RUBBER WORLD Dergisi, Ocak 2017, Cilt 255, Sayı 4, Sayfa 28 – 31
Titreşim sönümleme (vibrasyon izolasyonu) uygulamalarında, nümunenin doğal frekans değeri en önemli parametre olarak öne çıkar. Bu parametre AYO-IV (Geliştirilmiş Yerzley Mekanik Osillografı) tarafından doğrudan birkac saniye içinde ölçülüp raporlanır. Öte yandan zorlandırılmış (yapay) titreşim analizi yapabilen diğer test aletleri, nümuneyi bütün frekanslara tabi tutarak, sonuçlardan tahmini bir doğal frekans değeri hesaplayıp bulmak zorundadırlar. Bu işlem de bazen saatler alabilir.
Orijinal Yerzley Osillograf, Neopren (Kloropren) kauçuğun dinamik niteliklerini belirlemek için 1940 lı yıllarda Dr. Felix Yerzley tarafında DuPont Laboratuvarlarında geliştirilmişti (Ref. 1.). Daha sonra, A.B.D. Deniz Kuvvetleri, N.A.S.A., General Dynamics, McDonnell Douglas Astronautics, Goodyear Lastikleri, BFGoodrich Lastikleri, Edgewood Arsenali ve A.B.D. Savunma Bakanlığı gibi pekçok kuruluş kauçuk parçaların nitelendirilmesi için bu hassas, dayanıklı, kullanışlı, kesin ve anında sonuç veren bu kauçuk test aletini sürekli kullanır oldular. Bu test ekipmanının modernleştirilmiş versiyonu olan AYO-IV, orijinalindeki hassas mekanik tasarımı koruyarak onu daha da güçlendiren ve etkili hale getiren günümüzün elektronik devrelerini, hassasiyet ve sağlıklı tekrarlanabilirlilik sağlayan, veri derlemede hızlandırıcı özellikler kazandıran modernleştirilmiş düzenlemeleri içermektedir. AYO-IV ile tipik bir kompresyon deneyi üç ile beş saniye arasında sürer, sonuçlar da anında ekranda grafik ve tablo olarak belirir.
Yerzley Osillograf ve Yararları
AYO-IV kauçuk, plastik ve diğer polimerlerin mekanik niteliklerini ölçmeye yarar, üretici kuruluşumuz, Tavdi Company, Inc., web sitemizi (www.tavdico.com) ziyaret etmenizi önerir, fiyat bilgileri için bizlere e-posta ile başvurmanızı rica ederiz. ASTM D 945-16 (Ref. 2) test metodu, ilk sünme (initial creep), ilk çöküntü mikdarı (initial compression set), darbe enerjisi (impact energy), doğal frekans (natural frequency), efektif dinamik modülüs (dynamic modulus), nokta modülüsü (point modulus), statik (teyet) modülüs, Yerzley esnekliği (Resilience), Yerzley Histeresisi (Hysteresis), ek olarak delta teyeti-enerji kaybı (Tangent of Delta-Energy Loss) da 2016 D11 Kauçuk komitesi tarafından yenilenen ASTM D 945-16 test metoduna dahil edilmiş tüm mekanik niteliklerin ölçümü için AYO-IV kullanımını şart koşar. Bu nitelikler nümunelerin %20 veya daha az deformasyonlarda, ki bu durumlarda kompresyon gücü altında statik mudulüsün en fazla 280 psi (2 MPa-MegaPaskal) ve kesme gücü altında statik modülüsün en fazla 140 psi (1 MPa) değerlerini aşmadığı şartlarda ölçülmek durumundadırlar.
AYO-IV Yerzley Mekanik Osillografı basit serbest harmonik hareket prensibine bağlı olarak çalışır. Nümunenin nitelikleri, Jon Menough tarafından tarif edildiği gibi (Ref. 3) bilinen bir potansiyel enerjinin nümuneye uygulanması üzerine oluşan serbest salınım sonucunda elde edilen titreşim doğal frekansı ile sönüm hızı (damping rate) analizleri sayesinde belirlenir.
