جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc free)

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص جایگزین سازی یک روغن هیدرولیک است.

شرح سوال: ما بدنبال جایگزینی برای روغن زیر هستیم:

تجهیز اکسپندر، دور 23000، نوع روغن DIN 51519-ISO VG68

روغن قبلی که فروشنده پیشنهاد داده بود و مصرف می شد Shell Tellus S3M68 بوده است. اما، این روغن در بازار بصورت Fake (تقلبی) عرضه می شود و بدنبال جایگزینی برای آن هستیم. توضیح اینکه این روغن باید طول عمر طولانی داشته باشد و زمان تعویض آن نباید از 10 هزار ساعت کمتر شود.

پاسخ: فارغ از اینکه این گرید روغن توسط فرروشنده پیشنهاد داده شده و از قدیم استفاده از آن در اکسپندر مرسوم بوده یا در مدارک سازنده اکسپندر بدان اشاره شده باشد، و با فرض اینکه نوع روغن دقیقا باید از نوع بدون روی یا Zinc Free باشد (چون اگر در برینگ از آلیاژ های مس و نقره استفاده نشده باشد، براحتی از روغن های هیدرولیک معمول استفاده کرد)، پاسخ به این سوال از سه بخش تشکیل شده است: معرفی روغن های بدون روی، معرفی جایگزین های احتمالی تولید داخل، و پیشنهاد

1. معرفی روغن های بدون روی

عنصر روی (Zn) از دیرباز بعنوان یکی از عوامل موثر در ایجاد قابلیت ضد سایشی و ضد اکسیداسیون به سیستم انواع روغن های صنعتی (چه روانکار و چه هیدرولیک) اضافه می شده و مکانیزم این اضافه سازی نیز از طریق انحلال افزودنی های شیمیایی حاوی این عنصر است. عنصر روی (Zn) در سیستم روغن بصورت فداشوندگی عمل می کند. بدین معنی که پس از آنکه وظیفه خود در راستای ضد سایش و اکسیداسیون را انجام داد، به مرور از ترکیب روغن حذف خواهد شد. اما، برخلاف این حالت، اضافه کردن روی (Zn) به سیستم روغن بهیچوجه کار ساده ای نیست. یکی از رایجترین طرق حضور عنصر روی به سیستم روغن، انجام واکنش شیمیایی بین اکسید های روی و اسید تیوفسفریک (بعنوان یکی از اسید های ارگانیک) است که حاصل آن ماده ای خواهد شد که با عنوان ZDDP=Zinc DialkylDithioPhospahte شناخته شده و در نقش یک افزودنی بسیار رایج در روغنسازی مورد مصرف دارد.

استفاده از روی در ترکیب روغن های هیدرولیک بیشتر با هدف تشکیل لایه ای محافظ غنی از روی (Zn) روی سطوح تحمل کننده بار انجام می شده و می شود. این لایه محافظ ضد سایشی بصورت فداشونده عمل کرده و با جریان مداوم روغن هیدورلیک، دوباره بازسازی می شود. این تیپ از ادتیو های روغنی بیشتر در بارگذاری های متوسط تا سنگین کاربرد دارند. حال آنکه در بارگذاری های سنگین، استفاده از ادتیو های EP=Extreme Pressure ترجیح داده می شود.

علاوه بر محافظت از سطوح اجزای زیر بار در برابر سایش و خوردگی ناشی از آن، ادتیو ZDDP نقش ضد اکسیداسیونی نیز دارد. بدین ترتیب که این ادتیو با توسل به کامپاند های فنولیک و آمینیک از تشکیل رادیکال های آزاد در سطح قطعات جلوگیری کرده و بدین ترتیب زنجیره واکنش های منجر به اکسیداسیون را قطع می کند. در همین راستا، و البته بعنوان یک اثر جانبی، حضور ZDDP در ترکیب روغن هیدرولیک باعث جلوگیری از تشکیل محصولات اسیدی در سیستم روغن شده و خواص روغن (از جمله عدد اسیدیته کل آن یا TAN) را ثابت نگاه می دارد.

بنابراین، حذف ZDDP منجر به استفاده از چندین ادتیو خواهد شد که هر یک فقط توان اجرای بخشی از وظایف آن را دارند و بدین ترتیب، قیمت روغن بالا خواهد رفت، در عین اینکه همان کارآیی را خواهد داشت.

