Elastohidrodinamik Yağlama ve Günümüz U-Ring Geometrisi

Yukarıdaki kısımda basınca göre bahsedilen sızdırma davranıĢı sızdırmazlık elemanlarının günümüzde hangi Ģeklini alacağını belirlemiĢtir. Bunların içinden kendi kendine yardım prensibi ile tercih edilen geometriler arasında en çok U- Ringler öne çıkmaktadır. Bahsedildiği gibi yüzeyler arasında oluĢan basınç farkı U- Ringlerin sızdırmazlık performansını önemli ölçüde belirleyen bir parametredir. Bu temas yüzeylerinde basınç değiĢimi çizgisel olarak ele alınmıĢtı. Bu çizgisel temas hali için kabul edilen elastohidrodinamik yağlama teorisi burada nasıl en iyi basınç değiĢimini yakalanabileceğine yol göstermiĢtir. ġimdi günümüzdeki geliĢmelerin gerçekleĢmesine yol açan elastohidrodinamik yağlama hakkında bilgi verilip modern sızdırmazlık elemanı geometrisinden bahsedilecektir.

DiĢli çarklar, sızdırmazlık elemanları gibi birbiriyle temas halindeki yüzeyler bulunan elemanların geliĢimi daha çok elastohidrodinamik yağlama üzerine yapılan çalıĢmalar ile hız kazanmıĢtır. Hidrodinamik yağlama birbirine temas eden iki yüzey arasındaki yağ filminin yüksek hızlara ulaĢıldığında sürekli hale gelmesini ve zamanlar oluĢan sürtünme kuvvetinin azalmasının bu sebeple azalmasını açıklamaktadır. Bu sürtünme kuvveti hız büyüdükçe azalmasını bırakıp bir süre sonrada artıĢa geçmektedir. Bu durum daha çok iç bükey yani konkav yüzeylerde görülmektedir. Zamanla hızın artmasıyla iki yüzey arasına ortamda bulunan film çekilir ve ince bir yağ filmi oluĢur. Bu film sürtünmeyi azaltır ama yüksek hızlara gelindiğinde viskozitesi artarak tekrar sürtünmeyi arttırıcı etki gösterir.

DıĢ bükey yüzeylerde ise yüzeylerin birbirine olan tepkileri daha da artmaktadır. Genel olarak dıĢ bükey yüzeyler gibi yüksek gerilim bulunan bölgelerde yüzeylerin bazı bölgelerinde kısmi esnemeler meydana gelir. Zaten açıklandığı gibi bu durumlarda sıvı sürtünmesi bir süre sonra giderek artmaktadır. Bu esnemelerinde ek olarak katıldığı sistemler elastohidrodinamik yağlama durumu olarak açıklanmıĢtır. Bu artan sürtünme aradaki yağlayıcının viskozitesinin giderek artması ile ortaya çıkmaktadır. Yani aradaki filmin davranıĢı gitgide katı bir hal davranıĢına benzer. Yapılan bazı çalıĢmalarda bu aradaki sıvının sürekli olduğu durumda Newtoniyen olmayan bir hal aldığını ortaya koymuĢtur [7]. Bu durum sızdırmazlık elemanlarının geliĢimine önemli bir aĢama olmuĢtur. Çünkü bu durumdaki filmin sızdırmazlığı önlemede çok baĢarılı olacağı açıktır. ĠĢte bu yüzden yeni geometriler sıvı üstüne yapılacak gerilimi tek noktada maksimum yaparak burada yüksek viskoziteli bir akıĢkan elde etmek ve böylece burada akıĢı önlemek üzerine kurulmuĢtur. Tabi ki bu film tabakasının katı hale yaklaĢması sürtünme kuvvetlerinde önemli ölçüde artıĢlar meydana getirmiĢtir. Bu da bize sürtünme kuvveti artıĢı ile sızdırmazlık performansı artıĢının aynı anda gerçekleĢtiği sızdırmazlık elemanları arasında seçim yapmaya zorunlu kılmıĢtır.

Sızdırmazlık elemanları üzerine yapılan araĢtırmalar elastohidrodinamik yağlama konusu bilinmeden baĢlamıĢtır. Üretilen bazı sızdırmazlık elemanları ilk baĢlarda bu sebepten dolayı günümüzde geliĢtirilen geometrilerden oldukça uzaktadır. O dönem yaygın olarak O-Ringler kullanılmaktaydı. Bunlar performans olarak kötü sayılsalar da o dönem için sızdırmazlık açısından iyi sonuçlar vermekteydiler. Ancak zamanla geliĢtirilen teoriler ile yeni geometriler ortaya çıkmıĢ ve günden güne eski tip O- Ring, U-Ring gibi sızdırmazlık elemanları kullanılmaz olmuĢlardır.