Herhangibir kauçuk karışımı hamurlandıktan ve son şekline gelmiş halde pişirildikten (vulkanizasyon) sonra AYO-IV test aletinde kompresyon ve kesme güçleri altında denendiğinde doğal frekansı tesbit edilir. Bu tür bir nümune tipik bir titreşim sönümleme elemanı (vibrasyon izolasyon elemanı) olabilir ki bu tür elemanlar şu gibi alanlarda uygulanabilir: demiryollarındaki traverslerin titreşim izolasyonu için; petrol ve doğalgaz arama kulelerinin titreşimlerden arındırılması için (kule ayaklarında kullanılır); köprü ayaklarında araç geçişlerinde oluşan titreşimlerin sönümlendirilmesinde; yüksek bina ve gökdelenlerin sismik titreşim ve depremsel titreşimlerden korunması için; ağır makina tesislerinin yarattığı titreşimlerin bina temellerini zedelemesinden korunması için; çok hassas cihazların yerel ve trafikten oluşan titreşimlerden izole edilmesi için; askeri ekipmanın titreşimlerden etkilenmemesi için; deniz liman tesislerinde gemilerin yanaşmasında kullanılan usturmaçaların etki/tepki enerji sönümlenmesi için; araç lastiklerinin yuvarlanma direncinin ölçümü için; kauçuk ve diğer polimer komponentlerin düşük frekanslardaki karakterizasyonu için ve nüklear atıkların depolandığı metal tankların kapak conta ve o-ringlerinin sızdırmamazlık karakterizasyonu için. Bu gibi uygulama alanlarındaki son derece hızlı ve verimli test sonuçları sayesinde AYO-IV, tasarımcılara, kalıpçılara, ekstrüzsonculara, polimer, makina ve inşaat mühendislerine etkili destek vermektedir.
AYO-IV Nasıl Kullanılır?
Bu test aleti, veri derleme birimi USB port aracılığı ile cihazı kontrol eden dizüstü bilgisayara bağlandığı andan itibaren kullanılır hale gelir, uygulaması da uygulama ikonuna çift tıklama ile geçekleşir.
Standart kompresyon güç altında denenmesi gereken nümuneler, bu uygulamaya özel kalıplarda hazırlanmış nümuneler ile denenir. Buna ek olarak, eğer gerekirse kaval zımbası (kovan zımba veya delik zımbası) kullanılarak levha veya yaprak malzemeden zımbalanmış olarak elde edilebilir ve bunlar üstüste konarak test için gerekli olan yüksekliğe eriştirilebilir, deney de ona göre yapılır. Nümune alt platen üzerine yerleştirilir ve üst platen, Figür 2. de gösterildiği gibi elle ayarlanan mikrometre ile nümune sabitlenir. Bu arada çengel tetik terazi koluna takılarak oynaması engellenir. Ağırlıklar, nümunede %20 kadar deformasyon sağlayacak şekilde terazi kolunun üzerindeki ağırlık taşıyıcı kollara yerleştirilir. Bu arada bilgisayar ekranında yerleşim görüntüsü kullanılarak (Set-Up Screen), test şartları girilir, ardından dinamik kompresyon test görünümü başlatılır ve bir çıktı test dosyası ismi kaydedilerek, test sonuçlarının gönderileceği dosya ismi belirlenmiş olur. Bundan sonra testin başlatılması için ekrandaki (Start) butonu tıklanır ve çengel tetik terazi kolundan sıyrılarak test başlatılır. Bu test süresi 3 ile 5 saniye arasındadır ve sonuçlar anında hesaplanarak ekranda sunulur, bu ekran görüntüleri Figür. 3a, 3b ve 5a, 5b de görülmektedir.
AYO-IV cihazının verdiği sonuçlara örnek olarak, Figür 3a ve 3b de görülen yumuşak bir kauçuk nümunenin (Durometre A 50) dinamik kompresyon testinde verdiği çıktılar; ve Figür 4 de ise ASTM D945-16 da istenen basamaklı statik kompresyon test sonucu elde edilen çıktılar sunulmaktadır. Aynı sıra ile, Figür 5a, 5b ve 6 da sert kauçuk nümuneden (Durometre A 80) elde edilen sonuçları sunmaktadır. Figür 3a da, X ekseni zaman, Y ekseni de kayma/deplasman mikdarını verir. Figür 4 de ise, X ekseni deformasyon, Y ekseni de gerilim gücü mikdarlarını verir. Figür 5 de, X ekseni zaman, Y ekseni de kayma/deplasman mikdarını; Figür 6 da X ekseni deformasyon, Y ekseni de gerilim gücü mikdarlarını verir.
Dinamik Kompresyon Test Sonuçları Üzerine Açıklamalar
Dinamik kompresyon test sonuçları incelendiğinde şöyle karşılaştırmalar ortaya çıkar (Figür 3b ile 5b).
