EKSKAVATÖR KOL VE KEPÇE BALANTI PMNN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMYLE YORULARAK KIRILMASININ NCELENMES
Mehmet Alper DEMRAL
1, Erol TÜRKE
21Seyitömer Linyitleri letmesi Müessese Müdürlüü Dozer Bakm Atölyesi Posta Kutusu 14 43001 Kütahya,demiralper26@hotmail.com
2Dumlupnar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendislii Bölümü Merkez Kampüsü 43270 Kütahya, eturkes@dpu.edu.tr
Geli Tarihi:28.02.2011 Kabul Tarihi:14.11.2011
ÖZET
Bu çalmada, Kütahya Seyit Ömer Linyit letmelerinde kullanlan Hitachi EX1200 model 5m3 kapasiteli ekskavatörlerin kepçe-kol balantsn salayan pimlerinin zamanla darbeli yükler altnda yorulmaya bal olarak ayn yerlerinden krldklar dikkat çektiinden ekskavatörün kepçe ve kol balant piminin yorulma dayanm
incelenmitir. SAE 8620 sementasyon çeliinden imal edilmi olan pimler için üç boyutlu sonlu elemanlar modeli gelitirilmitir. Bu model ile ekskavatör kepçe ve kol balant pimi üzerinde istenilen düümlerde edeer Von Misses gerilme dalm hesaplanmtr. Ekskavatör kepçesinin sabit büyüklükte çevrimsel yüklere maruz kald
varsaylarak pimin yorularak krlmas incelenmitir. Test ve analizlerden elde edilen sonuçlar karlatrlm, pimin yorulma ömrünün arttrlmas için tasarm önerilerinde bulunulmutur.
Anahtar Kelimeler: Ekskavatör, Sonlu Elemanlar, Yorulma krlmas
STUDY OF A FATIGUE FRACTURE ON EXCAVATOR ARM AND BUCKET CONNECTING PIN BY USING FINITE ELEMENT METHOD
ABSTRACT
In this study, Hitachi EX1200 model which is used in Kutahya Seyit Omer Lignite Enterprises with a capacity of 5m3 excavators bucket-arm connecting pins over time due to fatigue under shock loads of the same parts of the excavator’s bucket and arm link pin is pulled out fatigue strength are investigated. Three-dimensional finite element model is developed for the pins which are made of case hardening steel SAE 8620. With this model the desired locations on the excavator bucket and the arm connecting pin equivalent Von Misses stress distribution were calculated. Excavator bucket of fixed size cyclic loads are exposed to the assumption that fatigue failure of the pin. Design enhancement solution were proposed to increase the fatigue life of the pin.
Keywords: Excavator, Pin, Finite Element, Fatigue Fracture 1.GR
Bilindii gibi dinamik ve tekrarl yükler altnda çalan makinelerde gerilme younluunun yüksek olduu bölgelerde çatlak oluumu ve ilerlemesi yorulma problemlerinin ortaya çkmasna neden olmaktadr. Yorulma, yükleme ve boaltmann periyodik olarak çok sayda tekrar sonucunda cisim içinde oluan karmak termik ve mekanik olaylar nedeniyle, cisimde çözülme, ypranma ve ayrmalar meydana getiren bir olgudur. Yorulma kopmasna urayan parçalara örnek olarak miller, balant çubuklar ve dililer gibi hareketli parçalar gösterilebilir. Makinelerdeki hasarlarn yaklak % 80’nin yorulma kopmalarndan kaynakland
düünülmektedir. Yorulma olay, çatlak balangc, çatlak ilerlemesi ve krlma eklindeki üç aamada gerçekleir. Yorulma olaynda malzemede önemli bir plastik ekil deiimi olmadndan ve önceden bir uyar
