علت تغییر رنگ در روغن PAG کمپرسور فرآیندی: مطالعه موردی

با اهدا سلام و تقدیم احترام به تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

پیرو تبادل سوال و جواب روی داده بین نویسنده و یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره مساله تغییر رنگ در نمونه یک روغن کمپرسوری تیپ PAG و نگرانی کادر زحمتکش و مظلوم تعمیرات روتاری از وقوع تغییر رنگ در روغن کمپرسور، تصمیم به نگارش مقاله ای در این خصوص با هدف تشحیذ اذهان خوانندگان محترم در خصوص تفسیر صحیح نتایج آنالیز روغن، بخصوص در مورد روغن های PAG، و لزوم بررسی و فرآیند نمونه گیری و صحه گذاری زنجیره آنالیز روغن (از نمونه گیری تا تفسیر و صدور دستور تعمیراتی) گرفتم.

شرح سوال: روغن یک کمپرسور اسکرو oil inject شرکت GHH RAND شامل 400 لیتر روغن گلایکول 11 و 22 از هرکدام 200 لیتر میباشد. طبق عکس ها روغن تغییر رنگ غیرعادی داشته و نتایج آزمایشگاهی نشان از افزایش غیرمجاز CU بوده است. آیا مس باعث تغییر روغن شده است؟ کمپرسور احیای نیتروژن هستش که گازهای دیگه ای همانند پروپیلن و شبیه به آن در پروسس وجود دارند، نسبت تراکم 1 به 16

P_suction= 29.4 psia

P_discharge= 235.2 psia

دو مخزن 200 لیتری گلایگول 11 و 12 وظیفه روغنرسانی به کمپرسور را بعهده دارند. بصورت مجزا  جایی مخلوط نمی شوند و درون مخزن کمپرسور تخلیه می شوند. دمای کارکرد روغن با دمای گاز نیتروژن باید یکی باشد که 80 تا 90 درجه سلسیوس است.

شکل 1: وضعیت فیلتر روغن به تغییر رنگ روغن PAG توجه کنید

شکل 2: استرینر ورودی به کمپرسور که روغن در سیستم گردش داشته

می دانیم که این نوع روغن آب دوست هستش و تمایل به جذب ترکیبات هیدراته دارد و در خرابی های پرتکرار قبلی ویسکوزیته تغییرات بسیاری داشته و در نتیجه باعث بالا رفتن ‌پیک های ارتعاشی بیرینگ ها وخرابی روتور بوده است و پس از رفع عیب و عارضه یابی در نوبت اخیر این اتفاق افتاد (تغییر رنگ).  البته با توجه به مشکلات تامین روغن، از یک شرکت جدید تامین صورت گرفت که به اصالت روغن و نوع ادتیوهای بکار رفته شک داشتیم که این تغییر رنگ اتفاق افتاده و باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده...لازم به ذکر است در مدارک شرکت سازنده تعویض روغن در هر 2000 ساعت میباشد که زمان بسیار کوتاهی است.  این پکیج احیای نیتروژن به دلیل وجود گاز (mixed gas) در سیال، در برخی موارد انحلال گاز  در روغن داریم. پکیج مربوط به جداسازی نیتروژن و پروپیلن هستش، بحث انحلال مربوط به گازهای هیدروکربنی مانند پروپیلن میباشد، البته شرکت بورسیگ (طراح این پکیج) عنوان داشته که این نوع روغن مقاومت بسیار بالایی نسبت به انحلال گاز دارد. نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد به شرح زیر است:

شکل 3: بخشی از منوآل سازنده کمپرسور که به به برند و گرید ویسکوزیته روغن مصرفی برای این تجهیز اشاره کرده است

شکل 4: برگ اول فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون پراکندگی عناصر، آزمون PQ، ویسکوزیته، و عدد اسیدی

شکل 5: برگ دوم فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون تمیزی روغن (PD test)

این مقاله را ابتدا با مقدمه ای بر روانکارهای کمپرسوری و بیان خواص مورد انتظار از آنها و تست ها و استاندارد های لازم برای تعیین کیفیت و عملکرد آنها آغاز کرده و در ادامه به بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد (شکل های 4 و 5 را ببینید) خواهیم پرداخت و در نهایت، به نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی خواهیم رسید.

1. مقدمه ای بر روغن های PAG کمپرسوری و انحلال پذیری آنها در گاز

انتخاب روانکار مناسب برای تجهیزی مانند یک کمپرسور به عوامل ذیل وابسته است:

- نوع و ساختار کمپرسور

- نوع گازی که قرارست متراکم شود

- نسبت تراکم

- دمای خروج گاز از کمپرسور

استاندارد ISO 4763-3 روال و دستورالعملی را برای طبقه بندی روغن های کمپرسوری براساس نوع تجهیز و شرایط عملکردی آنها ارائه داده است [1] که برای کمپرسور موضوع این مقاله، مراجعه به جدول 2، صفحه 4، این استاندارد توصیه می شود [2].

عل ایحال، رایجترین مشکلات مربوط به روغن های کمپرسوری عبارتند از:

- افزایش ویسکوزیته و عدد اسیدی کل؛

- خوردگی مس (که باعث سبزرنگ شدن روغن می شود)

- تشکیل لجن

- انحلال مقداری از روغن کمپرسور درون جریان گاز خروجی از کمپرسور

- انسداد استرینر روغن

- خرابی برینگ ها

با این اوصاف، یک روغن کمپرسور بمنظور روغنرسانی موفق به قطعات و اجزای این تجهیز باید از خواص زیر برخوردار باشد:

- مقاومت به اکسیداسیون

- بازه عملکرد دمایی بالا (شامل دمای اشتعال خودبخودی بالا، دمای ریزش پایین، و شاخص ویسکوزیته بالا)

- تبخیرپذیری پایین

- عملکرد عالی در مقاومت به سایش

- انحلال ناپذیری خوب

- مقاومت مکفی به خوردگی

- مقاومت به شوک حرارتی و اکسیداسیون ناشی از آن

- بازدارندگی در برابر خوردگی و تشکیل محصولات خوردگی

- پایداری هیدرولیتیک

- سازگاری شیمیایی با انواع مواد (اعم از مواد تشکیل دهنده گسکت ها، واشرها، و...)

- عدم تمایل به تشکیل لجن

- تمایل اندک به کم کردن روغن در تجهیز

- عدم تمایل به تشکیل کف

- عدم سمی بودن

قبلا درباره روغن های PAG در این وبلاگ معرفی های لازم انجام شده است. لذا توصیه می شود در این خصوص به مقاله «روغن های PAG از نگاه نزدیک: مطالعه موردی» مراجعه شود. اما، از دیدگاه انحلال ناپذیری، عملکرد روغن های PAG کمپرسوری در برابر انحلال گاز طبیعی و سایر هیدروکربن ها در مقایسه با انواع مینرال و سینتتیک هایی مانند PAO بسیار بهترست که البته بدلیل شباهت ساختاری ملکول های روغن های مینرال و انواع هیدروکربن ها و در عین حال، قطبیت اندک رو به صفر روغن های سینتتیک PAO، رفتاری بدور از انتظار نبود. این در حالیست که روغن هایی مانند خانوده دی اِسترها، و PAG ها، بدلیل وجود اتم اکسیژن در پیکره پلیمری (Polymer backbone) آن بویژه در مورد روغن های PAG، از ساختاری کاملا قطبی [1,3] برخوردارند. بنابراین، طبیعیست که هیدروکربن ها در PAG ها نامحلول باشند. این خصیصه، بویژه در مورد روانکاری کمپرسورهای رفت و برگشتی و اسکرو که از سیستم روغنرسانی Wet Sump برخوردار بوده و از این رو گاز متراکم شده و روانکار در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، اهمیت زیادی پیدا می کند [1]. تماس عامل روانکاری کمپرسور با گاز تحت تراکم می تواند منجر به کاهش محسوس در ویسکوزیته روغن شود. اما، شدت و ضعف افت ویسکوزیته است که در اینجا مهم است. چراکه افت ویسکوزیته بشدت روی ضخامت فیلم روغن تاثیر منفی گذاشته و ریسک خرابی برینگ ها را بالا می برد. به شکل 6 نگاه کنید. در این نمودار، واکنش دو روغن PAG و مینرال به انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C به نمایش درآمده است.

شکل 6: مقایسه ایی از روند افت ویسکوزیته دو روغن PAG و مینرال در برابر انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C (شرایط دما-ثابت) [4]

همانطور که در شکل 6 هویداست، تمایل به افت ویسکوزیته در عین افزایش فشار در مورد روغن PAG بسیار با ثبات تر از روغن مینرال است.

با توجه به دمای کاری روانکار که 80 تا 90 درجه سلسیوس است و اذعان به اینکه پیشتر از این مواردی از انحلال گاز در روانکار دیده شده است، می توان نمودار مندرج در شکل 7 را بعنوان معیاری اولیه از رفتار روغن PAG در زمینه انحلال پذیری در مواجه با گاز هیدروکربنی مانند پروپان مورد توجه قرار داد:

شکل 7: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط دما-ثابت [1]

همانطور که در شکل 7 مشهودست، در شرایط دما-ثابت و با افزایش فشار، میزان انحلال هیدروکربن در PAG افزایش یافته و شیب این افزایش انحلال پذیری با افزایش دما از 20 به 70°C باندازه 3.4 برابر رشد می کند (جدول 1 را ببینید).

جدول 1: ضوابط ریاضی حاکم بر منحنی های نشان داده شده در شکل 7

ذکر این نکته لازمست که ضوابط ریاضی استخراج شده از شکل 7 که در جدول 1 نشان داده شده اند، جملگی با تکیه بر برازش منحنی با استفاده از تکنیک Data Interception استحصال شده و همگی تا دو رقم اعشار گرد شده اند. در عین حال، سطور هایلایت شده در جدول 1 نشاندهنده استخراج اعداد و ارقام با استفاده از برازش منحنی است.

جدول 1 در کنار نمودار شکل 7 نشان می دهد که برای یک روغن PAG-220 نوعی، انحلال پذیری در برابر نفوذ گاز هیدروکربنی در دمای 80 درجه سلسیوس که موضوع این مقاله است، نسبت به دمای متعارف 20°C بیش از چهار برابر رشد می کند.

برعکس این قضیه زمانی صادق است که فشار گاز خروجی از کمپرسور ثابت فرض شود (شکل 8). در چنین شرایطی، افزایش دما با روندی خطی منجر به کاهش تمایل روغن PAG به انحلال پذیری گاز هیدروکربنیک خواهد شد [1].

شکل 8: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط فشار-ثابت [1]

از این گذشته، با عنایت به اینکه کمپرسور موضوع این مقاله در یک پکیج جداسازی نیتروژن (N₂) از پروپیلن نصب است، بنابراین مطالعه انحلال پذیری گاز ازت در دو روغن PAO و PAG و مقایسه آنها با یکدیگر نیز خالی از لطف نیست. به نمودار مندرج در شکل 9 نگاه کنید.

شکل 9: انحلال پذیری گاز نیتروژن در دو روغن PAO و PAG [1]

بنابراین و تابدینجای کار می توان نتیجه گرفت که ادعای شرکت بورسیگ در مورد مقاومت روغن PAG در برابر انحلال گاز میکس (ترکیب نیتروژن و پروپیلن) کاملا درست است.

2. بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن

نتایج تست های انجام شده بمنظور پایش سلامت روغن PAG این کمپرسور فرآیندی در شکل های 4 و 5 نشان داده شده است. در ابتدا لازمست بدانیم که برای سنجش سلامت یک روغن کمپرسوری چه تست هایی و براساس چه استانداردی لازمست؟ پاسخ به این سوال را می توان در جدول 2 یافت:

جدول 2: تست های یک روغن کمپرسوری [1]

بدین ترتیب، در مورد نتایج حاصله از تست های سفارش داده شده توسط کارفرما به آزمایشگاه معتمد می توان گفت: اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا غلط است. اول اینکه این برگه نتایج آنالیز با پیش فرض آنالیز روغن موتور تدوین شده است؛ ولی، منتهای مراتب، نمونه روغن شما PAG کمپرسوری است که رفتاری کاملا متمایز با رفتار یک روغن موتور دارد.

دوم اینکه افزایش میزان سیلیسیم (Si) در نمونه روغن همیشه به معنای ورود گردوخاک به جریان روغن نیست! در مورد برخی روغن های موتوری، آنهم در برخی مواقع، بله! تازه اینهم باید در هارمونی با رفتار ریاضی شاخص های دیگری باشد و نمی توان نتیجه گیری مستقیم کرد. این نتیجه گیری و اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا عجولانه است.

سوم اینکه عمر روغن کمپرسوری شما کمی کمتر از 500 روزست و نمونه گیری نیز منظم نیست. افزایش و کاهش شدید در عناصر شیمیایی نیز با توجه به اندک بودن مقدار نمونه روغن (5 سی سی) طبیعی است و نمی توان گفت که زنجیره آنالیز روغن (نمونه گیری، ارسال به آزمایشگاه، آنالیز، و گزارش دهی) غلط است! نمودار های زیر را ببینید:

شکل 10: رفتار سه وجهی سیلیسیم، آهن، و ذرات جامد درون نمونه روغن

نمودار شکل 10 نشاندهنده رفتار غیرهارمونیک Si در برابر فرسایش است. اگر فرسایش با توجه به ورود گردوخاک اتفاق می افتاد، پس رفتار Si در برابر آهن و به تبع آن، PQ باید هارمونیک می بود...که نیست!

رفتار آهن و PQ را اما می توان تحلیل کرد بصورت جداگانه که آیا هارمونیک هستند یا نه؟ البته که این نمودار نشاندهنده آنست که order نمو Si با نمو آهن و PQ کاملا متفاوت است. نمودار شکل 11 را ببینید.

شکل 11: نمو آهن و PQ

همانطور که در نمودار شکل 11 هویداست، تغییرات آهن و PQ نمونه روغن ارسالی هارمونیک است. این نشاندهنده کفایت و صحت نمونه گیری و آنالیز است. بنابراین نمی توان زنجیره آنالیز روغن را زیر سوال برد.

برداشت من از این نمودار اینست که روغن شما عملکرد فرساینده نداشته و در حال طی دوران عملکردی خود بوده است.

دومین دلیل برای رد ادعای آزمایشگاه در خصوص ورود گردوخاک و اینها را می توان در آنالیز نسبت سیلیسیم به آلومینیوم دید...شکل 12 را ببینید. رفتار شاخص Si/Al خود گویای همه چیزست و حتی نیاز به تفسیر و تاویل نیست!

شکل 12: نمو شاخص ورود گردوخاک به جریان روغن...نسبت سیلسیم به آلومینیوم (سیلیکا به آلومینا)

با این تفاسیر، اگر نظریه خرابی آزمایشگاه معتمد مبنی بر ورود آلودگی محیطی (گرد و خاک و غبار) به جریان روغن کمپرسور صحیح نیست؛ پس تغییر رنگ روغن (شکل 1 را ببینید) ناشی از چیست؟!

این سوالیست که در بخش بعدی مقاله به پاسخ آن خواهیم رسید.

3. تغییر رنگ روغن ناشی از چیست؟

عکس های ارسالی نشانه تغییر رنگ روغن است. این در حالیست که اگر روغن وارد فاز فرسایندگی شده بود (در اثر ورود گردوخاک و اینها...)، باید Si در برابر آهن و PQ نمو هارمونیک می داشت (که دیدیم ندارد!)، شاخص Si/Al باید در محدوده صحیح نمو می کرد و میزان TAN نیز نوسان شدید می داشت که ندارد!

پس این روغن فرساینده نیست. تغییر رنگ داشته است که باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده ... اما تغییر رنگ نشانه چیست؟

در آنالیز روغن های موتوری، هیدرولیک، و توربینی، تغییر رنگ (مخصوصا تیره شدن) نشانه اکسیداسیون است که شرح مکانیزمش را در مقاله ادتیوها (بخش مربوط به آنتی اکسیدان ها) گفته ام.

پس روغن شما دچار اکسیداسیون شده که رنگش تیره شده است؟!

پاسخ منفیست! چراکه جمله فوق برای حالتی درست است که روغن مینرال باشد. حال آنکه روغن مورد مطالعه  PAG است و یکی از مقاومترین روغن ها به پدیده اکسیداسیون به شمار می رود. در عین حال، اکسیداسیون زمانی معنا دارد که انحلال هوا داشته باشیم در جریان روغن...حال آنکه این کمپرسور سیال عاملش اصلا هوا نیست و یک گاز کاملا نجیب در بحث اکسیداسیون (نیتروژن) است که اصلا در فرآیند اکسیداسیون شرکت نمی کند! پس تغییر رنگ روغن شما نباید در اثر اکسیداسیون رخ داده باشد. تغییر رنگ در اثر ورود ذرات جامد و فرسایش نیز نیست...هم نمودار شماره 2 و هم برگه نتیجه آزمون NAS (تست تکمیلی آزمایشگاه) نیز این نتیجه را تایید می کنند. روغن شما از نظر ذرات خارجی تمیز است!

از سوی دیگر، نظریه اکسیداسیون یک روغن کمپرسوری زمانی می تواند قوت بگیرد که روغن از خود رفتار اسیدی نشان دهد. این یعنی تغییرات TAN و pH (که این دومی در تست سفارش داده نشده توسط پتروشیمی رجال!) باید هارمونیک باشد. البته چون مقدار pH را اندازه نگرفته آزمایشگاه، می توان به نمو TAN نگاه کرد. این نمو عاری از نوسان شدید در مقایسه با تغییرات عناصری چون سیلیسیم، آلومینیوم، مس، و آهن است. در عین حال، باید علاوه بر این موارد، میزان ویسکوزیته روغن نیز باید دستخوش تغییرات شدید می شد...که نشده است!

خب پس تغییر رنگ در این روغن نشانه چیست؟! اگر روغن سالم است (اصطلاح راه آهنی است...!) پس چرا تغییر رنگ داشته؟!

پاسخ به این سوال را باید در ترکیبات روغن PAG مصرفی جستجو کرد. همانطور که احتمالا (!) می دانید، روغن های PAG آبدوست بوده و تمایل زیادی به جذب ترکیبات هیدراته دارند. این عامل می تواند منجر به تغییر رنگ روغن PAG در تقابل با تقلیل اثر برخی از ادتیوهای آن (همان Additive depletion) شود که بیشتر شامل ادتیو های EP و AW است. تقلیل اثر این تیپ ادتیوها که به مرور اتفاق می افتد می تواند منجر به آزاد شدن برخی ترکیبات شیمیایی در جریان روغن شود که حضور آب بعنوان یک ترکیب قطبی در جریان روغن در همراهی با این ترکیبات معمولا معدنی اثراتی چون تغییر رنگ را رقم خواهد زد که تا زمانی که روی عملکرد روغن اثر نداشته باشد، مشکلی ایجاد نمی کند.

4. نتیجه گیری و ارائه راهکار

روغن شما سالم است و در حال طی دوران عمر خود است. این روغن مشکلی برای کار در تجهیز شما ندارد. انجام تست های تکمیلی مانند RPVOT توصیه نمی شود (هدر دادن وقت و پول است و تفسیر آن نیز کار هر کسی نیست!). شاخص هایی که باید در آنالیز های بعدی سفارش دهید به شرح زیر تقدیم شده است:

- TAN vs pH

- VI (kV40 & kV100)

- PQ vs Fe

5. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله در رابطه با انحلال پذیری گاز فرآیندی در جریان روغن PAG کمپرسوری و تاثیر آن بر پارامترهای آنالیز روغن، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. G.E. Totten, R.J. Bishop, Natural Gas Compressor Maintenance and Lubricant Requirements, Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/393/natural-gas-compressors-maintenance , accessed February 19, 2023;

2. International Organization for Standardization (ISO), ISO 6743-3:2003(E), Lubricants, oils and related products (class L) — Classification — Part 3: Family D (Compressors), First edition 2003-10-15, http://www.iso.org;

3. D. Beatty, M. Greaves, Polyalkylene Glycol Synthetic PAG Oil Explained, Machinery Lubrication (9/2006), Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/930/pag-synthetic-oil, Accessed February 19, 2023;

4. FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, RENOLIN LPG: High-performance synthetic gas compressor lubricants based on polyalkylene glycol (PAG), Product Information, PI 4-1071; PM 4 / 08.08, http://www.fuchs-europe.de

رسانایی الکتریکی روغن و تخلیه الکترواستاتیک: مطالعه موردی

درود فراوان به تمامی مخاطبان محترم این وبلاگ مهندسی

موضوع این مقاله در رابطه با پاسخ به سوال واصله از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در رابطه به رسانایی الکتریکی یک روغن کمپرسور است که مستمسکی شد برای نگارش یک مقاله نسبتا مفصل درباره این مشکل و راه های مناسب برای غلبه بر آن

شرح سوال: برای کم کردن یا خنثی سازی اثرات مخرب پدیده ESD (ElectroStatic Discharge) روی روغن کمپرسور Screw مخازن آمونیاک که باعث تخریب روغن و جدا شدن ادتیوهای آن می شود، چه راهکاری پیشنهاد می کنید؟

تا چند سال پیش از روغن Shell Clavus 68 استفاده می‌کردیم تا اینکه خرابی برینگ و آسیب به کمپرسور زیاد شد؛ بررسی کردیم و متوجه شدیم این روغن چند سال است که از تولیدات شل خارج شده و در واقع، روغن های تقلبی خریداری میشده تابحال! با تجربه ای که در مورد مشابه داشتیم، از روغن بهران سرد ویژه 68 استفاده می کنیم (در حال حاضر). راستش در مورد اینکه رسانایی الکتریکی روغن ما چقدر است؟ هیچ اطلاعی ندارم!