- Doğal frekans yumuşak kauçukta 3.846, sert kauçukta ise 5.405 olarak tesbit edildi. Bu da normal bir sonuç, çünkü sert kauçukta daha yüksek oranda dolgu malzemesi kullanıdığı için, daha yüksek doğal frekans rakkamları elde edilmesi normaldir.
- Yerzley Resilience (derlenme oranı) ise %72 (yumuşak) ve %39 (sert) olarak, yumuşak kauçuğun daha fazla derlenme olanağına sahip olduğu (elastikiyetin daha yüksek ve geri kazanımın daha fazla olduğu) ortaya çıkmaktadır.
- Point Modulus (Nokta Modülüsü) ise 496 lb./sq.in. (yumuşak) ve 1,272 lb./sq.in. (sert) olarak ölçülmüş olup, sert kauçuğun deformasyonu için daha fazla yük kullanmak gerektiğini belirliyor.
- Dinamik Modulüsün karşılaştırılması da benzeri bir sonuç verir, 784 lb./sq.in. (yumuşak) ve 3,261 lb./sq.in. (sert) ile sert malzemenin daha yüksek dinamik yüklere dayanabileceğini, örneğin titreşim yüklerine yumuşak malzemeden daha iyi dayanması gibi.
- Impact Energy (Darbe Enerjisi) de 29 in-lb./cubic inch (yumuşak) ve 75 in-lb/cubic inch da sert malzemenin darbe enerjisini sönümlemede daha etkili olduğunu gösterir.
- Tan Delta olarak elde edilen sonuçlar ise 0.0679 (yumuşak) ve 0.2683 (sert) olup, sert malzemenin enerji sönümleme / emme niteliğinin yumuşak malzemeye göre neredeyse dört-misli olduğunu gösterir.
Basamaklı Statik Yükleme/Boşaltma Kompresyon Test Sonuçları Üzerine Açıklamalar
Basamaklı Statik Yükleme/Boşaltma Kompresyon test sonuçları incelendiğinde (Figür 4 ile 6) şu sonuçlar ortaya çıkar.
- Histeresis Enerji kaybı 5.74 in.-lbs./cubic inch (yumuşak) ile 13.81 in.-lbs./cubic inch (sert) olarak raporlanır.
- Statik Modülüsler ise maksimum deformasyon noktasında hesaplanır ve raporlanırlar.
Kauçuk Karışımı ve Hamurlanmasının Dinamik Nitelikler Üzerindeki Etkileri
Dekic ve Radenkovic (Ref. 4) tarafından yürütülen bir deneysel araştırma sonucunda, geri dönüştürülmüş (deşe, atık) araç lastiklerinin (toz haline getirimiş olmak üzere %0 ile %11.7 oranları arasında) hamurlama formülasyonlarına katılması sonucu, bu mikdar arttırıldıkça (0% den 11.7% doğru) bitmiş mallarda doğal frekansda düşüş, resilyans da da(derlenme oranı) belirli oranda artış gözlenmiştir.
Bir başka araştırmada ise, Banic, Stamenkovic, Milosevic ve Miltenovic (Ref. 5), bir Yerzley Mekanik Osillograf kullanarak ASTM D945-16 test metoduna uygun olarak silindirik nümuneleri (19.5 mm çap ve 12.5 mm yükseklik) hem statik hem de dinamik histeresis testlerine tabi tutup, sonuçları yayınladılar. Bu çalışma sonucunda, kauçuk- metal yayların kalitesini en iyi belirleyebilen parametre enerji sönümleme niteliğidir. Hamur (kampaund) formülasyonu bu simülasyon sırasında elde edilebilen en yüksek statik ve dinamik histeresis değerlerine göre seçilmelidir. Dolayısiyle, AYO-IV Yerzley Mekanik Osillografı, üretimde kauçuk hamur formülasyon ve işleme bölümünün en yakın dostudur.
