki talaşlı imalat
izlerinin hemen yakınında yorulma çatlağının meydana geldiği ve çatlağın sürekli yükleme
ile ilerleyerek kırılmaya sebep olduğu görülmüştür [13].
Pimlerde meydana gelen hasarların nedenlerini inceleyebilmek amacı ile sonlu
eleman analizi yapılmıştır. Normal çalışma şartlarında pime burulma gerilmesi etki
etmektedir. Numuneye yapılan sonlu eleman analizinde, pimlere gelen burulma gerilmesine
karşı pimlerin güvenilir olduğu tespit edilmiştir. Pimlerde oluşan beklenmedik hasarlara,
ilave bir yükün etki etmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu sebeple, oluşabilecek eksen
kaçıklıkları nedeniyle pimlere gelen gerilmeler incelenmiştir. İnceleme sonucu Şekil 10’da
53
görülmektedir ve Von Misses Kriterlerine göre hesaplanan gerilme değerleri ile Tablo 6’da
görülen sonuçlara ulaşılmıştır [13].
Şekil 10. Pimlere Sonlu Elemanlar Metoduyla Uygulanan Analiz sonuçları [13]
Tablo 6. Eksen kaçıklığı değerlerine bağlı olarak oluşan gerilme değerleri [13]
Eksen Kaçıklığı
Kayma Gerilmesi
Bileşik Gerilme
(mm)
N\mm2
N\mm2
0
74,5
287,9
0,05
78,0
668,5
0,1
87,7
688,0
0,15
101,8
989,2
0,2
171,2
1276,0
Yapılan sonlu elemanlar analizinin sonuçları incelendiğinde, pimlerin üzerine gelen
gerilmelerin burulmadan dolayı saf kayma gerilmesi olduğu durumlarda pimin bu gerilmeyi
taşıyabileceği görülmektedir. Ancak pimlerde sürekli hasar meydana gelmesinin sebebinin
pimlerin eksen kaçıklığından dolayı kesme ile beraber eğilme gerilmelerine de maruz
kalması olduğu belirlenmiştir. Pimlerin boyun bölgelerinin pimlerdeki dayanımı gereğinden
fazla düşürdüğü ve eksen kaçıklığı nedeni ile de pimlere gelen bileşik gerilme neticesinde
pimlerin dayanımının büyük miktarda azaldığı sonucuna varılmıştır. [13]
3.
SONUÇLAR ve TARTIŞMA

Rüzgâr türbinlerinde hasarların önlenmesi için kullanılan malzemelerin, çalışma
süresinde havanın olumsuz etkilerine maruz kalan zor hava şartlarına, hava
şartlarındaki değişimlere ve korozyon gibi olumsuz etkilere dayanıklı malzemeler
olması gerekmektedir.

Sürekli olarak olumsuz hava şartlarına maruz kalan ve bu şartlar altında sürekli
çalışan rüzgar türbinlerinin bakımlarının aksatılmadan yapılması ve gerekli
görüldüğü takdirde parça tamir ve değişimlerinin zamanında yapılması oluşabilecek
hasarların önüne geçilmesini sağlar.

Rüzgâr türbinlerinde kullanılan kanat parçalarının tasarımları yapılırken, enerji
verimliliği ile birlikte, üretim kolaylığı ve malzeme dayanımı da göz önüne
alınmalıdır.
54

