triboloji veya tribo-teknik, tanımlama ve tarihsel...

TRİBOLOJİ: TANIMI VE ENDÜSTRİYEL ÖNEMİ

2

BÖLÜM 1

TRİBOLOJİNİN TANIMI VE ENDÜSTRİYEL ÖNEMİ

1.1. Tribolojinin Tanımı ve Tarihsel Gelişimi

Triboloji kelimesi, Yunanca’da kayma anlamına gelen tribos’tan türetilmiştir.

İlk olarak 1966 yılında İngiltere’de Dr. H. Peter Jost [1] tarafından hükümet

raporunda; sürtünme, aşınma ve yağlama konularını tanımlamak için kullanılmıştır.

Bu kitapta “Triboloji”, karşılıklı etkileşim halinde olan ve birbirine göre bağıl

hareket yapan yüzeyler (malzemeler) arasındaki sürtünme, aşınma ve yağlama

olayları ile bu olaylar arasındaki ilişkilerin bilimi, teknolojisi ve mühendisliği

şeklinde tanımlanmaktadır.

Triboloji biliminin hedefi, izafi hareket halinde olan yüzeylerin ekonomik,

ekolojik ve fonksiyonel optimizasyonunu sağlamaktır. Bu durum pratikte, sürtünme

ve aşınmanın oluştuğu yerde kontrolü ve yönetimi anlamına gelmektedir. Dolayısı ile

triboloji, çok disiplinli bir çalışma alanıdır. Tribolojik çalışma alanları, klasik temel

bilimler ve mühendislik formlarının dışında, özellikle medikal, taşıt teknolojileri,

malzeme, enerji, MEMS ve nanotriboloji konularında şaşırtıcı bir hızla

genişlemektedir.

Sürtünme, birbirine göre bağıl hareket yapan veya yapma eğiliminde olan

yüzeyler (katı, sıvı, gaz vb.) arasında harekete karşı oluşan direnç; aşınma, fiziksel

ve/veya kimyasal etkilerle malzeme yüzeyinde oluşan ve istenmeyen malzeme kaybı;

yağlama ise sürtünme direncini düşürmek ve aşınmaları azaltmak için tribo-

fonksiyon yüzeylerine iç sürtünme direnci düşük malzeme (yağ) ilavesi/uygulaması

olarak tanımlanmaktadır. Temasta olan ve birbirine göre kayma ve/veya yuvarlanma

hareketi yapan iki fonksiyon yüzeyi arasında genel olarak bir sürtünme ve aşınma hali

mevcuttur. Şüphesiz bunların sayısal değerleri bazen çok küçük olabilir, fakat pratik

olarak daima mevcuttur. Teorik olarak fonksiyon yüzeyleri arasında hiçbir kuvvet

alanının bulunmaması ve kesin olarak aralarında mutlak vakumdan başka bir ortam

olmaması halinde sürtünmenin ve aşınmanın olmadığı söylenebilir.


3

Sürtünme ve aşınma olayları çok eski tarihlerden itibaren gözlenen ve

azaltmak için çözümler aranan problemlerdir. Sümerlere ait olduğu belirlenen bir

mezardan çıkarılan tekerlek muylusu ve bunun üzerinde eser halinde bulunan don

yağı kalıntıları M.Ö. 2500 yıllarında yağlamanın kullanıldığını göstermektedir [2].

Şekil 1.1’de M.Ö. 700’lü yılara ait Asur Medeniyetine ait büyük bir heykelin

taşınması ve bu taşıma işleminde kullanılan tribolojik sistemler verilmiştir.

Triboloji ile ilgili Avrupa’daki ilk bilimsel çalışmalar Rönesans (1450-1600)

ile başlamıştır. Alman Kardinal Nikolaus von Kues (1401-1464) sikloid dişlileri

tanımlamıştır.

Sürtünme konusunda bilinen ilk sistematik araştırmayı büyük mühendis ve

sanatçı Leonardo da Vinci (1452-1519) yapmış ve 5000 sayfanın üzerinde doküman

hazırlamıştır. Leonardo tarafından önerilen küçük sürtünme dirençli yatak

konstrüksiyonu ve alaşımları günümüzde prensip bakımından pek çok makinada halen

uygulanmaktadır. Leonardo da Vinci tarafından önerilen yatak konstrüksiyonları ve

sürtünme deney düzenekleri Şekil 1.2’de verilmiştir.

Robert Hooke (1635-1703) yuvarlanma sürtünmesini araştırmış, yatak

tasarımı, malzemeleri, sızdırmazlık ve yağlamayla ilgili bir dizi sonuç yayınlamıştır.

Şekil 1.1. Büyük bir heykelin taşınması (Asur medeniyeti - M.Ö. 700) [2].


4

Şekil 1.2. Leonardo da Vinci tarafından önerilen düşük sürtünmeli yatak konstrüksiyonları ve

sürtünme deney düzenekleri [2].

1453 yılında Fatih Sultan Mehmet Osmanlı donanmasına ait gemileri tribolojik

düzeneklerle Haliç’e indirmiştir.

Şekil 1.3. Fausto Zonaro’nun (1854-1929) "Osmanlı Donanması'nın Haliç'e indirilmesi" adlı

tablosu. Tablo Dolmabahçe Sarayı'nda sergilenmektedir.

http://tr.wikipedia.org/wiki/Osmanl%C4%B1_Donanmas%C4%B1

http://tr.wikipedia.org/wiki/Hali%C3%A7

http://tr.wikipedia.org/wiki/Dolmabah%C3%A7e_Saray%C4%B1


5

Fransız bilim adamı Guillaume Amontons [3], 1699 yılında yayınladığı bir

çalışma ile sürtünme kuvvetinin normal kuvvetle orantılı olduğunu ve bu kuvvetin

değerinin normal kuvvetin yaklaşık 1/3’ü civarında olduğunu açıklamıştır. Fransız

bilim adamı Charles Auguste Coulomb [4], 1785 yılında muhtemelen Amontons’un

bulduğu sonuçlarından habersiz olarak aynı sonuçları açıklamıştır. Daha sonra

Amontons-Coulomb kanunu olarak uzun yıllar geçerliliğini koruyacak olan bu bulgu,

sürtünme araştırmalarındaki en önemli adımlardan birini oluşturur.