Halen AY-IV Cihazını Kullanmakta Olan Bazı Müşterilerden Örnekler
Optimum Vibrasyon Sönümleme (Titreşim İzolasyonu) için En Verimli Kampaund Karışımı Tesbit Edebilmek
Kauçuk elemanları tasarlayan profesyonellerin, hamurlama formülasyonu hazırlanması, işlenmesi, üretiminin tamamlanmasına ek olarak o kauçuk parçanın kullanım servis ömrü boyunca görevini tam yapması için göz önünde bulundurmaları gereken bazı faktörler mevcuttur. Eğer karışımda faklı dolgu malzemeleri kullanılıyorsa, örneğin karbon siyahı ve silika gibi, bunların optimum oranlarını bulabilmek için, Impact Enerjinin (Darbe Enerjisi) maksimum değer verdiği noktayı ki bu değer aynı zamanda Yerzley Histeresis eğrisinin de düzlem haline geldiği noktayla eşleşir ve dolgu malzemesi arttırılsa bile Yerzley Histeresis değerlerinde hiçbir artış gözlenmez. Bu da hamur formülasyonundaki faktörler kauçuk ürünün servis ömrü sırasında, darbe güçlerine maruz kaldığı zaman, örneğin liman usturmaçalarının yanaşan tanker ve ağır yük gemilerinin yarattığı yükleri nasıl sönümlemeleri gerektiği gerçeğini ortaya çıkarır.
Impact Energy (Darbe Enerjisi) ve Histeresis, kauçuktan üretilmiş titreşim sönümleme (vibrasyon izolasyonu) elemanlarının tasarımında önemli yeri olan parametrelerdir. Titreşim sönümleme elemanlarının formülasyonunda, enerji emici özellikleri maksimum seviyede tutabilmek için optimum mikdarda dolgu malzemesi (karbon siyahı gibi) kullanılmalıdır. Bu vesile ile Dr. Sujit K. Datta (IRM Corp, Hindistan) (Ref. 6) tarafından yürütülen araştırma projesinde karbon siyahı dolgu malzemesinin optimum seviyeden daha fazla seviyelere çıkartıldığında, parçanın enerji sönümleme niteliği giderek azalır. Figür 7 de de görüldüğü gibi, 75 phr (75 kısım dolgu beher 100 kısım kauçuk mikdarına) oranında enerji sönümleme maksimum değere ulaşır; aynı nokta da diğer grafikte görüldüğü gibi Histeresis eğrisi de 75 phr noktasında itibaren düzlem konumuna geçer (dolgu malzemesinin arttırılması Histeresis değerinde artış göstermez). Bütün bu çalışmalar Advanced Yerzley Mekanik Osillografı AYO-IV kullanılarak elde edilmiştir.
AYO-IV Cihazının Diğer Yararlı Özellikleri
Silindirik Olmayan Nümuneler
ASTM D945-16 test metodu kullanılması gereken nümunelerin silindirik şekilde olmasını öngörür. Boyutları da verilmiştir. Gelgelelim, herzaman bu boyutlarda nümune elde etmek mümkün olmayabilir. Bazen, hazır bir üründen de nümune almak ve deneyi onunla yapmak zorunluluğu doğabilir. Figür 8 de de görüldüğü gibi farklı kesitleri olan nümuneleri denemek gerekebilir.
ASTM D945-16 test metodu ve daha önceden Dr. F.L.Yerzley tarafından yayınlanmış makaleler dikkatle incelendiği zaman ilmi olarak geçerli bir usul sayesinde, ürünlerden alınan kesiti dairevi olmayan nümunelerin deneylerinin de yapılabildiğini ve bunun usulünün de, bu makalenin yazarları tarafından Ref. 7 de açıklandığını belirtmekte yarar vardır.
Şartlar
Nümunenin kesit alanı ile kesit çevresel boyutu hesaplanacak. Yüksekliği ise, ASTM D945-16 test metodunda bahsi geçen şekil faktörü (SF inch-lb birimli model için 0.375) kullanılarak hesaplanacak. Şekil Faktörünün tanımı (gerilmiş alan / gerilmemiş alan) olup standart nümune için
Sf = (π * d * d / 4) / ( * d * h) = 0.375
d = Nümune kesitinin Çapı; h: Nümunenin Yüksekliği
Bu denklemi Yükseklik (h); Çevresel Boyutu (P) ve Alan (Area) olarak ifade edersek, şu denklem elde edilir:
Sf = Area . (P * h)
Standart nümune için kullanılan Şekil Faktörünü esas kabul ederek, denklemi yükseklik için çözersek:
h = Area (0.375 * P)
Dolayısiyle, nümunenin alanını ve de çevresel boyutunu hesaplayabildiğimiz için, AYO-IV Yerzley Osillograf testleri için gerekli olan yüksekliğini hesaplayabiliriz. ASTM D945-16 test metodunda kullanılan denklemlerde alan ve yükseklik değerlerine yer verilmemektedir, çünkü metod nümune alan ve yüksekliğini belirleyip, şart koşmuş ve bunları birer parametre olarak görmemiştir. Halbuki, AYO-IV yazılımı operatörlerin hem alan hem de yükseklik parametrelerini girmelerini gerektirir. Bu sayede standard dışı nümunelerin de, şekil faktörü (Sf) 0.375 göz önünde tutulmak şartı ile AYO-IV tarafından denenmesi sağlanmıştır. Bu bir yenilik olup, test aletinin kullanım kapsamını da genişletmiştir.