Kurulumundan itibaren, sürekli olarak çalışıp enerji üretimini gerçekleştirecek olan
rüzgar türbinlerinde özellikle dinamik yüklere maruz olarak kullanılan
malzemelerin yorulma dayanımlarının yüksek olması gerekmektedir.
55
4.
KAYNAKLAR
[1] Sestoa, E. Casale, C. ,1998, Exploitation of wind as an energy source to meet the world's
electricity demand, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volumes 7476, Pages 375-387
[2] Bergey, B. , 1997, “Wind Energy History”. Windpower.com, USA
[3] Danısh Wınd Hıstory, 1999, “Danish Wind Turbine Manufecturers Association Wind
Power” Danimarka
[4] Global Wind Statistics
http:www.gwec.net/fileadmin/documents/Publications/GWEC_PRstats_02-022011_final.pdf
[5] Altuntaşoğlu, Z., Haziran 2011, Türkiye'de Rüzgâr Enerjisi, Mevcut Durum, Sorunlar,
Mühendis ve Makine, Sayı:617 s. 40-86
[6] Haktanır, D., 2004, Hava kirlenmesini önleyebilecek yenilenebilir enerjilerle yakıt
hücreleri
[7] Korkmaza, A., Çarhoğlu, I., Kural ,M., 2008, Sürdürülebilir Enerji Kaynaklarından
Rüzgâr Türbinlerinin Davranışlarının Deprem Etkisialtında İncelenmesi, İstanbul Ticaret
Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Yıl:7 Sayı:14 Güz 2008/2 s.1-13
[8] Hasar Analizi Yüksek Lisans- Doktora, Ders Notları Doç Dr. İrfan Ay, Balıkesir
Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü
[9] Chou , J. S., Tu,W.T., January 2011, Failure analysis and risk management of
a collapsed large wind turbine tower, Engineering Failure Analysis Volume 18, Issue 1,
Pages 295-313
[10] Pawlak,M., Mezyk, A., 2005, Optimisation of wind turbine blades,M. Jureczko,
Journal of Materials Processing Technology 167 (2005) 463–471
[11] Marín , ,J.C. , Barroso, A., París, F. , Cañas, J. , 2008, Study of damage and repair
of blades of a 300 kW windn turbine, Energy, Volume 33, Issue 7, Pages 1068-1083
[12] http://www.akademimuhendislik.net/ruzgar-turbin-disli-kutusu.html
[13] Sankar, S. , Nataraj, M., Raja, P., 2011, Failure analysis of shear pins in wind turbine
generator, Engineering Failure Analysis 18 (2011) 325–339
56
AG İLAVESİNİN YARI-KATI ŞEKİLLENDİRİLMİŞ ALÜMİNYUM
ALAŞIMINDA MİKROYAPIYA ETKİSİNİN İNCELENMESİ VE
SONUÇLARIN İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRİLMESİ
Adnan TÜRKER1, Nurşen SAKLAKOĞLU2
ÖZET
Bu çalışmada yarı-katı halde şekillendirilmiş AlSi12 alaşımına eser miktarda Ag
elementi ilavesinin malzemenin mikroyapısına etkileri incelenmiştir. Yarı-katı halde
şekillendirme alüminyum alaşımında ötektiküstü alaşımlarda görülen primer Si partikülü
oluşmasına neden olmuştur. Ötektiküstü alaşımlardan farkını belirtmek üzere, bu yapılara
ayrık Si partikülü denilmiştir. Ag ilavesi bu partiküllerin boyutunu küçültmüştür. Sonuçlar
SPSS programı yardımıyla istatistiksel olarak doğrulanmıştır.
Anahtar Sözcükler: Yarı-katı şekillendirme,
alüminyum alaşımı, SPSS programı
ayrık Si partikülü, tane boyutu analizi,
ABSTRACT
In this study, the effects of Ag element, which is added in trace amounts in semi-solid
forming of the AlSi12 aluminum alloy on the microstructural of this material, have been
investigated.
Semi-solid forming of aluminum alloy yielded to primer Si particle which appears
in hypereutectic AlSi alloys. It is called the discrete Si particle to distinguish between
hypereutectic alloys. The Ag addition decreased the size of the Si particle. The results were
