Oil Whirl & Oil Whip

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، معرفی دو پدیده منجر به خرابی دائم در ژورنال برینگ ها است که در ادبیات مهندسی با عناوین Oil Whirl (چرخش روغن) و Oil Whip (شلاق روغن) شناخته می شوند. لازم به توضیح است که از دیدگاه آنالیز خرابی، هر دو پدیده چرخش و شلاق روغن از جمله پدیده های مشترک بین آنالیز روغن و ارتعاش یک تجهیز محسوب شده و در واقع با اصول پایداری هیدرودینامیک یک تجهیز سروکار دارند.

الف) شرح مساله:

همانگونه که پیش از این گفته بودیم، یکی از وظایف فیلم روغن در ژورنال برینگ ها کمک به انتقال حرارت ناشی از اصطکاک بین سطوح فلزی شفت و ژورنال است که این مهم با تکیه بر دو مکانیزم هدایت (Conduction) و جابجایی (Convection) در لایه مرزی فیلم روغن بین دو سطح انجام می شود. اما، باید توجه داشت که فیلم روغنی که اطراف شفت در جریان است و ضخامت آن نیز بهیچوجه متقارن نیست (شکل های 1 و 2 را ببینید) را نمی توان ثابت فرض کرد. بلکه، این فیلم نامتقارن از روغن همانند شفتی که در حال خنک کاری آن است، در حال چرخش می باشد. اما، نکته اینجا است که سرعت این چرخش با سرعت دوران شفت یکی نیست و چیزی کمتر از نصف آن را تشکیل می دهد.

شکل 1: شماتیکی از چرخش (دوران نامتقارن) شفت درون ژورنال

می دانیم که چرخش شفت از پیک گرادیان فشار روغن ناشی می شود. اما، این حرکت دورانی، بدلیل تراکم ناپذیری روغن، با اندکی حرکت درج جهت عمودی همراه است که موجب عدم تقارن و هم مرکزی حرکت دورانی نسبت به مرکز دوران می گردد. این حرکت عمودی شفت را «خیز دورانی» می نامند که شدت یا ارتفاع آن تابعی از سرعت روتور، وزن روتور، و فشار روغن است. حال اگر شفت در حین حرکت دورانی نامتقارن خود، کنش های نامنظمی (اعم از سِرج یا شوک مکانیکی) را دریافت کند، میزان خیز دورانی آن به تناسب دامنه زمانی شوک دریافتی افزایش خواهد یافت و همین، تعادل مکانیکی بین حرکت شفت و ضخامت فیلم روغن را برهم خواهد زد.

شکل2: شماتیکی از گرادیان فشار روغن و نقطه پیک آن در تقابل با بخش های مختلف ژورنال و شفت

بمنظور جبران این عدم تعادل گذرا بین چرخش شفت و ضخامت فیلم روغن (که با فشار روغن ارتباط مستقیم دارد)، پمپ روغن بصورت اتوماتیک کسری روغن را با پمپاژ روغن اضافی به فضای خالی بین شفت و ژورنال جبران می کند. بدین ترتیب، فشار روغن افزایش یافته و به تبع آن، ضخامت فیلم روغن بین شفت و ژورنال نیز افزایش خواهد یافت که در نتیجه آن، نقطه پیک گرادیان فشار روغن اصلاح شده و الگوی دوران نامتقارن شفت حول نقطه مرکزی برینگ اصلاح خواهد شد. این اصلاح رفتار دورانی، نتیجه میراگری فیلم روغن در برابر ارتعاشات حاصل از ناپایداری های لحظه ای وارده به الگوی دورانی نامتقارن سیستم شفت و ژورنال برینگ است. حال اگر بنا به دلایلی که در ذیل راجع به آنها بحث خواهد شد میراگری فیلم روغن ناکافی بوده یا اصلا وجود نداشته باشد، ارتعاش القا شده به رفتار این سیستم دورانی تشدید شده و به مرور منجر به حرکت دوارنی خشن شفت با ضربات شلاقی کوتاه (اما شدید!) به دیواره ژورنال خواهد شد که می تواند بسته به نوع سیستم، الگوی بارگذاری، و حساسیت آن، صدمات جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد.