verilmediinden elastik limitin altndaki gerilmelerde malzemenin ani olarak krlmas durumu itibariyle oldukça tehlikeli durumlar oluturabilmektedir [1]. makineleri, uzun süreli ve çevrimsel yüklemeler altnda kullanlan
makinelerdir. Bu makinelerde nominal gerilme deerlerini arttrarak gerilme younluuna neden olabilecek balantlar da kullanlmaktadr. Bu tür balantlardan en önemlisi kepçe ve kol balant pimi ile kepçe ve link balant pimleridir. Uzun süreli ar yüklemeler altnda kullanlan i makinelerinde pimlerde çatlak balangc ve ilerlemesi beklenen bir sonuçtur. Bu nedenle bu makinelerin tasarmnda özellikle pim balantlarnda yorulma ve krlma problemlerini ele almak gerekmektedir [2]. Makinelerin yorulmaya kar tasarmn
gerçekletirebilmek için farkl yaklamlar gelitirilmitir. Bu yaklamlar gerilme ya da gerinim dalmn [3]
kullanan yöntemler ve krlma mekanii yöntemi [4] olarak iki ana kategoride toplamak mümkündür. Bu çalmada, Kütahya Seyit Ömer Linyit letmelerinde kullanlan Hitachi EX1200 model 5m3 kapasiteli ekskavatörlerin kepçe-kol balantsn salayan pimlerinin zamanla ayn yerlerinden krldklar dikkat çektiinden ekskavatörün kepçe ve kol balant piminin yorulma dayanm incelenmitir. SAE 8620 sementasyon çeliinden imal edilmi olan kepçe ve kol balant pimi için sonlu elemanlar yöntemi kullanlarak üç boyutlu modeli CATA V5R19 kullanlarak yaplmtr. Belirli statik yüklemeler altnda sonlu elemanlar analizleri gerçekletirilerek makine içerisinde kritik olabilecek düümler belirlenmitir. Daha sonra Von Mises edeer gerilme dalmlar ile krlmann nerelerde meydana gelebilecei belirlenmeye çallmtr.
2. ÇALIMA DONANIMININ KONUMLARININ NCELENMES
Krlma-yorulma analizi yaplacak olan pim, kepçe ve kol balantsn saladndan hareket iletimi ve kuvvet etkileri bakmndan ekskavatörün çalma donanm tamamen göz önüne alnmaldr. Çalma donanm, boom, kol ve kepçe olmak üzere üç ana parça ve bunlara hareket veren hidrolik silindirlerden meydana gelir (ekil 1).
ekil 1. Ekskavatörün çalma donanm
Ana parçalar balamak, kuvvet iletimini salamak için çeitli balant elemanlar pimler ve yardmc elemanlar kullanlmaktadr. Ekskavatörlerin çalma donanmlarnn her konumlar için oluan kuvvet deerlerini tanmlayabilmek için ana uzuvlarn ekil 1’de gösterildii gibi aldklar konumlar , , μ gibi deikenler araclyla belirlenen ek ilemler açsndan kolaylk salar. açs boom uzvunun, μ açs kol uzvunun ve açs kepçe uzvunun konumlarn belirlemek amacyla dairesel yörüngede yapt açlardr. Bu çalmadaki çalma donanmnn ana uzuvlar olan boom =0° ile 130°, kol μ=0° ile 102° ve kepçe =0° ile 189°
aralklarnda deikenlik göstermektedirler. Kol ile kepçe balantsn salayan pim de 0° ile 189° aralnda hareket etmekte ve pim kesiti bu aralkta dinamik yüklenmelere maruz kalmaktadr [5].
3. ANALTK KIRILMA ANALZ
Malzemelerde krlma ile oluan hasarlarda önemli olan hatalar makroskobik boyuttadr, çünkü genel bir plastik deformasyon deil, hatalarla bantl olarak yerel gerilme-ekil deitirme (germe) alanlar söz konusudur. Bu makroskobik hatalara örnek olarak, malzeme yapsndaki boluklar, kaynak hatalar ve yorulma çatlaklar
verilebilir [6]. Ekskavatör çalma donanmnn kepçe- kol balant piminin krld kesit ekil 2’de görülmektedir.
ekil 2. Kepçe-Kol balant piminin krlma kesiti.