confirmed statistically using the SPSS program.
Keywords: Semi-solid forming, discrete Si particle, grain-size analysis, aluminum alloy,
SPSS program.
1.
GİRİŞ
Pekçok malzeme teknolojileri arasında, yarı-katı şekil verme prosesleri iyi yüzey
kalitesi, iyi mekanik özellikler, düşük enerji tüketimi vb. özellikleri ile önemli avantajlar
sunmaktadır. Yarı-katı halde şekillendirme malzemenin solidüs-likidüs sıcaklıkları arasında
kuvvet uygulanarak şekillendirilmesinden ibarettir. Ancak bir malzemenin yarı-katı halde
şekillendirilebilmesi için küresel tane yapısına sahip olması gerekmektedir. Bu amaçla
manyetik karıştırma, elektromanyetik karıştırma, eğimli soğutma plakasından döküm, SIMA
(strain-induced, melt-activated) prosesi vb. çeşitli metotlar önerilmektedir [1-5].
Bu çalışmada otomotiv endüstrisinde kullanılan silindir kapağı, fren balataları,
piston kolu vb. parçaların imalatında kullanılan AlSi (AlSi12) alaşımının yarı katı sıcaklıkta
1
K.K.Astsb.M.Y.O K'lığı,Teknik Bilimler Bölümü, Çayırhisar, Balıkesir,
[email protected]
2
Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye Kampüsü, 45140
Manisa, [email protected]
57
şekillendirilebilirliği ve düşük miktarda ilave edilen Ag’ün buna etkisi araştırılmıştır.
Alaşımın yarı-katı halde şekillendirilmesi sırasında ötektiküstü alaşımlarda görülen primer
silisyum partiküllerine benzer karakterde ayrık Si partiküllerinin oluştuğu gözlenmiştir.
Silisyum partikülleri malzemenin mukavemet ve mekanik özelliklerini arttırdığı ve
malzemenin içinde nano boyutta kompozit oluşumuna sebep olduğu için çok önemlidir [6-8].
Bu nedenle bu araştırmada özellikle ayrık silisyum partiküllerinin oranı ve miktarı
araştırılmıştır.
2.
DENEYSEL ÇALIŞMA
Bu çalışmada kullanılan AlSi12 malzemesinin kimyasal kompozisyonu Tablo 1’de
görülmektedir.
Tablo 1. AlSi12 alüminyum alaşımının kimyasal kompozisyonu.
Al
Si
Mg
Fe
Ti
87,7655
11,6995
0,174
0,1465
0,1165
Ni
Zn <
Cu <
Cr
Pb
0,0115
0,077
0,015
0,004
0,002
Mn
0,0515
Sn <
0,001
Sb
0,018
Hazır olarak temin edilen alaşımlı külçeler elektrik direnç fırınında ergitilip, sıvı
alaşımın sıcaklığı önceden belirlenmiş döküm sıcaklıklarına ulaştığında, Tablo 2’deki döküm
parametreleri verilmiş olan su ile soğutulan çelik bir plakanın yüzeyinden kalıba
dökülmüştür. Şekil 1’de eğimli soğutma plakasından döküm yöntemi ile yarı-katı
şekillendirme prosesi şematik olarak gösterilmiştir.
Tablo 2. Soğutma plakası deney düzeneği parametreleri
Plaka malzemesi
Plaka kaplama malzemesi
Plaka eğim açısı
Plaka döküm uzunluğu
Döküm sıcaklığı
1.2344
Bor nitrür (BN)
60°
350 mm.
650°C
Şekil 1. Eğimli soğutma plakası kullanılarak tikso şekillendirmenin şematik gösterimi [9].
Çalışma iki aşamalı olarak planlanmıştır. Birinci aşamada; gravite döküm ve eğimli
soğutma plakasından döküm yapılmış, ayrıca bu döküm numuneleri yarı katı sıcaklığa
getirilmiş, suda soğutulduktan sonra ayrık silisyum partikülleri araştırılmıştır (Şekil 2). Bir
58
sonraki aşamada yarı katı şekillendirme çalışmaları yapılmış ve yarı katı şekillendirilmiş
numunelerde ayrık silisyum partikülleri araştırılmıştır.
b
a
c
Şekil 2. (a)α-Al, (b)Ayrık silisyum partikülleri, (c)Ötektik yapı.
Çalışmanın ikinci aşamasında ise AlSi12 alaşımına %0,2 Ag ilave edilerek Ag
ilaveli alaşımların dökümü yapılmış ve birinci aşamada yapılan işlemler hiçbir parametre