AĢağıdaki Ģekil günümüzdeki ve eski tip U-Ring tasarımlarının temas noktasındaki basınç profillerini açıkça göstermektedir. Elastohidrodinamik yağlama hakkında pek fazla bilgi yok iken, tasarımlar daha çok iç basınca daha iyi tepki veren ince dudak tasarımlarında yoğunlaĢmıĢtır. Bunlara bir örnek piston baĢı sızdırmazlık elemanları da verilebilir. Günümüzde bu elemanları nerdeyse terk edilmiĢtir.

ġekil 3.5’te görüldüğü gibi önceleri sızdırmazlık elemanlarının dudak açıklıkları daha büyük açılarda üretiliyordu. Ancak bu Ģekilde yağ tarafındaki basınç dağılımı modern geometriye göre oldukça az oluĢuyordu. ġekilde bu basınç dağılımının geometrilere göre nasıl değiĢtiği açıkça görülmektedir. Aynı Ģekilde atmosfer tarafındaki basınç dağılımı da görülmektedir [3].

ġekil 3.5 : Eski ve yeni tip U-Ring geometrilerinin temas noktasındaki basınçlarının karĢılaĢtırılması.

Eski tasarımlı ince dudaklı sızdırmazlık elemanı ileri strokta aynı Ģartlar altında, modern tasarıma göre daha kalın bir yağ tabakası oluĢturur. Ve bu yağ filmi geri strokta daha zor içeri alınabilmektedir. Bu da daha fazla sızma anlamına gelmektedir. Yeni yani günümüz tasarımı ise ileri strokta yüksek basınç dağılımını tek noktada toplaması ile daha ince bir film tabakasına izin vermektedir. Bu film tabakası da geri strokta içeri pompalanabilmektedir.

10 bar üstü gibi yüksek basınçlarda sızdırmazlık elemanı geometrisini dudak yapısı değiĢir ve piston ile sızdırmazlık elemanının çizgi teması sağladığı yüzey daha geniĢ hale gelir. Bu geri strokta oluĢmuĢ filmin pompalanarak içeri alınmasını engeller. Yüksek basınçlardaki sızdırmanın sebebi budur. Ancak tabii ki baĢlangıçta geometrinin kendi kendine yardım prensibi uygulanır. Ve bir noktaya kadar sızdırmazlıkta iyileĢmeler gözlenir. Temas noktasındaki bir noktaya kadar artarak sızdırmazlığın geliĢimine yardımcı olur. Zamanla sızdırmazlık oluĢan basınçla artmaya baĢlar. Genel olarak tüm U-Ringlerde bu davranıĢ gözlenmektedir. U- Ringlerin her geometri ya da türü için sızdırmazlığın en iyi olduğu bir optimum çalıĢma basınçları vardır.

Bir baĢka nokta ortam Ģartlarının baĢlangıçta bir sıvı filmi oluĢmasına izin verecek durumda olmasıdır. Yani piston yüzeyi çok parlak (pürüzsüz) olursa veya sızdırmazlık elemanı geniĢ bir açıyla çok yüksek basınç uygular ise bunlar temas noktasının piston yüzeyinde yapıĢık kalmasına ve istenen yağ filminin oluĢamamasına neden olur. Bu olay bazen stick-slip denen mekanizmanın görülmesine de sebep olabilmektedir.

Bilindiği gibi stick-slip bir eĢ çalıĢan iki yüzeyin arasında yeterince sürtünmeyi giderici etken olmamasıyla yüzeylerin bir kayıp bir yapıĢması ile meydana gelen bir olaydır. Bu olay sırasında yüzeylerin titreĢmesi ile bir ses oluĢur. Sızdırmazlık elemanlarında da eğer yüzeyler birbirine yukarıda saydığım sebeplerden dolayı çok yapıĢık kalırsa stick-slip meydana gelir. Bu tabi ki istenmeyen bir durumdur. Buradan anlaĢılacağı gibi sızdırmazlık elemanlarının çalıĢtığı pistonun belirli pürüzlülükte olması gerekmektedir. Bu pürüzlülük yağ filminin oluĢabilmesine izin verecek kadar olması gerekmektedir.

Stick-slip olayını baĢlangıç anında engellemek için günümüz sızdırmazlık elemanlarında Ģöyle bir çözüme gidilmiĢtir. BaĢlangıç anında yüzeyler arasına daha çok yağın girmesi ile filmin daha kolay oluĢabileceği fikrinden yola çıkarak sızdırmazlık elemanlarının yağ tarafında kalan taraflarında pistonla temas eden köĢelerine pah kırılarak oluĢan basıncın gerektiği gibi artmasına izin verilmiĢtir. Böylece hareket eden pistona temas eden sızdırmazlık elemanı iç basınç yardımıyla bu bölgeden aldığı kuvvetin etkisiyle yüzeylerden ayrılarak yağ filminin oluĢabilmesine izin vermiĢtir. AĢağıdaki Ģekil bu gerekli basıncın nasıl ilk anda oluĢtuğunu göstermektedir.

4. SIZDIRMAZLIK ELEMANLARINDA KULLANILAN MALZEMELER