Hadde Makinesi Revizyonu

A. Giriş ve Pazar Değerlendirmesi
Haddehane işletmecileri, değişkenlik gösteren bir küresel pazar deneyimleri sonucunda, üretim maliyetlerini azaltmak için sürekli bir baskı altındadırlar. Rekabetçi maliyetlere ulaşabilmenin yaygın yollarından biri de hadde makinesi verimliliğini artırmaktır. Daha yüksek verimliliğe erişebilmek için hadde hattı hızını, yani dörtlü (4-HI) hadde tezgahından (Şekil 1) geçen levhanın lineer hızını (m/dk) artırmak gereklidir. Ancak, hızlı merdane aşınması veya rulman hasarı riski sebebiyle yüksek hadde çalışma hızları doğrudan uygulanamaz. Güç iletimine katılan elemanların (motorlar, dişli kutuları vb) hız limiti sebebiyle, başka sınırlamalar da ortaya çıkabilir.

Merdane dönme hızı, hadde hattının hızına bağlı olarak hesaplanır ve merdane gövdesi çapının bir fonksiyonudur. Belirli bir hadde hattı hızında, iş merdanesinin dönme hızı, küçük silindir çapı sebebiyle destek merdanesinden daha fazladır. Sonuç olarak, iş merdanesinin daha olan yüksek dönme hızı, hadde makinasının maksimum tasarım performansına ulaşması açısından öncelikli olarak değerlendirilmelidir. Haddehane işletmecileri genellikle yüksek çalışma hızlarındaki iş merdaneleri için revizyon desteğine ihtiyaç duyarlar. 

B. Teorik Esaslar
İş merdanesi rulmanlarına ilişkin seçim, tasarım ve boyut kriterleri
İş merdane muylusu rulmanları, çoğu rulman uygulamasının aksine, yük sayısı esas alınarak seçilmez. Bunun yerine, rulman için dikkate alınacak temel seçim parametreleri hadde makinesini geliştiren tasarımcı tarafından belirlenir:
    Merdane gövde çapı  – ØB, (nominal ve minimum) 
    Muylu çapı - ØN
    Merdane boyu - L
    Vidalama mesafesi - X

Bu hususlar, yatak gövdesi ve rulman için geriye kalan minimum alanı belirler. Tasarımcılar ilk olarak bu alan kriterini karşılayan (yani buraya sığabilecek) mevcut rulmanları araştırırlar. Sonrasında mühendis, uygun rulman listesinden, müşterinin talep ettiği L10 rulman ömrüne sahip olan rulmanları seçer. Buna ek olarak, merdanenin iç geometrisi maksimum tasarım yükünde ve maksimum iş merdanesi dönme hızında değerlendirilir. Müşteri ihtiyaçlarını karşılayan mevcut bir ürün numarası yoksa, rulman iç geometrisi geliştirilebilir veya yeni bir rulman tasarlanabilir.

Serbest geçme montaj
İş merdanesinin sıklıkla değişmesi sebebiyle rulman ve gövde sisteminin sökülmesi ve yeniden hızlıca monte edilmesi gereklidir. Dolayısıyla, dört sıra konik makaralı rulmanların merdane muylusuna serbest geçme olarak takılması hadde hızından bağımsız, standart bir uygulamadır. Dış bilezikler rulman gövdesine şekil bağlı olarak tespit edilmeli ve iç bilezikler de, bilezik alın yüzeyine göre 0,5 ila 1 mm' lik eksenel boşlukla monte edilmelidir (Şekil 3).

Merdane muylu çapının, iç bilezik delik çapından daha küçük olduğu düşünüldüğünde, rulman iç bilezikleri doğal olarak merdane muylusuna göre dairesel hareket etme eğiliminde olacaktır. Merdane muylusu ve iç bilezik delik yüzeyi, birbirleriyle temas halinde olduklarında esas olarak aynı çevre hızına sahiplerdir. İç bileziğin dönme hızı merdane muylusunun dönme hızından biraz daha düşüktür. Bunun sebebi, Şekil 4'te de gösterildiği gibi merdane muylusu ve iç bilezik delik yüzeyi arasındaki küçük çap farkıdır. Dolayısıyla, aşağıdaki iki hususun uygulanması çok önemlidir:
    İzafi hareket sebebiyle muyluda oluşabilecek aşırı aşınmayı önlemek için minimum merdane muylusu çap standartlarına uyulmalıdır.
    İki iç bileziğin serbestçe hareket edebilmesi ve yüzey aşınmasının en aza indirilebilmesi için, iç bilezik alın yüzeyi ile iş merdanesinin faturasının veya tespit halkasının alın yüzeyleri arasında bir eksenel boşluk sağlanmalıdır.