değiştirilmeden tekrarlanmıştır. Şekil 3’de bu alaşıma ait EDS sonucu görülmektedir.
Elem Wt % At % K-Ratio Z
A
F
------------------------------------------------------------MgK 0.98 1.13 0.0098 1.0332 0.9233 1.0427
AlK 84.69 87.34 0.8207 1.0026 0.9643 1.0023
SiK 10.69 10.59 0.0608 1.0302 0.5522 1.0003
AgL 3.63 0.94 0.0272 0.8117 0.9218 1.0000
Total 100.00 100.00
Şekil 3. AlSi12Ag’ye ait EDS analizi.
AlSi12 alaşımın likidüs ve solidüs sıcaklıkları alüminyum-silisyum faz
diyagramından bakılmış ve yarı katı sıcaklık aralığının 571°C–604°C arasında olduğu
görülmüştür. Aynı zamanda likidüs ve solidüs sıcaklıkları deneysel olarak TG/DTA tekniği
yardımı ile; ısı akışına göre 567°C–596°C olduğu ve ağırlık kaybına göre 551°C–616°C
olduğu elde edilmiştir. Her iki sonuca ilaveten laboratuar çalışması deneyimleri de gözönüne
alınarak çalışmamızda 572°C yarı katı sıcaklığı olarak belirlenmiştir. Yarı katı sıcaklık
çalışmaları için daha farklı sıcaklık değerleri denendiğinde 1–2°C’lik artışlarda bile
malzemenin kendini salarak çöktüğü yada tamamen eridiği gözlenmiştir.
Dökümden elde edilen numuneler 30 mm çapında 40 mm uzunluğunda kesilmiş,
laboratuarımızda bulunan indüksiyon ısıtma sistemi ile alaşımın yarı katı sıcaklığı olan
572°C sıcaklığa ulaşıldığında suda soğutulmuştur. Böylece yarı katı sıcaklıkta mevcut tane
yapısı korunarak metalografik inceleme yapılmıştır. Yarı-katı sıcaklık kontrolü K tipi bir
59
termokupl yardımı ile yapılmıştır. Numuneye açılan 3 mm çapında ve 3 mm derinliğinde bir
deliğe yerleştirilen dijital bir göstergeye bağlı olan prob yardımı ile sıcaklık kontrolü
sağlanmıştır. Yarı katı aralıkta ısıtma esnasında 2–3°C sıcaklık değişimi ile bile malzeme
içerisinde katı-sıvı oranı oldukça değiştiğinden, sıcaklık ölçümü hassas yapılmıştır. Tüm yarı
katı sıcaklığa ısıtma çalışmaları ±1°C’de yapılmıştır.
Kalıpta yarı katı şekillendirme çalışmaları pres altında, indüksiyon sistemiyle zımba
üzerinde ısıtılan ingotun yarı katı aralığa (572°C) gelmesiyle zımbanın yukarı doğru hareket
ederek parçanın şekillendirme kalıbına basılması gerçekleştirilmiştir. Şekillendirme kalıbı
önceden 350°C’ye ısıtılmaktadır. Bu proseste presin alt tablası hareketlidir, ingot zımbanın
hareket etmesi ile kalıp içine dolmaktadır. Presin maksimum uygulayacağı yük 20 tonkuvvet, maksimum hızı 250 mm/s, Stroku 400 mm dir. Şekil 4a’da yarı katı sıcaklığa
getirilmiş numune ve Şekil 3b’de yarı katı halde şekillendirilmiş numune görülmektedir.
Şekil 4. (a)Gravite dökümle üretilmiş numune (b)Eğimli soğutma plakasından döküldükten
sonra yarı katı sıcaklıkta şekillendirilmiş numune.
Soğutma plakasından döküm yöntemine referans oluşturabilmek amacıyla grafit
potada eritilen sıvı metal 650°C sıcaklıkta kalıp içerisine doğrudan boşaltılarak gravite
döküm yöntemiyle üretilmiştir. Numuneler zımparalandıktan sonra metolografik inceleme
için %0,5 HF’lik keller çözeltisi ile dağlanmıştır. Daha sonra numunelerin yüzeyi alkol ile
temizlenerek test ve analizler yapılmıştır. Metalografik incelemeler CLEMEX dijital kamera
ile desteklenen NIKON Eclipse- MA-100 optik mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Tane boyutu analizleri ImageJ 1.44 programında yapılmıştır. ASTM-E112 (American
Society for Testing Materials) standardına dayanılarak, 100 büyütmede mikroyapı analizleri
yapılmıştır. Analizde belirlenen aralık dışında kalan parçacıklar ihmal edilmiştir. Her