1. چرخش روغن (Oil Whirl):

بنا به آنچه که در شرح مساله گفته شد، چرخش روغن می توان از عوامل زیر نشات گرفته و یا توسط آنها تشدید شود:

• وجود بارگذاری دینامیک (سبک یا سنگین) یا پیش بار؛

• فاصله بیش از حد مجاز بین ژورنال و شفت (لقی) که می تواند ناشی از مونتاژ نادرست یا سایش باشد؛

• تغییر در خواص روغن (بویژه ویسکوزیته برشی)؛

• هرگونه افزایش یا کاهش در فشار و دمای روغن؛

• عدم طراحی صحیح برینگ (گاهی Overdesign انجام شده برای حصول اطمینان از عملکرد صحیح زیر بار سنگین شفت نیز می تواند در این رده جای گیرد)؛

• نشت یا فرار روغن از آببند (Seal) های مکانیکی؛

• هرگونه تغییر در ضریب میرایی سیستم چرخشی (میرایی پس ماند، یا اصطکاک خشک)؛

• اثرات حرکت جایروسکوپیک (بویژه در پمپ های OH)

  در کنار عوامل فوق، برخی تجهیزات گاه بصورت موردی و تحت تاثیر ارتعاشات القایی ناشی از اتفاقات فرآیندی که حتی ممکن است خارج از یونیت اتفاق افتاده و بواسطه اقلامی چون پایپینگ، اتصالات فرآیندی، یا حتی فونداسیون به تجهیز انتقال یابند، از خود رفتار های ارتعاشی دال بر چرخش روغن نشان می دهند. رفتار هایی از این دست بیشتر ناشی از یکسان بودن یا همپوشانی دامنه فرکانسی ارتعاش وارده به سیستم دورانی با فرکانس رفتار چرخش روغن است. آنچه که شایان توجه است، گذرا بودن این الگوی ناهنجار است و در غیر اینصورت بنا به حساسیت تجهیز، اقدام به ایزوله نمودن آن نمود.

  البته، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن براحتی و با آنالیز فرکانسی رفتار ارتعاشی تجهیز قابل شناسایی است. اگرچه، در این خصوص، بین منابع مختلف اختلافاتی هست، اما در مجموع، می توان گفت که فرکانس چرخش روغن بین 40 تا 48 درصد سرعت دوران شفت (برحسب RPM) اتفاق می افتد. به گفته برخی منابع، احتمال وقوع فرکانس ارتعاشی ناشی از چرخش روغن در حد فاصل 40 تا 43 درصد سرعت دوران شفت (RPM) بیشتر از بقیه موارد است (شکل 3 را ببینید). نمودار شکل 3 مراحل آغاز ارتعاش ناشی از چرخش روغن و سپس توسعه آن به شلاق روغن را ازابتدای دوران شفت تا رسیدن سرعت چرخش آن به دور های بالا نشان می دهد.

  

  شکل 3: نمودار رفتار ارتعاشی حین دوران شفت و رسیدن به دو پدیده ناپایداری حاصل از چرخش، و سپس، شلاق روغن

  همانطور که از نمودار مندرج در شکل 3 پیداست، شفت از دور تقریبا 1800RPM وارد منطقه چرخش روغن شده و تا رسیدن به دور 4000RPM در آن منطقه باقی می ماند. در نمودار فوق، سه حالت سرعت دورانی شفت به نمایش درآمده است: 0.5X، 1X، و 2X. منظور از این سه حالت، تمایل به حفظ آهنگ دوران در شفت است. بدین ترتیب که خط 1X رفتار فرکانسی شفتی را نشان می دهد که با یک برابر سرعت دورانی آغازین به سرعت های بالاتر دست می یابد. همین ترتیب را می توان در شفت های با الگوی دورانی 0.5X و 2X مشاهده کرد. با توجه به نمودار شکل 3، می توان دید که در دور 4000RPM، شفتی که از الگوی دورانی 1X در افزایش سرعت دورانی خود پیروی می کند، به منطقه رزونانس وارد شده (به مقیاس محور عمودی سمت راست نمودار توجه کنید) و به همین دلیل، از نیروی کافی بمنظور غلبه بر فرکانس حرکت چرخشی روغن برخوردار می گردد. اما، بمحض خروج تجهیز از مرحله رزونانس (تقریبا پس از 5200RPM) دوباره شاهد بازگشت ارتعاش ناشی از چرخش روغن هستیم.

  بطور کلی، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن در محدوده 40 تا 50 درصدی لقی (Clearance) معمول برینگ ها به بیشترین شدت خود رسیده و اقدامات اصلاحی، اعم از تنظیم دمای روغن (یا به بیان بهتر: ویسکوزیته سینماتیک آن)، اصلاح نابالانسی یا ناهمترازی (بمنظور اصلاح الگوی بارگذاری)، اصلاح موقتی الگوی همترازی با توسل به گرم یا سرد کردن پایه های نگهدارنده تجهیز، شیار دار کردن یا اصلاح هندسه شیار برینگ (بمنظور اصلاح پیک گرادیان فشار روغن)، یا تنظیم فشار روغن، در این مورد را می طلبند. اما، چنین اقداماتی تنها بصورت موقت مشکل ارتعاش ناشی از چرخش روغن را حل می کنند و بمنظور حل دائمی این مشکل می توان راهکار هایی اعم از نصب یک پوسته جدید در ژورنال (بمنظور ایجاد لقی یا Clearance جدید)، ایجاد پیش بار در برینگ با توسل به ایجاد موانع مکانیکی برای تنظیم فشار داخلی روغن، یا حتی تعویض کامل برینگ با یک نوع متفاوتی از برینگ که حساسیت کمتری به ارتعاشات ناشی از چرخش روغن داشته باشد (مانند برینگ های با شیار محوری، برینگ های چند بخشی، و برینگ های معروف به tilting pad)، را در نظر داشت.