و در پایان اینکه:  با اطمینان نمی تونم بگم ولی اثرات جرقه های بسیار کوچک در قسمت پوسته خارجی فیلتر، نشست جرم بشکل منظم رو فیلتر، مرتب با افزایش دلتا پی مواجهه و بنظر می رسد ادتیوهای روغن جدا شده باعث گرفتگی فیلتر روغن می شود و در نتیجه خرابی تجهیز، ضمن اینکه با سانتریفیوژ و پیوری فایر روغن را تمیز میکنیم.

برای پاسخ به این سوال و با توجه به شرحی که داده شد، و البته از آنجا که فکر می کنم این مشکل شاید مشکل واحد های صنعتی دیگری نیز در ایران باشد، ابتدا با مقدمه ای بر اینکه اصلا رسانایی الکتریکی روغن چی هست؟! شروع می کنم. سپس به بررسی تاثیر تخلیه الکترواستاتیک یا ESD روی کیفیت روانکار و فیلتر خواهیم پرداخت. طی مرحله بعد، دو روغن معرفی شده در شرح سوال مورد بررسی از منظر رسانایی الکتریکی قرار گرفته و در نهایت، به نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی می رسیم. منابع و مآخذ مورد استفاده در تدوین این مقاله نیز در انتهای مقاله مورد اشاره قرار گرفته اند برای مطالعه بیشتر علاقمندان

1. مقدمه ای بر رسانایی الکتریکی روغن

اولین تلاش ها برای اندازه گیری رسانایی الکتریکی فیلمی از جریان روغن به 1940 و حین تلاش برای تعیین الگوی رفتاری فیلم روغن در گذار از رژیم روغنرسانی هیدرودینامیک به روغنرسانی مرزی بازمی گردد که شامل اعمال ولتاژی اندک (حداکثر 0.1V) به فیلم روغن تشکیل شده در یک ماشین چهار ساچمه ای (Four-ball Machine) در حال چرخش تا زمان رسیدن سکون جریان روغن و اندازه گیری مقاومت الکتریکی فیلم روغن ایستا بود. نتایج چنین روش آزمونی حاکی از آن بود که رژیم روغنرسانی هیدرودینامیک مستلزم مقاومت بسیار بالای فیلم روغن (بیش از 10⁴Ω) است. همزمان، تلاش برای مطالعه رفتار فیلم روغن در زمینه رسانایی الکتریکی از طریق ویسکومترهای دیسکی، و بعدها در 1946، با تعیین روشی بمنظور اندازه گیری مقاومت فیلم روغن بین رینگ پیستون و پیراهن سیلندر یک موتور درونسوز ادامه یافت [9].

بنا به تعریف، رسانایی الکتریکی عبارتست از مقدار الکتریسیته ای که در هر واحد از مساحت توسط توده ای از یک جسم (در اینجا: مایع) در حضور مقدار معلومی از ولتاژ (بعنوان اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از آن توده مایع) منتقل می شود [1]. از آنجا که این دو نقطه از توده مایع بالاخره یک فاصله ای از هم باید داشته باشند، ناگزیر از دخیل کردن طول در بیان واحد اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن هستیم. پس، واحد اندازه گیری رسانایی الکتریکی با عکسِ واحد مقاومت الکتریکی (1/ohm که بصورت mho نوشته می شود جهت سهولت نمایش) در واحدی از طول بیان می شود؛ مثلا mho/cm. در خصوص واحد اندازه گیری، Siemens/cm [1]، pSiemens/m یا به اختصار: pS/m [2,3,4,5,6,7,15,16,17,18,23,25]، S/m [8]، C.U (مخفف Conductivity Unit) [15,17,18]، و µS/cm [10] از جمله واحد های رایج هستند که در این مقاله، از واحد اندازه گیری pS/m (پیکوزیمنس بر متر) استفاده خواهد شد. برای درک بهتر، یک پیکوزیمنس بر متر برابر است با 10~12 ohm [6] و رابطه کلی آن برای عبارتست از [15,16,17,18]:

 

1.1 مقدار معمول برای رسانایی الکتریکی توده ای از روغن صنعتی چقدر است؟

روغن پایه صنعتی، در شرایطی که عاری از هرگونه آلودگی و رطوبت باشد، رسانایی الکتریکی در بازه 1e-9~1.4e-8 pS/m را از خود نشان می دهد. [1]. بنابراین، میزان رسانایی الکتریکی در یک روغن صنعتی خالص و تمیز آنقدر کم و اندک است که نمی توان آن را رسانای الکتریسیته دانست [2,4]. پس شاید درست باشد این نتیجه گیری که می توان از روغن های صنعتی، در شرایط عادی و متعارف، بعنوان عایق الکتریکی استفاده کرد. مانند چیزی که در روغن های ترانسفورماتور شاهد هستیم. البته باید به این نکته نیز توجه کرد که هدف از روغن های ترانسفورماتور روغنرسانی نیست [2]. اما، حقیقت اینست که رسانایی الکتریکی روغن در اثر عوامل متعددی همواره در معرض افزایش است که ذیلا به این عوامل و تاثیر هر یک خواهیم پرداخت:

1.2 عوامل موثر بر افزایش رسانایی الکتریکی روغن:

الف) روغن پایه: روغن های پایه تشکیل دهنده سیستم روانکارهای صنعتی براساس استاندارد API 1509، پیوست E، به پنج گروه تقسیم می شوند. جدول 1 را ببینید:

جدول 1: روغن های پایه و رسانایی الکتریکی آنها [2,3,14]

 

ب) ادتیوها: هرچند رسانایی الکتریکی روغن پایه اندک و ناچیز شمرده می شود، اما حضور انواع ادتیو (بویژه گروه AW) می تواند منجر به افزایش شدید رسانایی الکتریکی روغن شود [7]. بطورکلی، حضور ادتیوهای فلزی در سیستم روغن (بویژه ZDDP) منجر به افزایش (به گفته برخی منابع: چندبرابری [7,10]) رسانایی الکتریکی آن می شود (جدول 2 را ببینید). از این رو، روغن های هیدرولیک، توربین، و موتوری که غنی از این تیپ ادتیو هستند، اغلب دارای رسانایی بالایی هستند [2,3,5,7,23] (جدول 3 را ببینید).

نمونه ای از این تاثیر را می توان در یک نمونه گریس لیتیوم کمپلکس با NLGI 2 و روغن پایه PAO دید که رسانایی الکتریکی آن در سه نمونه مطالعه شده است:

- گریس بدون ادتیو

- گریس با ادتیو فلزی مس (Cu)

- گریس با ادتیو نافلزی گرافیت

نتیجه این مطالعه در نمودار شکل 1 مشهود است [10].

شکل 1: رسانایی الکتریکی سه نمونه از گریس لیتیوم کمپلکس با روغن پایه PAO بعنوان تابعی از دما در دو حالت افزایش و کاهش دما [10]

نمودار شکل 1 نشاندهنده این حقیقت است که بکارگیری ادتیو فلزی مس (Cu) در گریس موجب افزایش شدیدی در رسانایی الکتریکی گریس می شود. این در حالیست که رفتار گریس در زمینه رسانایی الکتریکی در حالت ورود ادتیو گرافیت (که البته نافلز ولی همچنان رسانای الکتریسته است) کاملا نسبت به حالت عدم وجود ادتیو تغییر می کند.

جدول 2: رسانایی الکتریکی روغن توربین براساس روش تست ASTM D4308 (pS/m) [7]

 

جدول 3: رسانایی الکتریکی انواع روغن های صنعتی (pS/m) [3,7]

 

با توجه به جدول 3، براساس محدودیت های زیست محیطی که اخیرا برای استفاده از ادتیوهای حاوی روی (Zinc) در سنتز انواع روغن (بویژه روغن های موتوری و هیدرولیک) اعمال شده است، شاهد رواج تولید انواع روغن های هیدرولیک، توربینی، و موتوری بدون خاکستر (Zinc free) هستیم که پایه آن بر عدم استفاده از ادتیو ZDDP است. حذف ZDDP که ادتیوی چند منظوره (ضد خوردگی، ضد سایش، و آنتی اکسیدان [2,3]) است موجب کاهش شدید رسانایی الکتریکی می شود [2,3,31] (جدول 3 را ببینید) و همین می تواند روغن های بدون خاکستر را در معرض تخلیه نابهنگام بار الکترواستاتیک یا ESD (ElectroStatic Discharge) قرار دهد [2,3]. بدین منظور، روغن های صنعتی براساس تمایل آنها به رسانایی الکتریسیته به سه دسته تقسیم می شوند [7,15]:

- روغن های با رسانایی الکتریکی بالا: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها بیش از 50pS/m باشد؛

- روغن های با رسانایی الکتریکی پایین: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها کمتر از 50pS/m باشد؛ و

- روغن های با رسانایی الکتریکی خیلی پایین: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها 2pS/m باشد [15].

ج) اختلاف دما: پس از روغن پایه و ادتیو ها، دمای جریان روغن سومین عامل تاثیرگذار روی رسانایی الکتریکی آن است. در حالت کلی و در مورد روغن های مینرال، افزایش دما موجب بالا رفتن رسانایی الکتریکی روغن می شود. چراکه افزایش دما موجب تشدید فعالیت الکترون ها شده و بدین ترتیب، بار الکتریکی با سرعت و راحتی بیشتری منتقل می شود [1,2,3,23] و برعکس. اما، باید توجه کرد که رابطه دما و رسانایی الکتریکی روغن خطی نیست [2,3,8,23,26] و در سیستم های متفاوت روغن، رفتار رسانایی الکتریکی می تواند متفاوت باشد [2,3]. این بدان معنیست که با افزایش دمای جریان روغن، قطعا رسانایی الکتریکی افزایش خواهد یافت (و برعکس). اما، نحوه این افزایش یا کاهش می تواند خطی نباشد (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: رابطه دما و رسانایی الکتریکی یک روغن [3]

علاوه بر خطی نبودن و عدم هماهنگی و یکسانی رفتار انواع روغن در زمینه رسانایی الکتریکی در واکنش به حرارت، باید به این نکته نیز توجه کرد که با فرض دمای ثابت، رسانایی الکتریکی جریان روغن همچنان عدد ثابتی نیست و این عدم ثبات از تاثیرپذیری آن از واکنش شیمیایی انواع ادتیو، ذرات فلزی محصول سایش، واکنش روغن با سطوح فلزی، حضور ترکیبات آبدار، و در نهایت، حضور محصولات فرآیندهایی چون اکسیداسیون و پیرسازی روغن نشات می گیرد [3,4]. از این رو، شایسته می داند که بجای دخیل دانستن دما در مقدار رسانایی الکتریکی روغن، از اختلاف دما (یعنی اختلاف بین دمای کاری اسمی روغن و دمای لحظه ای جریان آن [4]) بعنوان شاخصی برای تاثیر بر رسانایی الکتریکی یک روانکار بهره برد. اختلاف دما بصورت زیر تعریف می شود:

در رابطه 1، ΔT بیانگر اختلاف دما، T_R نماینده دمای مرجع یا نزدیکترین دما به دمای کاری اسمی روغن، و T_C نشاندهنده دمای لحظه ای جریان روغن است [4]. مکانیزم تاثیر اختلاف دما ΔT بر رسانایی الکتریکی روانکار κ (کاپا) در نمودار شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمو رسانایی الکتریکی روغن برحسب اختلاف دما [4]، خطای برازش منحنی: 0.07 درصد

براساس نمودار شکل 3، بازای حدود 3 درصد اختلاف دما، رسانایی الکتریکی باندازه 25 درصد تغییر می کند [4]. بنابراین، آیتم اختلاف دما (با تعریفی که بالاتر برای آن بیان شد) را می توان دارای سهم بزرگی در کنار انواع ادتیو حاضر در ترکیب شیمیایی روغن روی رفتار رسانایی الکتریکی آن دانست. اما این تمام ماجرا نیست و عامل مهم دیگری نیز روی رسانایی الکتریکی روغن تاثیرگذارست که در ادامه بدان می پردازیم.

د) ناخالصی ها: همانطور که در جدول 1 دیدیم، روغن خالص از رسانایی الکتریکی اندکی برخوردارست. بنابراین می توان روغن خالص را در دمای اتاق عایق الکتریکی فرض کرد. اما، روانکارهای صنعتی طی فرآیند تولید خود با ادتیوهای مختلفی ترکیب می شوند که هریک بنا به طبیعت خود از مقادیر معتنابهی از یون های فلزی برخوردارند و همین عامل موجب تفاوت رفتار روانکارهای مختلف در زمینه رسانایی الکتریکی می شود [2]. ناگفته پیداست که روانکارهای صنعتی طی فرآیندهایی که پس از تولید تجربه می کنند؛ اعم از بسته بندی، حمل، انبارش، و گردش در تجهیز، اصطلاحا تمیز نمی مانند و شاهد ورود ناخواسته یا ناگزیر ناخالصی هایی بدرون آنها هستیم. اما ناخالصی های روغن دقیقا چیستند؟

ناخالصی های وارده به جریان روغن می توانند شامل انواع ذرات خارجی یا حتی توده هایی از ملکول های خودِ روغن باشند [9]. همین موضوع، تعیین دقیق طبیعت ناخالصی های حاضر در ترکیب یک نمونه روغن (نو یا کارکرده) را عملا غیرممکن می کند؛ چراکه این تعریف طیف بسیار وسیعی از مواد آلی و معدنی را در خود جای می دهد: از ذرات فلزی و نافلز (انواع نمک) گرفته تا انواع اسید و باز و حتی توده های ژله ای وارنیش خودِ روغن [1,2,3,4,9]. بنابراین، از آنجا که میزان وابستگی ناخالصی های درون نمونه روغن به حرارت در زمینه رسانایی الکتریکی آنها قابل شناسایی نیست [4]، توسل به الگوریتم های تصحیحی (Correction Algorithms) بمنظور دستیابی به یک تقریب بهتر از ارتباط بین رسانایی الکتریکی یک نمونه روغن کارکرده و اختلاف دمای حاکم بر مسیر جریان روغن الزامی بنظر می رسد. پایه این الگوریتم قاعدتا باید بر ضابطه معمولا چند جمله ای (Polynomial Curve Fit) قرار داشته باشد که از رفتار رسانایی الکتریکی یک روغن در یک نقطه دمایی (بعنوان دمای لحظه ای) خوانده می شود. درست مانند ضابطه ای که در شکل 3 نشان داده شد. صورت کلی الگوریتم تصحیحی فوق به شرح زیر است:

متغیرهای نشان داده شده در معادله 2 به ترتیب و از چپ به راست عبارتند از:

- _Rκ: رسانایی الکتریکی تصحیح شده نمونه روغن کارکرده در نقطه دمایی کاری اسمی روغن

- _R,0κ: رسانایی الکتریکی اندازه گیری شده نمونه روغن کارکرده در دمای کاری اسمی روغن

- ΔT: اختلاف دما به شرح تعریف شده در معادله 1

- a و b و c: ضرایب تابع چندجمله ای منحنی برازش شده روی نمودار نمو رسانایی الکتریکی روغن نسبت به اختلاف دما (شکل 3 را ببینید)

- _Mκ: رسانایی الکتریکی اندازه گیری شده نمونه روغن کارکرده در دمای لحظه ای جریان روغن [4]

از آنسو، ثابت دی الکتریک یک روغن بصورت توانایی آن روغن بمنظور انتقال انرژی پتانسیل الکتریکی تعریف می شود. بدین ترتیب، یک روغن دی الکتریکی از رسانایی الکتریکی ضعیفی برخوردارست، اما از سوی دیگر، می تواند بار الکتریکی دریافتی از میدان الکتریکی اطراف خود را در خود نگه دارد. بنا به تعریف، دی الکتریک بودن یک روغن با یک عدد ثابت قابل بیانست که خود بیانگر نسبت سرعت یک میدان الکتریکی محیط بر مدار روغن به سرعت همان میدان الکتریکی در محیط خلاء است [32].

اگر سیستم روغن را مخلوطی همگن از چندین ماده فرض کنیم، رابطه لیشتِنِکر (Lichtenecker) را می توان برای محاسبه ثابت دی الکتریک بکار بست:

که در رابطه شماره 3:

- _rε: ثابت دی الکتریک

- _r,addε: گذردهی الکتریکی (Permitivity) ادتیوها

- _r,oilε: گذردهی الکتریکی روغن پایه

- f: کسر حجمی ادتیوها

- 1-f: کسر حجمی روغن پایه [4]

وقتی ثابت دی الکتریک یک روغن کارکرده اندازه گیری می شود، توجه به تغییرات آن نسبت به روغن نو می تواند نشاندهنده حضور ترکیبات جدیدی (اعم از آلودگی های محیطی مانند ذرات آب یا گرد و غبار) در سیستم روغن بعنوان یک مخلوط همگن یا تغییر در خواص شیمیایی روغن (اعم از اضمحلال ادتیوها یا اکسیداسیون) باشد [32]. شاهد این مدعا را می توان در نمودار شکل 4 مشاهده کرد:

شکل 4: رفتار گذردهی الکتریکی روغن ε_r بصورت تابعی خطی از میزان حضور آب در ترکیب روغن [4]

مطابق نمودار شکل 4 که براساس معادله شماره 3 (معروف به معادله لیشتِنِکر) ترسیم شده است، با افزایش کسر حجمی آب در مخلوط همگن روغن بعنوان یک آلودگی محیطی، میزان ثابت دی الکتریک این سیستم از روغن بدون ادتیو بصورت خطی بالا رفته و به تبع آن، رسانایی الکتریکی روغن کاهش می یابد. این بدان معنیست که نمونه روغن آبدار و بدون ادتیو نشان داده شده در شکل 4 تمایل بیشتری نسبت به حفظ بار الکتریکی القا شده بدان نسبت به حالت عدم آلودگی به آب دارد. این پدیده، بعنوان مثال، در روغن های توربینی و هیدرولیک کلاس H که از کمترین میزان ادتیو در ترکیب خود برخوردارند، در صورت آلودگی به آب می تواند موجب افزایش ثابت دی الکتریک در یک الگوی خطی شده تمایل روغن به حفظ بار الکتریکی القایی بدان و آزاد کردن ناگهانی آن بشکل جرقه یا حتی قوس را در بخش دیگری از مدار روغن (مثلا روی فیلترها یا...) افزایش دهد.

درست مانند رسانایی الکتریکی که بالاتر بحث شد، ثابت دی الکتریک نیز از اختلاف دما تاثیر می پذیرد. بدین شکل که افزایش دما موجب کاهش ثابت دی الکتریک (حداقل در روغن های هیدروکربنیک) می شود. هرچند، این کاهش اندک و خطی بوده و در بازه 0.0013~0.05 درصد بازای هر درجه سلسیوس تغییرات دمایی قرار می گیرد. شکل 5 نمونه ایی از رفتار خطی ثابت دی الکتریک نسبت به تغییرات دما برای سه هیدروکربن پارافینیک ساده را نشان می دهد [32].

شکل 5: نمو ثابت دی الکتریک بصورت تابعی خطی از دما برای سه هیدروکربن پارافینیک [32]

بعنوان یک رابطه سه جانبه، دانسیته روغن نیز بر رفتار دی الکتریک آن در تناسب با تغییرات حرارتی تاثیر گذارست. چراکه افزایش حرارت موجب کاهش دانسیته روغن شده و کاهش دانسیته نیز خود به معنی حضور تعداد کمتری از ملکول های روغن در حجم ثابت است که این خود بمعنی وجود برهمکنش کمتر با میدان الکتریکی محیط بر همان حجم ثابت از روغن است که نتیجه ای جز کاهش ثابت دی الکتریک نخواهد داشت (در همین راستا، همانطور که در شکل 5 مشهودست، با افزایش عدد کربن در هیدروکربن های پارافینیک نشان داده شده در این نمودار از 8 به 16، ثابت دی الکتریک در اثر پلاریزاسیون بیشتر ناشی از افزایش سایز ملکول ها، بیشتر خواهد شد). بنابراین، می توان نتیجه گرفت که افزایش حرارت موجب کاهش دانسیته و به تبع آن، کاهش ثابت دی الکتریک خواهد شد [32]. شکل 6 رفتار سه هیدروکربن پارافینیک ساده را به نمایش می گذارد. حال آنکه روغن های مینرال معمول اغلب ساختاری پیچیده داشته و مخلوط ناهمگنی از پارافین های ساده و شاخه دار، زنجیره های ملکولی نفتنیک، و ترکیبات آروماتیک بوده و اغلب بین 20 تا 30 اتم کربن در خود دارند. بازه معمول از ثابت دی الکتریک در روغن های صنعتی مینرال و سینتتیک در جدول 4 نشان داده شده است:

جدول 4: ثابت دی الکتریک برای انواع روغن های روانکار [32]

 

اطلاعات جدول 4 از آن جهت مهم است که بدون توسل به آزمون های پیچیده و نسبتا گرانی مانند FTIR و صرفا با انجام تست ساده ایی مانند ثابت دی الکتریک می توان به وضعیت سلامت یک روغن پی برد. بعنوان مثال، آب در دمای اتاق از ثابت دی الکتریکی در حدود 70 برخوردارست. بنابراین، شناسایی وجود آب بعنوان عامل آلودگی محیطی در نمونه روغن مینرالی که در حالت خالص، ثابت دی الکتریکی باندازه حداکثر 2.4 را ابراز می کند، عملی سهل می نماید. از دیگر سو، هرگونه افزایش ناگهانی در مقدار ثابت دی الکتریک یک نمونه روغن (بطور خاص و مشخص: بیش از 0.01) می تواند نشاندهنده وجود آلودگی، اضمحلال شیمیایی، یا اکسیداسیون در آن باشد [32]. نمایه ایی از چنین رفتاری را می توان در شکل 6 مشاهده کرد.