Sistem içerisinde maksimum kuvvetlerin ortaya çkmas için kepçe kazma kuvveti ve kol kazma kuvveti analizleri yaplmaldr. Yaplan hesaplar sonunda sistem içerisinde maksimum kuvvetlerin ortaya çkmas için kepçe kazma kuvveti analizi yaplmaldr. Kepçe ve kol balant pimine gelen en büyük kuvvet = 60°, = 40°, μ=30° konumlarnda meydana gelmektedir [1]. Bundan dolay, kepçe kazma kuvvetine göre kuvvet analizi hesaplarnn bu deer için yaplmas gerekir. Böyle bir sistemde öncelikle kepçe- kol balant pimine gelen kuvveti bulabilmek için ekil 1’deki 13 nolu parçann ekil 3’deki gibi serbest cisim diyagramn ve ekil 4’daki gibi kepçe serbest cisim diyagramn elde etmemiz gerekir. Makine teknik klavuzundan elde edilen bilgilerden kepçe kazma kuvveti FC 440kN , kol kazma kuvveti FB 422kN , toprak malzemesine göre toprak younluundan ve kepçenin hacmine göre dolu kepçe arl WK 44,047kN, kepçenin kazarken oluan kuvvet kepçenin en ucundaki kazma dii üzerinde oluur. Bu kuvvetin pim merkezine
R olan uzakl RFC 2300mm, kepçenin ara link kolu piminin merkezinin kepçe-kol balant piminin merkezine olan uzakl RF12 690mm dir [5]. Ayn zamanda kepçe-kol balant pimine gelen en büyük kuvvetin
Fpimmax
meydana geldii konumlar = 60°, = 40°, μ=30° konumlardr ve bu pozisyonlara karlk gelen kepçe kazma kuvvetinin normal dorultu ile yapt aç = -17° kepçenin ara link kolu pim merkezine gelen
F12 kuvvetinin normal dorultu ile yapm
olduu aç = 41° ,
Ao A açsnn balangç deeri olup Ao = 95° dir, A
F12 kuvvetinin düey eksenle yapt açdr [1], An = Ao + n + μn = 95° + 60° + 30° =185°
Bo B açsnn balangç deeri olup Bo = 58° dir, B kazma kuvvetlerinin düey eksenle yapt açdr, Bn = Bo - n - n - μn = 58° - 60° - 40° - 30° = -72°
Kepçe arlnn pim merkezine uzakl R1Wkepçe dir.
R1Wkepçe = 1350 cos( 98 - n - n - μn ) = 1350 cos(98° - 60° - 40° - 30°) =1350 cos( -32° ) R1Wkepçe = 1145mm
ekil 3. 13 nolu parçasnn serbest cisim diyagram
ekil 4. Kepçe için serbest cisim diyagram
kN F F
F c 557.5
41 cos
) 17 cos(
. 440 cos
cos .
12
12
E D
17
557.5sin
41 F 237.1kN
sin 440
sin . F sin . F
F13 c 12 13
A° : F12 kuvvetinin düey eksenle yapt aç
B° : Kazma kuvvetinin (Fc) düey eksenle yapt aç
kepçe 1 kepçe 12
1 12 1
C
1 0 F R Fc F .R F W .RW
M
¦
FC.2300=557,5.690+44,047.1145 FC=189kN
x 1 pim C
12
x 0 F .sinA F sinB F
F
¦
Fpim1x=557,5.sin185-189sin(-72) Fpim1x=131,2kN Fpim1x /2= 65600N y
1 pim kepçe C
12.cosA F cosB W F F
0
Fy
¦
Fpim1y=557,5.cos185+189cos(-72)-44 Fpim1y=-541kN Fpim1y /2 = 270500N
F
F
131,2
541
556,7kN
Fpim1 pim1x 2 pim1y 2 2 2 Fpim1 /2 = 278350N 3.1 Pim Hesab ve Pimde oluan zorlanmalar
Pimler çalma koullarndan dolay eilmeye ve yüzey basncna maruz kalrlar (ekil 5). Uygulamadaki pim baz mekanik deerleri Çizelge1’ de verilen SAE 8620 sementasyon çeliinden imal edilmitir [7]. SAE 8620 alam çelikleri seçerek östenize scaklklar belirlenmi ve su verilerek sertletirme ilemi yaplarak 55-60 HRc sertliindedir.