mikroyapı fotoğrafı için programda aynı oranlar, değerler, biçimler ve kontrastlar seçilmiştir.
Aynı zamanda her bir numuneye ait kenar, kenar-merkez ve merkezden olmak kaydıyla
10’ar ölçüm yapılmış bu ölçümlerin ortalamaları gerçek değer olarak kabul edilmiştir. Bu
sayede numuneler arasında kıyaslamada hatanın en aza indirilmesi hedeflenmiştir.
Bu çalışmada, test edilecek verilere ait datalar SPSS statistics 17.0 programına
girildikten sonra güvenilirlik testleri yapılmıştır. Sonuçları değerlendirmek için bağımsız
60
örneklem testi tablosunun Sig. (2-tailed) değerleri incelenmiştir. Bu değerin 0,05’den küçük
olduğu durumlarda H0 hipotezi reddedilirken, 0,05’den büyük olduğu durumlarda H0
hipotezi reddedilemez [10]. Örneğimizde p=0,099 değeri 0,05’den büyük olduğu için H0
hipotezi reddedilememiş ve analiz sonrasında bulunan iki numune arasındaki farkın
istatistiksel olarak anlamlı olmadığı kabul edilmiştir.
3.
BULGULAR
Şekil 5a’da gravite döküm yoluyla üretilmiş AlSi12 malzemenin mikroyapısı
görünmektedir. Gravite döküm tipik dendritik yapı oluşmasına neden olmuştur. Nondendritik malzeme üretmek üzere, AlSi12 alaşımı eğimli soğutma plakasından döküm
yöntemiyle üretilmiştir (Şekil 5b). Katılaşma esnasında kesme gerilmesinin dendrit kolların
kırılmasına, ikinci çekirdeklerin oluşmasına neden olduğu iddia edilmektedir [11-14]. Bu
teoriyi destekler şekilde AlSi12 alaşımında, eğimli soğutma plakasından döküm sonucunda
dentritik kollar kırılmış ve yarı katı sıcaklığa ısıtma sonucunda küresel tane yapıları
oluşmuştur. Şekil 5c’de AlSi12Ag’in gravite döküm (GR) yöntemiyle üretilmiş hali ve
Şekil 5d’de ise AlSi12Ag’in eğimli soğutma plakasından döküm (CS) yöntemiyle üretilmiş
hali gösterilmiştir. Görüldüğü gibi Ag ilavesi hem α-Al hem de ötektik yapıda kabalaşmaya
yol açmıştır.
Şekil 5. (a)AlSi12-GR, (b)AlSi12-CS, (c)AlSi12Ag-GR, (d)AlSi12Ag-CS’ye ait mikroyapı
fotoğrafları.
Yarı katı sıcaklığa ısıtma sırasında tanelerin arası, yapıda var olan düşük ergime
sıcaklığına sahip faz veya bölgelerin erimesi ile oluşan sıvı faz tarafından ıslatılır. Eğimli
61
soğutma plakasından döküm etkisi ile kırılan dendrit kolları rozet yapıyı oluşturmakta, bu
yapı yarı katı hale ısıtma prosesi ile küresel hale dönüşmektedir. Şekil 6’ten görüldüğü gibi,
eğimli soğutma plakasından dökülen malzemede taneler küresel hale dönüşebilmekte (Şekil
6 c-d-e-f), ancak gravite dökümle üretilen malzemede küreselleşme olmamakta, yarı-katı
aralığa ısıtma sırasında yalnızca dendritik yapıda kabalaşma (Şekil 6 a-b) olmaktadır.
Bu çalışmada dikkat çekici bir nokta yarı katı aralığa ısıtma sonrası yapıda ayrık Si
partiküllerinin oluşmasıdır (Şekil 6). Benzer mikroyapılara ötektiküstü alüminyum
alaşımlarında rastlanılmakta olup, sert Si partiküllerinin malzemede dağılımıyla kompozit
yapılar oluştuğu görülmektedir. Bu tür kompozit yapıların özellikle aşınma dayanımında
önemli artışa neden olduğu bilinmektedir [14]. Yarı katı sıcaklıkta şekillendirmede ise
silisyum partiküllerinin boyutunun küçüldüğü ve sayısının arttığı belirlenmiştir.
62
Şekil 6. (a)AlSi12-GR’nin yarı katı sıcaklığa ısıtılması, (b)AlSi12Ag-GR’nin yarı katı
sıcaklığa ısıtılması, (c)AlSi12-CS’nin yarı katı sıcaklığa ısıtılması, (d)AlSi12Ag-CS’nin
yarı katı sıcaklığa ısıtılması, (e)AlSi12-CS’nin yarı katı sıcaklıkta şekillendirilmesi,
