Bildiri PDF
Transkript
Bildiri PDF
Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eyliil2001 Sanhurfa ViDALI GDc; PRESLERiNiN i~LETiM PERFORMANSLARININ DESTEKLi TASARIMLARLA BELiRLENMESi Rasim OKURSOyl BiLGiSA YAR A. lhsan ACAR2 Ozet Giiniimiizde, her ne kadar gelisrnis makine iiretim birimlerinde hidrolik preslerin kullammi yaygmlasmis olsa da, vidah srkistirma presleri, sanayinin bir 90k kolunda, bazi kiiciik olcekli atolyelerde cesitli makine parcalanrun iiretiminde hala yaygm olarak kullarulmaktadir. Vidah sikisnrma preslerinin tork veya moment ile giic gereksinimlerine iliskin isletim performanslanm belirlemek, ve belirli bir isletim parametrelerine ait vidah preslerin ise, sahip olduklan vidah diizenlerine ait gerilme ve dayamm hesaplanm yaparak, elde edilen sonuclann l~lgl dogrultusunda bu preslerin kullamm kosullanm ve kapasitelerini diizenlemek son yillarda bu konuda cahsan miihendislerden beklenen onemli cahsmalar olmustur. Bu cahsmada bir vidal! guc presinde karsilasilabilecek sorunlan cozmeye yonelik kuvvet, moment ve guc iliskileri ile, vidah preslerin dislerinde, yiiklemeye bagh olarak olusabilecek gerilmelerin dogru bir sekilde belirlenmesinde kullamlabilecek kuramsal yaklasimlar iizerinde durulmustur. Determination of Management Parametersfor Power Screws by Computer Aided Design Abstract Although the use hydraulic power pressure devices are very common to use in some machine manufacturing companies, the power screws are still used in some small capacity workshops in order to produce the several type of machine components. Determination of a management parameters such as power and torque relationship, and analyzing the stress phenomena on screw units are expected from an engineers who plans to work on such those companies to improve the performance of power screws. For this research, the theoretical investigations were represented in order to get rid of possible problems of power screws due to the their load, moment and power relations as well as stress distribution of teeth of the power screws. Cirls Presler, sanayide malzemeye basmc uygulayarak onun sekil degistirmesini saglayan ve bu yolla cesitli makinelerin parcalanni iiretmeye yarayan tezgahlardir, Giic presleri, giiniimiizde tan rna dayah sanayi sektorunden, makine imalat sanayine, ve kimya endiistrisinden tekstile kadar 90k fazla genis alanda kullamm alaru bulan onemli araelardandrrffreutschmann ve ark, 1975). Her ne kadar yapilacak isin biiyiikliigiine ve iiretim kapasitesine bagh olarak kullanilan presler icin hidrolik tasanmlar kullamhyorsa da, vidah presler kiicilk birimlerde gerek ucuzluk gerekse de kullamm, bakim ve onanm kolayhgi yiiziinden tercih edilmektedirler. Vidal! presler, vidah diizenler yardum ile donii hareketini dogrusal harekete cevirerek gii9 ileten ve cogunlukla sikisnrma islemi icin kullamlan makinalardm'Oeutschmann ve ark,1975; Spotts, 1978). Vidah preslerdeki sikistirma iinitesinin hareketini saglayan vidali giic iletim diizenleri aym zamanda yiik kaldirma makinalannda ve torna gibi diger bazi takim tezgahlannda uygulama alam bulmuslardir. Bir vidah