Matematikçi Leonhard Euler (1707-1783), sürtünme ile ilgili iki önemli

makale yayınlamıştır. Euler’in çalışmalarının en önemli sonuçlarından birisi kinetik

sürtünme ile statik sürtünme arasındaki farkı ortaya koymasıdır.

Leibnitz (1646-1716), Almanya’da yaptığı çalışmalarla ilk kez yuvarlanma ve

kayma sürtünmeleri arasındaki farklılıkları tanımlamıştır.

Isaac Newton (1642-1727), günümüzde akışkanların iç sürtünmesi veya

viskozite olarak bilinen viskoz akışları tanımlamıştır. Yağlama ile ilgili dar

kanallardaki akım olaylarının incelenmesinde en önemli adım 1687’de büyük fizikçi

Isaac Newton tarafından atılmıştır. Halen onun adı ile anılan bağıntı, yağlama

teorisinin temel taşını oluşturur. Bundan 200 yıl sonra Osborne Reynolds (1842-

1912) tarafından akışkan film yağlama teorisi geliştirilmiştir. 1750-1850 endüstri

devrimi ile birlikte çalışmalar ivme kazanmıştır. Daniel Bernoulli ve M. L. Poiseuille

(dinamik viskozitenin birimine ismi verilmiştir-Poise) yağlama konusunda akışkanlar

mekaniği temelli çalışmalar yapmışlardır. Fransız matematikçi Claude Navier ve

İngiliz fizikçi ve matematikçi G.G. Stokes viskoz akışın esaslarını tanımlamışlardır.

1935 yılında grafit içeren yağlayıcıya ilk patent alınmıştır.

1765 yılında Watt’ın buhar makinasını buluşu ve bunun sanayide uygulanması,

aşınma ve yağlama olaylarına daha fazla önem verilmesini gerektirmiştir. Sonuçta

18. ve 19. yüzyıllarda bu konulardaki araştırmaların yoğunluk kazandığı

görülmektedir.

1875’te Reynolds’un yuvarlanma sürtünmesi çalışmaları, 1881’de Heinrick

Hertz’in elastik malzemeler arasındaki temasa yönelik analizleri, 1882’de A. Morin

tarafından kaymalı yataklar üzerinde ilk sistematik araştırma sonuçlarını bildiren

yayının yapılması, buna paralel R.H. Thurston’un mevcut yağlayıcılar üzerindeki

araştırmaların yayınlanması triboloji alanındaki önemli kilometre taşlarıdır. 1883’de

N.Petroff, bir yağlayıcının en önemli özelliğinin viskozitesi olduğunu açıklamıştır.

1884-1886 yılları arasında Engler, Saybold ve Redwood viskozimetreleri

geliştirilmiştir. Aynı yıllarda İngiliz mühendis Beauchamp Tower, kaymalı yataklarda

harekete bağlı olarak bir film (hidrodinamik teori) oluştuğuna dair buluşunu

açıklamıştır.


6

O. Reynolds’un 1886, Kingsbury’nin 1897, Michell’in ve daha pek çok

araştırıcının (Sommerfeld, Stribeck, Gümbel v.s) çalışmaları, özellikle yataklardaki

film oluşması veya diğer bir deyimle hidrodinamik sürtünme üzerinde geniş

açıklamaları ortaya koymuştur. Richard Stribeck 1902’de kaymalı yataklarda

sürtünmeyi ölçmüştür.

Sommerfeld 1904’te Reynolds denkleminin analitik çözümünü yapmıştır.

1917’de Langmuir ince yüzey filmlerinin tribolojik davranışları konusundaki

teorilerini açıklamıştır.

Sürtünme üzerindeki çalışmalara paralel fakat genellikle sürtünmeden

bağımsız olarak aşınma olayı üzerinde de yoğun çalışmalar yapılmıştır. Ancak

metalsel yüzey çiftleri arasındaki aşınma pek çok faktöre bağlı karmaşık bir

yapıdadır. Çevre ve deney şartlarındaki çok küçük değişiklikler aşınma

mekanizmalarında büyük farklılıklar meydana getirmektedir. Yüzeylerdeki madde

kaybı, çoğu zaman kimyasal ve fiziksel etkileşimler sonucunda oluşmaktadır. Bütün

bu nedenlerle aşınma üzerindeki sistematik incelemeler daha çok 1900’lü yıllarda

yoğunluk kazanmıştır. Bu konularda Bowden-Tabor, Meilander-Diez, Welch, Holm,

Barwell ve Kragelsky’nin çalışmaları [5, 6, 7] önemli başlangıç noktalarıdır.

Şekil 1.4. Sürtünme araştırmaları ve teknolojik gelişmelere ait tarihsel süreç [14].

Palanga, Asur (MÖ 800)

Bilyeli eksenel yataklar (1534)

Endüstriyel yuvarlanmalı-disk yataklar (1550)

Kaymalı ve yuvarlanmalı yataklar (1580)

Kayma kuralları (1620)

Buhar makinası (1705)

Çırçır makinası

(1793)

Kibrit (1827) Lokomotif (1829)

Gaz türbini (1849)

Benzinli motor (1872)

Dizel motor (1895)

Jet motoru (1793)

1500

1600

1700

1800

1900

2000

da Vinci

Newton Hooke

Amontons Leibnitz

Dasaugliers

Euler

Coulomb

Vince, Leslie,

Rumford

Morin

Hertz Reynolds Goodman

Stribeck

Rennie

Tomlinson

Archard

Buckley Bowden and Tabor

Deryagin Holm


7

Yağlama ve aşınma ile ilgili deney aletlerinin yapımında ve önemli bulguların

çıkarılmasında 1930’lu yıllarda, Almen, Finch, Hardy ve Kenyon [8-10] gibi

araştırmacılar önemli çalışmalar yapmışlardır. Son yıllarda Ali Erdemir ve

arkadaşlarının katı yağlayıcılar, karbon filmler ve süper yağlayıcılar üzerine yürüttüğü

çalışmalar [11, 12] yağlama ve yağlayıcılar konusunda devrim niteliğinde sonuçlar ve

uygulama alanları ortaya çıkarmıştır. Kendinden yağlama (oil-free) ve kendini onaran

(self-healing) tribolojik sistemler son dönemlerin en önemli araştırma alanları

arasındadır [13]. Şekil 1.4’te tribolojik çalışmalardaki ana kilometre taşları ve önemli

bilim insanlarından bazıları verilmiştir.