(f)AlSi12Ag-CS’nin yarı katı sıcaklıkta şekillendirilmesi ile oluşan mikroyapı fotoğrafları.
Tablo 3’te ayrık silisyum partiküllerinin boyutu ve sayısı görülmektedir. Ag’ün
silisyum partiküllerinin boyutu ve sayısına etkisi araştırıldığında, hem yarı katı aralığa ısıtma
hem de yarı katı halde şekillendirme proseslerinde ayrık silisyum partiküllerinin boyutunda
ortalama %32 oranında küçülmeye ve tane sayısında ortalama %45 oranında artışa sebep
olduğu tespit edilmiştir. Yarı katı şekillendirilmiş numunelerde uygulanan kuvvetin etkisiyle
silisyum partiküllerinin boyutu Ag ilavelide %5,89, Ag ilavesizde %6,33 oranında
küçülmüştür. Daha ilginç olanı silisyum partiküllerinin sayısında Ag ilavelide %76,27, Ag
ilavesizde %66,27 oranında artış tespit edilmiş olmasıdır. Özetle, yarı-katı halde
şekillendirme sırasında numune yalnızca ısıtma-soğutma durumuna göre daha uzun süre bu
sıcaklıkta kaldığından, daha fazla silisyum partikülü oluşmaktadır.
Tablo 3. Silisyum hegzagonallarının boyutu ve sayısı.
Yarı katı sıcaklığa
getirilmiş
Yarı-katı sıcaklıkta
şekillendirilmiş
Toplam silisyum
tane sayısı
Ortalama boyut,
mikron
AlSi12
2038
5,718
AlSi12Ag
2875
4,327
AlSi12
3389
5,377
AlSi12Ag
5068
4,086
Tablo 4’te ayrık silisyum partikülü boyutunun istatiksel güvenilirlik testi sonuçları
gösterilmiştir. SPSS’de varsayılan olarak p<0,05 anlamlılık düzeyinde güvenilirlik testine
tabi tutulduğunda yarı katı sıcaklığa getirilmiş, yarı katı şekillendirilmiş ve her iki yöntemde
Ag ilavesinin etkisi bakımından numuneler arasındaki ayrık Si partiküllerinin sayısı ve
boyutu açısından anlamlı bir fark olup olmadığına bakıldığında;
 AlSi12 şekillendirilmiş ile AlSi12Ag şekillendirilmiş,
 AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş ile AlSi12 şekillendirilmiş,
 AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş ile AlSi12Ag şekillendirilmiş numuneler
arasında anlamlı bir fark olduğu tespit edilmiştir. AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş
numuneler ile AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş numuneler arasında anlamlı bir fark
tespit edilememiştir.
63
Tablo 4. Silisyum hegzagonalı sayısı T- testi.
Grup İstatistikleri
Karşılaştırılan Numuneler
N
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş- AlSi12Ag yarı
katı sıcaklığa getirilmiş
AlSi12 şekillendirilmiş- AlSi12Ag şekillendirilmiş
Ortalam
a
Ortalam Standar
a
t sapma standart
hata
18 2038,27 639,42 150,71
19 2875,10
1656,4
380,02
7
13 3388,76
1346,4
373,44
8
10 5068,00 728,01 230,21
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş- AlSi12Ag yarı
katı sıcaklığa getirilmiş
AlSi12 Şekillendirilmiş- AlSi12Ag Şekillendirilmiş
18 2038,27 639,42 150,71
13 3388,76
1346,4
373,44
8
19 2875,10
1656,4
380,02
7
10 5068,00 728,01 230,21
Bağımsız numuneler testi
Ortalamaların
homojenliği için
t-testi
%95 güvenilirlik
aralığı
Varyansların homojenliği için Levene's Testi
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmişAlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş
AlSi12 şekillendirilmiş- AlSi12Ag şekillendirilmiş
Sig.
Sig. (2-tailed)
0,000
0,053
0,052
0,001
0,002
0,001
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş - AlSi12
şekillendirilmiş
0,000
AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş-AlSi12Ag
şekillendirilmiş
0,003
0,001
0,004
0,000
0,000
Silisyum hegzagonallarının boyutu açısından yapılan SPSS çalışmasında;

