Bilyeli Rulmanlar & Enerji Tasarrufu

Günümüzde çevreye daha az zarar veren, enerji üreten ürünlere giderek artan bir ihtiyaç söz konusudur. Bu ihtiyaç makinaların performansını yükseltip fabrikalar için aşılması gereken bir engel teşkil ederek, gelecekte de artan bir ihtiyaç olarak kalmaya devam edecektir. Bu anlamda JESA SA firması, bilyeli rulmanların tasarımı ve üretimi ile birlikte birim bazında ölçülen polimer parçalar üzerine uzmanlaşan bir firmadır.Geniş çapta birçok uygulamada kullanılan bu öğelerin enerji tasarrufu sağlaması, potansiyel olarak küresel boyutta enerji tasarrufuna sağlayabileceği katkı dikkate değerdir.

BilyeliRUlmanlarwbslBu gelişim için, teorik bir çalışma firma içinde yapıldı ve çözüm önerileri test edildi. Sonuç olarak farklı test alanlarında geçerliliği sağlandı.

Bu projenin çeşitli bilimsel katkıları İsviçre üniversiteleri ve yüksek eğitim kurumları tarafından yürütüldü.

Bilyeli rulmanlardaki sürtünmenin nedenleri

Makaralı rulmanlar, döner bir hareket ile iki gövde arasında küçük bir sürtünme oluştururlar.Bu da, bilyeli rulmanların çok küçük bağlantılar oluşturarak kayan yüzeyleri sayesinde meydana gelmektedir. Bu sürtünme, ısınma ve aşınma diğer dönüş ile gerçekleşen endüstriyel çözümlere göre daha sınırlıdır. Böylelikle, yüksek derecede doğru konumlanma ve düşük ses oluşumunu garanti altına almaktadır.

Buna rağmen,bazı unsurlar sürtünmeye neden olurlar bu da enerji kaybına ve ısı oluşuma neden olarak nihai ürünün yüksek performası göstermesine ters bir etkide bulunur.

Genellikle, Standart bilyeli rulmanlar belirli bir ölçü için en iyi olası kapasiteyi sunar. Bunlar, birçok uygulama için uygundurlar. Buna karşın, bazı uygulamalar için en iyi uygun çözümü sunmadıkları üzerine bir uzlaşma söz konusudur. Şöyle ki bazı durumlarda, bu rulmanlar, uygulamanın uygun şekilde çalışmasını sağlayan sürtünmeden daha daha büyük bir sürtünme oluştururlar.

JESA SA, uygulamanın yapılacağı alanı esas alarak rulmanlar geliştirmektedir. Bu şekilde firma, müşterilerinin ihtiyaç duyduğu ürünleri en uygun şekilde karşılamaktadır.

İÇSEL SÜRTÜNME VE AKSAMLARIN EN UYGUN HALE GETİRİLMESİ

Bağlantılar

Kapaklı bilyeli rulmanındaki sürtünmenin ana nedeni, genellikle rulmanın bağlantı kısmında bulunan sürtünmeden kaynaklanır.

Bu çeşit bir kapak kullanımı, rulmanların uygun şekilde çalışmasını sağlaması için aşırı derecedeki kirlenmenin önüne geçmesi ve neticede temiz kalmasını sağlaması yönünden büyük bir önem arz etmektedir.

Bu unsurlar genellikle ince bir tabakayla kaplı esnek sentetik kauçuk maddeden oluşan NBR, HNBR veya FKM çeşitlidir ve bu maddeler, çalışmanın gerçekleştiği ortamın sıcaklık derecesine göre seçilir. Bir veya iki adet esnek dudak, hava darlığını düzenlemek için, ters bilezik üzerinde radyal veya eksenel destekte bulunurlar.

Kapaklar ve sürtünme arasındaki ön baskıyı en uygun hala getirerek, bu iki durum arasında denge oluşturmak için yapılan araştırma en iyi olası çözümü sunarak, üründen sağlanan faydayı en yüksek seviye çıkarmaktadır. Şöyle ki bu araştırma ile, kapak tabakasında bir azalma olmaksızın, geliştirilmiş bir tasarımda kullanılan kapak sayesinde, 50% ‘ye kadar ulaşan bir sürtünme azalmasına ulaşılmıştır. Özel bir yüzey uygulaması, ürünün sürtünme bağlılığını azaltması için gereklidir ve bu şekilde sürtünme azalmaktadır.