شکل 6: افزایش ثابت دی الکتریک یک روغن آلوده به مقدار مشخصی از آب در طول زمان [32]

این نمودار رفتار دی الکتریک روغنی را نشان می دهد که تعمدا به مقدار تعریف شده و مشخصی از آب آلوده شده باشد. البته باید تاکید کرد که ادتیوها نقش بازدارنده ویژه ای روی رفتار دی الکتریک روغن در صورت آلودگی به آب بازی می کنند. بدین ترتیب، هرچه تنوع و تعداد ادتیو بیشتری در ترکیب شیمیایی روغن حضور داشته باشد، شیب افزایش ثابت دی الکتریک در طول زمان سرویس دهی روغن کمتر خواهد شد. هرچند، این ادع همیشه صحیح نیست و نمونه ناقض آن، گروه امولسیفایرها هستند که موجب پراکنده شدن حجم آب وارده به جریان روغن بصورت قطرات بسیار ریز می شوند. این قطرات آنقدر کوچکند که روی خواص دی الکتریک روغن تاثیر محسوسی نمی گذارند. مثل نغز چنین حالتی مقایسه بین یک روغن موتور (Mobil Super 1300) و یک روغن کمپرسور اسکرو (Gardener Denver) است که در نمودار شکل 7 نشان داده شده است [32].

شکل 7: مقایسه ایی از رفتار دی الکتریک بین دو روغن موتوری (قرمز) و کمپرسوری (آبی) [32]

همانگونه که در شکل 7 مشهودست، از آنجا که روغن کمپرسوری امولسیفایر اندکی در خود دارد با شیب بیشتری در تناسب با روغن موتوری که سرشار از ادتیوهای گروه امولسیفایر محسوب می شود، ثابت دی الکتریک خود را با توجه به گسترش آلودگی آب افزایش می دهد [32].

پس از شناخت عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی یک روغن، می توان به تاثیر این پارامتر فیزیکی بر خواص سیستم روغنرسانی پرداخت.

1.3 نحوه اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن:

رسانایی الکتریکی یک روغن را می توان با توسل به الکترومتر، باتری، و یک سلول رسانایی الکتریکی اندازه گیری کرد [15] که شماتیکی از دستگاه اندازه گیری و اجزای مختلف آن به همراه نحوه اتصال مدار حاوی سلول رسانایی الکتریکی به زمین، به ترتیب، در شکل های 8 و 9 نشان داده شده است. روش کار بر این اصل استوار است که رسانایی الکتریکی روغن بعنوان مقاومت بین دو الکترود غرق شده در نمونه روغن و با فاصله ثابت و معین از یکدیگر متصل به یک آمپرمتر اندازه گیری می شود [1].

شکل 8: شماتیکی از تجهیزات لازم برای اندازه گیری رسانایی الکتریکی یک روغن صنعتی [18,19]

 

شکل 9: شماتیکی از نحوه اتصال مدار سلول رسانایی الکتریکی به زمین و آمپرمتر [19]

نحوه اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن های صنعتی به دو بخش روش های آزمایشگاهی و میدانی تقسیم می شود که روش آزمایشگاهی در استاندارد های ASTM D2624 [2,3,6,10,15] و DIN 51412-2 و روش میدانی در استاندارد های ASTM D4308 و DIN 51412-1 تشریح شده است [15,16,17,18,19]. هرچند، ذکر این نکته را لازم می داند که روش مندرج در استاندارد ASTM D4308 هم برای آزمایشگاه کاربرد دارد و هم برای موارد میدانی [18].

2. تخلیه الکترواستاتیک (ESD)

رسانایی الکتریکی جریان روغن موجب پدیده ای بنام تخلیه بارِ الکترواستاتیک (Electrostatic Discharge یا به اختصار: ESD) می شود که از دیدگاه فنی، همیشه بشکل جرقه بوده و هیچگاه در هیات و هیبت قوس خود را نشان نمی دهد [15]. اما، مکانیزم ارتباط بین رسانایی الکتریکی یک روانکار و تخلیه الکترواستاتیک به چه صورت است؟

گفتیم که رسانایی الکتریکی روغن با اعمال ولتاژ به دو الکترود آلومینیومی که در فاصله ای معین و ثابت از یکدیگر قرار داشته و در نمونه روغن غرق هستند اندازه گیری می شود. این ولتاژ (اختلاف پتانسیل) موجب شدت جریانی مشخص با توجه به مقاومت ذاتی روغن (بعنوان رسانا یا نارسانای الکتریسیته) می شود که بوسیله آمپرمتر نشان داده خواهد شد [1] (شکل 9 را ببینید). این ولتاژ، قطعا از ولتاژ شکست دی الکتریک پایینتر است. اما ولتاژ شکست دی الکتریک چیست؟

ولتاژ شکست دی الکتریک یا Dielectric breakdown voltage عبارتست از ولتاژی که در آن یک جسم عایق یا دی الکتریک تخریب شده یا شروع به انتقال جرقه در اثر اعمال بار میدان (های) الکتریکی اطرافش می کند. این مشخصه که با kV (کیلوولت) بیان می شود، یکی از مهمترین مشخصات روغن های عایق است. اما در مورد روغن های روانکار و انواع گریس که لزوما عایق الکتریسیته بودن از آنها انتظار نمی رود، دو مشخصه رسانایی الکتریکی و ولتاژ دی الکتریک به همراه یکدیگر در کاربردهایی مهم می شوند که تجهیز تحت روانکاری تحت القای جریان الکتریکی یا در معرض میدان الکتریکی قوی قرار داشته باشد. بدین ترتیب، اگر روانکار از رسانایی الکتریکی کافی برخوردار باشد، جریان الکتریسیته جذب روانکار شده یا بدون ایراد خطر برای تجهیز (مثلا سطح برینگ) به زمین متصل می شود [1]. بدین ترتیب، اگر مقاومت الکتریکی روغن خیلی بالا باشد (یعنی رسانایی الکتریکی اش خیلی پایین باشد)، و ولتاژ بالایی تولید شود، فیلم روغن شروع به جرقه زدن خواهد کرد که منجر به ایجاد سوراخ های بسیار ریز در جای جایِ سطح بخش های مختلف برینگ خواهد شد. اسکن الکترونیکی این سوراخ های ریز نشان از ایجاد آنها توسط قطعات مذاب فلزی دارد. بنابراین، در تجهیزات و ماشین آلاتی که مگنت های بزرگ یا قوی در ساختار آنها بکار رفته باشد و تشکیل بارهای الکتریکی خیلی قوی یک ریسک همیشگی و کاملا رایج است، امکان جرقه زدن جریان روانکار (علیرغم اتصال به زمین بودن تجهیز) همیشه وجود دارد [1]. بنابراین، و بعنوان یک قانون کلی برای تمامی روغن ها (چه مینرال و چه سینتتیک)، در دمای ثابت 20°C روغن هایی که دارای رسانایی الکتریکی بیش از 400pS/m باشند کمتر از معرض خطر ESD قرار داشته و برعکس: روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها کمتر از 400pS/m باشد، راحتتر در معرض ESD قرار خواهند گرفت [2,3,25]. بعنوان مثال، فرمولاسیون روغن های توربینی نوین رسانایی الکتریکی کمتر از 10pS/m را از خود ابراز می کند که نشاندهنده حساسیت زیاد این تیپ از روغن های توربینی به ESD است [25].

در همین راستا، و با توجه ویژه به روغن های مینرال، می توان گفت که با افزایش درجه پالایش روغن، میزان قطبیت و به همان ترتیب: رسانایی الکتریکی آن روغن کاهش می یابد (جدول 1 را ببینید). این بدان معنیست که روغن های پایه زیرمجموعه گروه II و III نسبت به روغن های پایه گروه I از قطبیت کمتر و رسانایی الکتریکی بالاتری برخوردار بوده و از این رو، نسبت به ESD یا تخلیه بار استاتیکی حساسیت بیشتری دارند [2]. از این رو، در مورد روغن های توربینی و هیدرولیک های مدرن که از روغن های پایه گروه II و III در سنتز آنها استفاده شده باشد، حد رسانایی الکتریکی قابل پذیرش برای اجتناب از خطر ESD روی حداقل 1000pS/m قرار داده شده است [3].  

اما، بارِ الکترواستاتیک از کجا می آید؟

شرط اصلی تولد بار الکترواستاتیک اصطکاک بین دو سطح است که نسبت به یکدیگر در حال حرکت باشند [5,30]. در مورد مدارهایی که روغن را بعنوان سیال عامل درون خود دارند، تولید بار الکترواستاتیک در سطح ملکولی و بین دو ماده ناهمگون رخ می دهد. با این تعریف، هر روغن جاری در لوله های مدار روغنرسانی (از هر جنسی!) مستعد تولید بار الکترواستاتیکی است؛ با این تفاوت که جریان روغن می تواند در یک بخش از مدار منفی و در بخشی دیگر مثبت باشد (شکل 10 را ببینید). وقتی روغن از میان یک لوله یا ساختاری با خلل و فرج ریز (مانند فیلتر) عبور می کند، بارِ الکترواستاتیک را همراه خود به پایین دست مدار منتقل می کند (البته رفتار روغن های مینرال و سینتتیک در این زمینه متفاوت است. بطوریکه روغن های مینرال بار مثبت را به المان فیلترینگ و بار منفی را به پایین دست منتقل می کنند. حال آنکه روغن های سینتتیک برعکس عمل می کنند [28]). به این بار الکتریکی، برق ناشی از جریان روغن یا Streaming Current گفته می شود که بوسیله یک آمپرمتر ساده قابل اندازه گیری است [5,29].

شکل 10: نحوه تشکیل برق ناشی از جریان روغن و نحوه اندازه گیری آن در یک لوله روغن [5,29,31]

بار الکترواستاتیک تشکیل شده در روغن های جاری در لوله های یک مدار روغنرسانی به سمت جداره لوله ها، بدنه مخزن روغن، یا سطح قطعات در تماس با فیلم روغن (مانند فیلترهای روغن که از بخش های پلاستیکی و لاستیکی متعددی بعنوان عایق الکتریسیته در تماس با روغن باردار الکتریکی هستند [2]) تخلیه شده و نرخ تخلیه نیز وابسته به مشخصات الکتروشیمیایی روغن و ادتیو های تشکیل دهنده آن بوده و از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است [5]:

که در رابطه شماره 4:

- Q_t: بار الکتریکی در زمان t

- Q₀: بار اولیه

-t : ثابت زمانی تخلیه بار الکتریکی (شاخصی برای 37 درصد از تخلیه بار الکتریکی)

- τ: شاخص دی الکتریک که از رابطه (5) حساب می شود:

که در رابطه شماره 4:

- ε_r: ثابت دی الکتریک روغن که از رابطه (3) حساب می شود

- ε_r,0: ثابت دی الکتریک مطلق (برابر با ثابت دی الکتریک خلا 8.854×10^-12 F/m)

- _Rκ: رسانایی الکتریکی روغن برحسب pS/m که از رابطه (2) حساب می شود [5]

در صورتیکه جداره لوله های حاوی روغن از جنس رسانا (لوله های فلزی و ...) باشند، بار الکتریکی که از قطبیتی مخالف با پلاریته روغن برخوردارست (شکل 10 را ببینید) به آنها القا شده و در حالتیکه سطح خارجی مدار روغن متصل به زمین باشد (گراند شده باشد)، مقدار بار الکتریکی خالص برابر با صفر خواهد بود. در غیر اینصورت، بار الکتریکی به تدریج روی هم انباشته خواهد شد تا اینکه به یکباره فرصت تخلیه بیابد [5]. این تخلیه بیشتر در بخش هایی مانند مخزن روغن یا فیلترها رخ داده [2] و همیشه از سطحی با ولتاژ بالاتر به سطوحی با ولتاژ پایینتر (معمولا زمین) روی می دهد که صورت شکلی و فیزیکی آن جرقه های پرانرژی و معمولا پرصدایی است (شبیه صدای کلیک پرتکرار موس [5,29,30]) که فرکانس بین کلیک ها را نرخ تخلیه بار تعیین می کند [5]. مثال بارز چنین پدیده ای، اختلاف ولتاژ (AC یا DC) بین شفت و پوسته برینگ در روتور توربین بخار جنرال الکتریک است [21]. بدیهیست اختلاف پتانسیل هایی از این دست اگر در محیطی اشتعال پذیر رخ دهد، می تواند عواقب ناگواری (اعم از حریق یا انفجار [2]) در پی داشته باشد (بویژه در مورد هواپیما ها و تانکرهای سوخت [29]). هرچند، ریسک بروز حریق ناشی از چنین رفتاری اغلب بسیار پایین است. چراکه این جرقه ها دوام چندانی نداشته و اغلب توسط توده روان روغن در نطفه خفه می شوند. اما، جدای از ریسک حریق، بروز حجم ممتدی از جرقه می تواند منجر به عیوبی در سطوح فلزی اطراف جریان روغن، اعم از سوراخ های ریز در مقیاس میکروسکوپیک، بویژه در سطوح چرخدنده ها و برینگ ها (شکل 11 را ببینید) و تشکیل لایه ای از لجن چرب و پرکربن (وارنیش) گردد [5].

شکل 11: سطح آبله گون و پر از سوراخ ها و پستی و بلندی های ریز (قطر 0.025~0.075 میکرون) بابیت یک تراست برینگ ناشی از تخلیه بار الکترواستاتیک نصب شده در روتور یک توربین بخار- منبع: جنرال الکتریک [21]

هرچند در مورد روغن های توربینی این قاعده صدق نمی کند [25]، اما یکی از عوامل مهم تشکیل وارنیش در روغن های موتوری و کمپرسوری تخلیه الکترواستاتیک یا ESD است [20,22]. از دیدگاه ذاتی، وارنیش توده ای لجنی است که از محصولات اصلی اکسیداسیون محلول در جریان روغن (اعم از انواع اسید، آب، و الکل ها) تشکیل شده است. این محصولات از آنجا که قطبی هستند موجب القای توانایی جذب ذرات فلزی به توده لجن می شوند که خود تدریجا موجب انباشت جرم این توده و افزایش غلظت آن است. این تغلیظ تدریجی وارنیش تنها به قطبی بودن اجزای آن وابسته نیست، بلکه به انباشت ناشی از رسیدن این اجزا به مرزهای انحلال پذیری آنها نیز وابسته است که از افزایش دما تاثیرپذیری شدیدی دارد. از قانون آرنیوس می دانیم که در محدوده دمایی بالاتر از 100°C، بازای هر 10°C افزایش دما، سرعت اکسیداسیون دوبرابر می شود که اثر مستقیمی بر تمایل روغن به تشکیل لجن وارنیش، بویژه در نقاط القای شوک حرارتی به مسیر عبور روغن، دارد. بعنوان مثال، در مدار روغنرسانی موتور های درونسوز، دمای روغن در رینگ های پیستون به بیش از 250°C می رسد [20]. اما وقتی موتور سرد باشد، روغن درون آن از ویسکوزیته بالا و رسانایی الکتریکی پایینی برخوردارست. با روشن شدن موتور و آغاز احتراق، جریان روغن به سرعتی که بلوک موتور گرم می شود، افزایش حرارت را تجربه نمی کند و این به معنی ریسک تشکیل بار الکترواستاتیک در جریان روغنیست که در حال حرکت در مسیر روغنرسانی به موتور بوده، اما، بدلیل رسانایی الکتریکی پایین همچنان در حال انباشت بار الکتریکی است. با افزایش دمای موتور و به تبع آن: جریان روغن، رسانایی الکتریکی روغن موتور افزایش یافته و از حجم بار الکتریکی انباشته همراه آن کاسته می شود. ولی باید توجه داشت که ریسک تخلیه نابهنگام بار الکترواستاتیک انباشته شده در جریان روغن سرد لحظاتی پس از روشن شدن موتور همیشه وجود دارد [26]. شکل 12 اطلاعات بیشتری را در این خصوص ارائه می کند.

شکل 12: نمودار رفتار الکترواستاتیک روغن موتور در طول مدار روغنرسانی از لحظه استارت تا گرم شدن موتور [26]

 

شکل 13: آثار ناشی از تخلیه بار الکترواستاتیک یا ESD روی بخش های مختلف یک فیلتر روغن [24]

روغن های کمپرسور هوا نیز علیرغم عدم وجود احتراق در تجهیز حتی از چنین محدوده ایی هم عبور می کنند. چراکه هوای شناور (برای اطلاعات بیشتر در مورد هوای شناور و سایر مکانیزم های انحلال هوا در جریان روغن، مراجعه به مقاله تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب در همین وبلاگ توصیه می شود) درون جریان روغن های کمپرسوری در اثر تراکم سریع روغن (و به تبع آن: فرآیند میکرودیزلینگ [27,31]) می تواند دمای روغن را به بیش از 500°C رسانده و تخلیه الکترواستاتیک نیز می تواند بصورت موضعی دمای بخش هایی از توده روغن جاری در مدار روغنرسانی را بصورت لحظه ای به بیش از 10,000°C رسانده (متغیر T_c در معادله 1) برساند. شوک حرارتی که قطعا نطفه ایست برای تشکیل لجن وارنیش [20].

شکل 14: تشکیل وارنیش روی سطوح متحمل بارِ یک تراست پد برینگ کمپرسوری [27]

شکل 15: تخلیه بار الکترواستاتیک یا ESD در مخزن روغن [29]

3. مقایسه دو روغن Shell Clavus 68 و بهران سرد ویژه 68

روغن Shell Clavus 68 روغنی مینرال و نفتنیک است (جدول 5) که تحت پالایش هیدروژنی (Hydrotreating) قرار گرفته و عملا حاوی ادتیو خاصی نیست و برای روغنرسانی به کمپرسورهای گاز آمونیاک (R717) مناسب بوده و مشخصات عملکردی آن در استاندارد DIN 51503، کلاس KAA، جدول 1، صفحه 6 [34]، تعریف شده است [33]. این توضیح لازمست که پالایش هیدروژنی عملیست که برای هیدروکربن های سبکی مانند نفتا (Naphtha) رایج بوده و برای روغن های سنگین و ارزانی مانند ایزوپارافین ها از فرآیند هیدروکراکینگ استفاده می شود. بدین ترتیب، روغن Shell Clavus یک روغن شدیدا پالایش شده است و عملا به گروه II و III روغن های پایه تعلق دارد (جدول 1 را ببینید).

جدول 5: مشخصات فنی و عملکردی روغن Shell Clavus 68 [33]

 

از دیدگاه کلی، روغن های نفتنیک از شاخص ویسکوزیته بالایی برخوردار نیستند (در مورد Shell Clavus 68 این عدد روی 34 می ایستد). اما، همین شاخص ویسکوزیته پایین در عین ضریب انتقال حرارت بالا در قیاس با انواع پارافینیک موجب چرخش بهتر آنها در مدار روغنرسانی کمپرسور گاز آمونیاک شده و به روانکاری بهتر آن در بازه های دمایی مختلف کمک می کند. در عین حال، روغن های نفتنیک در مقایسه با انواع پارافینیک به مراتب از رسانایی الکتریکی پایینتری برخوردار بوده و به تبع آن تمایل بیشتری به انباشت بار الکترواستاتیک از خود نشان می دهند [35].

روغن بهران سرد ویژه 68 نیز از خواص تقریبا مشابهی با روغن Shell Clavus 68 برخوردارست و علیرغم اینکه در وبسایت شرکت نفت بهران مستقیما اشاره نشده است، اما می توان بهران سرد ویژه را نیز یک روغن شدیدا پالایش شده و عضوی از گروه II یا III روغن های پایه بحساب آورد:

شکل 16: مشخصات فنی و عملکردی روغن بهران سرد ویژه 68 (منبع: وبسایت شرکت نفت بهران)

بدین ترتیب، هر دو روغن به گروه II یا III روغن های پایه مینرال تعلق داشته و از این رو نسبت به تخلیه الکترواستاتیک حساسیت بیشتری دارند. این بدان معنیست که هر دو روغن بهران سرد ویژه و Shell Clavus 68 بدلیل رسانایی الکتریکی پایین، تمایل زیادی به انباشت بار الکترواستاتیک دارند. بدین ترتیب و تا بدینجای کار، اینکه در مدار روغنرسانی کمپرسورهای موضوع این مقاله مدام تخلیه الکترواستاتیک یا ESD را شاهد باشیم، چیز عجیبی نیست!

4. نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی

با عنایت به مواردی که تابحال شرح داده شد، روغن قدیم (Shell Clavus 68، تقلبی یا اصلی) و روغن جدید (بهران سرد ویژه 68) هر دو از حساسیت ویژه ای به ESD برخوردار بوده و باید در این زمینه مراقبت های لازم انجام شود.