اما، با پیشرفت های فناوری در برخی تجهیزات و ارتقای سطح عملکرد آنها (مثلا بیشتر شدن سرعت چرخش در برخی تجهیزات از مثلا 8000 دور به 22000 دور در دقیقه و حتی بالاتر)، نیاز به استفاده از آلیاژ های جدید برپایه مس، تیتانیوم، پلاتین، نقره، و... در برینگ های این تجهیزات (بمنظور انجام وظایفی چون انتقال بهتر حرارت، جلوگیری از تمرکز تنش، کاهش نرخ ساییدگی، و...) احساس شد. این ارتقای عملکرد، اما، موجب بروز یک اشکال بزرگ شد! چراکه براساس چارت پتانسیل گالوانیک، عنصر روی فاصله بسیاری از چنین فلزاتی داشته و عملا یک عنصر آندیک فعال محسوب می شود. حال آنکه فلزاتی مانند نقره، تیتانیوم، و... بیشتر رفتاری کاتدیک و نجیب از خود نشان می دهند. بنابراین، تماس این دو عنصر می توانست موجب خوردگی گالوانیک شود! از این رو، متخصصین، اقدام به سنتز سیستم های لوبریکانت نوینی نمودند که عنصر روی را از ساختار این سیستم حذف می کرد و وظیفه ضد سایشی و ضد اکسیداسیونی روغن را به دوش ادتیو های دیگری می گذاشت که البته گرانتر و متعدد بودند و همین موضوع موجب پیچیدگی هایی در فرآیند سنتز سیستم روغن می شد که در نهایت روغن هیدرولیکی را به ارمغان می آورد که عاری از روی (Zn) بود، اما در عین گرانتر و حساس بودن نسبت به شرایط حمل و نگهداری، سمی نیز بود.

2. معرفی جایگزین های احتمالی تولید داخل

در مقابله با مشکل تقلبی بودن روغن، می توان از تولیدات داخلی استفاده کرد که در این میان دو محصول Behran HP68  و  Iranol HZاز دو تولید کننده معتبر داخلی (بهران و ایرانول) می تواند در نگاه اول جایگزین خوبی برای محصول کمپانی Shell باشد. اما، با نگاهی به مشخصات این دو روغن و مقایسه آنها با داده های Shell، شک و تردید جای خود را به اطمینان می دهد: اولین مشکل در شاخص ویسکوزیته یا Viscosity Index رخ می نماید. چراکه محصول Shell شاخص ویسکوزیته 105 را ارائه می دهد، حال آنکه این عدد برای بهران 96 و برای ایرانول 97 است (البته ایرانول در بخش فارسی وبسایت خود شاخص ویسکوزیته را 100 معرفی کرده است!). همین علامتی است برای عمر کمتر محصولات داخلی نسبت به روغن Shell! در عین حال، Shell برای محصول خود در سه نقطه دمایی (شامل صفر، 40، و 100 درجه سلسیوس) ویسکوزیته سینماتیک ارائه کرده است. حال آنکه این داده ها در مورد محصول بهران برای دمای صفر و در مورد محصول ایرانول برای دو نقطه دمایی صفر و 100 درجه سلسیوس موجود نیستند. البته، جدای از این دو محصول، کمپانی هایی مانند توتال (فرانسه) و آدینول (آلمان) نیز چنین روغن هیدرولیکی را عرضه می کنند که در بازار کشور های حوزه خلیج فارس قابل دسترسی است.

3. پیشنهاد

با توجه به میزان ویسکوزیته سینماتیک در سه نقطه دمایی اشاره شده، نموداری رسم شده است که در شکل 1 قابل رویت است. براساس این نمودار، ویسکوزیته روغن Shell با ضابطه Y=0.2207x²-31.876x+990 نسبت به افزایش دما از صفر تا 100 درجه سلسیوس واکنش نشان می دهد (خطا: صفر). بنابراین، در این حوزه، چهار پیشنهاد ارائه می شود:

شکل 1: نمودار عملکرد حرارتی روغن Shell Tellus S3M68

3. 3.1 ارسال نمونه روغن های بهران و ایرانول (حداقل 100 سی سی) به آزمایشگاه و اخذ ویسکوزیته سینماتیک در دو نقطه دمایی صفر و 100 درجه سلسیوس، سپس رسم نمودار عملکرد حرارتی این دو روغن، بدست آوردن ضابطه رفتار حرارتی ویسکوزیته این دو روغن و مقایسه با ضابطه فوق. در این صورت، می توان راجع به استفاده یا عدم استفاده از این دو روغن بهران و ایرانول بجای Shell تصمیم گرفت. چون در حال حاضر، رفتار حرارتی این دو روغن مشخص نیست. البته، همین کار را می توان در مورد نمونه روغن های توتال و آدینول نیز انجام داد.