Yukarıda pek azına değinilen çalışmalarda genel olarak sürtünme, aşınma ve

yağlama olayları bir bütün olarak ele alınmamış ve sonuçlar sadece deney şartlarına

bağlı kalmıştır. Ancak 1950’den sonraki araştırmalarda bu üç olayı bütünleştirici bir

modellemeye gidildiğini gözlüyoruz. Özellikle İngiltere’de bu eğilim güçlenmiş ve

bunun sonucunda ortaya yeni bir bilim dalı “Triboloji” ve yeni bir teknik kavram

“Triboteknik” ortaya çıkmıştır. Bu iki yeni kavram, günümüzde bütün ileri

teknolojiye sahip ülkelerce benimsenmiştir. Yine son zamanlarda, imalat açısından

tasarım, montaj açısından tasarım, transport açısından tasarım vb. kriterlerinin ve

tanımlamalarının yanında, tribolojik açıdan tasarım diğer bir değişle “tribotasarım”

[15] kavramları yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

1.2. Triboteknik Olayların Ekonomik Boyutları ve Tasarım Açısından Önemi

İnsan gücünü ve sezgilerini artıran, işlerini kolaylaştıran ve hızlandıran araç ve

gereçlere teknik ürün, bu teknik ürünlerin birden fazlasının bir araya getirilmiş hali

teknik sistem olarak tanımlanır. Teknik sistemlerin tanımlanmasında önemli

kriterlerden birisi “giriş ve çıkış” büyüklükleridir. Genel olarak tüm teknik sistemlerin

Şekil 1.5’te verildiği gibi ölçülebilir üç temel giriş ve çıkış büyüklüğü vardır. Teknik

sistem, madde, enerji ve bilgi/sinyal formatındaki giriş büyüklüklerini fonksiyonlarına

veya isteklere bağlı olarak tasarlanmış süreçlerde dönüştürerek çıkış büyüklüklerini

üretir.

Şekil 1.5. Teknik sistemlerin temel giriş ve çıkış büyüklükleri.

Teknik Sistem

(Makina, tesisat,

cihaz vb.)

Enerji

Malzeme

Bilgi, sinyal

Enerji

Malzeme

Bilgi, sinyal


8

Yapılan çalışmalarda temel istek, teknik sistemin en yüksek verimle

çalışmasıdır. Daha doğrusu giriş büyüklüklerinin mümkün olan en yüksek oranda

istenen çıkış formlarına dönüşmesi, kayıp olarak nitelendirilen istenmeyen

dönüşümlerin azaltılmasıdır. Bu giriş ve çıkış büyüklükleri esas alındığında,

tribolojinin önemi açık bir şekilde ortaya çıkmaktadır. Çünkü enerji, büyük ölçüde

sürtünme, malzeme ise önemli ölçüde aşınma ile ilgilidir. Enerji ve malzemenin

verimli bir şekilde dönüşümünde bilginin payı hiçbir zaman göz ardı edilemez.

Makinalarda ortaya çıkan arızaların ve konstrüksiyon elemanlarının hasar

görerek kullanım dışı kalmalarının en önemli sebeplerinden birisi, hatta en önemlisi

aşınmadır. Otomobil lastikleri, halatlar, dişliler, rulmanlar, elbiseler, ayakkabılar vb.

kullandığımız ürünlerin büyük çoğunluğu aşındıkları için kullanılamaz hale gelirler ve

değiştirilirler. Halatın koptuktan sonra değiştirilmesi, kesinlikle doğru bir yaklaşım

değildir. Çünkü bu durum bir kaza göstergesidir.

Sürtünme enerji kaybı, aşınma ise madde kaybı nedenidir. İstenmeyen

malzeme kaybı anlamına gelen aşınma ile temas halindeki yüzeyler arasında

adhezyon, deformasyon ve histerisiz bileşenlerinden oluşan ve bağıl harekete karşı

engel anlamına gelen sürtünme direnci arasında doğrudan bir ilişki kurulması

mümkün olmamıştır. Sürtünme katsayıları aynı olan malzeme çiftlerinin, aşınma

oranları arasında çok büyük farklılıklar olabilmektedir. Genel olarak aşınma problemi,

sürtünme probleminden çok daha karmaşık bir yapıdadır. Sürtünme yüzeyleri

arasında, değişik türde aşınma mekanizmaları oluşmakta ve bu aşınma mekanizmaları

yalnız başlarına etkili olabilecekleri gibi ikili ve genellikle bir çoğu aynı şartlarda ve

eş zamanlı olarak ortaya çıkabilmektedir.

Esnek ve katı otomasyon uygulayan fabrikalarda, uçak, roket sistemlerinde,

nükleer reaktörlerde ve daha pek çok ileri teknolojinin uygulandığı sistemlerde

sürtünme, aşınma ve yağlama en önemli tasarım kriter ve parametreleri arasındadır.

Örnek olarak sürtünme ele alınırsa, kavramalarda, frenlerde, otomobil lastiği ile yer

arasında mümkün olduğu kadar büyük olması ve kayma hızı ve sıcaklıktan bağımsız

kalması arzulanan bir büyüklüktür. Buna karşılık yataklarda veya bir taşıtın

gövdesiyle hava arasındaki sürtünme direncinin ise az olması istenir. Fakat her iki

durumda da aşınma miktarının mümkün olduğunca düşük seviyede olması beklenir.