  

  شکل 4: نمونه ای از برینگ های thrust pad

  حساسیت به بروز ارتعاش حاصل از چرخش روغن در برینگ های tilting pad از آن جهت کمتر محسوب می شود که در ساختار این تیپ از برینگ ها چندین پد یا سگمنت بکار رفته است که هر یک الگوی توزیع فشار مستقلی از فیلم روغن را برای خود داشته و از این رو، نیرو های بیشتری در تراز کردن الگوی دوران شفت در ژورنال دخیل می شوند. همین موضوع به دستیابی الگوی یکنواخت تری از میرایی منجر شده و پایداری کلی سیستم دورانی را بهبود می بخشد.

ج) شلاق روغن (Oil Whip):

با توجه به نمودار شکل های 3 و 5، ارتعاشات ناشی از شلاق روغن وابسته به دو شرط زیر است:

• وجود ارتعاشات ناشی از چرخش روغن (شرط لازم)؛ و

• تقارن فرکانسی چرخش روغن با فرکانس طبیعی سیستم (شرط کافی)

  

  شکل 5: تصویر ساده شده ای از نمودار شکل 3

  البته، در مورد شرط کافی، ذکر این نکته لازم است که برای تقارن فرکانسی، وجود فرکانس طبیعی همیشه لازم نیست! بلکه، گاه (بنا به شرایط تجهیز) فرکانس بالانس روتور یا سرعت بحرانی دوران می تواند جایگزین فرکانس طبیعی سیستم شود. بعنوان مثال، به شکل های 3 و 5 دقت کنید: با رسیدن دور شفت (روتور) به 9200RPM و سپس عبور از آن، فرکانس طبیعی آن با فرکانس طبیعی حاصل از دوران در سرعت 2X در حالت بالانس منطبق می گردد. در این زمان، فرکانس ناشی از ارتعاش چرخش روغن که حدود 43 درصد از RPM را تشکیل می داد، با این سرعت بحرانی تلفیق شده و ناگهان ناپایداری دینامیکی که تاکنون ناشی از چرخش روغن بود، در یک لحظه به ناپایداری حاصل از شلاق روغن ارتقا مقام می یابد! جالب توجه است که فرکانس ناشی از شلاق روغن، برخلاف فرکانس حاصل از چرخش روغن، ثابت بوده و از سرعت دوران روتور (RPM) کاملا مستقل است. بدین ترتیب، حتی در صورتیکه سرعت دوران تجهیز بیشتر شود (حتی تا 12000RPM) نیز فرکانس حاصل از شلاق روغن همان خواهد بود!

  وقتی یک سیستم دورانی وارد محدوده ارتعاشی شلاق روغن می شود، کلیه عوامل موثر بر پایداری دینامیکی آن حذف شده و تنها دو عامل جرم و سماجت مکانیکی (Stiffness) آن در لیست باقی می مانند. در میان عوامل موثر بر دامنه نوسان آن نیز، تنها لقی (Clearance) برینگ های آن است که بر پایداری دینامیکی آن تاثیر می گذارد. بدین ترتیب، اگر تجهیز وارد مرحله ارتعاشی شلاق روغن شده و فرکانس آن کنترل یا تصحیح نشود، ارتعاشات وارده به سیستم دورانی آن می تواند اثرات بسیار مخربی داشته باشد.

  اما، این همه ماجرا نیست! در برخی از تجهیزات که مدار روغنرسانی آنها به ژورنال برینگ ها نشتی داشته باشد یا از روانکار اشتباه در آنها استفاده شده باشد، عیب ارتعاشی دیگری با عنوان «شلاق خشک» رخ می دهد که از نظر تطابق فرکانسی و اثرات مخرب آن، کاملا قابل مقایسه با شلاق روغن است. اما، دلیل بوجود آمدن آن چیز دیگری است. چراکه ارتعاش ناشی از شلاق خشک زمانی اتفاق می افتد که اصطکاک شدیدی بین برینگ ثابت و ژورنال متحرک رخ داده باشد. این اصطکاک، که بدلیل فقدان یا کمبود فیلم روغن (در اثر Clearance زیاد یا نشت روغن یا عدم پایداری حرارتی روغن، در صورت انتخاب یا شارژ اشتباه) رخ می دهد، اثرات ارتعاشی را تشدید کرده و از نظر تخریبی، اثربخشی زودهنگام نسبت به شلاق روغن دارد.