Tablo 1. Aynı malzemeden üretilmiş olup üç farklı kesitleri olan nümunelerden elde edilmiş verileri içermektedir. İlk kolon 1 inch çapı olan, ikinci kolon 1 inch çapı olup içersinde merkezde ¼ inch delik olan ve üçüncü kolon standard yani ¾ inch çapı olan nümuneleri gösterir. Bütün nümuneler aynı yüksekliktedir, yani ½ inch.
1 inch çapı olan ilk iki nümune sonuçlarına bakıldığında; hysteresis, doğal frekans ve Delta Teyeti (Tangent of Delta) değerlerinin aralarında çok az fark görülmektedir (nümunelerden birisinin içersinde ¼ inch çapında delik olmasına ragmen). Bunların Standard nümune (üçüncü kolon) ile karşılaştırılmasında ise, SAE Resilyans (Society of Automotive Engineers = Otomotiv Mühendisleri Birliği), Delta Teyeti (Tangent of Delta) ve doğal frekans da standard nümunenin veridışı değerlere yakın sonuçlar vermekte. Bir tek Nokta Modülüsü (Point Modulus) ve Dinamik Modülüs farklı sonuçlar vermektedir.
Bu çalışmanın ortaya çıkardığı ilginç bir durum da, aynı çap ve yükseklikleri olan fakat birisinin içersinde delik olan iki nümune çok yakın rezilyans (resilience), histeresis, doğal frekans ve Tan Delta değerleri göstermektedir.
Sonuçlar
AYO-IV gayet dayanıklı, çok kullanışlı bir kauçuk test cihazı olup, ister kompresyon isterse kesme güçleri altında kauçuktan üretilmiş titreşim sönümlemesi (vibrasyon izolasyonu), darbe sönümlemesi sağlayan komponentler, araç lastiklerinin yuvarlanma direnci gibi pekçok uygulama alanında üstün yararlar sağlar. Bu test cihazı temiz laboratuvar şartları gerektirmez, üretim alanında da çok kolaylıkla kullanılır.
Halen kullanılmakta olan AYO-IV versiyonunun kurulumu kolaylıkla yapılır, istenirse metrik birimlerle (mm, gram gibi) istenirse İngiliz birimleri (inch, pound gibi) ile ölçüm yapabilir, kauçuk sünger gibi çok daha yumuşak nümuneler için de test konfigürasyonu mevcuttur.
Test edilecek nümuneler kalıplama usulü veya zımba ile levhalardan kesilip (gerektiğinde üstüste koyarak metoddaki şekil faktörünün öngördüğü yüksekliğe erişilerek) hazırlanabilir. Dairevi kesiti olmayan nümuneler de karşılaştırma amaçlı olarak denenebilirler.
Referanslar
- Felix L. Yerzley, “The evaluation of rubber and rubber-like compositions as vibration absorbers,” Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 9, No. 8, August 15, 1937, p. 392.
- ASTM D945-16 test method.
- Jon Menough, Rubber World, Vol. 195, No. 1, FOLLOW October 1986, p.12.
- P.S. Dekic and G.M. Radenkovic, “The influence of the share of recycled tire on the rubber mixture properties,” faculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Nis, Serbia.
- M. Banic, D. Stamenkovic, M. Milosevic and A. Miltenovic, Serbiatrib 13th International Conference on Tribology, May, 15-17, 2013, Kragujevac, Serbia.
- Sujitkumar Datta, “Optimum Carbon Black Level for Maximum Impact Energy in Rubber“, blog.
- Nuri Akgerman and Ismail Saltuk, “Yerzley Oscillograph Revisited”, Rubber Technology Conference, June 2011, Cleveland OH.
- Nuri Akgerman and Ismail Saltuk, “ASTM D945-16 and the AYO-IV Yerzley mechanical oscillograph can improve rubber compounding and molding operations“, Rubber World, Vol. 259, No. 4, FOLLOW January 2019, p.44.
- Nuri Akgerman and Ismail Saltuk, “In three seconds, predict the dynamic performance of rubber“, Rubber World, Vol. 260, No. 4, FOLLOW July 2019, p.16.
Yazarlar: Nuri Akgerman ve İsmail Saltuk, Tavdi