در مجموع، علل بروز تخلیه الکترواستاتیک را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

- استفاده از روغن های پایه گروه II و III مینرال [3]

- اصطکاک ناشی از حرکت روغن درون لوله های مدار

- فقدان ادتیوهای قطبی مانند ZDDP در فرمولاسیون روغن [2,3]

- سرعت بالای روغن [5,3] یا دبی بالا در عبور از لوله های نازک و باریک [2,3]

- جریان ممتد روغن درون لوله ها و شیلنگ های گراند نشده (عدم اتصال به زمین) [5,3]

- رسانایی روغن کمتر از 400pS/m باشد [2,3]

- عبور روغن از میان المان های فیلترینگ یا سایر قطعات مهندسی پر خلل و فرج [5,28]

- توربولانس (اغتشاش) در الگوی جریان روغن ناشی از اعمال فشار توسط اجزای مدار روغن (مانند پمپ های سانتریفیوژ) [5]. بدلیل تحمیل حباب های هوا به جریان روغن [2,3]

- تخلیه روغن روی یک سطح آزاد یا یک منبع بزرگ [5,29] (شکل 15 را ببینید)

- قرار گرفتن روغن در معرض هوای آزاد (بعنوان مثال، در خطوط برگشت روغن ماشین آلات کاغذسازی)

- برخورد با سطح آزاد روغن، وقتی که دو سطح فلزی در حال حرکت نسبت به یکدیگر باشند. [5]

از این رو، جهت بهبود اوضاع تجهیز شما و تصمین حفظ سلامت روغن و کمپرسورهای آمونیاک، توسل به راهکارهای زیر توصیه می شود:

- اطلاع از وضعیت فعلی روغن: در تماس با آزمایشگاه معتمد آنالیز روغن، درخواست بفرمایید میزان رسانایی الکتریکی روغن بهران سرد ویژه 68 مصرفی در تجهیز را مطابق روال آزمایشگاهی اندازه گیری کرده (توضیحات ذیل شکل 9 را ببینید) و از آنسو، رفتار رسانایی روغن را بصورت میدانی نیز اندازه گیری نمایید. هرچند، توصیه نویسنده این مقاله بر درخواست از آزمایشگاه معتمد برای اندازه گیری رسانایی روغن بهران براساس استاندارد ASTM D4308 است که هم آزمایشگاهیست و هم میدانی؛

- توافق فنی با فروشنده: در تماس با بهران یا نماینده فروش معتمد از هر برندی، بعنوان خریدار درخواست شود که محموله بعدی روغن را به شرط ارائه گواهی آزمایشگاه معتبر آنالیز روغن مبنی بر بالاتر بودن رسانایی الکتریکی روغن مصرفی از 400pS/m ارسال نماید؛

- اتصال تجهیز یا مدار روغنرسانی به زمین [2,3,7]: عنایت شود که گراند کردن سیستم همیشه پاسخگی نیاز شما نیست (مخصوصا اگر روغن مصرفی از حساسیت به ESD بالایی برخوردار باشد. چراکه ولتاژ تولیدی در سیستم روغنرسانی از طریق سیم گراندینگ قابل انتقال به زمین نیست [3]) و در صورت تداوم مشکل، توسل به روش های زیر کارگشا خواهد بود [2,3]:

- استفاده از فیلترهای آنتی استاتیک روغن [2,3,7]

- نصب یک مش با رسانایی بالا پس از فیلتر روغن (پایین دست فیلتر) بمنظور تخلیه بخشی از بار الکتریکی تولید شده در ساختار فیلتر [5]

- افزایش سایز فیلتر [5] بمنظور کاهش تماس روغن باردار با متریال عایق تشکیل دهنده فیلتر و آرامتر شدن الگوی جریان عبوری از فیلتر (هرچند این راهکار آنقدرها هم موثر نیست [5])

- استفاده از قطعاتی در تجهیز که از مواد با تمایل کمتر به انباشت بار الکترواستاتیک تشکیل شده باشند

- بازنگری در دبی روغن درون لوله های روغنرسانی و سایز مخزن روغن بمنظور کاهش اصطکاک بین روغن و جداره های فلزی اطراف آن [2,3] و در عین حال، بهبود سرعت و دبی روغن گردشی در مدار روغنرسانی (افزودن مسیر روغنرسانی با پایپینگ بیشتر و استفاده دو یا چند مخزن روغن موجب افزایش زمان لازم برای تخلیه بار الکترواستاتیک شده و یکی از راه های موثر در کاهش شدت و تعدد ESD است [5,7]).

5. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله در رابطه با رسانایی الکتریکی و نقش تخلیه بار الکترواستاتیک بر خواص روغن های صنعتی، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. Panther Lubes, Electrical Conductivity/Dielectric Strength, Web Article, available at http://www.pantherlubes.com/tl_13.html, accessed: January 26, 2023;

2. Shanghai Yadu Lubricants Material Co. Ltd., Is the Lubricant Conductive? , Web Article, available at http://en.shyadu.cn/article-item-2.html, accessed: January 26, 2023;

3. M. Lindner, Oil Condition Monitoring Using Electrical Conductivity, Web Article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/29407/oil-condition-monitoring, accessed: January 25, 2023;

4. M. R. Mauntz, J. Gegner, J. Gegner, U. Kuipers, and S. Klingau, Tribology - Fundamentals and Advancements, Chapter 11: A Sensor System for Online Oil Condition Monitoring of Operating Components., INTECH Open, DOI: http://dx.doi.org/10.5772/55737, 2013, pp1-3,15;

5. M. Day, L. Bensch, Electrostatic Charge Generation - In Hydraulic and Lubrication Systems, Practicing Oil Analysis, 11/2005;

6. Noria Corporation, How to Detect Electrostatic Discharges in Oil, Web Article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/30242/detecting-electrostatic-discharges, accessed: January 26, 2023;

7. Exxon Mobil, Electro-Static Discharge (ESD) in Turbine Oils, EXTERNAL Category 2 05/08/15: JBH;

8. A. Gonda, R. Capan, D. Bechev, and B. Sauer, The Influence of Lubricant Conductivity on Bearing Currents in the Case of Rolling Bearing Greases, Lubricants 2019, 7, 108; doi:10.3390/lubricants7120108, www.mdpi.com/journal/lubricants;

9. W. G. Twisleton-Wykeham-Fiennes, A Study of the Electrical Conductivity of Lubricating Oil Films, A Thesis submitted for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY of the University of London and also for the DIPLOMA OF MEMBERSHIP of the IMPERIAL COLLEGE, August 1971, pp29-34, 50-57;

10. A. B. Ruddy, Faiz Ullah Shah, J. Leckner, M. W. Rutland, and S. Glavatskih, On electric conductivity of greases, DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1296562/v1, February 3rd, 2022;

11. B. Zhmud, M. Roegiers, New base oils pose a challenge for solubility and lubricity, Lube Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 89, February 2009, pp21-24;

12. B. Zhmud, M. Roegiers, New base oils pose a challenge for solubility and lubricity, Tribology & Lubrication Technology, July 2009, pp34-39, http://www.stle.org;

13. M. R. Greaves, Oil Soluble Polyalkylene Glycols, Lube-Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 118, December 2013, pp22-27;

14. Noria Corporation, Base Oil Groups Explained, Machinery Lubrication, 10/2012;

15. API RP2003−2020, Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning, and Stray Currents, American Petroleum Institute, Recommended Practice, 8^th edition, September 2015, reaffirmed March 2020, http://www.api.org;

16. DIN 51412-2:2013-01, Prüfung von Mineralölerzeugnissen - Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit - Teil 2: Feldverfahren, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

17. ASTM D2624 − 22, Standard Test Methods for Electrical Conductivity of Aviation and Distillate Fuels, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. United States;

18. ASTM D4308 − 21, Standard Test Method for Electrical Conductivity of Liquid Hydrocarbons by Precision Meter, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. United States;

19. DIN 51412-1:2005-06, Prüfung von Mineralölerzeugnissen - Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit - Teil 1: Laborverfahren, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

20. D. Johnson, E. Dominguez, E. Montalvo, Z. Zhou, & A. Martini, Quantifying Varnish Removal Using Chemical Flushes, Tribology & Lubrication Technology, August 2018, pp44-54,  http://www.stle.org;

21. M. M. Khonsari, E. R. Booser, Applied Tribology: Bearing Design & Lubrication, 3^rd ed., Wiley, ISBN 9781118700259, 2017, pp636-637;

22. E. A. Hepley, Varnish Analysis: Introducing New Testing Techniques, Lube-Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 169, June 2022, pp26-31;

23. J. Leyers, How to Avoid Electrostatic Discharges in Hydraulic Oils, 18 June 2018, Web Article, available at https://www.q8oils.com/general-industry/electrostatic-discharges-hydraulic-oils/, accessed: January 26, 2023;

24. R&T Reliability Technologies PL, Electrostatic Discharge Damage, Web Article, available at https://rttech.com.au/?page_id=1312 , accessed: January 25, 2023;

25. G. Livingstone, Do you have sparks in your turbine oil?, April 27, 2014, Web Article, available at https://www.turbomachinerymag.com/view/do-you-have-sparks-in-your-turbine-oil-2, accessed: January 24, 2023;

26. B. Abedian, Dangers of Electrostatic Discharge in Engine Oil, Machinery Lubrication, 4/2015;

27. Fluitech, Best Practices for Monitoring Industrial Compressor Lubricants, July 14, 2021, Web Article, available at https://www.fluitec.com/best-practices-for-monitoring-industrial-compressor-lubricants/, accessed: January 24, 2023;

28. Pall Scientific & Laboratory Services, Overcoming Electrostatic Charge Generation -Incorporating a Novel Filter Media, May 2017, Technical White Paper, Pall Corporation, http://www.pall.com;

29. B. Phair, L. Bensch, J. Duchowski, M. Khazan, & V. Tsalyuk, Overcoming the Electrostatic Discharge in Hydraulic, Lubricating and Fuel-Filtration Applications by Incorporating Novel Synthetic Filter Media, Tribology Transactions, ISSN: 0569-8197 print / 1547-397X online, 48:3, 343-351, DOI: 10.1080/05698190591002195, Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 2005;

30. K. Farooq, Varnish Removal & Control in Turbine Lubrication Systems, Proceedings of the ASME 2009 Power Conference POWER2009 July 21-23, 2009, Albuquerque, New Mexico, USA, POWER2009-81173;

31. W. D. Phillips, & J. W. G. Staniewski, The origin, measurement and control of fine particles in non-aqueous hydraulic fluids and their effect on fluid and system performance, Lubrication Science 2016; 28:43–64, Published online 22 May 2015 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/ls.1300;

32. A.A. Carey & A.J. Hayzen, Dielectric Constant and Oil Analysis, Practicing Oil Analysis, 9/2001;

33. Shell Co., Shell Clavus Refrigerator Compressor Lubricant Technical Data Sheet, SEOP OECP/TU, 31.01.2003;

34. DIN 51503-1:2011-01, Schmierstoffe – Kältemaschinenöle - Teil 1: Mindestanforderungen, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

35. BENZOIL, Naphthenic versus Paraffinic, Web Article, available at https://benzoil.com.au/naphthenic-versus-paraffinic/, accessed: January 26, 2023.

آزمون سریع و میدانی بررسی ذرات فرومغناطیس در نمونه روغن

معرفی یک آزمایش میدانی ساده بمنظور آنالیز حضور ذرات آهنی ناشی از سایش در نمونه روغن

این آزمون سریع شناسایی ذرات فرومغناطیسی را می توان در محل نصب تجهیز (کارخانه یا کارگاه) یا در آزمایشگاه های محلی انجام داد. بسیاری از آزمایشگاه های مرجع آنالیز روغن نیز از این روش استفاده می کنند. این آزمون از آنجهت ساده است که به ابزارهای گرانقیمت یا پیچیده نیاز ندارد. نتیجه این آزمون اگرچه کمی نیست، اما هنوز بسیار مؤثر است.

اهمیت آنالیز ذرات آهنی در روغن

توجه به این نکته لازمست که برخی از حیاتی ترین سطوح قطعات محرکه ماشین ها از آلیاژهای فولادی مختلف تشکیل شده اند که سایش آنها ذرات فرومغناطیسی تولید می کند. اصطلاح «فرومغناطیس» بدین معنیست که این ذرات قابلیت جذب توسط آهنربا را دارند. بنابراین، ذرات آهنی (Fe) تولید شده از فرآیند سایش را می توان برای آنالیز روغن و بررسی وضعیت سلامت ماشین جمع آوری نموده و نگرانی های مالک تجهیز را برطرف نمود یا حداقل هشدارهای لازم را داد.

نحوه انجام این تست

برای انجام آزمون یک نمونه روغن از ناحیه فعال سیستم گرفته و آن را در یک کاپ یا فنجان شیشه ای بریزید. در انتهای فنجان یا کاپ، یک آهنربای تخت قوی قرار دهید (شکل 1 را ببینید). در صورت نیاز، مقداری حلال مانند نفت سفید اضافه کنید و آن را با روغن مخلوط کنید تا ویسکوزیته آن کاهش یابد.

شکل 1: نحوه آماده سازی نمونه و آهنربای تخت زیر آن

اکنون، در حالیکه آهنربا را در ته فنجان یا کاپ محکم نگه داشته اید، مخلوط را به مدت دو تا سه دقیقه هم بزنید. ذرات فرومغناطیسی به نیروی مغناطیسی پاسخ داده و در کف ظرف شیشه ای به دام می افتند. در این مرحله، باید بتوانید حلقه ای را ببینید که به آن «چرخ آهنی» می گویند، اشاره به آهنی بودن ذراتی دارد این وجه تسمیه که بشکل یک دایره جمع شده اند. توصیه می شود اغلب که از این حلقه عکس بگیرید تا بتوانید بعدا آن را با مقیاس استاندارد بر اساس تراکم آن مقایسه کنید و مقداری عددی به آن بدهید.

نحوه بازرسی ذرات

بدون برداشتن آهنربا، روغن رقیق شده را درون ظرف دیگری که یک فیلتر کاغذی (حتی می تواند یک دستمال کاغذی باشد!) رویش کشیده اید، بریزید و ذرات را در کف لیوان باقی بگذارید. برای دقت بیشتر و درصورت دسترسی، استفاده از پمپ خلاء برای تسهیل جداسازی توصیه می شود. چیزی که روی سطح فیلتر خواهید دید توده ای از ذرات غیر آهنی (آلومینیوم، مس، قلع، ذرات خاک و غیره) و سایر ذراتی که به کشش آهنربا پاسخ نمی دهند خواهد بود که همراه با ذرات فرومغناطیسی که بدنبالشان هستیم روی سطح کاغذ فیلتر آمده اند.

شکل 2: نحوه جداسازی ذرات از نمونه روغن

اکنون می توانید آهنربا را برداشته، مقدار بیشتری حلال را به کاپ اصلی اضافه کرده، و ذرات باقی مانده در پایین آن را رقیق کنید. با اینکار، امکان حرکت آزادتری به ذرات معلق درون روغن می دهید. در این مرحله، یک فیلتر جدید را در قیف خود قرار دهید و مایع باقیمانده ته فنجان را از آن عبور دهید. ذرات آهنی روی سطح فیلتر جمع خواهند شد (شکل 3 را ببینید).

شکل 3: نحوه جداسازی ذرات فرومغناطیس از نمونه روغن

اکنون که دو گونه ذرات جامد معلق در نمونه روغن تجهیز خود را از هم جدا کرده اید، می توانید دو فیلتر کاغذی را برای بررسی بیشتر زیر میکروسکوپ قرار داده و به بررسی چشمی ذرات جدا شده از قطعات تحت فرسایش ماشین آلات خود بپردازید.

منبع تدوین این مقاله با اندکی اصلاحات جزیی و اضافه کردن نظر شخصی:

Esta prueba de análisis de aceite y muchas otras pruebas útiles se enseñan en el curso de capacitación de Análisis de Aceite Nivel I (MLA I) de Noria.

Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

روانکاری چرخ زنجیرها

با درود و پاسداشت (احترام)

مقاله حاضر به نحوه روغنکاری انواع زنجیر و چرخ زنجیر (خورشیدی) اختصاص دارد. مبحثی که در صنایع مختلف، اعم از نفت، گاز، و پتروشیمی تا صنایع غذایی، حمل و نقل دریایی، و ریلی (راه آهن) کاربرد داشته و گاه، بی توجهی بدان می تواند منجر به خسارات جبران ناپذیری برای مالک تجهیز شود. از این رو، برآن شدم با نگارش مقاله ای مفصل در این زمینه، ضمن بررسی تمامی جوانب روغنکاری انواع زنجیر و چرخ زنجیر (خورشیدی)، انتقال نکات آموزشی و تجربی نیز در این زمینه به خوانندگان محترم وبلاگ دانش روغنکاری صورت پذیرد.

1. مقدمه

ابتدا باید به این سوال پاسخ دهیم که روغن های مخصوص روانکاری زنجیر ها یا چرخ زنجیر (خورشیدی)ها چه خواصی باید داشته باشند؟ پاسخ به این سوال در شکل 1 این مقاله ارائه شده است.

شکل 1: خواصی که از یک روغن مخصوص روانکاری زنجیرهای صنعتی مورد انتظار است (منبع: Fuchs)

همانگونه که از شکل 1 نیز هویداست، مهمترین خواص مورد انتظار از یک روغن مناسب برای روانکار زنجیرهای صنعتی را می توان در پایداری حرارتی (حتی نسبت به نقاط دمایی بسیار داغی چون 300°C)، توانایی حفظ ویسکوزیته، تمایل به تولید وارنیش کمتر (مقاومت عالی به اکسیداسیون)، و خواص ضد سایشی (Anti-Wear) بسیار عالی خلاصه کرد.

اما اگر یک زنجیر روانکاری نشود، چه اتفاقی می افتد؟ برای پاسخ به این سوال، به نمودار شکل 2 نگاه کنید:

شکل 2: ازدیاد طول زنجیر بصورت تابعی از روانکاری و مدت زمان عملکرد آن [1]

در نمودار شکل 2 چند گراف دیده می شود که در ذیل راجع به هر یک صحبت شده است:

الف) گراف شماره 1: زنجیر خشک

این گراف بیانگر عملکرد زنجیر در حالتی است که هیچ روانکاری روی آن انجام نگیرد (یعنی نه سازنده زنجیر روانکاری اولیه را انجام دهد و نه مالک تجهیز). همانطور که از نمودار شکل 2 هویداست، زنجیر بدون روانکاری از عمر اندکی برخوردار بوده و خیلی سریع دچار ازدیاد طول می شود. چیزی که مطلوب مالک تجهیز نیست!

ب) گراف شماره 2: زنجیر با روانکاری اولیه

در گراف شماره 2، شاهد رفتار زنجیری هستیم که در کارخانه سازنده روانکاری اولیه شده و سپس تحویل مشتری شده است. اما مالک تجهیز، بنا به هر دلیل، از تجدید روانکاری آن خودداری کرده است. همانطور که از شکل 2 مشهود است، زنجیر در ابتدای کار خود اندکی در برابر ازدیاد طول مقاومت کرده ولی در مدتی کوتاه همان رفتاری را از خود نشان می دهد که زنجیر خشک در گراف 1 نشان داد.

ج) گراف شماره 3: زنجیر با روانکاری نامنظم

گاه پیش می آید که مالک تجهیز بدلیل فراموشی یا اهمال در نگهداری تجهیز، از روانکاری منظم زنجیر امتناع می کند. در چنین شرایطی، رفتار زنجیر شبیه به گراف شماره 3 خواهد بود. یعنی رفتاری کش و قوس دار از خرابی زنجیر که در نهایت منجر به توقف عملکرد و تعویض آن خواهد شد. اما، این رفتار کجدار و مریز تنها خرابی منجر به خسارت تجهیز را به تاخیر می اندازد. حال آنکه توقف تجهیز در نهایت محتوم است.

د) گراف شماره 4: روانکاری ناکافی زنجیر

این رفتار خرابی از طرف زنجیر را کارشناسان تعمیر و نگهداری یا آنالیز خرابی احتمالا فراوان دیده اند. زنجیری که از روغنرسانی ناکافی (Oil Starvation) رنج می برد و در نهایت خراب خواهد شد. حال آنکه می شد این خرابی را با روانکاری بموقع و صحیح به تاخیر انداخت یا حداقل در دوره استاندارد خرابی تجهیز تعریف کرد. رفتار خرابی زنجیر در این گراف تنها به مقدار روغنرسانی بستگی ندارد. بلکه، کیفیت روغن مصرفی نیز در بروز این تیپ از رفتار خرابی بسیار حائز اهمیت است.

هـ) گراف شماره 5: زنجیر با روانکاری کافی

در این حالت، شاهد کمترین ازدیاد طول و سایش بین قطعات زنجیر هستیم. چراکه کلیه قطعات تشکیل دهنده چرخ زنجیر (خورشیدی) باندازه کافی روانکاری شده و از کمترین شوک حرارتی و ساییدگی بین سطوح برخوردار بوده اند [1].

اما، ازدیاد طول زنجیر که در شکل 2 بدان اشاره و تاکید شده است، چرا انقدر مهم است؟

عمر یک زنجیر با ازدیاد طول آن سنجیده می شود [10] و عامل اصلی موثر بر ازدیاد طول یک زنجیر، لقی بین اتصالات اجزای تشکیل دهنده آن زنجیر است [8,9] و این لقی در اثر سایش ایجاد می شود.

عمر یک زنجیر قابل محاسبه است. بدین ترتیب که می توان با استفاده از فرمول 200/N مقدار ازدیاد طول یک زنجیر را حساب کرد. در این رابطه، N نشاندهنده تعداد دندانه های خورشیدی است (البته این رابطه برای زنجیرهایی است که تعداد دندانه های خورشیدی آنها کوچکتر-مساوی 67 باشد) [18,19].

بعنوان یک قاعده کلی، عمر یک زنجیر زمانی به اتمام رسیده و شروع به لغزیدن از روی دندانه های خورشیدی می کند که ازدیاد طول آن به 3% رسیده باشد [10,18,19]. در سیستم های انتقال قدرتی که فاصله بین دو مرکز خورشیدی ثابت باشد و لزوم استفاده از زنجیرهای موازی با حرکت نرم وجود داشته باشد، سقف مجاز برای ازدیاد طول نصف شده و به 1.5% خواهد رسید [18,19]. در مورد زنجیرهای تایمینگ، البته، این مقدار به 0.3~0.5% می رسد که برای زنجیری با گام 8mm برابر است با 40 میکرون [8]. بعنوان مثال، اگر زنجیر سایز #80 در استاندارد ANSI داشته باشیم و طول بخشی از زنجیر با 12 پین آن را اندازه بگیریم، با توجه به اینکه گام این زنجیر برای 1.00inch است، اگر طول بدست آمده از 12.360in بیشتر باشد، عمر زنجیر تمام شده و باید تعویض گردد [18,19].

بدین ترتیب، ابتدا باید قطعات مهره یا بندهای زنجیر را شناخته و سپس به تاثیر سایش بر ایجاد لقی بین سطوح مختلف این اجزا خواهیم پرداخت.

