Dinamik yük altında çalışan teflon-bronz tabakalı kaymalı yataklarda gerilme analizi ve yüzey yorulmasının incelenmesi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, teflon-bronz tabakası içeren plastik kaymalı yatakların yorulma özellikleri, değişik form, büyüklük ve frekansta dinamik yük uygulayabilen bir deney düzeneği yardımıyla deneysel olarak incelendi ve yatakta oluşan basınç dağılımları belirlendi Ayrıca yatakta meydana gelen gerilmeler ve yerdeğiştirmeler ANSYS paket programı yardımıyla sayısal olarak hesaplandı. Çalışmada deneyler, ilk olarak aynı bir yük altında değişik yatak genişliklerinde, ikinci olarak da, sabit yatak genişliğinde değişik dinamik yüklerde yapıldı. Yatakta ortaya çıkan yorulma bölgeleri, kılcal çatlakların dağılımı ve gerilme analizi ile etkili büyüklüklerin değişimi incelendi. Her bir dinamik yük altında, yatakta ortaya çıkan mil yörüngesi ile oluşan yorulma bölgeleri ayrı ayrı belirlendi. Dinamik yük altında, krank açısının her 10°'lik konumunda çevresel basınç dağılımları hesaplanarak, zarf yüzeyinde ortaya çıkan yorulma bölgesi ile bu basınç dağılımları arasındaki ilişkiler incelendi Ayrıca yatakta ortaya çıkan yorulma bölgeleri ile mil merkezinin yörüngesi ve dinamik yükün maksimum değerleri arasındaki ilişkiler incelendi. Yatak zarfı sonlu elemanlarla modellenerek, göz önüne alınan basınç dağılımları altında, tüm zarf yüzeyi boyunca gerilme dağılımları belirlendi. Burada özellikle yorulma açısından önemli olan teflon-bronz tabakasının yüzeyi ile bu tabakanın çelik destek tabakası ile birleştiği yüzeydeki gerilme dağılımlarının değişimi incelendi. Burada ortaya çıkan gerilmelerden, von Mises gerilme hipotezine göre eşdeğer gerilme dağılımları hesaplanarak yatak zarfında yorulma çatlaklarının başlaması için kritik noktalar vurgulandı. Bu çalışmalar sonucunda, en büyük yükün olduğu bölgelerde, en büyük yağ film basınçları meydana geldiği ve yorulma çatlaklarının da bu bölgelerde oluştuğu gözlendi. Gerilme dağılımı açısından en kritik bölgenin teflon-bronz tabakası ile çelik destek tabakası birleşim yüzeyi olduğu tespit edildi. Bunun yanında, söz konusu yatakların yorulması açısından eksenel gerilmelerin teğetsel gerilmeler kadar etkin olduğu gözlendi. Ayrıca bu yatakların beyaz metal alaşımlı kaymalı yataklardan bir çok halde daha iyi bir yorulma davranışı sergilediği belirlendi. Anahtar Kelimeler : Dinamik Yüklü Kaymak Yataklar, Plastik Yataklar, Hidrodinamik Yağ Filmi Basınç Dağılımı, Gerilme Dağılımı, Mil Yörüngesi, Yorulma VII

SUMMARY Stress Analysis and Investigation of Surface Fatigue of PTFE - Bronze Layered Journal Bearings under Dynamic Loading Conditions In this study fatigue properties of plastic journal bearings including PTFE-bronze layer was experimentally investigated by using an experimental apparatus in which dynamic load is applicable in different forms, magnitudes and frequencies. The pressure distributions occurred at the surface of the journal bearing was determined. Further, stresses and deformations occurred at the journal bearing was calculated numerically by using ANSYS Finite Element Code. Experiments were carried out for the same loading at different bearing widths firstly and secondly for different dynamic loadings at constant bearing widths. Fatigue regions, capillary crack dispersion and stress distributions occurred at the journal bearing were investigated. The shaft orbit and fatigue regions occurred for each dynamic loading condition were determined. The relationship between fatigue region occurred at the surface of the bearing and pressure distributions were investigated by determining the circumferential pressure distribution under dynamic loading for the position of every 10° crank angle. Further, the relationship between fatigue regions and shaft center orbit and maximum value of dynamic load were investigated. Stress distributions at the surface of the journal bearing were determined by using Finite Element Method. The variation of the stress distributions at the interface of PTFE- bronze layer and the steel backing which is important in fatigue point of view were investigated. The equivalent stress distributions based on von Mises yield criterion were calculated and the critical points to initiate fatigue cracks in bearings were determined. At the end of this study, the maximum oil pressure and fatigue cracks were observed in the most heavily loaded regions of the bearing surface.. It was also found that the most critical region for stress distribution was found to be at the interface between PTFE-bronze and steel backing layers. Moreover, it was obtained that the axial stresses were effective as much as tangential stresses in fatigue failure of the journal bearings. It was calculated that PTFE-bronze layered journal bearings showed superior fatigue behavior than the bearings including white-metal alloy under the conditions tested in this study. Key Words: Dynamic Loaded Journal Bearing, Plastic Bearings, Pressure Distribution for Hydrodynamic Oil Film, Stress Distribution, Shaft Orbit, Fatigue. vni