  شلاق خشک درست مانند کشیدن انگشت تر روی سطح خشک یک شیشه است. با انجام این عمل، خیلی زود متوجه ارتعش و صدای زوزه مانند خواهید شد که رفتار اصطکاکی المان های برینگ خشک را تداعی می کند. در صورت تشخیص شلاق خشک در رفتار ارتعاشی یک تجهیز، ابتدا باید وضعیت شارژ روغن و نوع آن را مورد بررسی قرار داده و سپس بدنبال مواردی چون نشت مدار و Clearance برینگ ها بود.

Case Study شماره 1: ارتعاش ناشی از چرخش روغن در یک Chiller Unit

برینگ های داخلی یک توربین بخار که تاسیسات مربوط به چیلر یونیت یک مجتمع دانشگاهی در ایالات متحده را بکار می انداخت چندین بار پشت سر هم خراب شد. بازرسی ها نشان می داد که نیمه فوقانی برینگ ها طوری ساییده شده است که بابیت از سطح داخلی برینگ جدا شده و در بخشی از برینگ عملا دیگر بابیتی وجود ندارد. نمودار های طیفی (اسپکتروم) ارتعاشی نشان دهنده رفتار ارتعاشی Subsynchronous بودند که نشان از وقوع چرخش روغن در کوپلینگ ها بود. با بازرسی های بیشتر، احتمال ناهمترازی مطرح شد. اما، اندازه گیری های انجام شده حاکی از تناسب خوب وضعیت دورانی سیستم بود. در نهایت، با اندازه گیری لیزری وضعیت حرکتی دو تجهیز (چیلر و توربین) مشخص شد که این چیلر است که رفتار دورانی نامتقارنی از خود نشان می دهد و عیب از برینگ های توربین نیست. با توسل به آنالیز خرابی (روش Root Cause)، مشخص شد که سرد شدن یونیت در چیلر، حرکات انقباضی ناشی از سرمایش منجر به کشیده شدن شفت برینگ ها به سمت چیلر می گردد و همین باعث ایجاد خیز در شفت متصل به برینگ های توربین شده و موجب ناپایداری الگوی دورانی برینگ های توربین می گردد.

Case Study شماره 2: ارتعاش ناشی از شلاق روغن در یک توربین 500 مگاواتی

یک توربین نیروگاهی رفتار بسیار غریبی از خود نشان می داد. بدین ترتیب که عملکرد آن برای چند ماه کاملا نرمال و طبیعی بود. اما، پس از توقف بمنظور بازدید های دوره ای (که چند ساعت بیشتر طول نمی کشید)، راه اندازی مجدد آن عملا غیرممکن بود. با بازرسی های انجام شده مشخص شد که ارتعاشات بسیار شدید ناشی از شلاق روغن در برینگ های روتور LP مانع از راه اندازی مجدد توربین است. جالب اینجا بود که اگر توربین را بمدت یکی دو روز به حال خود رها می کردند، توربین براحتی Restart می شد! یک آزمایش نشان داد که با آفلاین کردن توربین، راه اندازی مجدد براحتی امکانپذیر بود! همه این نشانه ها دال بر یک مشکل حرارتی در همترازی این سیستم دورانی بود. از آنجا که امکان نصب و بکار گیری ابزار اندازه گیری همترازی روی یک توربین در حال کار فراهم نبود، از یک سیستم ابتکاری بمنظور پایش جابجایی های صورت گرفته در حین کار توربین استفاده شد. بدین ترتیب، امکان اندازه گیری و نظارت بر خیز عمودی برینگ ها فراهم شد. این اندازه گیری ها نشان داد که با اعمال بارگذاری خلا در کل سیستم، برینگ های روتور LP به میزان زیادی بسمت پایین حرکت کرده و اصطلاحا خود را می اندازند! و وقتی که بارگذاری ناشی از برقراری خلا برداشته شد و یونیت شروع به خنک شدن کرد (بخش LP سریعتر از بخش HP خنک می شد) انقباض نامتقارن بوجود آمده در سیستم دورانی باعث بار برداری زودتر از موعد از برینگ های LP شده و رفتار ارتعاشی ناشی از چرخش روغن را در آنها باعث می شد. در مرحله بعد، با سرعت گرفتن سیستم، فرکانس ارتعاشی حاصل از چرخش روغن با فرکانس طبیعی اول روتور منطبق شده و به رفتار ارتعاشی شلاق روغن بدل می شد. بدین ترتیب، و بمنظور جلوگیری از هات استارت آپ در روتور LP، برینگ های آن بطور کامل با نوع Tilting Pad عوض شدند.