gii9 iletim sisteminde, vida dislerinin geometrik ozellikleri ile ve bu disler aracihgi ile yapilan yiiklemedeki kuvvetin biiyiik onemi vardir. Bu sistemlerde vida, dl~andan uygulanan kuvvetin biiyiikliigiine bagh olarak bir yuvanm i9inde doner ve bu donii hareketi dogrusal harekete donii~erek, sistemdeki yardlmcl aparatlan yerine gore iterek veya gekerek bu aparatlann temas ettigi kaldlrma, slkl~tIrma, ve indirme gibi i~lemlerin yaplldlgl yiizeyleri hareketlendirmektedir(Shigley ve ark. 1983). SekiU 'de kii9iik makine at61yelerinde yaygm olarak kullamlabilen elektrik motoru tahrikli iki kollu bir vidal! presin ~ematik goriinii~ii verilmi~tir. Sekil 1.' de goriildiigii gibi vidah bir gii9 iletim presi bir elektrik motorundan ') Prof.Dr., Uludag Universitesi, Ziraat Fakiiltesi, Tanm Makinalan Boliimii-Bursa. 2) D09.Dr., Ankara Universitesi, Ziraat Fakiiltesi, Tanm Makinalan Boliimii-Ankara. 145 Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eyliil2001 Sanhurfa olusan giiy kaynagmdan, hareket iletiminde kullanilan disliler gurubundan, vidah miller ile vida yataklan ve bu yataklann yer aldig; pres catisi ile sikistirma tablalanndan olusmaktadir. Burada, bir elektrik motorundan alman giiy ve donii hareketi, bir helis disli cifti yardmu ile Sekil 1. Elektrik motoru tahrikli bir vidah presin sematik goriinii~ii. yonii ve biiyiikliigii degistirilerek, birbiri ile ic ice gecmis bulunan aim dislilere iletilmektedir. Daha sonra hareket, iletim kademesinin sonunda yer alan aim dislilere ise gobekten baglanrms ve pres catismdaki yuvalanna yataklandmlmis vidah millere iletilmektedir. Vidah millerin icinden gectigi iist tabla ise vidah sistemin donus yoniine gore asagiya dogru hareket ederek alt ve iist tabla arasma baglanmis materyalin sikrstmlmasi islemini yapmaktadir. Burada, aynea motorun saga ve sola donii hareketi, motor cikismdaki dislilerin de yonunun saga veya sola dogru olusmasma ve buna bagh olarak ise vidah milin donme yoniiniin degismesine neden olmaktadir, Dolayisi ile vida mili bir yonde donerken iist tabla asagiya dogru inmekte, vida milinin ise aksi yonde donmesi durumunda iist tabla yukanya kaldmlmaktadmfihigley ve ark. 1983). Bu cahsmada vidah bir presin isletim performansmi belirleyen faktorlerden olan gUy degerlerinin belirlenebilmesine yonelik bir bilgisayar prograrm gelistirilmis, program secilen bir model pres icin calistmlarak sonuclan sunulmustur, Materyal ve Yiintem Bu cahsmamn yontemini vidah preslerin gUy gereksinimlerinin belirlenebilmesine yonelik gelistirilen matematiksel yaklasimlar, materyalini ise yontemde belirtilen bu yaklasimlann yer aldigi denklemlerin yoziimlerinin elde edilmesine iliskin Visual-Basic (Richard, 1981;Potter ve ark. 1993). dilinde yazilrms paket yazihm olusturmaktadir. Bir vidah giiy iletim presinde vidah mil eksenine gelen yiikiin btlyiikltlgune bagh olarak milin dondiinilebilmesi icin gerekli tork degeri, iist tablamn a~agl ve yukan hareketinde slraslyla, a~aglda veri len e~itlikleri ile hesaplanmaktadlr(Shigley ve ark. 1983). Bu e~itliklerde, T vidah mili dondiirebilmek iyin gerekli tork degeri (Nem), F