Aksamların en uygun hala getirilmesi için yapılabilecek diğer bir alan, metal pürüzlü yüzeyin rulmanlar ile temas halinde olmasıdır. Yeterli bir boşluk olduğunda, uygun şekilde temas halinde olmayan kapakları ve de bağlantıları değiştirme imkanı bulunmaktadır. Bu şekilde sağlanan gerekli dar ortam ile, enerji kaybı büyük ölçüde düşürülür.

figure1

Çizim 1:   Sürtünmesiz çift eklem

Yağın bilyeli rulmandaki temas kesme görevi

Yağın öncelikli görevi, ince bir film gibi bir tabaka yüzeyleri birbirinden ayırarak misketler ve bilezikler arasındaki metallerin birbiri üzerine gelen temasını engellemektir.

Yüzeylerin kabarık bir hale gelmesinin önüne geçilerek, metal yüzeylerin birbirine çarpmasına engel olunur. Bu önemli gelişme ile birlikte, ürünün daha uzun süreli hizmet vermesi sağlanır.

En çok kullanılan yağlama şekli kolay bir şekilde gres yağıyla yapılan ve kullanım süresi boyunca yapılanıdır. Buna karşın, devir daim eden yağ ile yapılan yağlama da bazen gereklidir.

figure2

Çizim 2:         Devir daimde bulunan yağ ile bilye-bilezik yüzeyinin temasını gösteren ayrıntı. Bu yöntemde yüzeylerin duruma göre teması mümkündür. [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 140]

Akışkanlık durumunu sağlamak için kullanılan yağ çeşidi, en uygun film kalınlığındaki yağlama şeklini garanti etmek için çok önemlidir.

Aşırı akışkanlık durumu, gereksiz sürtünmeye ve ısı artışına yol açacaktır. Düşük seviyedeki akışkanlık ise, belirsiz şekilde sürtünmeye ve yüzeylerde oluşan kabarıkların birbirine kısmı şekilde çarpmasına yol açarak, rulmandan beklenen kullanım süresinin ve performansının aşırı şekilde düşmesiyle sonuçlanacaktır.

Her uygulama alanı için kullanılabilecek olan, evrensel bir gres yağı bulunmamaktadır. Kullanılacak olan gres yağı, uygulamaya bağlı olarak değişmektedir. Doğru bir uygulama da kullanılan yağlama film kalınlığı, hem sürtünmeyi azaltacak hem de rulmandan beklenen kullanım süresini en uzun hale getirecektir.

figure3

Figure 3:         Stribeck’in sürtenmenin farklı çeşitlerini tanımlayan eğrisi [Sksana Banakh, 2010, Treatments of surface and use in tribology, Course FSRM]

Yağlama sıklığını; yüzeylerin pürüzlülüğünü, yağlamanın en düşük seviyedeki kalınlık tabakasının, yüklere, ilgili oranlara, geometriye, ısıya ve de yağın karakteristik özelliklerini dikkate alarak tam net bir şekilde hesaplamak mümkündür.

formula01

  •  Λ = tabaka kalınlılığının parametresi
  • h min = yağlı tabakanın en düşük kalınlığı [mm]
  • Sr = RMS pürüzlülük (= 1.25 x pürüzlülük Ra [µm]) bilyeli rulman yolu [µm]
  • SRE = RMS pürüzlülük (= 1.25 x pürüzlülük Ra [µm])

 Yağlama sistemi sınırlı ise

  • Yağlama sistemi karışık ise,
  • Λ < 3 ise, yağlama sistemi esnek ve hidrodinamiktir.

Temas alanındaki yağlama tabakasının en düşük kalınlığını hesaplamak için farklı yöntemler mevcuttur. En çok kullanılan yöntemlerden biri Hamrock ve Dowson’un yöntemleridir :

formula02

  • h min = yağlı tabakanın en düşük kalınlığı [m]
  • a = baskı/yapışkanlık katsayısı [m2/N]
  • Ηo = atmosferik basınçta, dinamik yapışkanlık [Pa ·] s
  • U = yüzey sürüş hızı. [m/s] Dönen gövdede ortalama doğrusal dolaşım hızı (UA) iç ve dış çember temas noktasındaki hız (UB)
  • E’ =  İndirgenmiş Young modulü [Pa]
  • W = Dönen gövdedeki yük [N]
  • e = Euler numarası
  • k = A/b yarı mil raporunun,temas elipsinin,eliptiklik değişkeni yaklaşık olarak tahmin edilebilir :
  • Rx = x ekseni içinde indirgenmiş eğrinin yarı çapı.
  • Ry = y ekseni içinde indirgenmiş eğrinin yarı çapı.