انتخاب ویسکوزیته روانکار برای ژورنال برینگ ها

با درود بیکران

پیرو سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم، پاسخ ارائه شده جهت استحضار و استفاده سایرین به شرح زیر ایفاد می گردد:

شرح سوال: لطفا اطلاعاتی در مورد ژورنال برینگ ها به اشتراک بگذارید

پاسخ: ژورنال برینگ ها یا پلین برینگ ها Journal Bearings / Plain Bearings از یک شفت یا ژورنال تشکیل شده اند که قرار است آزادانه در یک غلاف یا محفظه فلزی بچرخد. بدین ترتیب، در این نوع برینگ ها از ساچمه (بال) یا میله (رولر) خبری نیست و اینگونه اجزای چرخنده جای خود را به یک ژورنال یا شفت داده اند. این ساختار مکانیکی ساده، ژورنال برینگ ها را قادر می سازد تا در بار های محوری بسیار سنگین (حتی بیش از 25 تن بارگذاری در هر محور) نیز قابلیت سرویس دهی داشته باشند. در عین حال، در ژورنال برینگ، ژورنال می تواند بخشی از محور یا شفت اصلی باشد. این اتفاق بیشتر در صنایع ریلی یا تجهیزات دوار نفتی سنگین رخ می دهد (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: ساختار یک ژورنال برینگ و اجزای تشکیل دهنده آن

اجزای تشکیل دهنده ژورنال برینگ ها عبارتند از غلاف (محفظه یا کپه)، لایه بابیت، و ژورنال یا شفت که در داخل اویل رینگ ها قرار می گیرد. در این میان، بمنظور اتصال کپه های بالا و پایین، از اتصالات پیچی استفاده می شود که معمولا از جنس خود کپه محسوب شده و شامل فولاد های کروم-مولیبدنی است. عبارت "بابیت" نیز به لایه ای نرم از فلز اشاره دارد که مخلوطی از سرب، قلع، و مس است که با آنتیموان به یکدیگر پیوند می خورند (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مراجعه به پست «نقش بابیت در ژورنال برینگ ها» در همین وبلاگ، توصیه می شود). این لایه نرم بصورت روکشی نازک روی سطح فولاد سخت کپه را پوشانده و مانع تماس فلز سخت ژورنال (شفت) و پوسته سخت محافظ آن می شود (شکل 2). گفتنی است که این لایه بابیت می تواند تا دمای 150 درجه سلسیوس را تحمل کند. پس از این نقطه دمایی، بابیت شروع به ذوب شدن می کند.

شکل 2: شماتیکی از لایه های مختلف محافظ سطح داخلی ژورنال برینگ

ژورنال برینگ ها بیشتر بمنظور تحمل بار های شعاعی، عمود بر محور شفت، و بیشتر حاصل نیروی وزنی بالا توصیه می شوند. البته این بدان معنی نیست که بار های محوری وارده به شفت توسط ژورنال برینگ ها قابل تحمل نیستند. در عین حال، لازم به توضیح می داند که حرکت شفت در محفظه ژورنال مرکزیت ندارد و چرخش آن هم وضعی (چرخش بدور خود) و هم انتقالی (دوران با الگوس غیر دایروی) است. شکل 3 در این خصوص حای اطلاعات بیشتری است. با توجه به شکل 3، می توان مشاهده کرد که طی عملکرد عادی ژورنال برینگ، فیلم روغن به حداقل ضخامت خود می رسد که در برینگ های سنگین بین 1 تا 300 میکرون و در انواع متوسط بین 5 تا 75 میکرون متغیر است. بر این اساس، ویسکوزیته روانکار نقش حیاتی در حفظ این بازه ضخامتی بر عهده دارد و انتخاب روانکار مناسب با توجه به سرعت چرخش (دور) ژورنال برینگ و بازه دمایی عملکرد آن از حساسیت ویژه ای برخوردار است. جدول 1 در این خصوص، راهنمایی عمومی ارائه می دهد. نمایه ای از تبدیل مشخصه ویسکوزیته روانکار در مقیاس های مختلف در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 1: انتخاب ویسکوزیته روانکار ژورنال برینگ برحسب سرعت چرخش و دمای عملکردی

سرعت چرخش (RPM)	دمای عملکردی روانکار/برینگ (درجه سلسیوس)
	0~50	60	75	90
300~1500	__	VG68	VG100~VG150	__
1501~1800	VG32	VG32~VG46	VG68~VG100	VG100
1801~3600	VG32	VG32	VG46~VG68	VG68~VG100
3601~10000	VG32	VG32	VG32	VG32~VG46