Görülüyor ki değişik ödevler, farklı çözümlerin bulunmasını gerektirmektedir. Bu

nedenlerle sürtünme, aşınma ve yağlama üzerinde daha ayrıntılı olarak durulması ve

bunlar arasındaki ilişkilerin bütünleştirici bir görüşle ele alınması büyük önem

taşımaktadır.

Tarihsel gelişim içerisinde teknolojide çok hızlı bir dönüşüm yaşanmıştır.

Buharlı makinalar yerini pistonlu makinalara, onlarda elektrikli makinalara

bırakmıştır. Bunlar için yapılan Ar-Ge masrafları ise günümüz için anlamını


9

yitirmiştir. Fakat bu çalışmalarla güncel teknolojilere de uygulanabilecek önemli

bilimsel ve tribolojik kazanımlar sağlanmıştır. Hızla gelişen teknolojiye maksimum

fayda sağlayacak şekilde tribolojiyi ne kadar etkinleştirebileceğimizi ve bunu nasıl

gerçekleştireceğimize dair senaryolar geliştirmemiz gerekir. Ancak, sürtünmenin

temelleri hakkındaki bilgilerimiz henüz sınırlıdır ve yeterli değildir. Sürtünmenin

tribolojik esasları konusunda derinlemesine araştırmalara ihtiyaç vardır. Kyoto’da

düzenlenen son dünya triboloji kongresinde sürtünme çok boyutlu ve son derece

karmaşık bir fenomen olarak tanımlanmıştır. Tribolojinin temelleri konusunda bu

kadar bilgi eksikliğine rağmen, triboloji son bir kaç yıl içinde dünya çapında çok hızlı

yayılmasının nedenleri sorgulanmalıdır. Bu yayılmada askeri, çevre ve havacılık

alanları dışında, ekonomik faktörlerin önemli itici güç olduğu düşünülmektedir [13].

Sanayileşmiş ülkelerde yapılan istatistiksel çalışmalar, dünyada kullanılan

enerjinin çok büyük bir kısmının sürtünme direncini yenmek için kullanıldığını

göstermektedir. Dolayısıyla sürtünme direnciyle ilgili yapılacak iyileştirmeler, temel

girdilerden birisi olan enerjide önemli ölçüde tasarruf sağlayacaktır. Enerji tasarrufu

beraberinde, tüm ürünlerde maliyet düşüşü, çevrenin daha az kirlenmesi, daha az

enerji taşıma ihtiyacı, sonuç olarak günümüz insanı ve gelecek nesiller için daha

olumlu şartlar getirecektir. Japonya, İngiltere, Almanya, ABD, Kanada ve Çin gibi

gelişmiş ülkelerde yapılan kapsamlı istatistiksel çalışmalar, tribolojik iyileştirmelerle

sağlanabilecek tasarrufların yaklaşık olarak ülkelerin GSMH’nın %1.3÷1.6’sı

arasında olduğunu göstermektedir. Japonya’da Toyota, Almanya’da Bosch gibi

teknoloji devleri bünyelerinde çok sayıda tribolojist çalıştırmaktadır [16].

İngiliz Triboloji komitesinin yaptığı araştırmalar [17], İngiltere endüstrisinde

uygulanan bazı tribolojik iyileştirmeler sonucunda, yaklaşık 515 Milyon sterlin bir

tasarruf sağlandığını göstermiştir. Aynı dönemde Almanya’da yapılan bir çalışmada,

işletmelerdeki hatalı yağlama ve yanlış kullanım sonucu yılda 250 milyon dolar bir

ekonomik kaybın meydana geldiği belirtilmektedir. Yine İngiltere’de 1997 yılında,

aşınma ve buna bağlı bozulmalar dolayısıyla, 650 milyon sterlin kayıp oluştuğu

bildirilmektedir [18]. Büyük bir entegre çelik tesisinde (yıllık üretim kapasitesi 10÷15

milyon ton çelik), çeşitli tip aşınmaların gerektirdiği yıllık bakım, onarım ve yenileme

çalışmalarının, tesis kuruluş maliyetinin %10÷15 kadar ek bir harcamayı gerektirdiği

hesaplanmaktadır.

Genellikle tüketici ve kullanıcı olarak isimlendirilen müşteriler, ihtiyaçlarının/

gereksinimlerinin farkında değildir. Müşteriler bilimsel ve teknolojik gelişmelerden,

bunların tribolojik alandaki yansımalarından ve sağlayacağı faydalardan yeterince

haberdar değildir. Bir çok ülkede tribolojinin yararlarını sayısal verilere dayalı olarak

gösteren raporlar yayınlanmaktadır. Prof. Si-wei Zhang tarafından yayınlanan son Çin

raporu bunların en önemlilerinden birisi olarak kabul edilebilir. İki yıllık yoğun bir

çalışmanın sonucunda yayınlanan “Çin’deki etkin endüstriyel aktiviteler ve yeşil


10

triboloji” başlıklı makale [19], altı sanayi kolunda ihtiyatlı bir tahminle 41 milyar

ABD doları (bu değer Çin’in gayri safi milli hasılasının % 1.55’ine denk gelmektedir)

tasarruf sağlandığını göstermektedir. Bu rakamlar çok kapsamlı bir çalışmanın

sonucu olmasına rağmen, %20’lik bir hata payı dahi verilse rakamlar oldukça

yüksektir. Bu yüzden düşük bütçeli çalışmalar sonucunda gerçekleştirilecek tribolojik

iyileştirmelerle, sanayiciler için oldukça cazip gelen yüksek tasarruflar

sağlanabilecektir. Tribolojik iyileştirmeler sonucunda yukarıda verilen ekonomik

faydaların dışında çevre ve insan yaşam kalitesi üzerinde dikkate değer iyileşmeler

gerçekleşecektir.

Askeri ve uzay çalışmaları gibi bazı önemli istisnalar dışında, endüstride

önemli finansman kararları, büyük ölçüde ekonomik faktörler tarafından

belirlenmektedir. Bu nedenle triboloji persfektifinde, özellikle günümüz ve

gelecekteki triboloji müşterilerinin gereksinimlerinin doğru belirlenmesi, etkileşimin

sağlanması ve kazanımlar konusunda temel bilgilendirmeler önemlidir [13]. Triboloji

biliminin verileri kullanılarak yapılacak iyileştirmelerle sağlanabilecek potansiyel

tasarruflar Tablo 1.1’de verilmiştir.