قطعات تیپیکال تشکیل دهنده زنجیرهای صنعتی در شکل 3 نشان داده شده اند:

شکل 3: اجزای تشکیل دهنده زنجیرهای صنعتی [2,20,21]

هرچند اجزای تشکیل دهنده یک مهره یا بند زنجیر در شکل 3 حالت تیپیکال دارند، اما، شکل مهره یا بند یک زنجیر می تواند بسیار متفاوت باشد. ولی، علیرغم این تفاوت در اشکال، تنوع اجزای تشکیل دهنده همواره ثابت است و ممکن است تفاوت هایی را در اندازه و شکل اجزا داشته باشیم. شکل 4 این موضوع را بخوبی نشان داده است.

شکل 4: اشکال مختلف یک مهره یا بند زنجیر و اجزای تشکیل دهنده آن [3,10]

قطعات نشان داده شده در شکل 3 بصورت زیر و دو به دو با یکدیگر در معرض اصطکاک و سایش هستند [1,2]:

الف) پین اتصال با غلاف

ب) غلاف با غلتک

ج) غلتک با پلیت داخلی

د) پلیت داخلی با پلیت خارجی

هـ) غلتک یا دندانه چرخ زنجیر (خورشیدی)

و) دندانه خورشیدی با پلیت داخلی

از دیگر سو، با توجه به اینکه غلاف، پین، و غلتک شکل هندسی استوانه ای دارند، تماس بین آنها همیشه خطی است (فلش های زرد رنگ شکل 5  و سطوح تحت سایش در شکل 6 را ببینید) و این الگوی تماس خطی موجب اعمال فشار سطحی بالایی به آنها خواهد شد. پین و غلاف تحت کرنش خاصی هستند که باعث می شود این دو قطعه همیشه در یک نقطه با یکدیگر در تماس باشند. این موضوع، اما، در مورد غلتک ها معتبر نبوده و نقاط تماس در غلتک ها متفاوت خواهد بود [1].

شکل 5: نقاط تماس در قطعات تشکیل دهنده زنجیرهای صنعتی [1,2,8,9]

شکل 6: سطوح تحت سایش و پارامترهای موثر بر آنها در پین و غلاف زنجیر [8]

نمونه ای از سایش روی سطوح نشان داده شده در شکل 6 و ارتباط آن با سایر اجزای زنجیر را می توان در شکل 7 مشاهده کرد:

شکل 7: سایش سطوح و ایجاد لقی در اجزای تشکیل دهنده زنجیر [10]

بنابراین، زنجیرهای صنعتی نه تنها جهت تطویل عمر خود به روانکاری نیازمندند، بلکه قطعا روغن مصرفی در آنها نیز باید از خواص سایشی خوبی برخوردار باشد.

2. خواص روغن های مصرفی در روانکاری زنجیرها

با توجه به شرایطی که در بخش اول این مقاله اشاره شد، روغن های مناسب برای برای روانکاری چرخ زنجیرها باید از توانایی ضدسایشی بسیار خوبی تحت فشارهای خطی بالا برخودار باشند. بسته به کاربرد چرخ زنجیر، از مهمترین خواصی که این دسته از روغن ها باید از آنها برخوردار باشند عبارتند از:

الف) مقاومت به خوردگی [1,2]: روغنی که قرار است چرخ زنجیر را روانکاری کند باید غنی از ادتیوهای ضدخوردگی باشد. انواع این ادتیوها و مکانیزم عملکردی آنها در جلوگیری از خوردگی یا به تاخیر انداختن تاثیر آن را می توان در مقاله «مقدمه ای بر ادتیوهای روغن و گریس: بخش دوم؛ بازدارنده های خوردگی» در وبلاگ دانش روغنکاری یافت.

ب) ترکنندگی و توزیع (Wetting & Spreading) روی سطوح فلزی [1,2]: همانطور که در بخش 1 این مقاله دیدیم، سایش بین سطوح فلزی در چرخ زنجیر بالاست. بنابراین، حضور گسترده انواع ذرات جامد با منشا فلزی و غیرفلزی در فیلم روغن اجتناب ناپذیر است. در چنین محیطی، روانکار باید توانایی زدایندگی شیمیایی (Detergency) بالایی داشته باشد. زدایندگی، بنا به تعریف، عبارتست از توانایی یک روانکار در معلق نگهداشتن ذرات جامد (اعم از فلزات و قطعات نافلز) و جلوگیری از رسوب آنها در سطوح بین اجزای ماشین و سپس حمل آنها این ذرات تا تحویل آنها به فیلتر بمنظور جداسازی ایمن آنها از جریان روغن [2]. با این تعریف، روغن چرخ زنجیر باید حاوی ادتیوهای دترجنت مناسب و موثر در ساختار شیمیایی خود باشد. اما، چیزی که در این میان به زدایندگی روغن کمک می کند کاهش کشش سطحی بین رسوبات (بعنوان ذرات جامد) و توده جاری روغن (بعنوان توده سیال حامل این ذرات جامد) است. اینجاست که خاصیت ترکنندگی (Wettability) وارد می شود [2]. هرچه ترکنندگی یک سیستم روغن بیشتر باشد، چسبندگی آن به سطوح فلزی بیشتر شده ، و لذا، ضریب اصطکاک کاهش خواهد یافت [11]. ترکنندگی یک روغن قابل اندازه گیری بوده و با معیار زاویه تماس بین دو سطح جامد و مایع (به اختصار: CA، مخفف Contact Angle) بیان می شود. زاویه تماس (CA) عامل اصلی در تعیین میزان ترکنندگی یک سیستم روغن به شمار رفته و خود تابعی از دمای جریان روغن است. بطوریکه مقدار CA با افزایش دما نسبت عکس دارد. کاهش زاویه تماس (CA) منجر به افزایش چسبندگی روغن به سطح فلز شده، و در نتیجه، عدم پس زدن روغن توسط سطح فلزی را در پی خواهد داشت. مطالعات انجام شده نشان داده است که ترکنندگی روغن در زوایای تماس زیر 90° اتفاق می افتد [12].

ج) خواص ضدسایشی: اگر قطعات تشکیل دهنده یک زنجیر نشان داده شده در شکل 3 را بصورت ژورنال برینگ هایی فرض کنیم که بین دو خورشیدی (چرخ زنجیر) در حرکت باشند [18,19]، از آن میان، دو قطعه غلاف و پین بدلیل شکل استوانه ای خود در معرض تماس خطی بین سطوح خویش هستند که موجب القای الگوی سایش خطی (Linear Wear) در آنها می شود. سایش این دو قطعه بیش از غلتک و حتی بقیه قطعات تشکیل دهنده زنجیر روی روند افزایش طول زنجیر (ولذا، عمر آن) تاثیر گذار است [18,19] (شکل 8 را ببینید).

شکل 8: اثر سایش پین و غلاف در کاهش طول عمر یک زنجیر [18,19]

سایش نشان داده شده در شکل 8 با دو پارامتر W_maxP برای پین و W_maxB برای غلاف نمایش داده شده (شکل 6 را ببینید) و از معادلات زیر قابل محاسبه هستند [8]:

که در معادله 1:

- W_maxP: حداکثر سایش خطی پین (برحسب μm)

- r_idP: شعاع خارجی اولیه (رفرنس) پین (برحسب mm)

- r_wP(φ): شعاع پین پس از سایش با فرض φ=0° در دستگاه مختصات استوانه ای (برحسب mm)

در مورد غلاف، فرمول محاسبه کمی فرق خواهد کرد. چراکه الگوی سایش در پین خارجی است، ولی در مورد غلاف در سطوح داخلی صورت می پذیرد. لذا، داریم:

پارامتر های حاضر در معادله 2 عبارتند از:

- W_maxB: حداکثر سایش خطی غلاف زنجیر (برحسب μm)

- r_wB(φ): شعاع داخلی غلاف پس از سایش با فرض φ=0° در دستگاه مختصات استوانه ای (برحسب mm)

- r_idB: شعاع داخلی اولیه (رفرنس) غلاف (برحسب mm) [8]

د) مقاومت به اکسیداسیون و حرارت: قبلا در این وبلاگ مقالات متعددی درباره تاثیر حرارت بر خواص مکانیکی و فیزیکی روغن و مکانیزم اکسیداسیون و راهکارهای جلوگیری از آن یا به تاخیر انداختن آثار ناشی از آن آپلود شده است. از این رو، در این مقاله صرفا راجع به تاثیر دو آیتم اکسیداسیون و پایداری حرارتی در عملکرد روانکار یک چرخ زنجیر می پردازیم. پایداری حرارتی یک سیستم روغن و اکسیداسیون در توده روغن تاثیری متقابل و توامان با یکدیگر در کیفیت روانکاری یک زنجیر دارند. چراکه روغن چرخ زنجیر طی مسیر خود از مخزن روغن تا سطوح مختلف اجزای تشکیل دهنده زنجیر (شکل 3 را ببینید) دماهای بالایی را تحمل کرده و اغلب در معرض شوک حرارتی است. بطوریکه دمای کاری روغن اغلب می تواند به 100°C [8,9] برسد؛ هرچند، در مطالعات انجام شده روی رفتار روغن در دماهای کاری بالا، سقف دما 300°C فرض می شود [4]. بنابراین، تشکیل محصولات اکسیداسیون در چنین دمای کاری (مانند دوده) امری طبیعی است که قطعا علاوه بر عمر روغن، روی خواص ضدسایشی آن، و در نتیجه عمر زنجیر نیز تاثیر منفی خواهد گذاشت. شکل 9 چنین تاثیری را بخوبی نمایش داده است. در این نمودار، رفتار سایشی دو روغن PAO با گرید SAE 0W20 را می بینیم که یکی دارای 1 درصد وزنی (1% wt) دوده در جریان خود و دیگری همان روغن و همان گرید، ولی عاری از دوده، است [9].

شکل 9: تاثیر دوده بر رفتار سایشی دو زنجیر که از یک روغن برای روانکاری استفاده می کنند [9]

نمودار شکل 9 بوضوح نشان می دهد که وقتی دوده وارد جریان روغن شود، میزان سایش و، متعاقبا، ازدیاد طول زنجیر به مراتب بالاتر خواهد رفت. از سوی دیگر، در محیط های کاری با دمای خیلی بالا، دو ویژگی در روغن های چرخ زنجیر اهمیت ویژه پیدا می کند: سرعت تبخیر و نقطه اشتعال (Flash Point) روغن. وقتی روغن نسبت به تبخیر و از دست دادن حجم خود مقاوم باشد، دوره روغنکاری مجدد زنجیر طولانی تر شده و از هزینه های روانکاری کاسته خواهد شد. از طرفی، رسوبات باقیمانده از روغن تبخیر شده نیز نباید سخت و چسبناک باشند تا از قفل شدن و گیر کردن اجزای زنجیر ممانعت شود. نقطه اشتعال روغن های مصرفی در چرخ زنجیرهای نصب شده در محیط های داغ نیز نقش تعیین کننده ای در انتخاب آنها دارد. این اهمیت در ایجاد فاصله کافی بین حداکثر دمای کاری محیط تا نقطه اشتعال خود بخودی روغن نمود پیدا می کند تا از اشتعال روغن زنجیر جلوگیری شود [4].

هـ) مقاومت به آب [1,2]: در محیط های کاری مرطوبی مانند کارخانجات تولید کاغذ (Pulp Mill) یا صنایع غذایی که زنجیرها در معرض رطوبت یا شستشوی مداوم با آب قرار داشته باشند. روانکاری زنجیر باید با روغن یا گریسی انجام شود که از توانایی نفوذ مناسب به درون فضای بین اجزای تشکیل دهنده زنجیر برخوردار باشد. چراکه آب ماده ای کاملا قطبی بوده و روغن های غیرقطبی مینرال مانند انواع روغن های موتوری یا انواع هیدرولیک های مینرال قادر به روانکاری چنین زنجیرهایی نیستند. از این رو، در چنین محیط هایی لازمست روغن چرخ زنجیر از فرمولاسیون کاملا قطبی و، در عین حال، نافذ در سطوح فلزی برخوردار باشد [3].

با اینحال، با توجه به تمامی موارد فوق، روانکار مناسب برای چرخ زنجیرها به شرح زیر است [2]:

- در خصوص روغن ها، می توان از انواع روغن های مینرال، سینتتیک، و حتی زیست تخریب پذیر استفاده کرد. ویسکوزیته سینماتیک روغن مصرفی نیز می تواند در بازه 46~150mm²/s در دمای 40°C قرار داشته باشد.

- در خصوص گریس ها، انواع گریس با قوام تا NLGI 2 قابل استفاده هستند.

با توجه به مقادیر اشاره شده فوق، می توان به این نتیجه رسید که عواملی چون ابعاد زنجیر، سرعت زنجیر، و دمای محیط کاری زنجیر در انتخاب ویسکوزیته روغن دخیل هستند [22]. بنابراین، از آنجا که ویسکوزیته روغن باید براساس روش روغنرسانی به زنجیر انتخاب شود، در بخش بعدی این مقاله به معرفی سیستم ها و روش های روغنرسانی به زنجیرهای صنعتی می پردازیم.

3. روش های روغنرسانی به چرخ زنجیرها

بطورکلی، روغنرسانی به چرخ زنجیر به پنج روش قابل انجام است، اما، باید به این نکته توجه کرد که فارغ از روش روغنرسانی، روغن باید به درون فضای داخلی بند زنجیر نفوذ کرده و تمامی فضای بین دو پلیت داخلی و خارجی را پر کند [1,17,23]. بدین ترتیب، لازمست که قطره روغن از گوشه های بند زنجیر روی آن چکانده شود [17]. شکل 10 را ببینید.

شکل 10: نحوه صحیح روغنرسانی به بند های زنجیر [1,17,22,23]

جزییات هر یک از روش های روغنرسانی به چرخ زنجیرهای صنعتی ذیلا مورد بحث و بررسی قرار گرفته است:

الف) روغنرسانی دستی (Manual Lubrication) [5,15,17,20,22]: در این روش، کاربر بصورت دوره ای که نباید از 8 ساعت کمتر باشد [5,15,20,22] و با استفاده از یک قلم مو و قوطی روغن یا روغندان یا اسپری دستی، سطح فوقانی زنجیر را با روغن چرب می کند. مقدار روغن و دوره تجدید روغنکاری براساس تجربه تعیین می شود و مهمترین معیار برای تجدید روانکاری در این روش، جلوگیری از تشکیل زنگار قرمز روی اتصالات زنجیر [5,15] یا خشک کار کردن آنهاست [20,22]. این روش از روغنرسانی برای زنجیرهایی با سرعت حداکثر 3m/s مناسب است [17].

شکل 11: روغنرسانی دستی [15]

ب) روغنرسانی قطره ای (Drip Lubrication) [5,15,20,22]: در این روش از یک سیستم توزیع یکنواخت روغن (شامل یک مخزن، لوله توزیع، و یک روغن چکان) بمنظور روغنرسانی به بندهای زنجیر استفاده می شود (شکل 12 را ببینید). همانند روغنرسانی دستی، در این روش نیز معیار تنظیم مقدار و دوره روغنکاری تجربی بوده و براساس جلوگیری از تشکیل زنگار قرمز روی اتصالات زنجیر [5] تنظیم می شود. دبی روغنرسانی در این روش بین 4~20 [5,15] یا 5~20 [20,22] قطره روغن در هر دقیقه، بسته به سرعت عبور هر ردیف از زنجیر، متغیر است. این روش از روغنرسانی برای زنجیرهایی توصیه می شود که سرعت آنها 1.5m/s [15] تا 5.1m/s [16] باشد.

شکل 12: روغنرسانی قطره ای [5,15]

ج) روغنرسانی با وان روغن (Oil Bath Lubrication) [5,15,20,22]: در این روش، بخش تحتانی ردیف زنجیر، طی مسیر خود، درون وانی از روغن فرو برده می شود. بمنظور روغنرسانی بهینه، لازمست سطح وان روغن با پایینترین نقطه زنجیر در تماس باشد [5,15]. در عین حال، ضروریست که بخش کوتاه یا کوچکی از زنجیر با روغن در تماس باشد [5]. عمق وان روغن باید بین 6~12mm [20] یا ¼ ~ ½  اینچ [22] تا از تشکیل کف در وان روغن [5] و ایراد شوک حرارتی و در نتیجه کاهش عمر روغن [20,22] جلوگیری بعمل آید. این روش از روغنرسانی برای زنجیرهایی با سرعت 4~8m/s مناسب است [15].

شکل 13: روغنرسانی با وان روغن [5,15]

د) روغنرسانی با دیسک اسلینگر (Slinger Disc Lubrication) [5,15,22]: این روش از روغنرسانی درست همانند روغنرسانی با وان روغن است. تنها با این تفاوت که روغنرسانی به سطح زنجیر با چرخش یک دیسک شیاردار انجام می شود که بخشی از آن درون وان روغن قرار داشته و با تکیه بر سرعت دورانی بالای خود (180~2240 m/minute [15] یا 700fpm [22] تا 8,000fpm [16]) ذرات روغن را روی بخشی از زنجیر که باید روغنکاری شود می ریزد. عمق وان روغن در این روش ½ ~1 اینچ [22] بوده و همانند روغنرسانی با وان روغن، برای زنجیرهایی با سرعت 4m/s [15] تا 12m/s [16] مناسب است.

شکل 14: روغنرسانی با دیسک اسلینگر [5]

هـ) روغنرسانی اجباری (Forced-Feed Lubrication) [5,15,16,22]: در این روش که می تواند با پمپ [5,16,22] یا بدون آن [15] بمنظور تامین فشار روغن باشد، از یک لوله یا شلنگ توزیع برای ریختن روغن روی سطح فوقانی بندهای زنجیر استفاده می شود که تعداد سوراخ های آن باید Z+1 باشد (Z نشاندهنده ردیف زنجیر است) [22]. این روش برای زنجیرهایی با سرعت بالاتر از 2,500fpm (معادل 12.7m/s) مناسب است [16].

شکل 15: روغنرسانی اجباری [5,15]

4. انتخاب روغن برای چرخ زنجیرها

عطف به توضیحاتی که در بخش های دوم و سوم این مقاله ارائه شد، می توان در حالت کلی، روغن موتور را بهترین روغن برای روانکاری زنجیرهای صنعتی دانست. مطالعات نشان داده است که هرچه روغن موتور غلیظتر باشد (ویسکوزیسته سینماتیک آن بالاتر باشد) توانایی نفوذ بهتری در سطوح بندهای زنجیر دارد. بعنوان مثال، روغن SAE 40 نسبت به روغن SAE 10 به مراتب قدرت نفوذ بیشتری دارد [23]. بر این اساس، می توان با توجه به روش روغنرسانی به زنجیر، دمای محیط کاری، و ابعاد زنجیر مبادرت به انتخاب گرید روغن برای روانکاری چرخ زنجیر کرد. جداول 1 و 2 را ببینید.

جدول 1: روغنرسانی به یکی از روش های روغنرسانی دستی، قطره ای، وان روغن، و دیسک اسلینگر [13,14,20,22]

جدول 2: روغنرسانی به روش اجباری (تحت فشار پمپ) [22]

 

مواردی که در جداول 1 و 2 نشان داده شد، مربوط به روغن موتور و تا دمای کاری 60°C هستند. برای دماهای بالاتر، توضیه می شود به مقاله «کاربرد روغن در دماهای خیلی بالا» در وبلاگ دانش روغنکاری مراجعه شود.

5. تست های لازم برای روغن های چرخ زنجیر

در این بخش از مقاله اشاره ای هرچند خلاصه به برخی تست های رایج در خصوص روغن های چرخ زنجیرها خواهیم داشت:

الف) آزمون مقاومت به سایش و اصطکاک [6]: این آزمون براساس استاندارد های DIN 51834-8، ASTM D5706، و ASTM D5707 انجام شده و هدف از آن سنجش قابلیت روغن زنجیر در کاهش ساییدگی سطوح فلزی و کاهش ضریب اصطکاک در طول زمان است (شکل 16).

شکل 16: آزمون کاهش سایش و ضریب اصطکاک [6]

ب) آزمون چهار ساچمه (4-Ball Test) [6]: یکی از معروفترین آزمون های برای سنجش قابلیت سایش زدایی روغن از سطوح فلزی که براساس استاندارد DIN 51350 انجام می شود.

شکل 17: آزمون چهار ساچمه [6]

ج) آزمون اصطکاک آلمِن-ویلاند (Almen-Wieland) [6]: در این آزمون، سطح یک شفت (محور) با روغن زنجیر آغشته شده و درون دو پوسته برینگ قرار داده شده و سپس با سرعت های مختلف چرخانده می شود. هدف از این آزمون، تعیین ضریب اصطکاک حاصل از فیلم روغن در سرعت های دورانی مختلف در دماهای مختلف است.

شکل 18: آزمون خواص اصطکاکی به روش آلمِن-ویلاند [6]

د) آزمون تعیین پاسخ ویسکوزیته سینماتیک روغن به دما [6]: قبلا درباره این آزمون که براساس استاندارد DIN 51562-1  انجام می شود در مقاله «اثر دما بر ویسکوزیته روغن» در وبلاگ دانش روغنکاری به تفصیل صحبت شده است.

شکل 19: ویسکومتری سینماتیک به روش Ubbelohde [6]

هـ) آزمون تعیین میزان کاهش حجم روغن در اثر تبخیر و ترکیب رسوبات باقیمانده [6]: از جمله آزمون های مهمی است که رفتار شیمیایی روغن در برابر تبخیر را نشانه گرفته و به ترکیب شیمیایی رسوبات باقیمانده از تبخیر یک روغن در اثر شوک حرارتی می پردازد.