Doğrudan montaj
Merdane muylusu rulmanlarının en yaygın türü, doğrudan montaj kavramı esas alınarak tasarlanmıştır (Şekil 5).

İç bilezikler, delik boyutuna bağlı olarak 0,050 mm'den 0,600 mm'ye kadar serbest geçme olarak monte edilir. "Doğrudan montaj" esaslı rulman tasarımı dış bileziklerin, rulmana etkiyen radyal yük Fr tarafından oluşturulan eksenel yüke dayanmasını sağlayacak ve dış bilezik burcu tarafından sağlanan eksenel ayarı muhafaza edecek şekilde tespit edilmesini gerektirir.
Bu "doğrudan montaj" tasarımında, bileziklerin merdane muylusuna göre çevresel hareketine izin vermesi için iç bilezikler tespit edilmeden bırakılır. 

Hız sınırlamaları
Bu tertipte, hadde yükü ile birlikte hız da sınırlandırılmıştır. Serbest geçme takılan TQOW tertibi rulmanlar, yavaş-orta hızda çalışan hadde makinelerindeki her türden merdane muylusunda alınan tatminkâr sonuçlarla, yıllardır tercih edilmekte ve kullanılmaktadır. Bu hadde makinelerinin çoğu, uygulanan yük ve çevresel koşullara bağlı olarak dakikada 800 m'ye kadar hat hızlarında çalışırlar. Buna ek olarak, 1000 m/dk ve üstü hat hızlarında çalışan hadde makineleri konusunda da deneyime sahibiz. 

Çalışma hızları arttığında, iş merdanesi faturası veya tespit bileziklerinin alın yüzeyleri ile rulman iç bilezikleri arasındaki aşınma ve sürtünme, rulman iç bileziği alın yüzeyinde ciddi aşınmaya sebep olabilir (Şekil 6). Sonrasında pitting adı verilen çukurcuk oluşumu ve pullanma oluşur. Termal çatlaklar, iç bilezik alın yüzeyinden delik yüzeyine ve arkadaki alın yüzeye doğru yayılmaya başlar ve bu durum, iç bileziğin hasarına kadar devam eder. Hadde makinesi hemen durdurulmaz ve rulman değiştirilmez ise sistem komple zarar görecektir. Bakım zamanı ve rulman değiştirme maliyetleri hadde makinesi performansını sınırlandıran parametreler arasına dahil olabilir. 

Çok yüksek hızda çalışan iş merdanelerinin yenilenmesinde Timken çözümü 
Çok yüksek hızlarında çalışan iş merdanesi fatura yüzeyi veya tespit bileziğinin alın yüzeyi ile rulman iç bilezikleri arasındaki aşırı aşınmanın önlenmesi için Timken bazı tedbirler önermektedir.

1. Rulman boyutuna bağlı olarak iç bilezik alın yüzeyi ve birleşme parçasının alın yüzeyi arasında 0,5 - 1 mm lik eksenel boşluk bırakılmalıdır (Şekil 3). Bu boşluk, merdane muylusu üzerinde sürüme hareketi yapan yüzey çiftlerinin (fatura ve rulman iç bileziği alın yüzeyi) aşınmasını önler. 

2. İç bileziklerin dış çapı mümkün olabildiği kadar büyük değerde olmalıdır. Fatura veya tespit bileziğinin dış çapı, iç bileziğin çıkıntılı kısmının yuvarlatma yarı çapının teğet noktasında olmalıdır. 

3. Eski hadde makinelerindeki merdane muylusu alın yüzeylerinde ve tespit bileziklerinde genellikle yüzeyde yağ kanalları mevcuttur. Bu durumlarda iki sıralı rulman iç bileziklerinde, yağ kanallarına ihtiyacı yoktur (Şekil 7). Eski hadde makinelerindeki fatura ve tespit bileziği yüzeylerinde bulunan yağ kanallarının tipik profili Şekil 8'de gösterilmiştir. Timken mevcut yağ kanallarını değerlendirebilir ve merdanelerin aşırı hızlarda çalıştığı durumlarda bu kanalların sayılarını ve geometrilerini optimize edebilir.