AlSi12 şekillendirilmiş ile AlSi12Ag şekillendirilmiş numuneler arasında,

AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş numuneler ile AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa
getirilmiş numuneler arasında anlamlı bir fark olduğu tespit edilmiştir.
64
Fakat
 AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş numuneler ile AlSi12 şekillendirilmiş numuneler ve
 AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş numuneler ile AlSi12Ag şekillendirilmiş
numuneler arasında anlamlı bir fark tespit edilememiştir (Tablo 5).
Tablo 5. Silisyum hegzagonalı boyutu T- testi.
Grup İstatistikleri
N
Ortala Standar Ortalama
ma t sapma standart hata
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş - AlSi12Ag
yarı katı sıcaklığa getirilmiş
32
5,71
1,48
,2631
50
4,33
1,86
,2639
AlSi12 Şekillendirilmiş - Ag katkılı Etial171
Şekillendirilmiş
28
5,37
2,48
,4686
33
4,08
1,09
,1910
Şekillendirilmiş
32
5,71
1,48
,2631
28
5,37
2,48
,4686
AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş AlSi12Ag şekillendirilmiş
50
4,33
1,86
,2639
33
4,08
1,09
,1910
Bağımsız numuneler testi
Varyansların homojenliği için Levene's Testi
Ortalamaların homojenliği için
t-testi
Sig.
Sig. (2-tailed)
AlSi12 yarı katı sıcaklığa getirilmiş AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş
0,100
0,001
AlSi12 Şekillendirilmiş - AlSi12Ag
şekillendirilmiş
0,000
Şekillendirilmiş
0,000
AlSi12Ag yarı katı sıcaklığa getirilmiş AlSi12Ag şekillendirilmiş
0,001
0,000
0,009
0,015
0,513
0,527
0,490
0,445
65
4.
SONUÇLAR
AlSi12 alüminyum alaşımının yarı-katı aralığa ısıtılmasıyla birlikte döküm halinde
görülmeyen ayrık Si partikülleri meydana gelmektedir. Ag ilavesi dendritler arası bölgede Si
lamellerini kabalaştırsa da ayrık Si partiküllerinin boyutlarının küçülmesine yol açmaktadır.
Aynı zamanda Ag ilavesi ayrık Si partiküllerinin sayısının artmasına sebep olmuştur, bu
durum üretilen AlSi12 alüminyum alaşımında mikro boyutta kompozit oluşturmasına neden
olmuştur. Bu yapıların alaşımın mekanik özelliklerini artırması beklenmektedir.
Numuneler SPSS’de varsayılan olarak p<0,05 anlamlılık düzeyinde güvenilirlik
testine tabi tutulduğunda; yarı katı sıcaklığa ısıtmanın, yarı katı sıcaklıkta şekillendirmenin
ve AlSi12’e %0,2 oranında Ag ilavesinin ayrık silisyum partiküllerinin boyutunda
küçülmelere ve sayısında artışlara sebep olduğunu doğrular niteliktedir.
SEMBOLLER
GR
CS
AlSi12Ag
: Gravite dökümle üretilmiş
: Eğimli soğutma plakasından dökümle üretilmiş
: Ag katkılı AlSi12 alaşımı
TEŞEKKÜR
Deneysel çalışmalar Componenta Döktaş A.Ş. ve Alkar Alüminyum A.Ş tarafından
desteklenmiştir.
66
5.
REFERANSLAR
[1]
Cerri, E., Evangelista, E., Spigarelli, S., Cavaliere, P., and DeRiccardis, F., INFMDip. a.Ingegneria dell’Inno6azione, Uni6ersita` di Lecce, 73100 Lecce, Italy, b.INFMDipartimento di Meccanica, Universita` di Ancona, 60131 Ancona, Italy, c.PASTISCNRSM, S.S. 7 per Mesagne, 72100 Brindisi, Italy, 1999.
[2]
