Temas Mekaniği ve Optimizasyon Yöntemleri Kullanarak Yeni ve Enerji Etkin Silindirik Makaralı Rulman Tasarımı

Abstract

Bu tez kapsamında, NJ tipi bir silindirik makaralı rulmanın masura bombe profili ve bilezik yuvarlanma yolu optimizasyonu yapılmıştır. Mevcut silindirik makaralı rulmanın yorulma ömründen feragat edilmeksizin sürtünme momentinin enküçüklenmesi amaçlanmıştır. Masura profilindeki bombe yükseklikleri ve bilezik yuvarlanma yolu tasarım değişkenleri olarak seçilmiş, bu değişkenlerin muhtelif kombinasyonları için sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Sürtünme momenti ve yorulma ömrü tahmini için ayrı ayrı geliştirilen sonlu elemanlar modelleri, test mekanizmasındaki rulmanın çalışma ve yükleme şartlarını yansıtacak biçimde geliştirilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi vasıtasıyla, söz konusu tasarım değişkenlerinin farklı değerleri için sürtünme momenti ve yorulma ömrü değerleri elde edilmiş ve bu veriler doğrultusunda eniyileme süreci başlatılmıştır. Eniyileme çalışması için tekrarlı simülasyonlar gerektiğinden vekil model kullanımına gidilmiş, böylelikle hesap maliyeti azaltılmıştır. Vekil model oluşturmak için Kriging yöntemi, optimizasyon probleminin çözümü için ise genetik algoritma kullanılmıştır. Bu sürecin sonunda belirlenen optimum tasarım üretilmiş; sürtünme momenti ve yorulma ömrü testleri yapılmıştır. Mevcut tasarım ve optimum tasarıma ilişkin elde edilen deneysel çıktılar karşılaştırıldığında; optimum tasarımın sürtünme momentinin mevcut rulmanınkinden %29 daha düşük olduğu, L10 yorulma ömrünün ise sadece %3 daha az olduğu görülmüştür. Test sonuçlarının istatistiksel değerlendirmesi yapıldığında ise, mevcut tasarım ile optimum tasarımın sürtünme testi sonuçları arasındaki farkın istatistiksel olarak önemli olduğu, yorulma testi sonuçları arasında ise istatistiksel olarak önemli bir farkın olmadığı değerlendirilmiştir.

In this thesis, the roller crown profile and ring raceway of an NJ type cylindrical roller bearing are optimized. It is intended to minimize the friction moment without sacrificing the fatigue life of the existing cylindrical roller bearing. The crown heights in the roller profile and the ring raceway were selected as design variables, and finite element analyzes were performed for various combinations of these variables. Separately developed finite element models for frictional moment and fatigue life estimation were developed to reflect the operating and loading conditions of the bearing in the test mechanism. By means of the finite element method, frictional moment and fatigue life values were obtained for different values of the design variables, and the optimization process was started in line with these data. Since repetitive simulations are required for the optimization work, a surrogate model has been used, thus the computational cost was reduced. Kriging method was used to create a surrogate model, and a genetic algorithm was used to solve the optimization problem. At the end of this process, the optimum design determined was produced; friction moment and fatigue life tests were carried out. When the experimental outputs related to the current design and optimum design are compared; It was found that the frictional moment of the optimum design was 29% lower than that of the existing bearing, while the L10 fatigue life was only 3% less. When the test results were evaluated statistically, it was evaluated that the difference between the frictional test results of the current design and the optimum design was statistically significant, but there was no statistically significant difference between the fatigue test results.