4. Yeni hadde makinelerinde, yağ kanalları standart olarak rulman iç bileziklerinin ön yüzlerinde yer alır. Bu, iç bilezik ve fatura yüzeyleri arasındaki temas bölgesinin yağlanmasını sağlar (Şekil 9) 

Timken rulmanlarındaki standart yağ kanalları, Şekil 10' da gösterildiği gibi rulman iç bileziği alın yüzeyindedir. Bileziğe karşı çalışan parçadaki aşınmayı minimuma indirmek için kanal ve yüzey arasındaki kenarlar çok iyi optimize edilmiştir.

5. Bu bölgede eş çalışan bütün elemanlar en az 50 HRC' lik sertliğe (tercihen 55-58 HRC) sahip olmalıdır.

6. Rulman iç bileziği ön yüzeyi ve merdane muylusu parçaları arasındaki temas yüzeyi mutlaka yağlanmalıdır.

C. Örnek Uygulama – Mevcut Çözüm ve Problemin Tanımı
Bu uygulama 4-HI hadde makinelerindeki iş merdanelerinde yapılmıştır. 

Hadde Makinesi Tasarım Özellikleri 
Hadde Makinesi türü: 4-HI hadde makinesi
İş merdanesi nominal çapı: 254 mm
İş merdanesi minimum çapı: 228,6 mm
Merdane çalışma boyu: 1612,9 mm
Merdane muylu çapı: 139,7 mm
Muylu çapının merdane çapına oranı: 55% 
Vidalama mesafesi: 2184,4 mm

İş merdanesinin izometrik görünüşü Şekil 11'de gösterilmiştir.

İş merdanesi çalışma koşulları 
Maksimum eğilme yükü: 167,4 kN (rulman başına) 
Maksimum eksenel yük: 60 kN
Maksimum hat hızı: 1036 m/dk (=Minimum merdane çapındaki merdane hızı 1443 rpm)

Merdane tespit bileziği
Bilezik malzemesi: Çelik
58–60 HRC sertlik (rulman sertliğiyle karşılaştırılabilir)

Yağlama 
Hava + yağ sistemi
Muylu tespit bileziğinin izometrik görünüşü Şekil 12'de gösterilmiştir. Bileziğin mevcut tasarımında keskin yağ kanalı köşeleri (0,5 mm yarıçapında) mevcut. Bkz. Detay A.

Timken rulmanı 
Şekil 13'te, uygulamada kullanılan iş merdanesi rulmanının teknik resmi yer almaktadır: 4 sıralı konik rulman TQOGW 48680DGW-902A3.

Zarf: 139.700x200.025x160.340 (İ.Ç. x D.Ç. x Genişlik - milimetre olarak) 
Timken değeri: C90(4) = 240 kN

Bilgisayar modeli
Uygulamanın bilgisayar modellemesi Şekil 14'da gösterilmiştir. 
Bilgisayar modeli, daha önce açıklanan iş merdanesi sınır şartlarına göre oluşturulmuştur. L10 ömür hesapları, %75'lik maksimum yük ve %75'lik maksimum hız koşulları altında yapılır: 
Eğilme yükü: rulman başına 0,75 x 167,4 kN = 125,55 kN
Eksenel yük: 0,75 x 60 kN = 45 kN 
İş merdanesi dönme hızı: 0,75 x 1443 rpm = 1082,3 d/dak 

Şekil 15'te verilen, maksimum yüklü sıranın (Sıra 3) düzeltilmiş rulman yorulma ömrü (L10a) 8800 saattir. Bu hesaplama %75'lik maksimum yük ve hız koşullarında yapılmıştır ve her iki yöne uygulanan eksenel yük içindir. Merdane muylusunun eğilmesinden dolayı dört sıra arasındaki yük paylaşımı ve her bir sıranın rulman ömrü eşit olmayacaktır.  

Problem tanımı - rulman iç bilezik yüzeylerinde aşırı aşınma 
Müşterimiz, hat hızını %20 artırarak hadde makinesini daha verimli hale getirmek istemiş ve rulmanlar için ilave bir zorluk oluşturmuştur. Böyle bir hat hızında ve hadde makinesinde başka değişiklikler ve geliştirmeler yapılmaması durumunda, iç bilezik yüzeylerinde şekil 16'da da gösterildiği gibi aşınmalar meydana gelir. Müşteri, Timken mühendislik hizmetlerinin bu konuda desteğini talep etmiştir. Mevcut rulman seçimiyle ilgili bildirilen başka bir sorun mevcut değildir.
Von Mises gerilmesinin en yüksek olduğu bölgenin (Şekil 17), muylu tespit bileziğinin temas yüzeyi (değerler yerel olarak 150 MPa'nın üzerindedir) olduğu belirlenmiştir. Bu değerler maksimum çalışma koşullarında hesaplanmıştır (rulman başına maksimum 167,4 kN'lik eğilme yükü ve 60 kN'lik maksimum eksenel yük).