İyi bir yüzey yolu ve de bilyeler aşırı şekilde yapışkan yağ kullanmaksızın uygun Λ > 3 unsurlarını sağlamak için gereklidir. Böylelikle, sürtünme azaltılarak, iyi bir dönüşümde yaşam süresine sahip ürünler ortaya çıkar.

Son teknolojiyle donanınımlı makinalarıyla JESA SA, çok yüksek kaliteye, elde ettiği mükemmel yüzeyli biçimler ile ulaşır.

Kafes ve bilyedeki yağın karışımı

Sürtünmenin bir kısmı, bilyeli rulmanlar ve kafesteki yağın karışması ile meydana gelmektedir. Bu süre boyunca, gres yoğun şekilde rulmanların üzerine yayılır. Bu karışıma, kafesin geometrik biçimi, bilye boyutu ve karışıma etki eden bilyelerin sayısı etkide bulunur. Gres yağında NLGI sınıf kalınlaştırıcı sabun kullanılan hacim ile birlikte sürtünme üzerine etkide bulunur.

Bu uygulama aynı zamanda, bu farklı parametreleri belirlemede etkin olacaktır.

Bileziklerdeki ve bilyelerdeki temas noktalarının içsel geometrisi ve sürtünmesi

Kullanılan materyallerin sert olmaması ve temas basıncının çok yüksek olması nedeniyle, esnek şekilde bilyelerde bozulmalar ve temas noktalarında yollar oluşur. Bu bozulma başlıca iki sürtünme çeşidine yol açar:

  1. Histerezis kaybı

Bir bilye yüzeyde dönerken, temas noktasının önünde materyal bir boncuk oluşturur. Oluşan bu boncuk, esnek şekilde bozulur ve böylelikle dönüş devam eder.

Enerji tüketimi tamamen olmasa da kısmen, materyalin arka noktadaki teması sırasında eski konumuna geri dönüşü ile birlikte telafi edilir.

Enerji farkı, enerji yayılımı sırasında ortaya çıkan zarara eşit gelmektedir.

figure4

Şekil 4:     Yüzeylerin bozulması ve silindirin dönüşü     [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 129]

Mikro-kayma

Bilye yolunun ölçüsüne kıyasla, bilyeler ve bilye yolları arasındaki temas alanı oval ve seçilmiş olan eğrinin yarı çapına bağlı olarak biraz uzun bir şekle sahiptir.

Yüzeylerin kısmı kaymasına, materyalin esnekliği neden olmaktadır. Ayrıca, sadece bilyalı rulmanın radyal olarak yüklendiği durumda, sadece elipsin iki noktası kayma yapmayan dönüşler gerçekleştirir.

figure5

Şekil 5:        Bozulma

Bozulma sonrasında ortalama yarıçapı gösteren bilyenin, bilyeli rulman yolundaki teması sırasında pürüssüz şekilde A noktalarındaki dönüşü [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, Taylor & Francis Group, 45 CRC]

Elipslerin çoğu uzar ve elipslerin sonlarında artan kaymanın hızı ile birlikte sürtünme de şiddetlenmektedir.

figure6

Şekil 6:        Bilyenin, bilye yolundaki kayışındaki temasını gösteren, A noktalarındaki pürüssüz dönüşü [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 46]

figure7

Şekil 7:        Genlik kayması sırasındaki bilyenin hızlarını gösteren, bilye yolundaki temasın ayrıntısı [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 138]

Standart bilyeler genellikle, bilyeler ve bilezikler arasındaki yüzey alanının temasını en yüksek seviyeye çıkarmak için oluşturulur. Böylelikle, rulmanın taşıma kapasitesi artar. En iyi performans maalesef yüzeyin teması ile artan sürtünme ile engellenir. JESA SA, gelişmiş hesaplama aletleri sayesinde sürtünmeyi en aza indirmek için en uygun iç geometriyi belirleyerek, kullanımım süresindeki beklenen performası garanti eder.

Bileziklerin ve bilyelerin üzerinde bulunan kafesteki sürtünme

Kafes kulllanımı,bilyeli rulmanda bilyelerin birbirine karşı olan dönüşümünü devam ettirerek sürtünmeyi sınırlandırır.