شکل 20: شماتیک آزمون تبخیر روغن و رسوبات باقیمانده از آن [6]

6. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. Klüber Lubrication, Specialty lubricants for chains, B020000202 / Edition 12.16, Klüber Lubrication München SE & Co. KG, http://www.klueber.com;

2. H. Gaca, J. Ruiter, G. Mehr, & T. Mang, Chain Lubrication, Encyclopedia of Lubricants & Lubrication, Vol. 1, Springer, ISBN 978-3-642-22647-2, 2014, p48, pp230-238;

3. C. Barnes, Improving Chain Lubrication, Machinery Lubrication, 3/2005;

4. I. Rhein, Lubrication of High-Temperature Chains, Web Article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/28792/high-temperature-chainlubrication, accessed by October 22, 2021;

5. J. L. Wright, Chain Lubrication Best Practices for Drives and Conveyors, Machinery Lubrication, 3/2002;

6. FUCHS LUBRITECH GmbH, High-Temperature Chain Oils, 930134202 10/2017 1.0, http://www.fuchs.com/lubritech, [e-mail];

7. J. E. Turner, Improving Oven Chain Lubrication, Machinery Lubrication, 7/2008;

8. D. Sappok, B. Sauer, Wear Measurement on Chain Joint Components Using a Roundness Instrument, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, 59(2), pp. 51-59, 2015, DOI: 10.3311/PPme.7780;

9. D. Sappok, R. Merz, B. Sauer, & M. Kopnarski, Surface Analysis of Chain Joint Components after Tribological Load and Usage of Antiwear Additives, Hindawi Publishing Corporation Conference Papers in Science, Volume 2015, Article ID 407048, 12 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/407048;

10. S. Nogushi, H. Yoshiba, S. Nakayama, & T. Kanada, Evaluation of Wear between Pin and Bush in Roller Chain, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol. 3, No. 4, 2009, DOI: 10.1299/jamdsm.3.355;

11. T. Mang, W. Dresel (Editors), Lubricants and Lubrication, 2^nd ed., WILEY-VCH GmbH, 2007, “11.4.5.5 HLPD Hydraulic Oils”, p294, ISBN: 978-3-527-31497-3;

12. A. Awad Alazemi, F. Ghazi Alzubi, A. Alhazza, A. Dysart, & V. Ganpat Pol, Rheological and Wettability Properties of Engine Oil with a Submicron Spherical Carbon Particle Lubricant Mixture, International Journal of Automotive Technology, Vol. 21, No. 6, pp. 1475-1482 (2020), DOI 10.1007/s12239-020-0139-z;

13. Rombo Reliability, Lubrication of Chain Drives, Web Article, available at https://www.rombochain.com/lubrication-chain-drives, accessed by October 29, 2021;

14. TIDC India, Lubrication of Chain Drives, Web Article, available at https://www.tidcindia.in/TD_LubricationOfChainDrives.html, accessed by October 29, 2021;

15. RENOLD, Properly Lubricated Chains Last Longer, Web Article, available at https://www.renold.com/company/latest-news/properly-lubricated-chains-last-longer/,  accessed by October 29, 2021;

16. Ramsey Chain, The Chain Doctor: Lubrication, Web Article, available at https://ramseychain.com/the-chain-doctor/maintenance-installation/lubrication/, accessed by October 29, 2021;

17. OKS, OKS Speciality lubricants for chain lubrication, Catalogue, Rev 03: 30.08.2017 En, www.oks-germany.com, E-Mail: [e-mail];

18. Reliable Plant, Extend the wear life of roller chains, Web Article, available at https://www.reliableplant.com/Read/8966/wear-life-roller-chains, accessed by October 29, 2021;

19. Diamond Chain Co., Understanding Wear Life: Why Choosing a Quality Roller Chain will Maximize Your Drive’s Service Life and Minimize Costs, Web Article, available at https://www.diamondchain.com/understanding-wear-life/, accessed by October 29, 2021;

20. Tsubakimoto Chain Co. (Editor), The Complete Guide to Chain, 1^st ed., 1997, p5, p73, ISBN 0-9658932-0-0;

21. Tsubakimoto Europe B.V., Drive Chain, Catalogue, Rev Cat1 EN 2016 TEU, 2016, p8, http://www.tsubaki.eu, [e-mail];

22. US Tsubaki Inc, General Catalogue, Rev 11-06 (12/06 L10940), 2007, p A-77, http://www.ustsubaki.com;

23. ASME B29.8-2010 (Reaffirmed 2017), Leaf Chains, Clevises, and Sheaves, The American Society of Mechanical Engineers, p3 & p15.

روغن های PAG از نگاه نزدیک: مطالعه موردی

با سلام و احترام

مقاله حاضر در پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی تدوین شده است. علاوه بر این، از آنجا که در حال نگارش مقاله ای طولانی درباره انتخاب روغن گیربکس نیز هستم و این مقاله بخشی از آن را پوشش می دهد، به جهت پرهیز از اطاله کلام، تصمیم به نوشتن این مقاله نسبتا کوتاه گرفتم.

شرح سوال: گیربکسی در یک مجتمع پتروشیمیایی در غرب ایران داریم که از یک هفته پیش برای روغنرسانی بدان از روغن بهران بردبار PG220 استفاده شده است. از زمان شارژ این روغن در مدار روغنرسانی گیربکس (هفت روز پیش)، شاهد سروصدای غیرعادی در زمان عملکرد این تجهیز بودیم تا اینکه پس از هفت روز کارکرد مداوم و جهت بررسی علت سروصدا، درپوش گیربکس را باز کردیم که متوجه جمع شدن قطرات مایعی شبیه آب روی سقف محفظه گیربکس مواجه شدیم. شکل 1 را ببینید.

شکل 1: تشکیل قطرات آب روی سقف محفظه گیربکس

قطرات آب نشان داده شده در شکل 1 پس از چند دقیقه محو شدند. پس از ارسال نمونه روغن درون محفظه گیربکس به آزمایشگاه مشخص شد که روغن درون گیربکس دارای 17,000ppm آب است!

مشکل از کجاست؟ آیا انتخاب بهتری برای این گیربکس وجود دارد؟

این گیربکس دارای دنده های هلیکال بوده و دور ورودی آن برابر 1500rpm و دور خروجی آن 150rpm است. این گیربکس زیر تابش مستقیم نور آفتاب قرار داشته و دمای داخل آن براساس اندازه گیری های انجام گرفته بین 60 تا 70 درجه سلسیوس است. شماتیک مقطع گیربکس در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیک مقطع گیربکس

انتخاب روغن PG220 نیز براساس مدارک سازنده تجهیز انجام شده است. شکل 3 را ببینید.

شکل 3.1: تصویری از مدارک سازنده گیربکس (بخش انتخاب روانکار)

شکل 3.2: تصویر دیگری از مدارک سازنده گیربکس (بخش انتخاب روانکار)

همانطور که از شکل های 3.1 و 3.2 مشخص است، می توان برای این گیربکس از روغن های چرخدنده CLP220، PGLP220 یا PGLP460 استفاده کرد که در صورت استفاده از روغن CLP220، زمان تعویض 15000 ساعت و در صورت استفاده از روغن های PGLP220/460 زمان تعویض به 25000 ساعت تغییر می یابد.

البته، براساس شکل 3.2 می توان از گریس Kajo Gear GLP00f نیز برای روانکاری این گیربکس استفاده کرد که دارای درجه قوام NLGI00 بوده و خواص عملکردی آن با کد GP 00 H-20 در استاندارد DIN 51502 تعریف شده است.

پاسخ به این سوال را مستمسکی قرار می دهم برای معرفی روغن های PAG و نگاهی نزدیک به خواص و انواع آنها. این مقاله را که علاوه بر پاسخ به سوال فوق، جنبه آموزشی نیز دارد، با مقدمه ای بر روانکاری گیربکس ها شروع می کنم:

1. مقدمه ای بر روانکاری گیربکس ها

اصولا، هدف از روانکاری چرخدنده ها دو چیز است:

الف) تسهیل لغزش بین دندانه ها از طریق کاهش ضریب اصطکاک μ

ب) محدودسازی روند افزایش دما ناشی از اصطکاک غلتشی و لغزشی (Rolling & Sliding friction) [1]

بمنظور روانکاری گیربکس ها استفاده از طیف متنوعی از روانکارها رایج است که در مورد روغن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- روغن های مینرال؛

- هیدروکربن های سینتتیک (پلی آلفا اولفین یا PAOها)؛

- هوموپلیمرهایی مانند پلی آلکیلن گلیکول یا PAGها؛

- استرها؛ و

- روغن های نفتنیک (مانند روغن کلزا یا روغن کرچک) [2]

علاوه بر موارد فوق، استفاده از گریس نیز در روغنرسانی به گیربکس ها و چرخدنده های صنعتی رایج است [1]. اما در چه شرایطی می توان از گریس برای روغنرسانی به یک گیربکس استفاده کرد؟ پاسخ به این سوال در روش روغنرسانی به گیربکس نهفته است.

بطورکلی، برای روغنرسانی به گیربکس ها سه روش وجود دارد:

- روغنرسانی با گریس؛

- روغنرسانی پاششی یا Splash Lubrication (که با عنوان روش حمام روغن یا Oil Bath نیز شناخته می شود)؛ و

- روغنرسانی اجباری (تحت فشار) در یک مدار بسته

فارغ از بهتر یا بدتر بودن، مورد کاربری هر یک از روش های فوق را عواملی چون سرعت مماسی (Tangential Speed) برحسب m/s و سرعت دورانی برحسب rpm تعیین می کنند. در سرعت های پایین، روغنرسانی با گریس انتخاب خوبیست. اما با بالا رفتن سرعت مماسی (یعنی بیش از 3m/s)، استفاده از دو روش روغنرسانی پاششی یا اجباری رواج بیشتری دارد. البته استثنائاتی هم هست. بخصوص در مواردی که سازنده تجهیز ترجیح دهد بدلیل سهولت تعمیر و نگهداری از گریس استفاده شود [1]. جدول 1 اطلاعات بیشتری در این خصوص ارائه می دهد.

شکل 4: شماتیکی از یک مدار روغنرسانی تیپیکال به یک گیربکس صنعتی [2]

جدول 1.1: حدود مجاز تغییرات سرعت مماسی برای چرخدنده های ساده و مخروطی (Spur & Bevel gears) [1]

جدول 1.2: حدود مجاز تغییرات سرعت مماسی برای چرخدنده های حلزونی (Worm gears) [1]

در مورد این گیربکس، با اینکه سرعت مماسی داده نشده، اما با توجه به اینکه دور ورودی گیربکس 1500rpm و دور خروجی آن برابر 150rpm داده شده است، بنابراین نسبت کاهش دور گیربکس روی 10 می ایستد. از این رو، می توان برای این گیربکس براساس داده های جدول 2 نسبت به انتخاب گرید روغن اقدام کرد. جدول 2 را ببینید.

جدول 2: انتخاب روغن برای گیربکس های با محفظه بسته [1]

براساس داده های ورودی و اطلاعات جدول 2، ویسکوزیته روغن مصرفی در این گیربکس روی ISO VG 150 می ایستد. اما باید توجه داشت که بهره گیری از داده های جدول 2 دارای محذورات و شرایطی است. اول اینکه این جدول تنها برای چرخدنده های ساده، مارپیچی (Helical gear)، مخروطی، و چرخدنده مخروطی مارپیچ (Spiral Bevel gear) مناسب است که در محفظه بسته قرار داشته و دمای کاری روغن آنها نیز از بازه 10~50°C تجاوز نکند که شرط دوم در مورد این گیربکس صادق نیست. اما، می توان با اعمال درجه حرارت 60~70°C به جریان روغن، میزان ویسکوزیته روغن در آن دما را حساب کرد و با داده های جدول 2 تطبیق داد. ولی چطور می توان ویسکوزیته روغن در دمای کاری گیربکس را حساب کرد؟

برای این منظور، می توان از معادله مک کول-والتر-رایت (McCoul-Walther-Wright) که در مقاله «اثر دما بر ویسکوزیته روغن» تعریف شد و استاندارد ASTM D341 برای محاسبه و پیش بینی ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در آن نقطه دمایی خاص (در اینجا: 70°C) بهره جست. برای اینکار، لازم است معادلات (1) و (2) بعنوان صورت لگاریتمیک معادله مک کول-والتر-رایت برای محاسبه ویسکوزیته روغن گیربکس مورد استفاده قرار گیرند (شکل 5 را ببینید). برای بکارگیری معادلات نشان داده شده در شکل 5، لازم است مقدار دو ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در دو نقطه دمایی 100 و 40 درجه سلسیوس مشخص باشد. این دو مقدار ورودی به معادلات شکل 5 را، به ترتیب، V1 برای ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در 100°C و V2 برای 40°C نامگذاری می کنیم. در مرحله بعد، لازم است دو نقطه دمایی 100 و 40 درجه سلسیوس را برحسب درجه کلوین (°K) بیان کنیم. تبدیل این دو نقطه در سیستم درجه کلوین را به ترتیب t1 (برای 100°C) و t2 (برای 40°C) می نامیم. بدین ترتیب، و با معلوم بودن این چهار مقدار ورودی، دو متغیر α و β قابل محاسبه خواهند بود [3].

شکل 5: معادلات لازم برای محاسبه ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در یک نقطه دمایی خاص [3]

در معادلات (1) و (2) که در شکل 5 نشان داده شده اند، متغیرهای ریاضی زیر نماینده این مفاهیم فیزیکی هستند:

- متغیر V(1) بیانگر ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در دمای 100°C برحسب mm²/sec؛

- متغیر V(2) نماینده ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در دمای 40°C برحسب mm²/sec؛

- متغیر t(1) نشان دهنده دمای نقطه (1) برحسب درجه کلوین است که بصورت زیر قابل محاسبه است:

t(1) = 100°C + 273,15 = 373,15K

- متغیر t(2) نشان دهنده دمای نقطه (2) برحسب درجه کلوین است که بصورت زیر قابل محاسبه است:

t(2) = 40°C + 273,15 = 313,15K

پس از آنکه دو متغیر α و β بدست آمدند، نوبت به محاسبه ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در آن نقطه دمایی خاص می رسد. برای اینکار، لازم است مقادیر α و β را به همراه تبدیل آن نقطه دمایی خاص برحسب درجه کلوین وارد معادله شماره (3) کرده و مقدار ویسکوزیته سینماتیک در آن نقطه دمایی خاص را محاسبه کرد. شکل 6 را ببینید:

شکل 6: معادله لازم برای محاسبه ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در یک نقطه دمایی خاص [3]

در معادله (3) که در شکل 6 نشان داده شده است، متغیرهای موثر در این معادله عبارتند از:

- متغیر V(s) نماینده ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس در آن نقطه دمایی خاص برحسب mm²/sec؛

- متغیر t(s) نشان دهنده آن نقطه دمایی خاص که باید ویسکوزیته روغن گیربکس برای آن محاسبه شود برحسب درجه کلوین

نکته: دقت شود که متغیر V(s) ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس را در آن نقطه دمایی خاص برحسب درجه سلسیوس (°C) بدست می دهد [3].

بعنوان مثال، برای محاسبه ویسکوزیته سینماتیک روغن بهران بردبار PG220 در دمای 70°C (هرچند، دمای 80°C دمای نرمال و معمول برای دندانه چرخدنده هاست [29])، ابتدا با مراجعه به وبسایت شرکت نفت بهران، مقادیر ویسکوزیته سینماتیک این روغن در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس را مشخص می کنیم (شکل 7).

شکل 7: مشخصات عملکردی روغن بهران بردبار PG220 (منبع: شرکت نفت بهران)

ابتدا، برای محاسبه مقدار β، باید مقادیر ویسکوزیته سینماتیک در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس (از شکل 7) را به همراه تبدیل همین نقاط به درجه کلوین در معادله (3) (شکل 6) جایگذاری کرد:

اکنون با داشتن مقدار β، متغیر α حساب می شود. به ترتیب زیر:

 

حال با معلوم بودن مقادیر α و β، و تبدیل مقدار دمای 70 درجه سلسیوس به کلوین، می توان مقدار ویسکوزیته سینماتیک روغن بهران بردبار PG220 را در دمای 70°C محاسبه کرد:

اکنون می دانیم که روغن بهران بردبار PG220 مصرفی در دمای 70 درجه سلسیوس چه ویسکوزیته ای را از خود نشان می داده است. بنابراین، می توان داده های جدول 2 را براساس دمای بالاتری که این گیربکس تجربه می کرده بهبود بخشید (Data Refinement) و نظر سازنده گیربکس در شکل 3.2 مبنی بر امکان استفاده از روغن گیربکس CLP-PG220/460 را صحیح دانست. هرچند، در محاسبه ویسکوزیته سینماتیک روغن CLP-PG220 بهران بردبار شایسته این است که تخمین ویسکوزیته در دمای مورد نظر با استفاده از دو ویسکوزیته سینماتیک در نقاط دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس اعلامی از آزمایشگاه انجام شود؛ نه داده های مندرج در کاتالوگ یا وبسایت روغنساز.

اما، به غیر از آنچه که در پاراگراف بالا گفته شد، محاسبه ویسکوزیته روغن مصرفی در گیربکس در یک دمای خاص کاربرد مهمتری نیز دارد. این کاربرد مهمتر چیزی نیست جز تخمین ضخامت فیلم روغن در فضای تبادل تنش بین دو دندانه گیربکس و در نتیجه آن، تعیین رژیم روغنرسانی به دو چرخدنده در آن نقطه دمایی [15]. ولی با این حال، لازمست قبل از آنکه به مبحث نحوه ارتباط ویسکوزیته روغن CLP-PG220 بهران بردبار در دمای 70°C با ضخامت فیلم آن ورود کرده و درباره رژیم های روغنرسانی در چرخدنده های صنعتی صحبت کنیم، بدانیم که در زمان درگیری دو دندانه گیربکس چه اتفاقی برای فیلم روغن محصور بین آنها می افتد. در ابتدای امر، بخش های مختلف ساختار یک چرخدنده ساده را در شکل 8 می بینیم.

شکل 8: بخش های مختلف تشکیل دهنده یک سیستم چرخدنده و پینیون [21]

حال اگر بخواهیم فضای بین دو دندانه را از نزدیک ببینیم، باید به شکل 9 نگاه کنیم. در شکل 9 الگوی توزیع سه متغیر توصیف کننده شرایط فیلم روغن گرفتار شده در فضای بین دو دندانه یک گیربکس به تصویر کشیده شده است. این سه متغیر عبارتند از: فشار، دما، و ضخامت فیلم روغن.

شکل 9: نمودار الگوهای توزیع فشار، دما، و ضخامت فیلم روغن گرفتار شده بین دو دندانه گیربکس [2]

از میان سه عامل فوق، حداقل ضخامتی که فیلم روغن تولیدی خواهد داشت از نقش کلیدی تری بمنظور تخمین رژیم روغنرسانی (بعنوان معیاری برای توصیف شرایط روغنرسانی به فضای بین دو دندانه درگیر) برخوردار است. چراکه فیلم روغن بعنوان حائلی بین دو سطح جامد عمل کرده و از تماس مستقیم دو سطح فلزی با یکدیگر (و در نتیجه، تولید حرارت ناشی از اصطکاک و ساییدگی دو سطح فلزی) جلوگیری می کند. بنابراین، بمنظور تخمین شرایط روغنرسانی به دو دندانه یک گیربکس لازمست حداقل ضخامت فیلم روغنی که انتظار داریم در سطح تماس دو دندانه تشکیل شود را بدانیم.

اما، مشکل اینجاست که حداقل ضخامتی که برای فیلم روغن مفروض محاسبه می شود عددی ثابت نیست و به سادگی با تغییر مشخصات هندسی، دما، بار وارده، و سرعت تغییر می کند. این عدم پایداری در مقدار کمینه ای که از فیلم روغن انتظار داریم ناشی از عدم پایداری ذاتی شرایط لغزش و غلتش (Sliding & Rolling) در محل تماس بین دو دندانه یک گیربکس، اعم از سرعت، هندسه تماس، بار وارده، و حرارت است. بنابراین، طبیعی است که در خط درگیری بین دو چرخدنده شاهد ضخامت های مختلفی از فیلم روغن در نقاط تماس مختلف از دندانه های متفاوت باشیم. این حالت، زمانی بغرنج تر از اینی که هست می شود که بدانیم ضخامت فیلم روغن محاسبه شده برای فضای درگیری بین دو دندانه گیربکس، دیگر برای درگیری دو دندانه بعدی بدرد نمی خورد! چراکه با جداشدن دو دندانه از یکدیگر، فیلم روغن از هم گسیخته شده و حداقل ضخامت فیلم روغن جدید تابع شرایط نسبتا جدیدی از هندسه نقطه تماس، سرعت موضعی، دما، و... خواهد بود.

محاسبه حداقل ضخامت مورد انتظار از فیلم روغن گرفتار در فضای محصور بین دو دندانه گیربکس یکی از موارد مهمی است که در زمان طراحی دندانه ها نیز مورد توجه قرار گرفته و بموجب آن تصویر روشنی از نحوه روغنرسانی به سطوح درگیر دو دندانه در اختیار طراح قرار داده می شود تا نسبت به پیش بینی عمر مفید چرخدنده و سناریوهای خرابی احتمالی، پیش بینی های لازم در دسترس باشد.

بدین ترتیب، طراح می تواند با استناد به ورودی هایی مانند مولفه نیرو، فشار تماسی، و دما و با فرض مقادیر ثابت وابسته به مواد تشکیل دهنده چرخدنده ها و مقادیر مربوط به روانکار (اعم از ویسکوزیته دینامیک آن روغن در نقطه دمایی مفروض از دمای دندانه ها و فرض ضریب فشار α=2000bar) اقدام به محاسبه حداقل ضخامت فیلم روغن بنماید [2].

