Döküm simülasyonunun amacı raylı araç fren diski kum kalıp modeli, yolluk sistemi, meme girişleri vb. unsurların sıvı metalin kalıp içerisine dolmasında süreksizlik, hava boşluğu vb. istenmeyen durumlara yol açıp açmayacağını incelemektir: Kalıp dolumu esnasında sıvı metalin akış oranı, yönü, türbülanslar, çekintiler vb. unsurları değerlendirmektir. Yolluk sisteminde, sıvı metalin geçeceği en küçük alanın reaksiyon odasından önce yerleştirilerek reaksiyon odasına giren sıvı metalin akış oranının kontrol altında tutulması ve basınç odasının reaksiyon odasından hemen sonra yerleştirilerek reaksiyon odasından çıkan sıvı metalin akış oranının kontrol altında tutulması ön görüldü. Döküm simülasyonu NovaCast firması tarafından NovaFlow&Solid isimli bilgisayar destekli mühendislik (CAE) yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi. Döküm simülasyonu çalışmasında raylı araç fren diski malzemesi ISO 16112/JV/450 malzeme sınıfı VGDD olup sıcaklığı 1.360 °C; maça shell maça olup sıcaklığı 40 °C; filtre 10 PPI (Pores Per Inch) olup sıcaklığı 40 °C; kalıp kumu yaş kalıplama kumu (Green Sand) olup sıcaklığı 40 °C; kalıp içindeki havanın sıcaklığı 20 °C olarak kabul edildi.
40 2.3.2. Frenleme simülasyonu
Frenleme simülasyonunun amacı iki farklı raylı araç fren diski havalandırma sistemi tasarımı kullanarak acil durum frenlemesi esnasında üretilen ısıdan kaynaklı fren diski sürtünme halkası yüzeyinde ve hava kanatçıklarındaki sıcaklık seviyeleri ve dağılımlarını araştırmaktır: Hava kanallarından geçen ısınan havanın akışını incelemektir. Bunlara göre, iki farklı fren diski havalandırma sistemi tasarımı arasında bir karşılaştırma yapılarak frenleme esnasında fren diskini soğutma etkinliği açısından optimum olanı belirlendi. Frenleme simülasyonu Anova firması tarafından Ansys Fluent isimli CAE yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi. Standart frenleme esnasında, organik fren balatlarının özelliklerini kaybetmeden işlevlerini tam olarak yerine getirebilmesi için eş çalıştığı raylı araç fren diskinin sürtünme halkası yüzeyindeki ölçülen sıcaklık seviyesinin ~400 °C’yi aşmaması gerekmektedir [69]. Bu bilgi standart frenleme senaryosunu kapsadığından ve frenleme simülasyonu çalışmasında acil durum frenleme senaryosu çalışıldığından dolayı raylı araç fren diskinin sürtünme halkası yüzeyindeki ölçülen sıcaklık seviyesinin 400 °C’nin üzerinde olacağı ön görüldü.
Şekil 2.11’de, frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan raylı araç fren diski ve balataların 3 boyutlu resmi görülmektedir. Analiz geometrisinde varsayım yapılan model raylı araç fren diskinin 40°’lik dilimi esas alınarak hazırlandı. Bu modele göre balataların raylı araç fren diskiyle temas ettiği alanda yüzeysel ısıl yük tanımlandı ve ısı transferinin tek yönlü (fren diski üzerinden) gerçekleştiği varsayıldı. Şekil 2.12’de, varsayılan model görülmektedir. Analizlerde çok yüzlü (polyhedral) ve altı yüzlü (hexahedral) elemanlar kullanıldı (model için ~1,5 milyon adet eleman). Şekil 2.13’de, analizlerde kullanılan bu elemanlar görülmektedir. Şekil 2.14’de, frenleme simülasyonunda uygulanan sınır şartları görülmektedir. Tablo 2.2 ve 2.3’de, sırasıyla, frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan analiz isterleri ve çözücü ayarları görülmektedir. Raylı araca acil durum frenlemesi uygulanarak hızı 250 km/h’dan 0 km/h’a düşürülerek tamamen durdurulduğu senaryo simüle edildi.
