Malzeme özelliklerinin sıcaklığa bağlı değişiminin ve yatak katılıklarının bir rotorun titreşim karakteristiklerine etkilerinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, yüksek devirlerde dönen disk formunda makina elemanlarının mukavemet testlerinin gerçekleştirildiği santrifüj yükleme test sistemine ait bir rotorun dinamik karakteristikler ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sistem tasarımı hem rijit hem de elastik modelleme yaklaşımları ile analiz edilerek, ayrık ve sürekli parametreli modeller oluşturulmuş ve bu modeller yardımıyla modal ve dinamik analizler yapılmıştır. Literatürde rastlanan rijit rotor–elastik yatak ve elastik rotor–rijit yatak modellerine ilave olarak bu çalışmada elastik rotor – elastik yatak modeli geliştirilmiştir. Elastik rotor – rijit yatak modeli yüksek hızlı rotor sistemlerinde anlamlı sonuçlar vermediğinden rijit rotor – elastik yatak ve elastik rotor – elastik yatak modelleri çalışmada esas alınmıştır. Bu modellere ait denklem takımları MATLAB yazılımında çözdürülmüş, elde edilen teorik sonuçlar sonlu elemanlar analizi (FEA) ve testler ile doğrulanmıştır. Deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldığında, rijit rotor – elastik yatak modelinin %1.2 gibi çok düşük bir hata ile ilk doğal frekansı verdiği tespit edilmiştir. Elastik rotor – elastik yatak modeli ise ikinci doğal frekansları 4 kg’lık numune için %1.96, 10 kg’lık numune için ise %1.71 gibi fevkalade küçük hatalarla verdiği gözlenmiştir. Keza, 10 kg’lık numune için üçüncü ve dördüncü doğal frekanslar sırasıyla %2.26 ve %2.83 hata ile 520 Hz ve 600 Hz olarak bulunmuştur. Tez kapsamında, rijit rotor – elastik yatak modeli yardımıyla test düzeneği ilk doğal frekansı işletme frekansından uzaklaştıracak tarzda tasarlanmıştır. Bu suretle test düzeneği yüksek frekanslı yorulma (High Cycle Frequency) etkilerine maruz kalmaktan korunmuş olur. Elde edilen bulgular, santrifüj yükleme test sistemlerinin tasarımında yatak katılıklarının çalışma hızına bağlı değişimleri ile malzeme özelliklerinin sıcaklığa bağlı değişiminin mutlak surette göz önüne alınması gerektiğini ortaya koymuştur.In this thesis, the dynamic characteristics of a spin test rotor used for strength testing of high-speed rotating machine elements in disk form have been examined in detail. The system design was analyzed using both rigid and elastic modeling approaches, and discrete models were developed to perform modal and dynamic analyses. In addition to the rigid rotor–elastic bearing and elastic rotor–rigid bearing models commonly found in the literature, an elastic rotor–elastic bearing model was developed in this study. Since the elastic rotor–rigid bearing model does not yield meaningful results for high-speed rotor systems, the rigid rotor–elastic bearing and elastic rotor–elastic bearing models were primarily considered. The equation sets corresponding to these models were solved using MATLAB software, and the theoretical results were validated through finite element analysis (FEA) and experimental testing. When compared with the experimental results, it was determined that the rigid rotor– elastic bearing model predicted the first natural frequency with a very low error of about 1.2%. The elastic rotor–elastic bearing model, on the other hand, was observed to predict the second natural frequencies with remarkably small errors, namely 1.96% for the 4 kg specimen and 1.71% for the 10 kg specimen. Likewise, for the 10 kg specimen, the third and fourth natural frequencies were obtained as 520 Hz and 600 Hz, with errors of 2.26% and 2.83%, respectively. Within the scope of this thesis, the test rig was designed using the rigid rotor–elastic bearing model in such a way that the first natural frequency was shifted away from the operating frequency range. In this manner, the test rig was protected against the effects of high-cycle fatigue (HCF). The findings clearly demonstrate that, in the design of centrifugal loading test systems, the variations of bearing stiffness with operating speed and the temperature-dependent changes in material properties must be rigorously taken into account.