Kafesin kendisi, bilye ile temas halinde olup, bazen de iç ve dış bilezikle de temas halinde olabilmektedir ve bu da enerji kaybına ve de yağlanmanın kesilmesine neden olmaktadır.

Kaliteli bir üretim sonrasında elde edilen kafes, üretim şekliyle ve geometrik biçimiyle sürtünme üzerinde etkili olur.

JESA, mühendislik polimerleri ve düşük sürtünme seviyeli unsurları aynı noktada buluşturur. Bunun için düşük sürtünme oluşturan kafesleri geliştirirerek, alışılagelmiş çelik kafeslere kıyasla,titreşimlere karşı daha iyi bir dirence sahip olması nedeniyle, daha az enerji kayıpları oluşturan ürünleri sunmaktadır.

Ölçülebilir unsurların analizini yapan yazılım sayesinde, gerekli duyulursa beklenmedik bir temas sonrasında herhangi bir aşırı bozulma riskini ortadan kaldırmak için, yüksek hızda kafesin bozulma durumu araştırma çalışması yürütülür.

Pratik geçerlilik

Bir rulmanın sürtünmesini tam olarak hesaplamak oldukça zordur. Bu hesaplama değerinin üzerine etki eden faktörler oldukça çeşitlidir. Tam sürtünme değerini ölçmeye yönelik bazı programlar kullanılır fakat yine de sonuçlar özel rulmanlar için gerçek değerden güçlü şekilde sapmaya uğrayabilir.

JESA, farklı şekilde sürtünme devrine sahip rulmanların ölçümünü yapmaya yarayan test makinalarıyla donanımlıdır. Bu makinada yapılan pratik doğrulama hesaplaması, ürünün gerçek sürtünme seviyesini tespit eder.

msr_fricitiontorque

Şekil 8          Sürtünme akışını ölçmek için test tezgahı

Freiburg’da bulunan School of Engineers’ın katkılarıyla geliştirilen tribolojik test tezgahı, sayısal olarak çeşitli cisimlerin ve tabakaların değişen hızlar altındaki yüklemeler sırasındaki sürtünmenin sayısal olarak tam değer ile ifade edilmesini sağlar.

Bağımsız bir göz, testlerde 2×3 lük boncuklar aracılığıyla, iki bileziğe 0-4 ‘ 200MPa temaslı bir baskı uygular. Bu göz, sürtünmenin ölçümü için reometre üzerine kurularak veya kullanım süresi testini yapabilmek için bir motora eşlik eder.

rheometer

Şekil 9          Reometre üzerine takılmış göz

lifespan_test

Şekil 10        Kullanım süresi testini yapmak için üretilmiş göz

Özel bir örnek

Bobst SA mukavva paketleme yapan makinaların üretimi ve de tasarımını yapan bu alanda dünyanın önde gelen şirketlerinden biridir.

Bu makinaların bazıları oldukça büyük olup, makina aracılığıyla kartonları hareket ettirmek için kullanılan düz kayışlarını desteklemek ve öncülük etmek için binlerce rulman kullanmaktadır.Bu rulmanlar özellikle, düşük ağırlıkları çekmek kullanılan standart rulmanlardır. Büyük ağırlıkları çekmeye uygun değildirler.

JESA SA, müşterinin ihtiyaçlarına ve de rulmanın kullanım alanına göre en uygun ve özel rulmanları sunmaktadır. Ürünün yapımı ve içsel geometri dikkate alınarak, hem de yağlama çeşidi hem de kullanılan yağ oranı gözden geçirildi. Bu özel rulmanlar, iyi bir kapak ile sürtünmeyi etkilemeden mukavvaya temassız çift bağlantı sağlar.

folder-gluerBOBST

Çizim 11        Dönüşümlü dosya yapıştırcısı BOBST  [www.bobst.com]

specialJesaWheel

Şekil 12        JESA SA tarafından geliştirilen özel çark

Böylesine bir ürün ile, rulmanların sürtünmesini ikiye hatta üçe bölmek mümkündür. Bunlardan sadece bir tanesi, her makina için kullanılan rulmanların sayısını arttırır ve böylelikle nihai üründen önemli derecede enerji tasarrufu sağlanır.

Makinanın çevreyi vermiş olduğu etkiler azaltılarak, daha düşük çalışma maliyetleri elde edilir.

BearingNews