 3.2 بررسی وضعیت متریال برینگ های تجهیز، چون در صورتیکه در ساختار آنها از آلیاژ های مس، نقره، تیتانیوم، پلاتین، و... استفاده نشده باشد، می توان براحتی از روغن های هیدرولیک زینک دار استفاده کرد

3.3 استفاده از روغن های توربینی (داخلی یا خارجی): در این خصوص نیاز به ارائه جزییات بسیار دقیق از تجهیز است که بنده آنها را در اختیار ندارم

3.4 استفاده از روغن های سینتتیک (داخلی یا خارجی):  در این خصوص نیاز به ارائه جزییات بسیار دقیق از تجهیز است که بنده آنها را در اختیار ندارم

نقش بابیت در ژورنال برینگ ها

مقصود از این پست، ارائه توضیحاتی در مورد نقش بابیت در ژورنال برینگ ها و طرق مختلف خرابی در ژورنال برینگ ها و تاثیر آن بر عملکرد یک تجهیز، در قالب یک مقدمه و دو مثال عملیاتی یا Case study، است.

مقدمه

همانگونه که قبلا به عرض رسیده بود، ژورنال برینگ ها معمولا در بارگذاری ها و دورهای چرخش بالا بکار می روند. بعنوان یک شاخص عمومی، معمولا در ماشین آلات با قدرت تولیدی بیش از 500 اسب بخار یا دور بیش از 3000 دور بر دقیقه از ژورنال برینگ استفاده می شود. قبلتر از این، وظیفه اصلی ژورنال برینگ ها در کاهش اصطکاک بین دو سطح با سرعت نسبی متفاوت خلاصه می شد. اما، امروزه، از ژورنال برینگ علاوه بر کاهش اصطکاک، انتظار می رود که به روند انتقال حرارت بین دو سطح نیز کمک کرده، ذرات جامد و رسوبات جمع شده در فضای مابین دو سطح را جمع آوری کرده، و در عین حال، از قطعات گرانقیمتی مانند شفت و روتور حفاظت لازم را بعمل آورد

بمنظور انجام وظایف فوق، سطح ژورنال برینگ ها با ماده ای نرم و مسطح با عنوان بابیت پوشانده می شود که از پتانسیل بسیار بالایی برای خیس شدن بوسیله مایعات نافذی مانند روغن برخوردار است. بابیت نسبت به شوک حرارتی و سوختگی موضعی مقاوم است. اما، بسیار نرمتر از فولاد بوده و براحتی خراشیده می شود. همین، عاملی بازدارنده برای جلوگیری از آسیب رسیدن به شفت و روتور، از طریق مکانیزم فدا شوندگی، محسوب می شود. عناصر تشکیل دهنده الیاژ بابیت در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: عناصر تشکیل دهنده بابیت

همانگونه که از جدول 1 پیداست، بیش از 80 درصد بابیت را قلع تشکیل می دهد. اما، با اینکه قلع در دمای 230 درجه سلسیوس ذوب می شود، اما بابیت تا دمای 315 درجه سلسیوس، همچنان در برابر ورود به فاز مایع مقاومت می کند. همین عامل، تکیه گاهی برای ماشین است تا در دورهای بالاتر و دماهای کاری بیشتر عملکرد خود را حفظ کند. در این میان نقش فیلم روغن و ضخامت آن در یک بازه دمایی خاص (که در پست های قبلی راجع به نقش ویسکوزیته در تشکیل آن صحبت شد) بسیار حیاتی است. چراکه با تشکیل فیلم روغن، بین بابیت و سطح لغزنده فولادی روی آن (معمولا شفت یا روتور)، یک سد حرارتی تشکیل شده و در عین حال، از تماس مستقیم بابیت با فولاد و ذرات جامد رسوبی جلوگیری می شود (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: نحوه حرکت ذرات جامد بدرون لایه بابیت