Tablo 1.1. Tribolojik iyileştirmelerle sağlanabilecek potansiyel tasarruflar [19].

Yıllık potansiyel tasarruf (Milyar $)

Avrupa Birliği 303

ABD 186

Çin 68

Japonya 63

Almanya 50

Fransa 48

İngiltere (Birleşik Krallık) 36

1985 yılında Rabinowics tarafından ABD’de yapılan bir çalışma [20],

etkileşim halindeki bazı eleman çiftlerinde ortaya çıkan tribolojik esaslı kayıpların

oldukça yüksek değerlere çıktığını göstermektedir (Tablo 1.2.).

Tablo 1.2. Etkileşim halindeki ara yüzeylerde bozulma kaynakları [20].

Ara yüzeyler (etkileşim halindeki yüzeyler) Kayıp (milyar $) / Yıl

Piston segmanı/silindir (İYM) 20

İnsan vücudu/koltuk döşemesi 20

Lastikler/yol yüzeyi 10

Takım/iş parçası 10

Matkap/delik 10

Kafa/ortam (manyetik kayıt cihazları) 10


11

Holmberg, Anderson ve Erdemir [21], 2012 yılında yayınladıkları “binek

otomobillerde sürtünme kaynaklı global enerji tüketimi” başlıklı çalışma ile sürtünme

kaynaklı enerji tüketimine somut verilerle önemli bir ışık tutmuşlardır (Şekil 1.6).

2009 yılında Dünya genelinde binek otomobillerde sürtünmeler dolayısıyla 208.000

milyon litre yakıt (benzin ve motorin) tüketilmiştir. Sürtünmelerin neden olduğu

soğutma ve eksoz kayıpları bu rakamların dışındadır. Çalışmada binek otomobillerde

sürtünmeyi düşürmeye yönelik yeni teknolojilerin uygulanması ile kayıpların kısa

vadede (5-10 yıl) %18 ve uzun vadede (15-25 yıl) %61 oranında azaltılabileceği

belirtilmektedir. Kısa vadedeki kazanımın ekonomik eşdeğeri yaklaşık 174.000

milyon Euro, uzun vadedeki ise 576.000 milyon Euro’ya karşılık gelmektedir.

Karbondioksit (CO2) emisyonundaki azalma ise sırasıyla 290 ve 960 milyon ton’dur .

Şekil 1.6. Binek otomobillerde enerji tüketimi dağılımı [21].

Ülkemizde güvenilir istatistiksel değerlerin bulunmaması nedeniyle sayısal

değerlerin verilmesi zorlaşmaktadır. Ancak ülkemizde sürtünme, aşınma ve yağlama

olaylarına ne kadar az önem verildiği düşünülürse oransal olarak ülkemizdeki

kayıpların çok büyük yüzdelere çıkması beklenebilir.

Maliyeti çok yüksek olmayan bazı tribolojik iyileştirmeler sonucunda,

sistemlerin veriminde önemli oranda iyileşmeler ve tahminlerin çok ötesinde

tasarruflar, dolayısıyla kazançlar sağlanmaktadır. Sağlanan kazanımlar içerisinde

tribolojik faktörlerin ağırlık oranları sistemden sisteme farklılık göstermektedir.

Yakıt enerjisi

%100

Eksoz

%33

Hava direnci %5

Soğutma

%29

Mekanik

güç

%38

Kullanışsız enerji

kayıpları

Toplam

enerji

kayıpları

Sürtünme kayıpları

%33

Motor

%11.5

Transm.%5

Yuvarlanma

direnci.%11.5

Frenler %5

Aracın

hareketi için

kullanılan

enerji%21.5


12

Sonuç olarak tribolojik iyileştirmeler sonucunda sağlanan kazanımlar

aşağıdaki genel başlıklar altında değerlendirilebilir:

Düşük sürtünme direncinden dolayı, enerji ihtiyacının azalması,

Sistemdeki sıcaklık artışının, dolayısıyla soğutma ihtiyacının azalması,

Aşınma miktarının azalmasıyla, eleman ve sistem ömrünün uzaması,

Aşınan elemanların değiştirilmesi veya tamiri için sistemin durmasından

kaynaklanacak kayıpların azalması,

İşçilik maliyetlerinin azalması,

Yağlayıcı çeşidinin azaltılmasıyla stok maliyeti ve alım fiyatlarının düşmesi,

Parçaların yeniden yapılması veya bakım masraflarındaki azalma

Uygun yatak kullanımı ile büyük ve pahalı olan makine gövdesi vb. elemanların

aşınmasının engellenmesi,

Sistemlerdeki boşlukların azaltılarak, işleme kalitesinin artırılması,

İnsan sağlığı ve iş güvenliğinde iyileşmeler sağlanması,

Gürültünün engellenmesi,

Ekolojik sistem üzerindeki olumsuz etkilerin azaltılması vb.

1.3. Tribolojide Yeni Eğilimler

Tribolojik iyileştirmeler ile sağlanan ekonomik kazançların yanında

sağlanacak ekolojik kazanımlarda son 5 yılda yüksek sesle dile getirilmeye

başlanmıştır. Çin’de Si-wei Zhang [19], ABD’de Michael Nosonovsky ve Bharat

Bhushan [22], Japonya’da Tamotsu Nakamura [23], Almanya’da SKF’den Stathis

Ioannides [24] yeşil triboloji (Green tribology), Japonya’dan Shinho Sasaki [25] eko-

triboloji kavramlarını yoğun bir şekilde işlemeye başlamışlardır. Si-wei Zhang [19]

yeşil tribolojiyi, ekolojik dengeyi, çevresel ve biyolojik etkenleri tribolojik bakış

açılarıyla inceleyen bilim ve teknoloji şeklinde tanımlamaktadır.