شکل 3: نحوه حرکت شفت در ژورنال برینگ

جدول 2: چارت تبدیل واحد های مختلف ویسکوزیته

مخلوط سازی روغن ها

پیرو سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص مخلوط کردن دو یا چند نوع روغن روانساز بمنظور کاهش یا افزایش ویسکوزیته و رساندن آن به سطح مطلوب از طریق مخلوط سازی یا میکسینگ، توضیحاتی را به شرح زیر و پس از تاخیر بسیار ارائه می نمایم. امید است که کیفیت پاسخ جبرانی بر تاخیر در ارائه آن باشد:

شرح سوال: آیا می توان بمنظور کاهش ویسکوزیته، دو نوع روغن، مثلا  ISO VG 32 را با  ISO VG 64 مخلوط کرد؟ این مخلوط سازی چه تاثیر بر عملکرد تجهیز می گذارد؟

پاسخ: مخلوط سازی دو یا چند نوع لوبریکانت که متعلق به یک دسته از لوبریکانت ها باشند (مثلا دو نوع لوبریکانت هیدروکربنیک پایه نفتی) مستقیما روی ویسکوزیته مخلوط روغنی که در مدار تجهیز در حال چرخش است اثر خواهد گذاشت. میزان ویسکوزیته نهایی، اما، تنها به ویسکوزیته دینامیک (و نه سینماتیک!) این دو یا چند روغن بستگی نخواهد داشت! بلکه، عواملی چون میزان استفاده از ادتیو های پایدارساز حرارتی، آنتی فوم ها، و... نیز در این معادله وارد خواهند شد و محاسبه مقدار ویسکوزیته نهایی را به مساله ای چند معادله-چند مجهول تبدیل خواهند کرد. برای درک بیشتر این مساله، بیایید با هم نگاهی دقیقتر به تاثیر ویسکوزیته یک روغن در زمان حرکت آن در یک ماشین بیاندازیم: ویسکوزیته سیال تراکم ناپذیری مانند روغن به دو دسته ویسکوزیته سینماتیک (که با حرف یونانی "نو" در ادبیات مهندسی نشان داده می شود) و ویسکوزیته دینامیک (که با حرف یونانی "مو" یا "میو" نشان داده می شود) تقسیم می شود. بطور خلاصه، ویسکوزیته سینماتیک تابعی از عدد رینولدز (بیانگر نوع جریان: آرام، لایه لایه، توربولانت، و...) و دمای جریان بوده و به نوع سیال ارتباطی ندارد! از سوی دیگر، ویسکوزیته دینامیک تابعی از عوامل فوق، بعلاوه دانسیته سیال است که خود تابعی از دما و فشار بوده و ارتباط مستقیم با نوع سیال دارد. پس آنچه که با آن در این نوشتار کار داریم، ویسکوزیته دینامیک است...نه سینماتیک! از سوی دیگر، ویسکوزیته دینامیک منجر به تولید فیلمی از روغن با یک ضخامت ویژه می گردد که مقدار این ضخامت و حفظ آن در کیفیت روانکاری در یک بازه مشخص از دما و فشار بسیار مهم است. موارد بسیار متعددی از خرابی های مصیبت بار و حوادث صنعتی را می توان برشمرد که ناشی از عدم توانایی جریان روغن در حفظ ضخامت لازم از فیلم روغن روی سطوح فلزی بوده است. اما! وظیفه این فیلم چیست؟

فیلم روغنی که موضوع بحث ماست از ضخامتی در اُردِر یک صدم قطر موی انسان برخوردار بوده و وظیفه اصلی آن ایجاد فاصله مطمئنه بین سطوح فلزی درگیر واکنش های ترمومکانیکی در برینگ ها و سایر المان های چرخنده یا یک-طرف ثابت است. از عوامل موثر بر ضخامت این دیوار حائل می توان به سرعت چرخش، الگوی تمرکز بار القایی از محور، و ویسکوزیته دینامیک روغن اشاره کرد. در این میان، اگر ویسکوزیته روغن خیلی پایین باشد، ضخامت فیلم به صفر نزدیک خواهد شد و درست برعکس، اگر ویسکوزیته روغن خیلی بالا باشد، خود موجب افزایش اصطکاک و تولید حرارت خواهد شد. مخلوط سازی دو یا چند روغن (از یک کلاس) اولین اثر منفی خود را روی پرافایل عملکردی روغن خواهد گذاشت. بدین ترتیب که کامپاند روغنی حاصله دیگر پایداری حرارتی، خواص خورندگی، و پایداری شیمیایی قابل پیش بینی نخواهد داشت و دیگر نمی توان مطمئن بود که ضخامت فیلم روغن بویژه در حالت های عملکردی حساس ماشین (مانند دور های بالای مقطعی یا کار در گرما) در یک بازه ایمن حفظ می شود. این عدم قطعیت، بویژه در مورد تجهیزاتی مانند توربین ها، بشدت مخاطره آمیز است. چراکه در اثر واکنش های شیمیایی که بین ادتیو های حاضر در روغن ها رخ خواهد داد، شاهد تشکیل انواع لجن (به انواع رنگ ها: از سیاه تا سبز و حتی قهوه ای) خواهیم بود که هم زمان بین دو فلاشینگ را کوتاه می کند و هم می تواند موجب گرفتگی مدار روغنکاری یا خوردگی موضعی (معمولا پیتینگ کروژن) در مدار روغن شود. نحوه تشکیل این لجن ها در شکل زیر نشان داده شده است:

خورندگی بخار روغن

در پی سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم، پاسخ ارائه شده جهت استفاده سایرین به شرح زیر ایفاد می گردد:

شرح سوال: آیا بخار روغن خورنده است؟ در صورت مثبت بودن جواب، چطور می توان به این موضوع پی برد؟

پاسخ: بطور کلی، سیستم های روغنرسانی بر سه مکانیزم استوار هستند: تزریق روغن، روغنپاشی، و بخار روغن یا مه روغن. در برخی از سیستم های روغنرسانی که بیشتر مربوط به موتور های سنگین با سیکل احتراق دیزل و در حالت ایستا (مثلا بمنظور نصب روی یک ژنراتور برق، و...) می شوند، از سیستم روغنرسانی با مکانیزم مه یا بخار روغن استفاده می شود. بخار یا مه روغنی در صورت وجود ناخالصی، رطوبت، و انواع ترکیبات اسیدی یا بازی می تواند برای سطوح فلزی و غیر فلزی در تماس با آن خورنده باشد. همانطور که احتمالا می دانید، در سیستم روغن علاوه بر لوبکات، از افزودنی های مختلفی استفاده می شود که یکی از این افزودنی ها ممانعت کننده های خوردگی یا Corrosion inhibitors هستند. میزان حضور این افزودنی های در سیستم روغن از طریق استاندارد  ASTM D5534 سنجیده می شود. در این تست، یک قطعه فولادی که به بالای دستگاه تست تعریف شده در استاندارد ASTM D3603 و حاوی روغن تست در دمای 140 درجه سلسیوس، وصل شده و در معرض جریان رو به بالایی از مه روغن و بخار آب بمدت 6 ساعت قرار می گیرد. در انتها، قطعه فولادی برای هرگونه علایم خوردگی بازرسی شده و در صورتیکه علایمی دال بر خوردگی در آن مشاهده شود، روغن تست را پاس نکرده است و برعکس.

بطور کلی، آب یا محصولات آبی به سه شکل یا فاز شیمیایی می توانند در جریان روغن حضور داشته باشند: آب محلول، آب آزاد، و امولسیون آب/روغن.

آب محلول در جریان روغن با ملکول های منفرد آب شناخته می شود که با الگویی منظم در سرتاسر جریان روغن پراکنده شده باشند. بسیاری از روغن های صنعتی، اعم از روغن های هیدورلیک، روغن های توربین، و... می توانند بین 200 تا 600 پی پی ام (یعنی 0.02 تا 0.06 درصد حجمی) آب را بصورت محلول در جریان خود داشته باشند. اینکه نمونه روغن شما و تجهیز شما در کجای این بازه بایستد بستگی کامل به زمان/کیلومتر تعویض روغن و در عین حال، الگوی توزیع دمای روغن شما دارد (برخی منابع، گرادیان دمای روغن، و برخی دیگر، صرفا ماکزیمم دمای روغن را ملاک می دانند). برخی از روغن ها (بویژه روغن های توربین با کیفیت بالا قادر هستند مدتها پس از تعویض، تا سه یا حتی چهار برابر بازه فوق در خود آب محلول را نگهدارند.

اما، پس از آنکه روغن محلول به حداکثر میزان خود در ترکیب روغن رسید، روغن به حالت اشباع می رسد و از اینجا به بعد است که حضور آب در جریان روغن بصورت قطرات میکروسکوپیک رخ نموده و تشکیل امولسیون می دهد. در روغن های هیدروکربنی، این حالت به ابری شدن یا کدر شدن جریان روغن معروف است. افزایش مقدار آب در این امولسیون موجبات جدایش آب از روغن و تشکیل یک جریان دوفازی را پدید خواهد آورد که از یک لایه آب آزاد و یک لایه روغن تشکیل شده است. این لایه آب آزاد در مورد روغن های معدنی و سینتتیک گروه پُلی آلفا اُلِفین ها که از گرانش ویژه ای کمتر از 1 برخوردارند در کف تانک یا مخزن روغن جمع می شود.