Haitao,J., and Miaoquan, L., ‘’Effects of Isothermal Heat Treatment on
Microstructural Evolution of Semisolid Al-4Cu-Mg Alloy’’, Volume 13(4) Journal of
Materials Engineering and Performance, 488—492, August 2004.
[3]
Wu, S., Xie, L., Zhao, J., and Nakae, H., ‘’Formation of Non-dendritic Microstructure
of Semi Solid Aluminum Alloy Under Vibration’’, Scripta Materialia, 58, 556-559, 2008.
[4]
Birol, Y., Kubilay, C., Altıntas, S., Önsel, M., and Bozkurt, U., ‘’Alüminyum
Alaşımlarında SIMA Prosesiyle Tiksotropik Yapı Elde Edilmesi’’, 12. Kongre Bildirileri,
OK-020, 2005.
[5]
Haga, T., and Suzuki, S., ‘’Casting of aluminum alloy ingots for thixoforming using a
cooling slope’’, Journal of Materials Processing Technology 118, 169-17, 2001.
[6]
S.F. Liu, B. Li, X.H. Wang, W. Su, H. Han, ‘’Refinement effect of cerium, calcium
and strontium in AZ91 magnesium alloy’’, Journal of Materials Processing Technology,
Volume 209, Issue 8, Pages 3999-4004, 2009.
[7]
Cizek L, Hanus A, Sozanska M, Tanski T, Pawlica L “Structure Characteristics of
Magnesium Alloys With Admixture of Aluminium, Silicon and Zirconium”, Acta
Metallurgica Slovaca, 13: 531-538, 2007.
[8]
Acıkgöz, S., Sevik, H., Kurnaz, S.C., Influence of silver addition on the
microstructure and mechanical properties of squeezecast Mg–6Al–1Sn–0.3Mn–0.3Ti,
Sakarya.
[9]
Türkeli, a., and Akbaş, N., ‘’Formation of non-dendritic structure in 7075 wrought
aluminum alloy by SIMA process and effect of heat treatment’’, Fourth International
Conference on Semi Solid Processing of alloys and Composites, Sheffield, 71-74, 1996.
[10] Eymen, U., E., SPSS 17.0 Veri Analiz Yöntemleri İstatistik Merkezi Yayın No:
1Ekim 2007.
[11] Cardosa, E., Atkinson H., and Jones, H., ‘’Cooling slope casting to obtain thixotropic
feEDStock’’, Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial International
Conference on Solidification Processing, 23-25 July, Sheffield, UK. 2007.
[12] Haga, T., and Suzuki, S., ‘’Casting of aluminum alloy ingots for thixoforming using a
cooling slope’’, Journal of Materials Processing Technology 118, 169-172, 2001.
[13] Cerri, E., and Nenna, S., ‘’Evaluation of damage after straining in a heat treated
thixoformed aluminium alloy’’, Materials Science and Engineering A355- 160/166,
I.N.F.M.-Dip. Ingegneria dell’Innovazione, Universita` degli Studi di Lecce, via Arnesano,
73100 Lecce, Italy, 2003.
[14] Birol, Y., Birol, F., ‘’Sliding wear behaviour of thixoformed AlSiCuFe alloys’’, From
the issue entitled "Proceedings of the 11th ESAFORM Conference on Material Forming,
Lyon France, 2008.
67

bir asenkron motor arıza tespiti öğretim aracı an ınductıon motor fault

Transkript

Benzer belgeler

Makaleyi Yazdır - Selçuk Teknik Online Dergi

bilecik üniversitesi akademik özgeçmiş formu

11-840 HYFLEX ELDİVEN

RonaCare® Ectoin: Cildinizi koruyan, devrimsel cilt bakım bileşeni

Animal Planet - Doğan Egmont

Doç. Dr. Nilsun SARIYER - Nuh Naci Yazgan Üniversitesi

alaşeh r yöres nde bağ şletmeler nn yapısal özell kler ve bazı