vidah mile etki eden ve (N) einsinden eksenel kuvvettir. Eksenel kuvvetin biiyiikliigii vidah presin i~letim yoniindeki T = nimll + I ~ 2 nim}Jl + Fllede 2 (yukan) Fd T =~ 2 nimll nim I + III + Fllede (a~agl) (1) 2 performansl ile belirlenebilmektedir. E~itliklerde aynea, dm vidah milin ortalama yapl (em), Jl vida di~leri ile iist tabla di~leri arasmdaki statik siirtiimne katsaYlsl, Jlc ise vida yuvalannda di~ler arasmda olu~an siirtiinmeye ili~kin statik siirtiinme katsaYlsl, de Vida yuvalanmn ortalama yapl (em), ve son olarak lise vidah mildeki ayilml~ di~ uzunlugudur. Di~ uzunlugu, standart di~ler iyin bilinen di~ adlml 146 Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eylul 200 I Sanhurfa degeri ile bir dis admu icerisinde yer alan dis sayismm carpmn ile hesaplanabilmektcdir. deyimle, 1= np (2) Bir baska tarumr ile dis uzunlugu belirlenmektedir. Burada n, bir vida adum icerisindeki dis sayrsi, p ise santimetre cinsindcn vida adumdir. Vida adurn ise birbirini takip eden iki dis arasmdaki uzakhktir. Yukandaki esitliklerde yer alan 11 ve I1c ile aciklanan surtiinme katsayilan vida ve yatak malzemelerine bagh olarak almabilmekle beraber, gcnel olarak birbirine esit almmaktadir. Bircok cahsmada ise, siirtiinrne katsayilan, dinamik kosullarda olusan surtunmeden harekctle, dinamik siirtiinme katsayilan olarak almmakta ve statik siirtiinme ile dinamik siirtiinrne katsaytlan arasmdaki su matematiksel bagmn yaygm olarak kullamlmaktadrrtShigley ve ark. 1983; Spotts, 197X). 3p Pd (3) 4 Bu esitlikte I1J dinamik siirtiinrne katsayisi olup, sayisal degerleri Cizelge.l ' de verilmistir, Cizelge.L'den de goriildiigii gibi, metaller arasmdaki siirtiinme katsayilan, yaglanrrus ortamlarda, kuru ortamlara gore oldukca kucuk degerlerdedir. Yapilan cahsrnalar, esitlik (I de asag: inislcr icin veri len denklemin pay kismmda yer alan, 1tdrnl1-I >0 (4) = - r tammi, ve buna bagl: olarak veri len kosulu, kilitleme kosulu olarak ele almmasi gerektigini ortaya koymustur, Kilitleme kosulu, iist tablanm asag: dogru serbest hareketi sirasmda, vidal: mil iizerine gelcn ekscnel kuvvctin etkisi altmda presi kendi kendinc kilitleyecegi dolayisi ile mile uygulanmast gerekli tork degerinin, eksenel yukun biiyukliigii ve vida yuvalarmda meydana gelen siirtiinmcnin etkisi altmda kalacaglllt gostermektedir. C;izelge l. Vidah Materyallerin Birbirleri ile Yapml~ Oldugu S'iJrtiinme Katsayt Ian. Prio C;eli Vida nz k Matervali ~ 0.15 0.15 (:elik -0.19 -0.23 -0.25 (kuru) 0.10 0.11 (:elik -0.15 -0.16 -0.17 (Yagh) 0.04 0.08 Bronz -0.06 -0.12 Siirtiinmeye ili~kin Dokiim Bro 0.15- 0.15 0.25 0.11- 0.10 0.17 - 0.060.09 Vidah gu<;preslerinin i;;letim performanslarmm belirlcnmesinde, malzcmenin yanlllda vidalt millerdeki di~ profili ve yaplsltllll biiyiik onemi vardtr. Uygulamada ~ekiI.2'de aynnttlt ol<;iilcri veri len di~ profillcrine sahip vidalt miller yaygm olarak kullantlmaktadtr. Bunlardan ~ckil 2(a)'da da goruldiigii gibi, di~ iistleri yuvarlatlltnt~ profillerdc vida adtmt, p ile gosterilmi~tir ve talllm olarak adtm, daha onde de bahsedildigi gibi, birbirini takip eden iki di~in aylll