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید

استفاده از گریس WD40

با درود فراوان

مسبوق به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص ارائه مقدماتی در رابطه با انتخاب لوبریکانت، پاسخ ارائه شده جهت استفاده سایر اعضا به صورت زیر ایفاد می گردد

شرح سوال: آیا می توان از گریس  WD40 بعنوان روانکار برینگ پمپ دور بالا استفاده کرد؟

پاسخ: بمنظور تشخیص اینکه می توان از این گریس برای روانکاری برینگ استفاده کرد یا نه، لازم است که ابتدا ترکیب و ساختار شیمیایی آن بررسی شود. همانگونه که شاید بدانید، اجزای تشکیل دهنده فرمولاسیون شیمیایی روغن ها، گریس ها، و لوبریکانت ها، از اسرار شرکت های تولید کننده محسوب می شود. لذا، اصرار بر دسترسی به چنین اطلاعاتی بی فایده است! اما، با مراجعه به MSDS= Material Safety Data Sheet مربوط به گریس WD40، مشخص می گردد که 60 تا 70 درصد حجمی این گریس از قطران پایه نفتی، 15 تا 25 درصد روغن پایه، و 2 تا 3 درصد حجمی آن را دی اکسید کربن تشکیل می دهد. بدین ترتیب، گریس WD40 مخلوطی است از محصولات پایه نفتی و یک محرک شیمیایی. مرحله دوم، آن است که ببینیم فرمولاسیون گریس WD40 چقدر با لوبریکانت های رایج و معروف برینگ ها و رولینگ المنت ها تفاوت یا تشابه دارد. در این خصوص، توجه به چهار نکته زیر ضروری است:

اول) لوبریکانت باید مقاومت خوبی به اکسیداسیون داشته باشد تا از تشکیل لجن و وارنیش در دما های کاری اجتناب شود. بسیاری از لوبریکانت ها در ترکیب خود ادیتیو یا افزودنی های آنتی اکسیدانت دارند که به همین منظور به ساختار شیمیایی روانکار اضافه می شوند. اما، آنطوریکه از ام اس دی اس برمی آید، گریس WD40 دارای چنین افزودنی هایی نیست و در این صورت حتی در دمای محیط نیز شروع به تشکیل لجن می کند.

دوم) در زمینه روانکاری اجزای گردنده تخت بار (اعم از انواع برینگ)، اصلی ترین مشخصه روانکار یسکوزیته دینامیک آن است. عوامل متعددی در انتخاب ویسکوزیته روانکار در برینگ ها مطرح است که از آنجمله می توان به نوع برینگ (سیلیندریکال، بالبرینگ، و...)، سرعت دوران، سایز برینگ، بارگذاری، و بازه دمایی عملکرد اشاره کرد. عموما، بمنظور محاسبه دامنه تغییرات ویسکوزیته از فاکتور سرعت چرخش برینگ یا Bearing Speed Factor, dN   به همراه بازه دمایی پیش بینی شده برای عملکرد برینگ استفاده می شود. بدین منظور، جداول و نمودار هایی برحسب این دو عامل موجود است. در این زمینه بزودی اطلاعات مفصلی ارائه خواهد شد. اما، در هر صورت، ویسکوزیته قطران پایه این گریس مقدار خیلی بالایی ندارد. لذا، بعید است که در سرعت های چرخش پایین و دما های عملکردی متعارف، ویسکوزیته این گریس دچار افت شدید شود. اما، نکته ای ظریف در این بخش رخ می نماید و آنهم ارتباط بین سطوح غلتک ها (رولر ها) با قفسه یا Cage برینگ است. این ارتباط، از آنجا که کاملا تحت شرایط هیدرودینامیکی است، ویسکوزیته روانکار را به حداقل 4 سانتی استوک (در بازه دمایی عملکردی) ملزم می کند. چیزی که شخصا بعید می دانم گریس WD40 موفق به پاس کردن آن شود.

سوم) بنا به شرایط کاری، برینگ ها همیشه در معرض انواع مکانیزم های خوردگی هستند. بهمین دلیل، اغلب لوبریکانت ها در ساختار خود دارای افزودنی های ممانعت کننده از خوردگی هستند. چیزی که در ام اس دی اس گریس WD40 دیده نمی شود.

چهارم) بسته به طراحی و کاربری برینگ، وجود افزودنی های ضد سایشی یاAnti-Wear  در لوبریکانت های برینگ از الزامات بسیار حساس است. مجددا، حضور این دسته از افزودنی ها نیز در ساختار این گریس احساس نمی شود.

بعنوان نتیجه گیری، گریس WD40 بیشتر بعنوان روانکار برای مصارف خانگی و الکترونیک کاربرد دارد. مانند روانکاری لولای در، فن کامپیوتر، زبانه قفل، و مصارفی از این دست. بنابراین، استفاده از آن بعنوان یک روانکار صنعتی برای رولربرینگ های سنگین بهیچوجه توصیه نمی شود.