Tribolojik çalışmalarda son yıllarda üzerinde önemle durulan alanlardan birisi

de tribolojide biyomimetik uygulamalardır. İnsanoğlunun yapmak istediği teknik

sistemler doğada vardır ve en mükemmel şekilde işlemektedir. Günümüzde doğadan

ilham alan tribolojik tasarımlar ve iyileştirmeler üzerine sistematik çalışmalar büyük

bir ivme ve popülerite kazanmıştır [26].

Aşınma olayını etkileyen çok sayıda tribolojik parametrenin bulunması ve

bunların zamanla değişmesi, ayrıca sürtünme ve aşınma arasında genel geçerliliği

olan bağıntıların kurulamaması, bütün aşınma hallerini kapsayan tariflerin yapılmasını

ve genel geçerliliği olan çözümlerin bulunmasını oldukça güçleştirmektedir. Bu

güçlüklere rağmen, endüstrideki hızlı gelişim ve buna paralel olarak kayıpların çok


13

büyük değerlere ulaşması, sürtünme direnci düşük, buna karşılık aşınma dayanımı

yüksek malzemelerin geliştirilmesine yönelik çalışmaların hızlanmasına neden

olmuştur. Bu çalışmalar sonucunda, özellikle seramikler ve seramik esaslı

malzemeler büyük ilgi uyandırmış ve önem kazanmıştır.

Doğal ve yapay seramiklerden doğrudan faydalanmak mümkün olduğu gibi

bunları, kompozit şeklinde, yüzey kaplaması olarak veya yayındırarak kullanmak

mümkündür. Sert ve aşınma dayanımı yüksek olan pahalı malzemeler yerine; kolay

şekillendirilebilir, gerekli yapısal özellikleri sağlayan, alaşımsız veya düşük alaşımlı

malzemelerin, farklı yüzey teknikleri uygulanarak kullanılmaları çok daha caziptir.

Son yıllarda sağlanan gelişmelerle, aşınma dayanımını artırmaya yönelik yüzey

kaplama veya yüzey sertleştirme teknikleri, mühendislik takım ve elemanlarının

seçim ve tasarımında devrim niteliğinde değişiklere sebep olmuştur. Yağlayıcılar,

yağlama teknikleri, yataklar ve yatak malzemeleri konusunda sağlanan olumlu

gelişmeler tribolojik iyileştirmelerin hızını artırmıştır. Ali Erdemir ve arkadaşlarının

özellikle katı yağlayıcılar, karbon nanotüpler konusundaki çalışmaları [11,12]

mikroelektromekanik (MEMS) ve nanoelektromekanik (NEMS) sistemlerin

gelişmesinde önemli katkılar sunmaktadır. Yapay kalça mafsallarında kullanılmak

üzere nano teknoloji ile üretilmiş uzun ömürlü yağlayıcı grafit ve uygulaması Şekil

1.7’de verilmiştir.

Şekil 1.7. Konvansiyonel implantlara göre daha uzun ömürlü grafit kaplı yapay kalça [27].

Tribolojik çalışmalar, makro ölçekten meso, mikro ve nano ölçeklere doğru

yoğunlaşmaktadır. Nano ölçekteki çalışmalar ve kullanılan enstrümanlar daha detaylı

bilgiye ulaşımı, kontrolü ve güvenilirliği artırmaktadır. MEMS/NEMS ve

BioMEMS/BioNEMS uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Detayları bu kitabın 2.

bölümde verilen AFM, FFM, SFA, STM ve QCM gibi yüzey cihaz, sistem ve

teknikleri, tribolojik çalışmaların verimini artırmakta ve yorumlarını önemli ölçüde

kolaylaştırmaktadır [28, 29, 30].


14

Triboloji ile ilgili yeni bir çalışma alanı da “Tribotronik” tir. Bu terim ilk

olarak İsveç’te bulunan Lulea Teknik Üniversitesi Makine Bölümünde, triboloji ve

elektroniğin entegrasyonu için kullanılmıştır. Tribolojik sistemlerin performansını

artırmak için elektronik kontrole ihtiyaç duyulmaktadır. Tribotronik tanımı

mekatroniğin tanımına benzemekle birlikte aralarında temel farklılıklar

bulunmaktadır. Mekatronik sistem fonksiyonel ve faydalı giriş ve çıkış

büyüklüklerini/bilgilerini (devir sayısı, tork, kuvvet vb.) kullanır. Tribotroniğin temel

prensibi ise kayıp çıktıları (sürtünme, aşınma, titreşim vb.) kullanmaktır.

Tribotroniğin amacı bu kayıp çıktıların kontrolü ile tribolojik birimlerin performans,

verim ve güvenilirliğini artırarak makine ve teknik sistemleri geliştirmektir [31].

1.4. Mühendislikte Triboloji Eğitim ve Öğretimi

Tribolojik etkenlerle yıllık kayıpların milyar dolarlar seviyesine ulaşması,

ekolojik dengenin korunmasına yönelik kamuoyu baskıları ve tribolojik

iyileştirmelerle sağlanan faydaların raporlar ve istatistiksel çalışmalarla ortaya

konması, tribolojik alanlarda yetişmiş insan gücüne olana talebi artırmaktadır.

Gelişmiş ülkelerde bu talebe paralel olarak triboloji alanında insan yetiştirmeye

yönelik çalışmalar büyük bir ivme kazanmaktadır. Toyota ve Bosch gibi teknoloji

devleri, tasarım aşamalarından başlamak üzere bünyelerinde çok sayıda triboloji

eğitim ve öğretimi almış tribolojist çalıştırmaktadır [16].