41
Şekil 2.11. Raylı araç fren diski ve eş çalışan balataların 3 boyutlu resmi
42
Şekil 2.13. Analizlerde kullanılan çok yüzlü (polyhedral) ve altı yüzlü (hexahedral) elemanlar
43
Şekil 2.14. Frenleme simülasyonu çalışmasında sınır şartları Tablo 2.2. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan analiz isterleri
Parametre Seviye/Açıklama Birim Kaynak
Raylı araç fren diski malzemesi ISO 16112/JV/450
malzeme sınıfı VGDD N/A N/A
Balata malzemesi Organik N/A [69]
Raylı araç başlangıç hızı, V0 250 km/h
[70]
Raylı araç durma mesafesi, Svehicle 2.141,12 km
Raylı araç durma süresi, tz 61,66 s
Yavaşlama ivmesi, a 1,12617 m/s2
Sürtünme katsayısı, µ 0,37 N/A
Tekerlek dış çapı, Dwheel 890 mm [69, 70]
Raylı araç fren diski dış çapı, Doutlet 640 mm [69]
Raylı araç fren diski iç çapı, Dinlet 350 mm [71, 72]
Raylı araç fren diski başına düşen
kütle miktarı, Mdisc 6,7 t [69]
Raylı araçtaki fren diski miktarı, n 48 Adet N/A
Raylı araç dolu ağırlığı, Mvehicle 321,6 t Mdiscxn
Balata sürtünme yüzeyi alanı, Ap 400 cm2 [69]
Seyrüsefer rüzgar hızı, Vwind 34,73 m/s [69]
Başlangıç sıcaklığı, Tilk 20 °C [69]
Raylı araç fren diski efektif yarıçapı,
rd 0,2475 m [71, 72]
44
Tablo 2.3. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan çözücü ayarları
Maddeler Açıklamalar
Çözücü adı ANSYS
Simülasyon koşulu Zamana bağlı
Çözücü tipi Basınç esaslı
Viskoz model Standart k-ε türbülans modeli
Duvar-türbülans etkileşimi Standart duvar fonksiyonu
Hız-basınç etkileşimi Birleşmiş algoritma
Ayrıklaştırma yöntemi Taşınım terimleri için birinci dereceden ayrıklaşma ve difüzyon terimleri için merkez fark şeması
Yakınsama parametresi Artık < 10-3
Havanın yoğunluğu (kg/m3) 1,225
Havanın viskozitesi
(kg/m.s) 1,7894e-05
Frenleme simülasyonunda, fren diski üzerine uygulanan kuvvet, Denklem (2.1)’deki gibi; Fdisc= ( 1 2×M×V02) (2×rd rw)×(V0×tz− 1 2×a×tz2) (2.1)
bağıntısıyla verilmektedir. Denklem (2.1)’de, Fdisc fren diski üzerine uygulanan kuvvet (N); M raylı araç kütlesi (kg); V0 raylı araç başlangıç hızı (m/s); rd raylı araç fren diski efektif yarıçapı (m); rw tekerlek yarıçapı (m); tz raylı araç durma süresi (s); a yavaşlama ivmesi (m/s2) olmaktadır [71, 72]. Fren diskinin bir tarafından giren sabit ısı akısı, Denklem (2.2)’deki gibi;
Q(t)=Fdisc×rrd
w×(V0-a×tz) (2.2)
bağıntısıyla verilmektedir. Denklem (2.2)’de, Q fren diskinin bir tarafından giren sabit ısı akısı (W); Fdisc fren diski üzerine uygulanan kuvvet (N); rd raylı araç fren diski efektif yarıçapı (m); rw tekerlek yarıçapı (m); V0 raylı araç başlangıç hızı (m/s); a yavaşlama ivmesi (m/s2); t
z raylı araç durma süresi (s) olmaktadır [71, 72]. Şekil 2.14’deki C harfiyle belirtilen bölgeye verilen ısı, Denklem (2.2)’den elde edilen ısı akısı olmaktadır.
Frenleme simülasyonu çalışmasında, değişken parametre olarak iki farklı raylı araç fren diski havalandırma sistemi tasarımı kullanıldı. Şekil 2.15’de, bu tasarımlar görülmektedir. Acil durum frenlemesi esnasında üretilen ısıdan kaynaklı fren diski
45
sürtünme halkası yüzeyinde ve hava kanatçıklarındaki sıcaklık seviyeleri ve dağılımları araştırıldı. Hava kanallarından geçen ısınan havanın akışı incelendi. İki farklı fren diski havalandırma sistemi tasarımı arasında bir karşılaştırma yapılarak tasarımların fren diskini soğutma etkinlikleri irdelendi. Fren diski havalandırma sistemi tasarımları haricindeki tüm veriler sabit parametreler olarak kabul edilmiştir.
Şekil 2.15. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan iki farklı raylı araç fren diski havalandırma sistemi tasarımları: (a) tasarım A ve (b) tasarım B
Şekil 2.15’deki tasarımlar oluşturulurken pazarda hâlihazırda bulunan muhtelif fren disklerinin havalandırma sistem tasarımları ve literatürde bu konuda yapılan çalışmalar [28-33, 35-38] esas alındı. Tasarım A en dış sektöründe üçgen ve orta ile en iç sektöründe daire geometrik şekillere; tasarım B ise en dış sektöründe T ve orta ile en iç sektöründe elmas desenli geometrik şekillere sahip olmaktadır. Bunlar hibrid tasarımlar olup farklı geometrik şekillerin bir araya getirilmesiyle oluşturuldu. Geometriler, toplam hava kanatçık yüzey alanı her iki tasarımda birbirine eşit olacak şekilde tasarlandı.
2.4. Döküm Prosesi