D. Örnek Uygulama - Timken Merdane Geliştirme Çözümü

Timken'in önerileri doğrultusunda yapılan teknik geliştirmeler sonunda hadde makinesinde iyileştirmeye gidilmiştir:  

1. Rulman iç bilezik yüzeyine yeni yağ kanalları tasarlanmıştır (Şekil 18). Muylu tespit bileziğindeki aşınmayı olabildiğince azaltmak için iç bilezik yağ kanalları için Timken tasarımı olan geliştirilmiş yuvarlatma yüzeyleri kullanılmıştır. Yağ kanalı sayısı yarıya düşürülerek (16 kanallı muylu bileziğine kıyasla 8 kanallı rulman iç bileziği) temas yüzeylerindeki basıncının azaltılması amaçlanmıştır. Yağ kanalı sayısının azaltılması, Timken iç standartlarına bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. 

2. İş merdanesi muylu tespit bileziği yüzeyinden yağ kanalları çıkarılarak, arka çapın olabildiğince büyütülmesi amaçlanmıştır. 

3. Muylu bileziği sertliği 58-60 HRC'den 55–58 HRC'ye azaltılmıştır (rulman sertliğinden az olması için).

4. İç bilezik yüzeyi ve yanındaki muylu bileziği arasındaki temas noktasının yağlanması için yeni bir meme eklenmiştir (Şekil 19).

5. Yağın kinematik viskozitesi ISOVG220'den ISOVG320'ye yükseltilmiştir.

Bu revizyondan sonraki maksimum von Mises gerilmesi, hem merdane muylusu tespit bileziğinde (Şekil 20) hem de rulman iç bileziğinde 60 MPa civarındadır. Bu değerler Şekil 17'deki yük koşulları altında hesaplanmıştır.

Çok yüksek hızda çalışma için hadde makinesi iş merdanesinin geliştirme sonuçları:
1. Rulman iç bileziği ve muylu tespit bileziğinin temas yüzeyleri arasındaki maksimum basma gerilmesi 150 MPa'dan 60 MPa'ya, %60 oranında azaltıldı.

2. Timken önerileri doğrultusunda, rulman iç bilezik yüzeyindeki aşınma önemli oranda azaltıldı. Revizyon öncesinde yılda 25 rulman değiştiren müşterimiz, revizyon sonrasındaki yıl içinde yalnızca altı rulman değiştirdi. 

3. Hadde makinesi operatörü, hadde makinesinin verimliliğini, tam da planlandığı gibi %20 artırmayı başardı. 

E. Özet ve Sonuçlar
Haddehane işletmecileri, değişken bir global pazar geçmişi karşısında rekabetçi konumunu korumalı ve hadde makinesi hızlarını artırmalıdır. Bu artırma işlemi, beraberinde çözülmesi gereken birtakım teknik sorunları da getirir. Hem hadde makinesi tasarım optimizasyonuna yönelik mühendislik desteği, hem de yüksek hız için gelişmiş özelliklere sahip rulmanlar sunan Timken, geniş kapsamlı bir uzmanlığa sahiptir. Önerilen bu tedbirler, oldukça zorlu çalışma koşulları altında etkili bir hadde makinesi performansı sağlar.

Yorum
Burada sunulan materyal rulman iç bileziği ve diğer birleşme parçaları (muylu bileziği ve tespit halkaları) arasındaki aşınma yüzeyine odaklıdır. İş merdanesi rulmanlarını seçerken ve onaylarken, merdane muylusu aşınması gibi diğer faktörler de göz önüne alınmalıdır.

Referanslar
1    Harris, T. and Kotzalas, M. (2007), “Rolling Bearing Analysis – Advanced Concepts of Bearing Technology”
2    Association of Iron and Steel Engineers (1985), “The Making, Shaping and Treating of Steel,” 10th Edition
3    The Metals Society (1978), “Flat Rolling: A Comparison of Rolling Mill Types”
4    Zygmunt Wusatowski (1969), “Fundamentals of Rolling” 
5    ISO 281 (2007), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life
6    Timken Engineering Manual – Metals Industry Edition ( 2013) - The Timken Company / Order No. 10688
7    Timken Metals Product Catalog, (2014) -  The Timken Company / Order No. 10675