Ülkelerin gelişmişlik seviyesi ile triboloji alanında çalışan araştırmacı sayısı,

triboloji eğitim programlarının yoğunluğu, üniversitelerde triboloji araştırma

gruplarının oluşumu, araştırma konularının güncelliği ve düzeyi arasında bir paralellik

bulunmaktadır. Bunun nedeni, sanayi toplumlarında kötü ve yetersiz tribolojik

çözümlerin neden olduğu ekonomik kayıpların oluşturduğu riskin çok daha yakından

hissediliyor olmasıdır. Triboloji, dünyada çok sayıda araştırmacının çalıştığı bilim

alanlarından birisidir. Bu araştırmacıların % 40,6'sı ABD'de ve % 11,5’i Japonya’da

bulunmaktadır. ABD’de Triboloji ve Yağlama Mühendisleri Topluluğu (STLE),

NASA Lewis Araştırma Merkezi Triboloji ve Yüzey Bilimi Kolu, ASME Triboloji

bölümü ve Japon Triboloji Topluluğu dünya ölçeğinde meslek içi eğitim

organizasyonlarında öncülük görevi üstlenmişlerdir. ABD, Japonya, İngiltere ve Batı

Avrupa ülkelerindeki teknik üniversitelerin çoğunda lisans ve yüksek lisans

düzeyinde triboloji dersleri ve programları açılmaktadır. Bu üniversitelerde triboloji

araştırma grupları oluşturulmuştur. Southern Illinois, North Western ve Georgia

Üniversitelerinde triboloji araştırma merkezleri; Ohio, Colorada, New York, Illinois,

Western Michigan üniversitelerinde gelişmiş triboloji laboratuvarları, Virginia

Üniversitesinde de biyotriboloji laboratuvarı bulunmaktadır. İngiltere'de ülke çapında

triboloji komitesi görev yapmaktadır. Leeds'de triboloji laboratuvarları kurulmuştur.

Japonya'da Tokyo Teknoloji Enstitüsü içinde ve pek çok üniversitede (Tokyo,


15

Kyushu, Kanazavva, Tohoku, Saitama) güçlü tribolojik araştırma birimleri

bulunmaktadır. Çin'de tribolojik araştırma ve uygulamalar için triboloji enstitüsü ve

triboloji milli laboratuvarı bulunmaktadır. 1990'da Çin triboloji veritabanı ve modern

tasarım ağı kurulmuştur. Çok sayıda süreli bilimsel dergi ve kitap yayınlanmaktadır.

İşlevine ve önemine bakıldığı zaman tribolojinin makina mühendisliği programlarında

öğrenciler için zorunlu bir ders olarak yer alması akla uygun gelmektedir.

Bozacı [32], ülkemizde triboloji derslerine daha çok yüksek lisans düzeyinde

ağırlık verildiğini, lisans düzeyinde ise makina elemanları ve tasarımı derslerinin

konuları arasına yüzeysel olarak serpiştirildiğini belirtmektedir. Bozacı, triboloji

derslerine yeterince ağırlık verilmeyişini, triboloji bilimindeki bilgi ve bulguların

makina tasarımına aktarılıp uygulanmasında karşılaşılan dar boğazların en önemli

nedeni olarak göstermektedir. Bozacı, triboloji eğitiminin mühendislik eğitimi içinde

nasıl ve hangi ölçekte yer alması gerektiğinin öncelikle tartışılması ve gerekli

altyapının sağlanması ihtiyacını vurgulamaktadır.

Avustralya Queensland üniversitesinden V. Kosse ve D. Hargreaves [33],

öğrencilerle geri beslemeli olarak yaptıkları çalışmalar sonucunda uygulamalı

projelerle desteklenmiş temel triboloji, güvenilirlik ve bakım derslerinin öğrencilerin

tasarıma yönelik gelişmelerini önemli ölçüde iyileştirdiğini ortaya koymuşlar ve

uygulanabilir bir program geliştirmişlerdir.

Drozdov ve arkadaşları [34], dünyadaki enerji kaynaklarının %30’unun farklı

formlardaki sürtünmeler dolayısıyla harcandığını, hareketli makine parçalarının %90

oranında aşınmalar dolayısıyla kullanım dışı kaldıklarını dolayısıyla mühendislik

öğretiminin temelinde olması gerektiğini bildirmektedirler. Ludema, triboloji ve

triboloji öğretimi alanında oldukça geniş kapsamlı çalışmaları olan bir bilim insanıdır.

Ludema [35], başarılı ve verimli triboloji öğretimindeki en önemli anahtarın,

tribolojistlerin çok disiplinli ve disiplinler arası iş birliklerini geliştirmesi olduğunu

belirtmektedir.

Ülkemizdeki mühendislik çalışmaları önemli ölçüde imalat, işletme ve bakım

ağırlıklıdır. Dolayısıyla planlı, bilinçli ve sistematik eğitim ve öğretime dayalı olarak

gerçekleştirilecek tribolojik iyileştirmeler, yüksek oranda katma değer sağlayacaktır.

Triboloji eğitim ve öğretiminin normal lisans ve yüksek lisans dönemleri

dışında, sürekli eğitim birimlerinde, mühendislik topluluklarının çatısı altında örgün

ve internet destekli olarak verilmesi; ekonomik, teknolojik ve ekolojik açıdan büyük

kazanımlar sağlayacaktır. Çalışmaların verimini artırmaya yönelik olarak bilimsel

dergiler yanında temel ders kitaplarının da yayınlanması gerekmektedir.


16

Tribolojinin endüstrideki önemi, ekonomik, teknolojik ve ekolojik boyutu göz

önüne alınarak; lisans, yüksek lisans ve hayat boyu (sürekli) eğitim ve öğretiminde

kullanılmak üzere ders kitabı olarak hazırlanan yüzey mühendisliği serisi 3 temel

kitaptan oluşmaktadır.

Yüzey mühendisliği serisinin “Temel Triboloji (Basic Tribology)” isimli bu

ilk kitabında tribolojinin temel bileşenleri ve tribolojiye giriş konuları ele

alınmaktadır. Kitabın 1. bölümünde tribolojinin tanımı, bileşenleri ve endüstrideki

önemi, 2. bölümünde sürtünme, aşınma ve yağlama olaylarını önemli ölçüde etkileyen

yüzey özellikleri, bunların ölçülmesi, 3. bölümünde sürtünme olayı, sürtünme teorileri

ve farklı malzemeler arasındaki sürtünme davranışları, 4. bölümünde aşınma ve

aşınma mekanizmaları, 5. bölümünde tribolojik test sistemleri (sürtünme direnci ve

aşınma dayanımı ölçüm yöntemleri), 6. bölümünde yağlayıcılar ve yağlama

teknikleri, 7. bölümünde yataklar ve 8. bölümünde tribolojik açıdan tasarım konuları

ele alınmıştır.