در فضای نشان داده شده در شکل 9، دو ضخامت برای فیلم روغن متصور است:

الف) حداقل ضخامت (Minimum Film Thickness [7,8,9,11,13,14,17] یا Minimum Lubricant Gap [16]) که با یکی از نشانه های h_min [7,8,9,14,16,17]، h [11]، یا h_m [13] نشان داده می شود و در این مقاله از اینجا به بعد از عبارت h_min برای اشاره بدان بهره خواهیم جست. واحد اندازه گیری h_min در منابع مختلف بصورت in [6,7,11] یا μm [14] قابل بیان است. هرچند ترجیح بسیاری از منابع مهندسی برآنست که از صورت بی بعد (Dimensionless) حداقل ضخامت فیلم روغن که با H_min نشان داده می شود در محاسبات استفاده شود [8,13,16,17,18]؛ و

ب) ضخامت مرکز فیلم روغن (Central Film Thickness) که با h_c نشان داده شده و واحد اندازه گیری آن μm [14] یا in بوده و با h_c [14,16] یا h_cen [17] نشان داده می شود. در منابع مختلف مهندسی، صورت بدون ضخامت مرکز فیلم روغن با Hc نشان داده می شود [13,14,16,18]. در این مقاله، برای اشاره به ضخامت مرکز فیلم روغن از h_c استفاده خواهد شد.

این دو ضخامت به همراه سایر عوامل موثر بر آنها در شکل 10 به تصویر کشیده شده اند.

شکل 10: متغیرهای عامل بر تعیین دو ضخامت حداقل و مرکزی فیلم روغن [16]

تاکنون معادلات مختلفی برای محاسبه h_min پیشنهاد شده است که از جمله معروفترین آنها می توان به Dowson-Higginson (1961)[7,14,22] ، Hamrock-Dowson (1977) [13,16,20]، Moes (1966)، Johnson (1970)، Chittenden et al (1985) [13] و ... اشاره کرد که در این مقاله، بمنظور محاسبه حداقل ضخامت فیلم روغن در منطقه نزدیک به انتهای نقطه تماس دو چرخدنده (همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است)، از معادله Dowson-Higginson استفاده می کنیم که دارای دو صورت بوده و صورت اول آن ذیلا نشان داده شده است [7]:

هر یک از پارامترهای نشان داده شده در معادله (1) به شرح زیر تعریف می شوند:

- h_min: حداقل ضخامت فیلم روغن، برحسب in [7] یا μm [14]

- α: ضریب فشار-ویسکوزیته روغن برحسب in²/lbf [6,7,11] یا mm²/N [14]

قبلا در مقاله «اثر فشار بر ویسکوزیته روغن» در همین وبلاگ درباره معادلات مختلف برای محاسبه α صحبت کرده بودیم. یکی از معادلاتی که در آن مقاله بدان اشاره شد، معادله شماره 2 بود:

در معادله فوق، η_p بیانگر ویسکوزیته دینامیک روغن PAG در دمای کاری (در اینجا: 70°C) و فشار p و برحسب Pa.s است. بنابراین، برای محاسبه α ناگزیر از محاسبه η_p هستیم. برای محاسبه η_p از معادله Cameron بهره می گیریم:

در معادله 3، متغیرهای زیر را داریم که هر یک به ترتیب زیر تعیین می شوند:

+ η₀: ویسکوزیته دینامیک در فشار اتمسفریک (یعنی 1bar) و دمای کاری روغن (در اینجا: 70°C)، برحسب Pa.s

بمنظور محاسبه ویسکوزیته دینامیک روغن CLP-PG220 در دمای 70°C و فشار اتمسفریک 1bar، براساس مقاله «اثر دما بر ویسکوزیته روغن» و با فرض ضریب انبساط حرارتی برابر 0.0007 و با معلوم بودن دانسیته روغن در دمای 15°C (براساس جدول مندرج در شکل 7) می توان مقدار دانسیته در دمای 70°C را حساب کرد:

 

بدین ترتیب برای η₀ خواهیم داشت:

 

+ C: عدد ثابت که با استفاده از نمودار شکل 11 انتخاب می شود و با داشتن η₀ و دانستن دمای کاری روغن (70°C) می توان نتیجه گرفت که مقدار C تقریبا برابر با 0.95 خواهد شد.

شکل 11: نمودار مرجع تعیین عدد ثابت C برای معادله Cameron (منبع: اثر فشار بر ویسکوزیته روغن)

+ p: فشار نقطه تماس دو دندانه که در اینجا براساس داده های مندرج در [20] برابر 0.94GPa (معادل 9400bar) فرض شده است.

+ n: عدد ثابت که برابر 16 فرض می شود.

بنابراین، برای محاسبه η_p از معادله 3 خواهیم داشت:

 

اکنون که η_p را داریم، برای محاسبه α می توان از معادله 2 اقدام کرد:

 

شایسته اینست که مقدار بدست آمده برای α را با بازه تغییرات معمول آن که در مقاله «اثر فشار بر ویسکوزیته روغن» در همین وبلاگ درج شده بود، مقایسه کنیم. از آن مقاله داشتیم:

بنابراین، مقدار بدست آمده برای α در این مقاله، فعلا در بازه قرار دارد. البته، برای بدست آوردن α روش دیگری نیز موجود است که در مرحله بعدی بدان خواهیم پرداخت که به بررسی صورت دوم معادله Dowson-Higginson می پردازد.

- η: ویسکوزیته مطلق (دینامیک) برحسب lbf/in2 [6,7] یا cP [11] یا m.Pa.s [14]

در خصوص η در معادله 1 لازم به توضیح است که مطابق [11]، این ویسکوزیته دینامیک در دمای محیط است. اما، چون در [7] نمودار تغییرات این ویسکوزیته در برابر دما داده شده است، بنابراین در این مقاله نیز η را ویسکوزیته دینامیک در دمای کاری روغن (یعنی همان η₀ که بالاتر آنرا حساب کردیم) فرض می کنیم.

در عین حال، ویسکوزیته دینامیک در [7] با ₀μ نشان داده شده است که با الهام از [14,16] و در عین حال، مقاله «اثر دما بر ویسکوزیته روغن»، از حرف یونانی η برای اشاره به ویسکوزیته دینامیک در دمای 70°C استفاده شد.

- V_e: سرعت غلتش یا Rolling Velocity [11] یا Entraining Velocity [6,7,13,14] که حاصلجمع دو سرعت غلتشی پینیون و چرخدنده (که به ترتیب با اعداد 1 و 2 مشخص می شوند) و برحسب in/s [7,11] یا m/s [14] بوده و از رابطه زیر حساب می شود:

در معادله 4، متغیر های ρ₁ و ρ₂، به ترتیب، شعاع انحنای ترانسورس پینیون و چرخدنده برحسب in [7,11] یا mm [14]؛ و ω₁ و ω₂ نیز سرعت زاویه ای پینیون و چرخدنده برحسب rad/s [7,14] هستند [7].

البته برای محاسبه سرعت غلتش رابطه ریاضی دیگری نیز موجود است که در مقاله ای جداگانه که مختص موضوع «نحوه محاسبه ضخامت فیلم روغن» نگاشته خواهد شد، به تفصیل بدان خواهیم پرداخت.

در خصوص مقادیر متغیر های ρ₁ و ρ₂، یعنی شعاع انحنا در صفحه ترانسورس پینیون و چرخدنده، ابتدا باید دانست که این دو شعاع انحنا چطور در هندسه گیربکس تعریف می شوند. شکل 12 را ببینید. این شکل خط فشار (Line of Action) یک چرخدنده خارجی (External Gear) را نشان می دهد: همراه با تمامی فواصلی که با نقاط A تا F روی آن مشخص شده اند.

شکل 12: فواصل روی خط فشار یک چرخدنده خارجی [14]

حروف A تا F نماینده نقاط قراردادی و مفروضی هستند که خط فشار یک چرخدنده را به فواصل مختلف تقسیم می کنند. در شکل 12، حروف C_A تا C_F نشاندهنده فاصله نقاط A تا F از نقطه تلاقی پینیون با خط فشار چرخدنده (بعنوان نقطه مرجع یا مرکز دستگاه مختصاتی) هستند.

اکنون که متوجه اهمیت این فواصل قراردادی شدیم، پارامتر جدیدی را با عنوان «زاویه گردش» یا Roll Angle معرفی می کنیم که با حرف یونانی ξ نشان داده شده، برحسب rad بیان شده، و بیانگر زاویه ایست که هر یک از 5 نقطه A تا F در طول خط فشار با شعاع پایه پینیون (r_b1) می سازند. این زاویه از رابطه زیر قابل محاسبه است [14]:

در معادله 5، حرف i بیانگر هر یک از نقاط A، B، C، D، E، یا F است.

حال که دو مفهوم فواصل نقاط فرضی روی خط فشار از نقطه تلاقی پینیون و زاویه ای که هر یک از این فواصل با شعاع پینیون می سازد را دانستیم، می توانیم شعاع انحنای ترانسورس (Transverse Radius of Curvature) که با حرف یونانی ρ نشان داده می شود را تعریف کنیم. شکل 13 را ببینید.

شکل 13: شعاع انحنای ترانسورس در یک چرخدنده خارجی [14]

همانطور که قبلا نیز گفتیم، دو اندیس 1 و 2 بیانگر پینیون و چرخدنده هستند. بنابراین، در شکل 13، دو مشخصه ρ₁ و ρ₂، به ترتیب، نماینده شعاع انحنای پینیون و چرخدنده در صفحه ترانسورس هستند که هر کدام از روابط زیر حساب می شوند [14]:

بنابراین، طبیعی است که مقدار ρ₁ و ρ₂ در طول خط فشار متفاوت باشد.

واضح است که مقادیر لازم برای محاسبه ρ₁ و ρ₂ در اختیار نویسنده این مقاله قرار داده نشده است. از این رو، مقادیری که در Annex D منبع [14] بعنوان مثال در اختیار قرار گرفته را بعنوان مقادیر نمونه انتخاب کرده و محاسبات را با توجه به معادلات 5 تا 7 انجام می دهیم. نتیجه این محاسبات در جدول 3 نشان داده شده است:

جدول 3: محاسبه مقادیر ξ_i، ρ₁، ρ₂، و V_e با استفاده از معادلات 5 تا 7 و با استفاده از مقادیر اولیه اخذ شده از [14]

مرحله بعدی به محاسبه دو سرعت زاویه ای پینیون و چرخدنده (یعنی ω₁ و ω₂) اختصاص دارد. سرعت زاویه ای پینیون از رابطه زیر حساب می شود [14]:

در معادله 8، پارامتر n₁ نماینده سرعت پینیون برحسب rpm بوده و با استفاده از داده های Annex D منبع [14] برابر 308.57rpm فرض می شود. بنابراین، سرعت زاویه ای پینیون با توسل به معادله 8 برابرخواهد بود با:

                                                                                                                 

در ادامه، سرعت زاویه ای چرخدنده نیز از رابطه زیر قابل دستیابی است [14]:

حرف u در معادله 9 بیانگر نسبت دنده بوده و از رابطه زیر حساب می شود [14]:

در معادله 10، z₁ نماینده تعداد دندانه های پینیون و z₂ تعداد دندانه های چرخدنده هستند که با استفاده از داده های مندرج در Annex D منبع [14]، مقدار z₁=21 و z₂=26 فرض می شود. بدین ترتیب، برای محاسبه مقدار ω₂ با توسل به معادلات 9 و 10 داریم:

                                                                                                                    

اکنون می توان با استفاده از معادله 4، مقدار سرعت غلتش را حساب کرد. اما، مشکل اینست که مقدار ρ₁ و ρ₂ ثابت نیست و در طول خط فشار تغییر می کند (جدول 3 را ببینید) و همین موضوع مقادیر مختلفی از V_e را بدست می دهد. به ترتیب زیر:

                                                                                                                 

بنابراین، طبیعی است که در طول خط فشار اعداد متفاوتی برای Ve داشته باشیم و اینطور که پیداست، در نقطه F که دورترین نقطه از تلاقی دو دندانه پینیون و چرخدنده است، بیشترین سرعت غلتشی را شاهد هستیم. شکل 14 را ببینید.

شکل 14: نمودار نمو سرعت غلتشی از نقطه A تا F براساس مقادیر اخذ شده از [14] (خطا: 7.53%)

- ρ_n: شعاع انحنای نسبی در صفحه نرمال برحسب mm [14] یا in [7,11] که از رابطه زیر حساب می شود:

در معادله 11، همانطور که می دانیم، مقادیر ρ1 و ρ2 در طول خط فشار متغیر بوده و نمونه ای از این مقادیر در جدول 3 نشان داده شده است.

نکته: پرانتز مخرج کسر معادله 11 در منابع [7,14] بصورت ρ₂±ρ1 نشان داده شده است که با توجه به مقایسه نتایج محاسبات بدست آمده از Annex D منبع شماره [14]، صورت فوق در این مقاله ترجیح داده شد.

پارامتر ψ_b نیز زاویه پایه مارپیچ یا Helix Base Angle نام داشته و برحسب درجه بیان می شود [7,14]. مقدار این زوایه ψ_b با توسل به معادله زیر قابل محاسبه است [14]:

در معادله 12، پارامترهای p_bn و p_bt، به ترتیب، گام پایه نرمال یا Normal Base Pitch و گام پایه در صفحه ترانسورس یا Transverse Base Pitch بوده که برحسب mm بیان شده و هر یک از روابط زیر قابل محاسبه هستند [14]:

که در معادله 13، m_n نشان دهنده مدول نرمال بوده و از مقادیر داده شده در Annex D منبع شماره [14] برابر با 4mm فرض می شود. پارامتر α_n نیز بیانگر زاویه فشار تولیدی در صفحه نرمال یا Normal Generating Pressure Angle است که با توجه به مقادیر داده شده در Annex D منبع شماره [14] برابر با 20 درجه فرض می شود. بدین ترتیب، p_bn برابر خواهد بود با

                                                                                                               

مقدار p_bt نیز از رابطه زیر حساب می شود:

مقادیر z1 و rb1 را که از قبل می دانیم، از این رو برای محاسبه pbt داریم:

                                                                                                               

بدین ترتیب، و با معلوم شدن مقادیر p_bn و p_bt از معادلات 13 و 14، می توان مقدار ψ_b را با استفاده از معادله 12 حساب کرد:

                                                                                                              

اکنون، با استفاده از معادله 11 می توان مقادیر ρ_n در نقاط A تا F از خط فشار این چرخدنده را حساب کرد که نتایج محاسبه در جدول 3 نشان داده شده است.

- X_Γ: فاکتور تقسیم بار بین چرخدنده و پینیون [7,14]

این فاکتور به نحوه تقسیم بار بین یک جفت دندانه اشاره داشته و از شکل پروفیل دندانه ها تاثیر می پذیرد؛ فارغ از اینکه پینیون عامل حرکت باشد یا چرخدنده. فاکتور تقسیم بار با توسل به یک تابع چندضلعی روی خط فشار و با مقدار بین 1.0 بین دو نقطه B و D تعریف می شود [14]. شکل 15 را ببینید.

شکل 15: نمودار تقسیم بار بین چرخدنده و پینیون در طول خط فشار [14]

نکته حائز اهمیت اینکه فاکتور تقسیم بار بشدت از وضعیت پرداخت سطح نوک و بیخ دندانه های درگیر (شکل 8) تاثیر پذیرفته و شکل 15 مربوط به حالتی است که نوک و بیخ دندانه ها بمنظور تحمل بار سنگین پرداخت شده و پینیون محرک چرخدنده باشد. بنابراین، مقدار X_Γ در این مقاله از روابط زیر حساب خواهد شد:

بدین ترتیب، مقادیر مختلفی برای X_Γ برای نقاط A تا F بدست می آید که همگی در جدول 3 نشان داده شده اند.

- w_Nr: بارگذاری بازای کوچکترین واحد طول تماس در صفحه نرمال [7,11,14] که با یکی از واحدهای N/mm [14] یا lbf/in [7,11] بیان می شود. بمنظور محاسبه w_Nr فرمول زیر را داریم:

معادله شماره 16 در [11] بصورت زیر و با تعریف «بارگذاری به ازای واحد تماس» آمده است که برای محاسبه آن رابطه زیر برای دندانه های مارپیچ (Helical Gear Teeth) ارائه شده است:

در رابطه شماره 17، W_t بصورت «نیروی مماسی دندانه در نقطه گام» و با واحد اندازه گیری lb و F نیز از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در رابطه فوق، L_min بعنوان «حداقل طول تماس» برحسب mm، زاویه ψ بعنوان «زاویه مارپیچ» برحسب درجه و _nφ بعنوان «زاویه فشار نرمال» و برحسب درجه تعریف می شوند.

اشکال استفاده از رابطه 17 آنست که اولا برای محاسبه W_t رابطه ای داده نشده و ثانیا تاکید شده که این رابطه برای چرخدنده های مارپیچ است که بیشتر جنبه مماسی قضیه برای آنها مهم است. حال آنکه در خصوص w_Nr بیشتر بدنبال جنبه نرمال واحد بارگذاری هستیم. حال، وقتی به [14] نگاهی می اندازیم، رابطه شماره 17 بصورت زیر ظاهر می شود:

رابطه 18 به صورت ریاضی ارائه شده در معادله 16 بیشتر نزدیک است. در خصوص F_wn که بصورت «بار عملکردی نرمال» تعریف می شود، رابطه زیر ارائه شده است:

در معادله شماره 19، دو زاویه α_wn و β_w، به ترتیب، عبارتند از «زاویه فشار عملکردی نرمال» و «زاویه عملکردی مارپیچ» که هر دو برحسب درجه بیان می شوند. متغیر F_t نیز «بار مماسی واقعی» نام داشته، برحسب N بیان شده، و از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در معادله فوق، (F_t)_nom برحسب N بیان شده و «بار مماسی نامی» نام دارد. K_D نیز «ضریب اتلاف بار مرکب یا Combined Derating Factor» نام دارد. این دو متغیر با توسل به روابط زیر قابل محاسبه هستند:

در معادله شماره 22، سه ضریب داریم که همگی از استاندارد ANSI/AGMA 2101-C95 یا نسخه به روز شده آن، ANSI/AGMA 2101-D04 قابل انتخاب و محاسبه هستند (هرچند در این مقاله، این مقادیر از پیوست انتهای [14] بعنوان مثال برداشته شده و داخل محاسبات وارد شده اند). این ضرایب، به ترتیب ظهور در معادله 22، عبارتند از «ضریب بارگذاری بیش از حد یا K_o»، «ضریب توزیع بار یا K_m»، و «ضریب دینامیک یا K_v».

نکته: ضریب K_m که «ضریب توزیع بار» نام دارد در متن استاندارد فوق بصورت K_H ذکر شده است [24].

برگردیم به معادله 21. در این معادله دو متغیر داریم: P که «توان انتقالی یا Transmitted Power» نام داشته و برحسب kW بیان می شود. متغیر ν_t نیز «سرعت خط گام عملکردی یا Operating Pitch Line Velocity» نام داشته و برحسب m/s بیان می شود. سرعت خط گام عملکردی از طریق معادله 23 محاسبه می شود:

دو متغیر حاضر در رابطه شماره 23 به ترتیب عبارتند از:

- ω₁ که «سرعت زاویه ای پینیون» نام داشته و برحسب rad/s بیان می شود. متغیر ω₁ از طریق رابطه شماره 8 قابل محاسبه است و قبلا در این مقاله مقدار آن را داشتیم.

- r_w1 که «شعاع گام عملکردی پینیون» نام داشته و برحسب mm بیان می شود. مقدار r_w1 از معادله شماره 24 قابل محاسبه است:

در رابطه شماره 24، متغیر a_w «فاصله از مرکز عملکردی» نام داشته و برحسب mm بیان می شود. مقدار a_w از [14] انتخاب می شود. u نیز نسبت دنده است که قبلا از رابطه شماره 10 حساب کرده بودیم.

بدین ترتیب، هرچند در [11] برای محاسبه صورت کسر معادله 17 رابطه ای ارائه نشده است، اما، با نگاهی به معادله 19 و جمیع معادلات پس از آن تا معادله 24، می توان نتیجه گرفت که منابع [11] و [14] همگرا هستند. از این رو، می توان صورت معادله 16 را با اندکی تغییر نام در متغیرها، به شرح زیر اصلاح کرد:

متغیرهایی که در معادله 25 مشاهده می کنید، به ترتیب ظهور در معادله، عبارتند از:

- w_Nr: بار واحد نرمال (N/mm یا lbf/in)؛

- F_n: بار عملکردی نرمال (N)؛

- ψ: زاویه مارپیچ عملکردی (درجه)؛

- _nφ: زاویه فشار عملکردی نرمال (درجه)؛ و

- L_min: حداقل طول تماس (mm)

اکنون، با تغییر نام جزیی که در این مقاله و در معادله 16 صورت دادیم تا به معادله 25 برسیم، می توان مقدار w_Nr را حساب کرد. بمنظور محاسبه w_Nr نیاز به مقادیر اولیه ای داریم که از پیوست انتهای [14] انتخاب می شوند در این مقاله. سیر محاسبات تا رسیدن به مقدار w_Nr در شکل 16 نشان داده شده است:

شکل 16: سیر محاسبات از انتخاب مقادیر اولیه تا رسیدن به مقدار محاسباتی برای w_Nr

بدین ترتیب، و براساس سیر محاسبات نشان داده شده در شکل 16، مقدار w_Nr برابر با مقدار زیر محاسبه می گردد:

-         E_r: آخرین متغیر حاضر در معادله 1، E_r است که از آن در برخی منابع با عنوان «مدول الاستیسیته تعدیل یافته» [7,14,22] و در برخی دیگر با عنوان «مدول الاستیسیته موثر» [11] یاد شده است. با نگاهی به چهار منبع [7,11, 14,22]، روابط زیر را برای محاسبه E_r شاهدیم:

در روابط 26 و 27، ν1 و ν2 و E1 و E2، به ترتیب، عبارتند از ضریب پواسون و مدول الاستیسیته پینیون و چرخدنده.

واحد اندازه گیری E_r (یا E’) بصورت N/mm² [14] یا lb/in² [7,11] می باشد.