noktalan arasll1daki uzakltkttr. Bu di~ profillerinde, aynca, di~ yuzeylerinden geyen diizlemler arasmdaki aC;t 60°, yuvarlattlmt~ di~lerin bir tanesinin kalmltgt p/8, ortalama di~ c;apl dm, di~ dibi c;apl dr, vc di~ iistii c;apt ise d olarak belirtilmi~tir. Yuvarlatllmt~ di~lere sahip protiller yanmda, vidalt preslerde, trapez ve kare kesitli di~ profillerine sahip vidalt miller de kullalllimaktadtr. ~ekil 2(b) ve ~ekil 2(c)'de standart trapez ve kare kesitli di~ profilleri verilmi~tir. ~ekillerden de goriilecegi gibi, veri len bu di~ protilleri ic;in a~agtdaki baglllttlar gec;erlidir: dm=;(d+dr)(genelJ,dr=d ~ (trapez&~) ve dm=d ~ (karedi$) (5) Dil? profillerinin geometrik ozelliklerindcn hareketle geli~tirilmi~ temel boyutlanna ait slralanan bu denklemler yam Slra, standart vida dil?leri i<;in belirlenmi~ e~itlikler de bulunmaktadlr. Omegin, metrik birimler sisteminin uygulandlgl metrik dil? profilleri ile ingiliz birimler sisteminde kullalllian vida profilleri ic;in dil? dibi ve ortalama vida c;apt, vida adllntna bagh olarak al?agtdaki el?itlikler yardtmt ile hesaplanabilmektedir(Deutschmann ve ark, 1975; Shigley ve ark. 1983). 147 Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eyliil2001 Sanhurfa d=d-ap (6) ve dm=d-cp Esitlikte, d, vidanm dis dibi, d ise dis iistii capidrr. Aynca, a ve b ise birer katsayidir. Bu katsayilardan a'nm degeri, metrik vidalar icin 1.226, ingiliz birimler sisteminde kullamlan vida disleri icin ise 1.299 olarak ahmrken, c katsayisi ise her tiirlii vida disleri icin 0.649 olarak ahnmaktadir", Esitliklerde yer alan p parametresi, daha once de aciklandigi gibi vida admndir. Sekil 2(d)' vidah preslerin is yapma sirasmda, vidah milindeki bir vida disine etki eden kuvvetin etki dogrultusu ile vida disinde olusmasi olanakh gerilme analizinin yapilabilmesi icin gerekli hesaplama tekniginin temelini olusturan sematik yaklasim verilmistir, Yapilan cahsmalar, vidah giic preslerinin sikisnrma islemis sirasmda vidah millerine etki eden eksenel yiiklerin (F), vida disinde sikrstirma, kayma ve egilme gerilmelerin meydana getirdigini ortaya koyrnustur. (a) (c) (d) Sekll 2. Vidah Giir,:preslerinde kullanilan standart vidah millere iliskin temel parametreler. (a)Yuvarlatllml~ disli vida, (b)trapez disli vida, (c) kare disli vida ve (d) dislerde olusan gerilmenin analizi icin gelistirilen sematik gosterim. Sikisnrma gerilmesi gosterilirse, (fB ile, ortalama kayma gerilmesi 4F o B = nrr'2 d/) "t F = IIndrb 'r ile ve egilrne gerilmesi ise 3F ~ 0 b = 2n ( n~b2 ) (fb ile (7) esitlikleri bulunmaktadir, Burada, n, bir vida admu icerisinde yer alan dis sayisi, d dis iistii capi (mrrr'), d, ise dis dibi capt (mm/), ve b ise dis milimetre olarak kahnhgrdir. Vidah giir,:preslerinde, yiiklenme durumunda vidah mile gelen tork ile milin devir sayismdan degerinden hareketle pres giicii su denklem yardimi ile belirlenebilmektedir. G =~ (8) 9550 Esitlikte, G, presin giicii (kW), T pres miline yiikleme anmda etki eden tork (Nm) ve nd ise did olarak pres mili devridir. Bu verilerin ve bilimsel yakla~lmlann l~lgmda, kiir,:iik sanayi birimlerinde kullanllabilen bir vidah yiik presinde vidah mil yiikiine ve mil devrine bagh olarak, presin giir,:gereksinimi ile kaldlrma ve indirme pozisyonlannda mile etkili dondiirme momenti ve tork degerleri hesaplanabilmektedir. Aynca, standart boyutlardaki mil ve di~ profili iizerinde, soz konusu yiiklerin yarattIgI gerilme degerleri de ortaya konulabilmektedir. Bu hesaplamalann yaplldlgl bilgisayar programma ili~kin bilgi akl~ diyagraml ~ekil 3. 