Sıcaklığın elastik bölgede çalışan polimer hibrit rulmanların dinamik karakteristiğine etkisinin incelenmesi

Abstract

Polimer hibrit rulmanlarda bilezikler viskoelastik malzemeden bilyalar ise farklı malzemeden üretildiklerinden temas mekaniği çelik rulmanlarda olduğu gibi elastik temas olan Hertz temas ile incelenememektedir. Hertz temas yerine elasto-plastik temas modelinde Hertz temasla aynı olarak değerlendirilen temas modeli kullanılarak incelenmelidir. Elasto-plastik temas iz (indentation) model ve düzleşme (flattening) modeli olarak iki modelden oluşmaktadır. Elasto-plastik modeller elastik, elasto-plastik ve tam plastik bölge olmak üzere üç temas bölgesine ayrılarak değerlendirilmektedir. Elastik temas bölgesi Hertz temasla aynı değerlendirilmektedir. Rulmanların kullanım ömürlerinin uzunluğu açısından elastik bölgede ve rezonans frekansından kaçınılarak çalıştırılmaları önem taşımaktadır. Polimer rulmanla yataklanmış şaft-rulman sistemi çalışırken sürtünmeden dolayı oluşan sıcaklık artışı polimer rulmanın elastisite modülünü, yük taşıma kapasitesini, katılığını dolayısıyla sistemin doğal frekansını değiştirmektedir. Bu çalışmada polimer rulmanların sıcaklıkla değişen elastisite modülü değerlerinin, rulmanın katılığının ve sistemin doğal frekansının nasıl etkilendiğini belirlemek amacıyla temas mekaniğinin de dahil edildiği matematiksel modelleme yapılmıştır. Radyal sabit çelik bilyalı polimer hibrit rulmanın geometrik ve malzeme özellikleri kullanılarak MATLAB programı yardımı ile simülasyonlar yaptırılmıştır. Sonuç olarak sıcaklık artışının polimer rulmanın katılığının dolayısıyla sistemin doğal frekansının düşmesine neden olduğu belirlenmiştir. Aynı zamanda sıcaklık artışının polimer rulmanın yük taşıma kapasitesinde artışa neden olduğu belirlenmiştir

Keywords

• Polimer hibrit rulman
• Temas mekaniği
• Titreşim
• Sıcaklık
• Doğal frekans

Investigation of temperature effect on dynamic characteristic of polymer hybrid bearings in elastic area

Abstract

Polymer hybrid ball bearings' balls and rings consist of different materials. Rings have been manufactured viskoelastic material. The traditional ball bearings ball-ring contact analyse with Hertzian contact theory but polymer hybrid ball bearings has not been analyse with the Hertzian contact theory. Polymer ring-ball contact has been analysed with elasto-plastic contact model instead of Hertzian contact theory. Elasto-plastic contact model has two model which are indentation and flattening. These model have been evaluated contact area as elastic region, elasto-plastic region or plastic region. Elastic contact region evaluate the same as Hertzian contact theory. Ball bearings has long lifetime to run elastic region and away from resonance condition. Friction has been caused the systems temperature to rise while the shaft-bearing system run. This condition has been caused to drop elastic modulus and stiffness of polymer bearing. Elastic modulus has been affect the bearings force capacity and stiffness. Stiffness affect the natural frequency of systems. For researching temperature effect on elastic modulus and vibration characteristic of ball bearings mathematical model has been created. Radial deep groove ball bearings geometric and material properties have been used in mathematical model. Simulations have been done via MATLAB software program. As a result, elastic modulus and natural frequency of systems' decreases with temperature rise. Although force capacity related with elastic modulus, force capacity increase with temperature rise because of critic deformation.

Keywords

• Polymer hybrid ball bearing
• Contact mechanics
• Vibration
• Temperature
• Natural frequency

References

1. [1] Kogut L, Izhak E. "Elastic-Plastic contact analys is of a sphere and a rigid flat". Journal of applied Mechanics, 69(5), 657-662, 2002.
2. [2] Jackson RL, Green I. "A finite element study of elastoplastic hemispherical contact against a rigid flat". Transactions of the ASME-F-Journal of Tribology, 127(2) 343-354, 2005.
3. [3] Brake MR. "An analytical elastic-perfectly plastic contact model". International Journal of Solids and Structures, 49(22), 3129-3141, 2012.
4. [4] Jamari J, Schipper DJ. "An elastic-plastic contact model of ellipsoid bodies". Tribology letters, 21(3),262-271, 2006.
5. [5] Yang H, Green I. "Analysis of displacement-controlled fretting between a hemisphere and a flat block in elastoplastic contacts". Journal of Tribology, 2019. https://doi.org/10.1115/1.4041535
6. [6] Jackson RL, Kogut L. "A comparison of flattening and indentation approaches for contact mechanics modeling of single asperity contacts". Journal of Tribology, 128(1), 209-212, 2006.
7. [7] Ghaednia H, Pope SA, Jackson RL, Marghitu DB. “A comprehensive study of the elasto-plastic contact of a sphere and a flat”. Tribology International, 93, 78-90, 2016.
8. [8] Zhaoping T, Jianping S. “The contact analysis for deep groove ball bearing based on ANSYS”. Procedia Engineering, 23, 423-428, 2011.

9. [9] Anoopnath PR, Babu VS, Vishwanath AK. “Hertz contact stress of deep groove ball bearing”. Materials Today: Proceedings, 5(2), 3283-3288, 2018.
10. [10] Xiao L, Zhang X, Lu S, Xia T, Xi L. “A novel weak-fault detection technique for rolling element bearing based on vibrational resonance”. Journal of Sound and Vibration, 438, 490-505, 2019.
11. [11] Liu J, Wu H, Shao Y. “A theoretical study on vibrations of a ball bearing caused by a dent on the races”. Engineering Failure Analysis, 83, 220-229, 2018.
12. [12] Manjunath A, Girish DV. “Vibration analysis of polytetrafluoroethylene (PTFE) deep groove ball bearing”. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018. Doi: 10.1088/1757- 899X/376/1/012137
13. [13] Manjunath A, Girish DV. “Defect detection in deep groove polymer ball bearing using vibration analysis”. International Journal of Recent advances in Mechanical Engineering (IJMECH), 2(3), 45-52, 2013.
14. [14] Kumar S, Goyal D, Dhami SS. “Statistical and frequency analysis of acoustic signals for condition monitoring of ball bearing”. Materials Today: Proceedings, 5(2), 5186-5194, 2018.
15. [15] Shah DS, Patel VN. “A dynamic model for vibration studies of dry and lubricated deep groove ball bearings considering local defects on races”. Measurement, 137, 535-555, 2019.
16. [16] Karaçay T. Açısal Temaslı Rulmanlarla Yataklanmış Şaftların Dinamiği ve Rulman Hatalarının Deneysel Analizi. Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2006.
17. [17] Antoine JF, Visa C, Sauvey C. "Approximate analytical model for hertzian elliptical contact problems". Journal of Tribology, 128(3), 660-664, 2006.
18. [18] Adams GG, Nosonovsky M. "Contact modeling-forces". Tribology International, 33(5), 431-442, 2000.
19. [19] Van Krevelen DW, Te Nijenhuis K. Properties of Polymers. 3rd ed. Amsterdam, Holland, Elsevier, 1990.