از دیدگاه تئوریک، تا زمانیکه تماسی بین بابیت و سطح شفت نباشد، عمر ژورنال برینگ تضمین شده است. این بدان معنی است که یک ژورنال برینگ می تواند عمر لایتناهی داشته باشد! اما، هیچوقت این اتفاق نمی افتد! چراکه فیلم روغنی تمیزی که رفتار نیوتنی از خود نشان بدهد، عملا پس از مدتی کارکرد تجهیز و ورود ذرات مختلف بدرون آن (با منشا آهنی یا...) دیگر وجود خارجی ندارد و روغن عملا پس از مدتی معین مانند یک سمباده عمل کرده و رفتاری غیرنیوتنی از خود نشان می دهد که تمایلی به انتقال حرارت صحیح نیز از خود نشان نمی دهد. پس آلودگی و فساد جریان روغن (منظور فساد شیمیایی و حرارتی است) می تواند عامل خرابی بسیاری از ژورنال برینگ ها باشد. از سوی دیگر، بابیت نسبت به بارگذاری دینامیک غیرمتقارن نیز بسیار حساس بوده (بهم خوردگی الاینمنت) و ترک های خستگی در آن ایجاد می گردد که پس از مدتی کل بابیت را از سطح برینگ می زداید (شکل 2).

شکل 2: مراحل تخریب بابیت

از سوی دیگر، ساختار بابیت بگونه ای است که بخش کوچکی از قلع آن توسط حرارت ذوب شده و توسط فیلم عبوری روغن شسته می شود. این باعث تشکیل مسیر هایی از عبور روغن در بابیت، در اطراف بخش های سختتر پر آنتیموان و مس، شده و به تدریج کانال هایی را برای عبور روغن و خنک کاری بیشتر ایجاد کند. اما، با آلوده شدن جریان روغن و پر شدن این کانال ها از ذرات جامد، عملا مکانیزم انتقال حرارت بین ژورنال برینگ و شفت بهم می خورد. پس، عملا، همانگونه که سرعت های چرخش خیلی زیاد برای برینگ خطرناک است، سرعت چرخش پایینتر از حد معمول برای یک دوره طولانی نیز مخاطره آمیز است.

اکنون به دو مورد مطالعه خرابی موردی می پردازیم:

Case Study شماره 1: خرابی پمپ تغذیه بویلر یک توربین بخار

ژورنال برینگ یک پمپ سنگین به ناگهان طی عملکرد عادی پمپ دچار خرابی می شود (شکل 3 را ببینید). سایز ژورنال 5.75 اینچ و لقی معمول برینگ ها بین 7 تا 9 میل بود.

شکل 3: تصویری از خرابی ایجاد شده در ژورنال برینگ یک پمپ سنگین

پس از شات دان، برینگ ها از پمپ جدا شده و آنچه که به سر ژورنال برینگ ها آمده بود، در شکل های 4 تا 7 نشان داده شده است.

شکل 4: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 5: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 6: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 7: عکسبرداری SEM از خسارت وارده به ژورنال برینگ

همانگونه که در شکل 6 مشخص است، گوشه ها و مرز های بابیت روی ژورنال ذوب شده و سپس مجددا روی بخش هایی از برینگ رسوب کرده است که این ناشی از عدم الگوی مناسبی از انتقال حرارت متوازن است. عکسبرداری الکترونی (SEM) بیانگر ریزساختار سطحی بابیت است (شکل 7) که به شکل طرح های سوزنی (مس) و مکعبی شکل (آنتیموان) در بستر قلعی ظاهر شده است. در واقع، سطح شفت با قطعات سوزنی و مکعبی مس و آنتیموان تماس داشته که از سختی بیشتری نسبت به قلع برخوردار هستند و این در حالی بوده که روغن از طریق کانال هایی که در اطراف قطعات مس و آنتیموان قرار داشته اند، جاری می شده است. پرسنل کارگاه، تشکیل قوس الکتریکی را عامل خرابی پمپ می دانستند. اما، آزمایش ها نشان دادند که هیچ قوس الکتریکی عامل سوختگی ژورنال برینگ نبوده است و تنها عامل خرابی را می توان Overheating ناشی از عدم روغنرسانی به برینگ دانست.

Case Study شماره 2: خرابی برینگ فن سانتریفیوژ

یک دستگاه فن سانتریفیوژ (شکل 8) در حال کارکرد عادی خود بود که ناگهان دمای پوسته برینگ آن (اندازه گیری شده با ترمومتر) به 100 درجه سلسیوس رسید. این افزایش دما با صداهای غیرعادی و لرزش شدید فن ادامه یافت تا در نهایت منجر به دستور شات دان شد.

شکل 8: تصویری از فن مورد مطالعه

تحقیقات روشن کرد که روند این افزایش دما از پنج روز پیش از خرابی فن شروع شده است. در عین حال، اندازه گیری سطح مخزن روغن بیانگر کاهش سطح روغن تا مقدار بسیار زیادی بود. چک وضعیت پمپ روغن (شکل های 9 و 10) نشان داد که سیل (آببند) پمپ خوب کار نمی کرده و نشتی داشته است. در عین حال، وضعیت نصب تجهیز نیز بگونه ای بوده است که چکه های روغن از سیل پمپ توسط فن مکیده شده و مانع از مشاهده آنها توسط اپراتور بوده است.