Yüzey mühendisliği serisinin “Uygulamalı Triboloji” isimli ikinci kitabında;

imalat tribolojisi, proses tribolojisi, transport tribolojisi, bakım tribolojisi,

biyotriboloji, insan tribolojisi, taşıt tribolojisi, yeşil triboloji, eko-triboloji, tribolojik

uygulamalar için biyomimetik, yenilenebilir enerji uygulamaları için triboloji, sensör

tribolojisi, yağlama mühendisliği, yüzey mühendisliği, tribolojik çalışmalarda

bilgisayar uygulamaları, bilgisayar destekli triboloji (BDT/CAT) ve sayısal triboloji

konuları ele alınacaktır.

Yüzey mühendisliği serisinin “Otomotiv Tribolojisi ve Ekolojik Taşıtlar”

isimli üçüncü kitabında; elektrikli taşıtlar öncelikli olmak üzere otomotiv

endüstrisindeki tribolojik sistemler/prosesler, verimi artırmaya yönelik tribolojik

iyileştirmeler, motor tribolojisi, tesisat tribolojisi sensör tribolojisi, yağ seçimi

yağlama sistemleri, yatak seçimi ve kendinden yağlamalı sistemler, otomotivde yüzey

mühendisliği uygulamaları ve elektrikli taşıtlarda bakım tribolojisi konuları

işlenecektir.

Kaynaklar

[1] Jost Report, House of Commons, Official Reports, Parliamentary Debates, V733, 74, 1966.

[2] Lang O. R., Geschichte des Gleitlagers, Daimler-Benz AG, Stuttgart, 1982.

[3] Amontons G., Histoire de l’Academic Royale des Sciences avec les Memoires de

Mathematique et de Physique, p.206, 1699.


17

[4] Coulomb V. A., Memoires de Mathematique et de Physique de l’Academic Royale des

Sciences, p.122, 1785.

[5] Bowden F.P., Tabor D., The Friction and Lubrication of Solids, Clarendon, Oxford, 1950.

[6] Kragelsky I. V., Friction and Wear, Butterworths, London, 1965.

[7] Welch N. C., The Dry Wear of Steels, Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., 257A, 31-70, 1965.

[8] Holm R., Electrical Contacts, Almquist and Wiksells, Uppsala, 1946.

[9] Finch I., Trans. Far. Soc., 33, 425, 1937.

[10] Hardy B., Collected Works, Cambridge University Press, 1936.

[11] Erdemir, A. and Martin, J., Superlubricity, Elsevier, 2007.

[12] Erdemir, A. and Donnet, C., Tribology of diamond-like carbon films, Springer, 2008.

[13] Jost, H. Peter, A Perspective of Tribology, International Tribology Council, 2010.

[14] Blau P. J., Friction Science and Technology: From concepts to applications, CRC, 2009.

[15] Stolarski T. A., Tribology in Machine Design, Butterworth Heinemann, 2000.

[16] Jost, H Peter, Tribology Micro & Macro Economics: A Road to Economic Savings,

Tribology & Lubrication Technology; Vol. 61 Issue 10, 2005.

[17] U.K. Department of Education and Sci., Lubrication Education and Research, 1966.

[18] www.groups.iop.org, Wear Sensing, The Novartis Foundain, 2002.

[19] Zhang, Si-wei, Current Industrial Activities in China and Green Tribology, Institution of

Engineering & Technology, London UK, 2009.

[20] Rabinowics E., In tribology and mechanics of magnetic stroge systems, V3, ASME, 1986.

[21] Holmberg, K., Andersson P. And Erdemir A., Global energy consumption due to friction

inpassenger cars, Tribology International, 221–234, 47, 2012. [22] Nosonovsky M. and Bhushan B., Green Tribology: Biomimetics, Springer, 2012.

[23] Nakamura, T., et.al., Lubrication Performance of Environmentally Friendly Lubricants for

Forging, 59th Japanese Joint Conference for the Technology of Plasticity, 579-580, 2008.

[24] Ioannides, S., Industry and Green Tribology, SKF. [25] Sasaki, S., Environmentally friendly tribology (Eco-tribology), Journal of Mechanical

Science and Technology 24, 67-71, 2010.

[26] Zhendong, D., Jin, T., Luquan, R., Researches and developments of biomimetics in

tribology, Chinese Science Bulletin, 51, 22, 2681-2689, 2006.

[27] www.futurity.org/how-to-build-a-better-hip-graphite/, Posted by Megan Fellman-

Northwestern University on December 28, 2011.

[28] Bhushan, B., Conference on Trends in Nanotribology, 2009

[29] Soydan, Y., New Trends in Tribology and Nano- Mesoscale Tribology, 6th Nanoscience

and Nanotechnology Conference-NanoTR-6, 2010.

[30] Mang, T., Bobzin K. and Bartels T., Industrial Tribology, Wiley, 2011.

[31] Glavatskih, S. and Höglund, E., Tribotronics-Towards active tribology, Tribology

international 41, 934–939, 2008.

[32] Bozacı, A., Keskin İ., Türkiye'de ve Dünyada Triboloji Eğitimi, TMMOB Makina

Mühendisleri Odası, Ulusal Makina Mühendisliği ve Eğitimi Sempozyumu, 2003.

[33] Kosse, V., and Hargreaves, D.,Teaching Tribology in Engineering Courses, International

Tribology Conference, Austrib 06, Brisbane, 2006.

[34] Drozdov, Yu. ve diğ., Using the Achievements in Tribology for Teaching Technical

Disciplines, J. of Machinery Manufacture and Reliability, 40, 2, Allerton Press, 2011.

[35] Ludema K. C., Teaching Tribology, New Direction in Tribology, First World Tribology

Congress, 321-328, 1997.

http://www.groups.iop.org/

http://www.aip.org/proceedings

http://www.aip.org/proceedings

triboloji veya tribo-teknik, tanımlama ve tarihsel...

Documents