Sonlu elemanlar yöntemi ile bir dinamik sızdırmazlık elemanının simülasyonu ve deneysel doğrulaması

Abstract

Günümüzde hayatın her noktasında yaşamı kolaylaştıran makine elemanlardan birisi de dinamik sızdırmazlık elemanlarıdır. Dinamik sızdırmazlık elemanlarının en yaygın olanlar arasında dudaklı keçeler olarak da bilinen döner (radyal) mil keçeleri başı çekmektedir. Döner mil keçeleri, genel olarak elastomerler veya düşük sürtünme katsayılı polytetrafloroetilen (PTFE) gibi malzemelerden üretilmekte olup havacılık, otomotiv ve endüstriyel ekipmanlar gibi çok geniş bir ürün yelpazesinde döner millerde sızdırmazlık elemanı olarak kullanılmaktadır. Bu fonksiyon döner mil keçesinin dudağı olarak isimlendirilen yüzeyi ile mil arasında çalışma esnasında sürekli temasın sağlanması ile gerçekleşmektedir. Keçenin performansı ve aşınma davranışı açısından keçenin mil üzerindeki temas basıncı miktarı kritik bir faktördür. Ancak, çalışma esnasında üzerine gelecek yüksek yağ basıncının altında temas basıncının tespit edilmesi oldukça güç olmaktadır. Tasarım aşamasında keçenin montaj esnasında ve çalışma esnasındaki deformasyonlarının, temas basıncı seviyesinin gerçekçi bir simülasyon ile tespit edilebilmesi büyük önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında yukarıda bahsedilen Döner mil keçelerinin çeşitli hallerini deneysel süreçler başlamadan tasarım aşamasında iken inceleyebilmek için Sonlu Elemanlar ve Analiz Simülasyonlarını kapsayan çalışmalar gerçekleşmiştir. Çalışma kapsamında incelenen döner mil keçelerinde kullanılan elastomer malzeme davranışları dikkate alındığında en uygun hiperelastik malzeme modelinin Mooney-Rivlin olduğu görülmüştür. Bu çıkarım, ifade edildiği gibi yapılan malzeme testleri sonucunda görülen davranışlar göz önüne alınarak gerçekleşmiştir. Bu doğrultuda mekanik testler ve malzeme karakterizasyon testleri gerçekleşmiştir. Ayrıca Döner mil sızdırmazlık elemanı (Keçe) nın çalışma şartları göz önüne alınarak ısıl analizler yapılmıştır. Bu sayede tasarlanacak olan keçenin, tasarım doğrulaması gerçekleştirilerek, imalat ve performans testleri süreçlerine ihtiyaç kalmaksızın, en az deneme ve yanılma süreci gerektiren bir keçe geliştirme çalışması ortaya konmuştur. Çalışma sonucu SKT A.Ş. Ar-Ge laboratuvarlarında imal edilen ve deneyleri gerçekleştirilen keçenin simülasyonu deneysel sonuç ile %95 oranında uyumlu çıkmıştır.

Nowadays, dynamic sealing elements are one of the machine elements that make life easier at every point of life. Rotary (radial) shaft seals, also known as lip seals, are the most common of dynamic sealing elements. Rotary shaft seals are generally made of materials such as elastomers or low-friction coefficient polytetrafluoroethylene (PTFE) and are used as sealing elements in a wide range of products such as aerospace, automotive and industrial equipment. This function is achieved by ensuring continuous contact between the surface of the rotating shaft seal called the lip and the shaft during operation. The amount of contact pressure on the shaft of the seal is a critical factor for the performance and wear behavior of the seal. However, it is very difficult to determine the contact pressure below the high oil pressure that will come upon it during operation. During the design phase, it is of great importance that the determination of deformation during assembly and operation by a realistic simulation with the contact pressure level. In this thesis, finite element analysis simulations have been carried out in order to examine various aspects of the above mentioned rotary shaft seals before the experimental processes are started. Considering the elastomer material behavior used in rotary shaft seals that used in this study, Mooney-Rivlin was the most suitable hyperelastic material model. This inference was made by taking into account the behaviors seen as a result of material tests. Accordingly, mechanical tests and material characterization tests were performed. In addition, thermal analyzes were made by considering the working conditions of the rotary shaft seal. In this way, the design verification of the seal has been realized and a seal development study that requires minimum trial –and- error process has been demonstrated without the need for manufacturing and performance testing processes. Study results showed simulation of seal which was produced and tested in SKT A.Ş. R & D laboratories, was 95% compatible with experimental result.