'te verilmektedir (Richards, 1981). ~ekil 3'te veri len akl~ diyagramma gore ilk a~amada, programa vidah pres ir,:in girdi parametreleri yiiklenmektedir. Bu parametreler, standart bir pres ir,:in genel olr,:iiler ile vidah mil ve yataklanmn ozellikleridir. Bu r,:ah~ma ir,:in omek olarak ser,:ilen preste, vidah mil r,:apl, di~ profil 148 Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eyliil2001 Sanhurfa ozellikleri, dis dibi dis ustu caplan, dis uzunlugu, dis adrrm, birim uzunluga diisen dis saYISI,vidal! milin devri, vida disleri ile mil yataklannda olusan dinamik ve statik siirtiinme kuvvetleri ve eksenel mil yuki] gibi 90k sayida degisken girdi parametreleri olup, acihsta programa verilmektedir. Bilgi akis diyagrarrunda da goriildiigii gibi, ikinci hesaplamada, ikinci asama olarak girdi parametrelerini kullamlarak, presin ust tablasmm hareketine gore yukan kaldirma ve asagiya inmede yiiklii vidah pres milinde, veri len yiikii karsilayabilecek dondurme momenti veya tork ile, milin belirli devir ile donmesi srrasmda meydana gelen gii9 gereksinim degerleri hesaplanmaktadir, Prograrmn son asamasi ise, vidal! mil iizerinde acilmis bulunan standart vida dislerinde yiiklemeye bagh olarak olusabilecek gerilme dagrhrmrun elde edilmesidir. Mil dislerinin uzerinde sikisnrma, kayma ve egilme gerilmesi olarak olusan ii9 adet gerilme degeri dislerde yapilabilecek gerilme analizinde kullarnlmaktadir. Veri len yiikleme kosullan icin emniyetli tasanrrnn bir geregi olan emniyet katsayisma bagh olarak bu analizler yapilabilmekte, sonucta emniyetli tasanm smirlanm zorlayan moment, tork ve gii9 gibi temel isletim performansma yonelik degerler belirlenebilmektedir. Bu degerler, uygun guc iletim kademelerinde yer alan diiz disliler arasmdaki devir oranlan da goz onunde bulundurularak, prese gU9 veren tahrik motorunun ozellikleri ve gii9 simrlan da saptamakta kullamlabilmektedir, T= Fdm (-"dmll+l)+ FdcJlc 2 ~-"dm-Jll 2 Sekil 3. Vidah gii9 preslerinin isletim performanslanmn tasarlanan bilgisayar prograrrnmn bilgi akts diyagrarm. hesaplanabilmesine yonelik Tarnsma ve Sonue Sonuc olarak, Sekil 1.'de sematik resmi verilen bir vidal! pres icin iist tablanm a~agi ve yukan hareketinde vidah milde olu~an eksenel kuvvet ile bu kuvvetin yenilerek iist tablallln hareketinin yaratlldlgl tork degerleri Sekil 4. (a)'da grafiklendirilerek gosterilmi~tir. Buna gore, iist tablallln yukan kaldmlmasl i9in eksenel yiikler arttlk9a, mile uygulanmasl gereken tork degerleri de artmaktadlr. Eksenel yiiklerdeki artl~1lldogrusal olmasl durumunda bu degerler de dogrusal bir ~ekilde 149 Tanmsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi 13-15 Eyliil2001 Sanhurfa artrmstir. Vidah milde, eksenel yiik olarak 100 N 'dan baslayarak 1000 N'a kadar olacak sekilde secilen bu artis, iist tablanm asag: hareketinde de ters yonde ve daha az artis oranmda tork gereksiniminin olustugunu ortaya cikarmistir. Vidah milin 100 d/d'hk sabit donus devri goz onunde tutuldugunda ise benzer sonuclara giir;:gereksinimi icin de rastlarulmaktadir. Bu durum SekiI4.