Çizelge1
Bu uygulamada kol burcunun uzunluu a=140mm, kepçe burcunun uzunluu b=140mm ve burçlar presle sk
geçmedir. Pim hareketli olup çap d=Ø160mm dir. Pim sa ve sol yüzeylerinden mesnetlenmitir.
Yüzey basnc;
em 1
1 p
d b 2
max
p F d 2 pem
ad 2
max
p F d 2
2
1 12,4N/mm
160 . 140 . 2
556700 p
p
Malzeme Elastik Modülü Poison Oran Kopma Gerilmesi Akma Gerilmesi
SAE8620 2,05.1011 N/m2 0,29 11,57. 108 N/m2 8,33.108 N/m2
Eilme Momenti;
¸¹
¨ ·
©
§ 2
b a 2
Me F 1 38969000Nmm
2 140 140 2 556700
Me ¸
¹
¨ ·
©
§
Eilme Gerilmesi; Kç Çentik faktörü : 2,1 [8]
3 e 3 e e e
d
M 32 32
d .
M W
M max Kç. max 2,197 203,7N/mm2
Kayma Gerilmesi; Kç Çentik faktörü : 2,1 [8]
2 2
2 1 pim
D 13,81N/mm
160 4 5567002
d 4
2 F
max Kç. D 2,113,81 29N/mm2
4. NÜMERKSEL KIRILMA-STATK ANALZ
Yorulma analizi bize parçann ömrünü ve krlma yeri olmak üzere iki sonuç verir. Ekskavatör piminin krlmasna yalama ve dier birçok etkenden meydana geleceinden parça ömrünün hesaplanmas doru bir sonuç ortaya koymayacaktr. Ayrca pimin yorulma ömründen çok pimin modeli konusu alndndan statik analizle krlmann nerede olduu rahatlkla görülebilecektir. Nümeriksel statik dayanm analizinin yaplmasna CatiaV5R19 program ile model oluturulmasyla balanmtr. Daha sonra bu model boyutlarn
kullancnn belirleyecei sonlu saydaki elemana bölünmütür.
ekil 5-Pimdeki snr artlar
Oluturulan model üzerinde pim sa ve sol yüzeylerden mesnetlenmi olup ve parça modeli üzerindeki burçlarn pim üzerine geçtii konumlara kuvvetler uygulanmtr. Bu bölümde malzemenin teknik özellikleri, uygulanacak snrlamalar ve kuvvetler verilmitir (ekil 5). Buradaki sonuçlar yorumlanarak modelde deiiklie gidilir ve emniyetli snrlar içinde kalmas salanr.
4.1 Meshlenme
Analiz ileminin aamalarndan biride yapnn küçük elemanlara bölündüü ve nod ad verilen düüm elemanlarn özelliklerinin topland varsaylan meshing aamasdr (ekil 6). Buna göre tayc kol 930mm uzunluunda 590893 adet kat elemana bölünmütür. Mesh ilemi sonucunda 122935 adet düümden meydana gelmitir. Meshlenme aamasnda kat, 4 düümlü lineer, tetrahadral eleman tipi kullanlmtr.
ekil 6. Pimdeki meshlenmi yüzeyler 4.2 Edeger (Von Misses) Gerilme
Kepçe ve kol balant pimi üzerinde istenilen düümlerde edeer Von Misses gerilme dalm hesaplanmtr (ekil 7). Dolaysyla öncelikle statik analizi yaplr. Statik analizler sonucunda en büyük gerilmeler kanallarda çkmtr.
ekil 7. Kanall Pim üzerindeki Edeer Gerilmeler
Yaplan analizler duraan (statik) yük uygulamalar altndaki davranmlar yanstr. Yorulma adn verdiimiz olgu çevrimsel yük uygulamalar altnda çeliin bir davranm biçimidir. Yorulmaya yol açan çevrimsel gerilimler (ya da gerilimler) çounlukla akma gerilimleri altnda, fakat her durumda çekme gerilimi altndadrlar.