اکنون، با توجه به اینکه فرمول محاسبه برای Er در [7,14,22] (البته با عنایت به واحد اندازه گیری متفاوت) یکسان است، اقدام به محاسبه مقدار Er براساس هر دو رابطه 26 و 27 می کنیم. نتایج در جدول 4 نشان داده شده است:

جدول 4: محاسبه مقدار E_r (یا E’) با استفاده از معادلات 26 و 27 و با استفاده از مقادیر اولیه اخذ شده از [14]

همانطور که از جدول 4 هویداست، مقدار E_r براساس رابطه شماره 27 حدود 57% نسبت به مقدار E_r محاسبه شده براساس رابطه شماره 26 افزایش می یابد. بر این اساس، می توان نتیجه گرفت که در مورد E_r، سه منبع [7,14,22] در راستای یکدیگر بوده و از این رو، رابطه شماره 26 برای محاسبه E_r انتخاب می شود. بنابراین، در خصوص E_r داریم:

اکنون، از جمیع مقادیر دخیل در معادله Dowson-Higginson یا معادله شماره 1 می توان مقدار h_min برای روغن CLP-PG220 بهران بردبار در دمای 70°C را حساب کرد. البته، قبل از شروع محاسبه باید بدانیم که تمامی واحد های متغیرهای تشکیل دهنده معادله 1 برحسب سیستم ایمپریال هستند (به شرح جدول 5). از این رو، ابتدا باید تمامی مقادیر نشان داده شده در جداول 3 و 4 به سیستم اندازه گیری ایمپریال تبدیل شوند:

جدول 5: واحد های اندازه گیری و مقادیر تبدیل شده برای پارامترهای دخیل در معادله 1 در سیستم ایمپریال

بدین ترتیب، مقدار hmin برحسب mm و in برای روغن فوق در دمای عملکردی فوق برابر خواهد بود با:

حال اگر بخواهیم تاثیر پارامتر η₀ بر h_min را بررسی کنیم، ابتدا باید بازه تغییرات مناسب و معقولی برای η₀ بدست آورده و سپس پاسخ ضابطه h_min را به این تغییرات مدل کنیم. برای اینکار، ابتدا لازمست بازه تغییرات دمایی مناسبی برای η₀ در نظر بگیریم.

در خصوص بازه دمایی، با فرض اینکه دمای کاری محیطی که این گیربکس در آن نصب است (غرب ایران) بین 5 تا 40 درجه سلسیوس است، بنابراین، دمای Cold Start گیربکس را می توان روی +5°C انتخاب کرد. حداکثر دمایی که روغن CLP-PG220 بهران بردبار تحمل خواهد کرد را نیز 100°C فرض می کنیم. چراکه بیش از این عدد دیگر معقول نیست برای روغن های گیربکسی.

پس بدین ترتیب، بازه دمای کاری روغن گیربکس مورد مطالعه در این مقاله +5~100°C فرض می شود.

در ادامه، با فرض فشار اتمسفریک 1bar و با فرض ضریب انبساط حرارتی روغن برابر 0.0007 و معلوم بودن دانسیته روغن در دمای 15°C (شکل 7) می توانیم معادله زیر را برای محاسبه دانسیته روغن در هر دمایی از بازه دمایی فوق بنویسیم:

در معادله 28:

- _Tρ: دانسیته روغن CLP-PG220 بهران در دمای T (بازه تغییرات بین +5 تا 100°C) برحسب gr/cm³؛

- ₁₅ρ: دانسیته روغن فوق در دمای 15°C، برابر با 0.998gr/cm³؛

- a₁₅: ضریب انبساط حرارتی روغن گیربکس فوق که برابر 0.0007 فرض شده است؛ و

- T: دمای کاری روغن بین +5 تا 100°C

در مرحله بعد، برای محاسبه η_T نیازمند آنیم که ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس را در بازه دمایی که تعریف کرده ایم، بدانیم. در این خصوص، مانند روشی که در ابتدای این مقاله طی کردیم، عمل می کنیم:

در رابطه شماره 29 که قبلا در شکل 6 نشان داده بودیم:

- ν_T: ویسکوزیته سینماتیک روغن در دمای معینی از بازه دمایی 5~100°C؛

- T: دمای کاری روغن برحسب درجه کلوین (بین 278.15~373.15°K)؛

- ضرایب α و β نیز همان مقادیری هستند که قبلا حساب کرده بودیم:

بنابراین، معادله 29 بصورت زیر قابل بازنویسی است:

بدین ترتیب، برای محاسبه η_0T، یعنی «ویسکوزیته دینامیک در دمای کاری روغن» خواهیم داشت:

هرچند، نباید فراموش کرد که برای استفاده از مقدار η_0T بدست آمده از معادله 31 لازمست واحد اندازه گیری از cP به lbf.s/in² تغییر کند.

اکنون، بعنوان مرحله آخر از این بخش از محاسبات، اثر تغییر η_0T را بر h_min می بینیم. از معادله 1 داشتیم:

بدین ترتیب، مقدار h_min برحسب in و mm در هر نقطه ای از بازه دمایی 5~100°C با استفاده از معادله 32 قابل استحصال خواهد بود. جدول 6 را ببینید.

جدول 6: مقادیر محاسبه شده برای h_min براساس تغییرات T و η_0T

بر همین اساس، حداقل ضخامت فیلم روغن در نقطه D (شکل 12) و در دمای 70°C برابر با 0.4431μm خواهد بود. بنابراین، با توجه به اینکه این عدد در بازه 0.4 تا 0.8 میکرون قرار می گیرد. پس می توان ادعا کرد که چرخدنده و پینیون این گیربکس در دما و در محل تعریف شده با رژیم EHL روغنرسانی می شوند [10,15,19].

شکل 17: رژیم های روغنرسانی براساس ضخامت فیلم روغن (نمودار Stribeck) [15]

روند تاثیر گذاری تغییرات η_0T بر مقدار h_min که در معادله 32 حاصل شده بود، در شکل 18 نشان داده شده است:

شکل 18: تاثیر تغییرات η_0T در بازه حرارتی 5~100°C روی h_min

همانطور که از نمودار شکل 18 مشهود است، ویسکوزیته دینامیک روغن گیربکس و حساسیت آن به دما (که به ساختار شیمیایی، سلامت روغن، و تنوع و اثربخشی ادتیوهای حاضر در ترکیب شیمیایی آن باز می گردد) تاثیر شدیدی روی حداقل ضخامت فیلم استحصالی از آن روغن دارد. در خصوص نحوه محاسبه ضخامت فیلم روغن و میزان تاثیر پارامترهای مرتبط با کیفیت روغن در مقاله ای جداگانه بحث خواهیم کرد.

بعنوان نتیجه گیری از تمام محاسبات و روابط ریاضی معرفی شده تا بدینجای کار، استفاده از روغن CLP-PG220 بهران برای این جعبه دنده بلامانع بوده است. سازنده یا وندور گیربکس در شکل 3.2 از عبارت CLP یا PGLP برای بیان مشخصات عملکردی یا Performance روغن مصرفی در این گیربکس استفاده کرده است. این مشخصات در جدول 7 با جزییات بیشتری نشان داده شده است.

جدول 7: کلاس های مختلف عملکردی روغن های مناسب برای گیربکس های صنعتی [2,4]

در مورد کلاس های عملکردی نشان داده شده در جدول 7 لازم بذکر می داند که نحوه نمایش کلاس عملکردی روغن های گیربکسی با استفاده از استاندارد DIN 51502 در این جدول نشان داده شده است. اما عبارت CLP دقیقا یعنی چه؟

براساس دو استاندارد DIN 51502  و DIN 51517، عبارت CLP کدی برای بیان مشخصات ساختاری روغن های گیربکسی است که هر حرف از این کد معنی زیر را می دهد:

- حرف C بیانگر الزام به حضور ادتیوهای ضدخوردگی (Anti-Corrosion) در ساختار شیمیایی روغن گیربکسی است (برای اطلاعات بیشتر در خصوص ادتیوهای ضد خوردگی، مراجعه به مقاله «مقدمه ای بر ادتیوهای روغن و گریس: بخش دوم؛ بازدارنده های خوردگی» در همین وبلاگ توصیه می شود)؛

- حرف L بیانگر الزام به حضور ادتیوهای مقاومت به پیرسازی (Aging resistance) در ساختار شیمیایی روغن؛ و

- حرف P نشان دهنده لزوم حضور استفاده از ادتیوهای ضد سایش (Anti-Wear: AW) در فرمولاسیون روغن گیربکسی است [4,5].

بدین ترتیب، و با استناد به مندرجات جدول 7، تمامی روغن های گیربکسی آبگریز هستند، الا PAG.

بنابراین، در بخش بعدی این مقاله لازمست به ساختار روغن های PAG نگاهی دقیق داشته باشیم.

2. روغن های PAG: نگاه نزدیک

روغن های PAG به گروهی از روغن های صنعتی تعلق دارند که در ادبیات مهندسی و روانکاری با عنوان روغن های سینتتیک شناخته شده [23,27] و نزدیک به 24 درصد حجم کل روغن های سینتتیک مصرفی در جهان را شامل می شوند [27].

تحقیق و توسعه فرمولاسیون لازم برای این تیپ از روغن های صنعتی، اما، اصلا چیز جدیدی نیست و به سال های قبل از جنگ جهانی دوم باز می گردد. اولین تلاش های جدی برای ارائه یک فرمولاسیون جدید از روغن های سینتتیک با تحریم دسترسی آلمان ها به منابع نفتی از طریق متفقین و توسط کمپانی I.G. Farben کلید خورد. هرچند، اولین استفاده رسمی از روغن های PAG در روانکاری موتورهای هواپیماهای امریکایی در سال 1944 ثبت شده است. امروزه، اما، عوامل محدودکننده ای چون سقف قیمت تمام شده و تطابق با استانداردهای زیست محیطی باعث شده اند که روغن های PAG مدرن از واکنش بین بوتیلن اکساید با پروپیلن اکساید [27] بمنظور تشکیل یک ساختار شیمیایی برپایه پلی اتر [12] بعنوان پایه بهره جسته و با تکیه بر زنجیره طویلی از الکل های محلول در روغن یا حتی آب [27]، ضمن دستیابی به تطابق لازم با محیط زیست، شاخص ویسکوزیته (VI) بالا و ضریب اصطکاک بسیار پایینی [23,30] را ارائه کنند [23].

شکل 19: عوامل تشکیل روغن PAG [27]

روغن های گیربکسی PAG دارای VI بالا (اغلب بالاتر از 200، جدول 7 را ببینید)، پایداری حرارتی عالی، و مقاومت بسیار خوب به اکسیداسیون برخوردارند [12,25,30]. همین باعث عمر بیشتر روغن های PAG در مقایسه با دیگر روغن های گیربکسی تیپ مینرال یا سینتتیک می شود. شکل 20 را ببینید.

روغن های PAG حتی تا آخرین لحظات تعویض خود نیز ویسکوزیته خود را در محدوده استاندارد حفظ می کنند. اصولا، نکته جالب در مورد روغن های PAG آنست که تنها تغییری که انقضای عمر روغن را نشان می دهد، عدد اسیدی یا AN است. روغن های PAG نو، بسته به نوع ادتیوهای بکار رفته در ساختار شیمیایی خود، عدد اسیدی 0.1~0.5mgKOH/g را از خود نشان می دهند که این عدد می تواند پس از کارکرد روغن در تجهیز تا سقف 1.0mgKOH/g افزایش پیدا کند [25]. دلیل اصلی این افزایش عدد اسیدی (AN) نیز به آبدوستی روغن PAG برمی گردد. بطوریکه جذب 1000ppm آب در حجم ثابتی از روغن PAG می تواند عدد اسیدی آن را به مراتب افزایش دهد [26].

شکل 20: نمودار زمان تعویض روغن برحسب دمای روغن [30]

ولی با اینحال، این تیپ از روغن ها در کنار تمایل به جذب رطوبت بالا بدلیل آبدوستی (Hygroscopicity) [12,26]، نسبت به خوردگی ناشی از آب شور (Salt Water Corrosion) نیز عملکرد ضعیفی داشته و لذا باید در انتخاب این دسته از روغن ها برای روانکاری گیربکس هایی (یا بیان عمومی: تجهیزاتی) که در معرض آب شور یا محیط های پرنمک قرار دارند، با احتیاط عمل کرد. در عین حال، روغن های PAG با اغلب متریال های رایج بکار رفته در انواع واشرها، درزگیرها، رنگ ها، و فیلترها سازگاری نداشته و موجب فساد آنها را در صورت تماس مستقیم فراهم خواهد آورد [12].

از این گذشته، روغن های PAG را نمی توان به سادگی با روغن های مینرال یا دیگر سینتتیک ها ترکیب یا مخلوط کرد [12,25,30]. البته، میزان آبدوستی و میل به ترکیب با سایر روانکارها به نسبت اتیلن اکساید به پلی پروپیلن اکساید در ساختار شیمیایی PAG حاصله بستگی دارد [12]. بطوریکه روغن های PAG با 100 درصد اکسی پروپیلن (PO) در ساختار شیمیایی خود کاملا محلول در آب بوده و از آنسو، آن دسته از PAG هایی که از نسبت EO/PO برابر 75/25 یا 50/50 یا 60/40 در ساختار خود داشته باشند، به همان نسبت، در دمای محیط نسبت به آب تا حدودی نامحلول خواهند بود [25,27].

بطورکلی، از آنجا که روغن های PAG نسبت به انواع روانکارهای مینرال تحمل آب بیشتری دارند، بنابراین، باید در آنالیز این دسته از روغن ها استاندارد سقف وجود آب در نمونه روغن را بسیار بالاتر از انواع مینرال (و حتی سایر سینتتیک ها [28]) گرفت. بطوریکه حتی انواع «نامحلول در آب» روغن های PAG می توانند براحتی حاوی 0.7 درصد وزنی یا حتی 1.0 درصد وزنی (معادل 10,000ppm) [27] آب در ساختار خود (بعنوان آلودگی) باشند [25]. هرچند، از آنجا که این آب در حالت آزاد قرار ندارد (برای اطلاعات بیشتر راجع به آب آزاد، مراجعه به مقاله «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» توصیه می شود)، پس حضور این مقدار آب در ترکیب PAG نه روی عمر برینگ (بعنوان یکی از اجزای مکانیکی) اثر مخرب داشته و نه تمایل به خوردگی را افزایش می دهد [27]. جدول 8 را ببینید.

جدول 8: مقایسه ای از میزان تقریبی آب حاضر در ترکیب شیمیایی روغن PAG در قیاس با دو روغن PEE [30]

بنابراین، همانطور که در جدول 8 نیز دیده می شود، مقدار 17,000ppm آب خوانده شده در نتیجه تست نمونه روغن بهران بردبار PG220 موضوع مطالعه این مقاله اصلا چیز عجیبی نیست و کاملا تعریف شده و نرمال است.

3. نتیجه گیری

روغن بهران بردبار PG220 برای این گیربکس که در دمای 70°C نیز از رژیم روغنرسانی EHL پیروی می کند بمنظور روغنرسانی به چرخدنده ها، انتخاب خوبیست و کیفیت مناسبی نیز دارد. بطوریکه حداقل ضخامت لازم برای دستیابی و حفظ فیلم روغن در دمای 70°C را کاملا تامین می کند. مقدار آب 17,000ppm خوانده شده در نتایج تست نیز با توجه به ساختار شیمیایی روغن های PAG و عدم آزاد بودن آب، موضوعی کاملا طبیعی بوده و برای گیربکس خطری ندارد. هرچند، توصیه می شود جهت پایش سلامت و وضعیت این روغن و این گیربکس تست عدد اسیدی (AN) و pH مطابق روال بیان شده در مقاله «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن» انجام شده و نتایج با حدود مجاز درج شده در بند 2 این مقاله مقایسه گردد تا از بروز خسارت به تجهیز جلوگیری شود.

4. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. Kohara Gear Industry Co. Ltd., Lubrication of Gears, Web Article, available at https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/lubrication-of-gears.html, accessed at Feb., 12^th, 2021;

2. T. Mang, W. Dresel (Editors), Lubricants & Lubrication, 2^nd ed., Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-31497-3, 2007, pp77-79, pp230-273;

3. W. F. Navarro, Viscosity @ Temperature, WEG-CESTARI, LinkedIn article, https://www.linkedin.com/pulse/viscosity-temperature-walmir-fernandes-navarro/, Published at April 8^th 2019, e-mail: [e-mail];

4. DIN 51517-3-2014, Schmierstoffe- Schmieröle- Teil 3: Schmieröle CLP, Mindestanforderungen, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

5. DIN 51502-1990, Schmierstoffe und verwandte Stoffe; Kurzbezeichnung der Schmierstoffe und Kennzeichnung der Schmierstoffbehälter, Schmiergeräte und Schmierstellen, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

6. R. Errichello, The Lubrication of Gears – Part 1, GEAR TECHNOLOGY, March/April 1991, pp18-26, http://www.geartechnology.com;

7. R. Errichello, The Lubrication of Gears – Part II, GEAR TECHNOLOGY, May/June 1991, pp18-22, http://www.geartechnology.com;

8. T. L. Krantz, On the Correlation of Specific Film Thickness and Gear Pitting Life, GEAR TECHNOLOGY, January/February 2015, pp52-62, http://www.geartechnology.com;

9. J. Michaud, Lambda Ratio: Surface roughness must be accurately characterized in order for the lambda ratio to be a completely effective tool, published at October 14, 2016, Web Article, Available at https://gearsolutions.com/departments/materials-matter-lambda-ratio/, accessed at February 16, 2021;

10. Noria Corporation, Lubrication Regimes Explained, Web Article, Available at https://www.machinerylubrication.com/Read/30741/lubrication-regimes, accessed at February 19, 2021;

11. E. J. Wellauer, G. A. Holloway, Application of EHD film Theory to Industrial Gear Drives, Journal of Engineering for Industry, ASME, May 1976, 98(2), pp626-631, DOI: https://doi.org/10.1115/1.3438951;

12. ISO/TR 18792:2008(E), Lubrication of industrial gear drives, International Organization for Standardization, Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20;

13. Q. J. Wang, Y. W. Chung (Editors), Encyclopedia of Tribology, Springer Reference, 2013, ISBN: 978-0-387-92897-5, DOI: 10.1007/978-0-387-92897-5, pp832-847, p1286;

14. AGMA 925-A03, Effect of Lubrication on Gear Surface Distress, American Gear Manufacturers Association, 2003, ISBN: 1-55589-815-7;

15. J. Amendola, J. Amendola III, and R. Errichello, Calculated Scuffing Risk: Correlating AGMA 925-A03, AGMA 6011-J14 and Original MAAG Gear Predictions, GEAR TECHNOLOGY, March/April 2020, pp50-57, http://www.geartechnology.com;

16. M. Marian, M. Bartz, S. Wartzack, and A. Rosenkranz, Non-Dimensional Groups, Film Thickness Equations and Correction Factors for Elastohydrodynamic Lubrication: A Review, Lubricants 2020, 8, 95, doi:10.3390/lubricants8100095, http://www.mdpi.com/journal/lubricants;

17. G. Nijenbanning, C. H. Venner, and H. Moes, Film thickness in elastohydrodynamically lubricated elliptic contacts, Wear 176 (1994) 217-229, Elsevier Science S.A., 1994, https://doi.org/10.1016/0043-1648(94)90150-3;

18. R. Errichello, Selecting Oils with High Pressure-Viscosity Coefficient, Machinery Lubrication, 3/2004;

19. AGMA 9005-D94, Industrial Gear Lubrication, American Gear Manufacturers Association, 1994, ISBN: 1-55589-632-4;

20. A. Adebogun, R. Hudson, A. Matthews, and P. J. Withers, Industrial Gear Oils: Influence of Bulk Oil Temperature and Contact Pressure on Tribological Performance and Subsurface Changes, Tribology Letters (2020) 68:48, Springer, March 2020, DOI: https://doi.org/10.1007/s11249-020-1287-z;

21. Boston Gear, Engineering Information; Spur Gears: Gear Nomenclature, P-1930-BG 4/20, p307, http://www.bostongear.com;

22. J. Davis (Editor), Gear Martials, Properties, and Manufacture, ASM International, Chapter 2: Gear Tribology and Lubrication, pp19-38, 2005, ISBN: 0-87170-815-9;

23. R. Shah (on behalf of Koehler Instrument Company), Synthetic Lubricants and Their Long-Term Efficiency and Sustainability, published at February 11, 2021, Web Article, Available at https://www.petro-online.com/article/biofuel-industry-news/22/koehler-instrument-company/synthetic-lubricants-and-their-long-term-efficiency-and-sustainability/2893, accessed at March 11, 2021;

24. ANSI/AGMA 2101-D04, Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spur and Helical Gear Teeth, American Gear Manufacturers Association, pp12-17, 2004, ISBN: 1-55589-840-8;

25. D. Bearty, M. Greaves, PAGs are Rising to the Top of the Synthetic Market, Machinery Lubrication, September/October 2006, pp36-40, http://www.machinerylubrication.com;

26. WAECO, Why PAG oils have to be protected against moisture, Special report air conditioning know‐how, Web Article, available at https://www.waeco.com/en/de/news/why-pag-oils-have-to-be-protected-against-moisture, accessed at Feb., 12^th, 2021;

27. W. Escobar, Understanding Ployalkylene Glycoles & Where to Apply Them, Tribology and Lubrication Technology (TLT), May 2008, pp34-39, http://www.stle.org;

28. W. H. Van Glabbeek, T. K. Sheiretov and C. Cusano, The Effect of Dissolved Water on the Tribological Properties of Polyalkylene Glycol and Polyolester Oils, Prepared as part of ACRC Project 04 Compressor--Lubrication, Friction, and Wear, ACRCTR-70, Air Conditioning and Refrigeration Center, University of Illinois, Mechanical & Industrial Engineering Dept., Nov. 1994;

29. R. Errichello, Selecting Oils with High Pressure-Viscosity Coefficient, Machinery Lubrication, 3/2004, http://www.machinerylubrication.com;

30. Klüber Lubrication, Gear oils made by Klüber Lubrication, B023001002 / Edition 11.15, Klüber Lubrication München SE & Co. KG, http://www.klueber.com.