(b)'de goriilmektedir. Vidah mil iizerinde acilrms bulunan standart olculerdeki vida disleri icin bir gerilme analizi yapilmak istendiginde ise Sekil c. (c) ve (d)' de goriildiigii gibi, kayma gerilmesinin basmc ve egilme gerilmesine gore oldukca kucuk bulundugu soylenebilir. Mil ve yataklannm yagh ortamlar olacak sekilde kayganlastmlmasi kayma gerilmesinin dustik degerlere sahip olmasmm bashca nedenidir. Diger yandan, vida dislerinin, diger gerilmelere kiyasla yiiksek oranda basmc gerilmesi altmda r;:ah~tIgl goriilmektedir. Vidah mildeki dis profiline bagh olarak, uygun dis dibi ve dis iistii caplan ile dis adnmnm secilmesi ve eksenel yiiklemenin azaltilmasma yonelik cabalar, dislerde olusan basmc gerilmesinin azaltan faktorler olarak karsnmza cikmaktadir. Vidal! Preslerde Kuwet-Gue ili,kisi Vidal! Preslerde kuwet-tork ili,kisi 50~~--r-~~--~~--~~~ 0,5 40t--+--r--r_'--~~--+-~~~~ 0,4 i1v /V ! K.aldmn.a 30 K.aldmn.a£1 0,3 s ....20t--+--r-~~~~~--+--+~ 0,2 ::1 E _,.IV !. 10t--r,....-:::c!:--±--:!:--±--±--±--±-- 0 ~ 0,1 .:a: ~ 0 Vo:5 t--0 g (t) "lit :5 g 1.1) \0 g ~ :5 § g 00 0\ ~-10 r-.N~~ Eksenel Viik (N) -=F''''""II=-+--+--+--+--I---I f---i- i~~Nh ~ '-.., 1-0,1 -0,2 -30 -0,3 J.._---L..__ l..-__L.__...I __ ..J..._---L__ .L..........L..--l ./ 0 0 0 ~ V1 0 '" 0 0 s h ~ ~ ~ indim1e (b) Vida di,inde olu,an baSin!; gerilmesi 1000 N ....900 Vida di,lerindeki gerilmeler 2,5 i!. 800 700 'i 600 III .E 500 ,/ l-ECiJm.e Gerilmesi 2- Ortalama Kayma Gerilmesi 3-Maksinmm Kayma f- Gerilmesi V ./ 400 =• 200 v V ./ ~ 300 /' g ~ M g ~g ~g wg ~g mg mg 0g _ n Eksenel Mil Vtikti (N) ... o V o o _ 0 0 N )/ 7' Gr< v l-r V" ,....2 ./ &!: 100 o 0 ~ ~ Eksenel Viik (N) (a) 'i V v V m ~~ 0 -20t--+--+--+-_,--+-~,.,_,.J,:--+~ t'--i'---1 V 0 0 M 0 0 V 0 0 ~ r 0 0 W 0 0 ~ 0 0 m Eksenel Mil Vtikti (N) 0 ~ ~I 0 0 0 ... (c) (d) ~ekil 4. Vidah pres millerinde eksenel yiikler ile tork ili~kisi (a), eksenel yiikler ile mil giicii arasmdaki ili~ki (b), ve yiiklenmede di~lerde olu~an gerilmeler, (c) basmr;:gerilmesindeki degi~im, (d) kayma gerilmesindeki degi~im. Kaynaklar Deutschmann, A.D., Michels, W.J. ve Wilson, E.C. 1975. Machine Design. Theory and Practice. MacMillan Publishing Company. New York. USA. Potter, B., Maxwell, T. Ve Scott, B. 1993. visual Basic Super Bible. 2nd Edition. The Waite Group Press. Corte Madera, California, USA. Richard, M.J. 1981. Introduction to Computer Application Using Basic. Allyn and Bacon Inc. 470.Atlantic Avenue, Boston. Massachusetts, USA. Shigley, J.E., ve Mithchell, L.D. 1983. Mechanical Engineering Design. Mc-Graw Hill Book Inc. New York. USA. Spotts, M.F. 1978. Design of Machine Elements. 5th Edition. Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs. New Jersey. USA. 150