Yorulma krlmasna uram çeliklerin krk yüzeyleri incelendiinde: Yorulma krlmas gösteren krk yüzeyin belirli bir bölgesi, yinelenen yük uygulamas sonucu düzgünlemitir, geri kalan bölgelerin pürüzlü görünümünden ayrt edilebilir duruma gelmitir (ekil 2). Bu düzgün görünümlü bölgeler yakndan incelendiinde deniz kabuklarnn yüzeyini ya da küçük dalgalardan etkilenmi ky kumsallarnn düzenli çizgililiini anmsatr. Yorulma srasnda açlan yüzey düzgün görünümlü bölgedir. Geri kalan bölüm yükü kaldramaz duruma gelince, çelik kopar. te bu son kopan bölgenin kopuk yüzey üzerindeki görünümü kaba ve pütürlüdür. Bu son kopma, çounlukla sünek krlma özellii gösterir. Yorulma gösteren bölgenin dier bölgeye oran çeliin dayanç düzeyine uygulanan yükün uygulama hzna ve çelik parçann biçimine göre deiir. Dönen millerin yorulma krlmasna urayan yüzeyleri genellikle 2/3 orannda düzgün bölge içerirler [9].
5.SONUÇLAR
Yorulma krlmas çeliin içyaps içindeki en yüksek gerilim düümlerinden balar. Analiz programnda yaplan çözümlemede en yüksek gerilme 184 mm uzaklktaki çentiin balama noktasnda meydana gelmektedir.
Makineden çkan pimin krlma mesafesi yaklak 180 mm uzaklkta çentiin balangç noktasnda meydana gelir (ekil 8).
ekil 8. Pim krlmasnn meydana geldii uzaklk
Yeni bir tasarmla yalama kanallarn kaldrarak düz bir pim tasarm yaplarak ayn koullar altnda analizi tekrar yaplr. Analiz sonuçunda pim üzerindeki en yüksek gerilme üçte bir deerinde düer ve yorulma ömrü artar (ekil 9). Pim üzerindeki kanallar burca tanarak yalama görevini meydana getirir. Pim üzerindeki kanallar yalamann daha salkl yaplmas için açlmken çentik etkisi yapt göz önüne alnmamtr.
Yalama kanallar pimin ömrünün daha ksa olmasna ve yorularak krlmasna yol açar.
ekil 9. Düz pim üzerindeki Edeer Gerilmeler
letmemizde bulunan Hitachi 1200 ekskavatörün kol balant pimi kanall pimdir (ekil 7) ve Komatsu PC1100 ekskavatörün kol balanti pimi ise düz pimdir (ekil 9). Her iki makinede ayn sahada çalma koullar baz alndnda kepçe-kol balant piminin yorularak krlmas çalma saatlerine bakldnda; Hitachi 1200 ekskavatör 11000 çalma saatinde pim yorulmaya urayarak krlmakta iken Komatsu PC1100 ekskavatör 18000 çalma saatinde pim yorulmaya urayarak krlmaktadr. Ayrca düz pim imalat hem kolay hem de maliyet yönünden düüktür.
6. KAYNAKLAR
[1] Oyman, Ö.V., “Ekskavatör Kollarnn Tasarm”, Yldz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 82s, 2005.
[2] Da, S., Fçc, F., Geni, K., “ Makinelerinde Krlma ve Yorulma Problemlerinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle ncelenmesi”, Mühendis ve Makine, Cilt: 48, Say: 571, 3-5s, 2007.
[3] Shigley, J., Mischke, C.R., Budynas, R.G., “Mechanical EngineeringDesign” McGraw Hill, Singapore, 2004, 325-327 s.
[4] Sanford, R. J., 2003, “Principles of Fracture Mechanics” Prentice Hall,NewJersey, 51-115s.
[5] Hitachi Ex1200-5c Kullanc El Kitab ve Teknik ve Katolou.
[6] Uuz, A., 1996, “Krlma Mekaniine Giri”, Uluda Üniversitesi Basm Evi, 160s.
[7] Mekanik Özellikler www.efunda.com
[8] Babalk F.C., Ocak 2008, “Makine elemanlar ve Konstrüksiyon Örnekleri”, Umut Kitabevi, Nobel Yayn Datm, Ankara, 70s
[9] Prof. Dr. Tekin E., 1992, “Mühendisler için Çelik Seçimi”, TMMOB Makine Mühendisleri Odas, yayn no : 119, Ankara, 47s