شکل 9: نمایی از وضعیت خرابی فن، به سیاه شدگی های ناشی از مکش روغن (فلش) توجه کنید

شکل 10: سیل (آببند) مشکل دار پمپ روغن

از آنجا که یونیت در شرایط سخت زمستانی کار می کرد، دستور به ادامه کار داده شد تا شرایط سرمای زمستانی به پایان برسد و در طی این مدت، مخزن روغن مدام پر می شد و وضعیت تغییرات دمایی و ارتعاشی فن نیز با توجه به گذر زمان چک شده و روی نمودار می آمد (شکل 12 را ببینید). پس از گذر از شرایط سخت زمستانی، یونیت خاموش شد و برینگ ها مورد بازرسی قرار گرفتند (شکل 11)، مشخص شد که لایه بابیت درست همانطوریکه انتظار می رفت عمل کرده و در نبود روغن ذوب شده و از سطح شفت محافظت کرده است (مکانیزم فداشوندگی). اما، پس از آنکه روغن دوباره به برینگ رسیده بود، مکانیزم انتقال حرارت به جای خود بازگشته و موجب «ماسیدن» بابیت و جمع شدن نامتقارن آن در بخش های مماس با شفت شده بوده است. بدین ترتیب، با تعویض برینگ ها (عدم امکان تعمیر در محل) تجهیز قادر به ادامه کار شد.

شکل 11: تخریب لایه بابیت و محافظت آن از سطح برینگ

شکل 12: نمودار پایش وضعیت فن

محاسبه دبی روغن به ژورنال برینگ

با درود و مزید احترام

در این پست قصد بر آنست که به این سوال پاسخ داده شود: چگونه می توان دبی جریان روغنرسانی به یک ژورنال برینگ را تعیین کرد؟

برای پاسخ به این سوال، ابتدا لازم است سرعت چرخش شفت، نوع روغن، بازه دمایی، و لقی بین شفت و برینگ مشخص باشد. همانطور که قبلا گفته شده بود، ژورنال برینگ ها وظیفه پشتیبانی از شفت در برابر بارهای محوری و شعاعی را در زمان چرخش برعهده داشته و معمولا کاربرد آنها در مواردی است که دو متغیر بار و سرعت چرخش شفت تغییر چندانی نمی کنند. در یک سیستم ژورنال برینگ، سه بخش شایسته بررسی هستند: بخش ثابت قضیه یا برینگ، بخش متحرک داستان یا ژورنال، و فیلم روغن که بین این دو قرار می گیرد. در اینجا، متریال تشکیل دهنده بخش های ثابت و متحرک سیستم می تواند کاملا متغیر باشد. چراکه برینگ ها معمولا از الیاژ نرمتری نسبت به ژورنال ساخته می شوند تا از ساییدگی و خوردگی ژورنال بخش های متحرک جلوگیری شود (شکل 1 را ببینید). وظیفه فیلم روغن نیز در این میان کنترل الگوی اصطکاک، سایش، خوردگی، پرافایل حرارتی، و پیرایش فضای بین دو بخش متحرک و ثابت از ذرات الاینده است. البته، نباید از نقش این فیلم بعنوان واسطه ای برای انتقال قدرت مکانیکی نیز غافل شد.

شکل 1: نمای شماتیکی از نحوه اعمال فشار بر فیلم روغن بین دو سطح ژورنال برینگ و شفت

در روغنرسانی به ژورنال برینگ ها، سه رژیم حاکم است: فیلم کامل یا هیدرودینامیک، فیلم مخلوط، و فیلم مرزی. از آنجا که سطح ماشین کاری شده فلزات، هرچقدر هم که با دقت و کیفیت انجام شده باشد، حاوی پستی و بلندی ها و ناهنجاری های سطحی است و کیفیت تماس این ناهنجاری ها در دو سطح متقابل (ثابت و متحرک) است که نوع رژیم روغنرسانی یا در واقع نوع فیلم روغن مورد نیاز را تعیین می کند. بیشتر ژورنال برینگ ها برای روغنرسانی در رژیم فیلم کامل یا هیدرودینامیک طراحی می شوند. اما، درواقع، این ژورنال برینگ ها در دو مُد هیدرودینامیک و مرزی روغنکاری می شوند. روغنرسانی در حالت مرزی، بنا به تعریف، عبارتست از تشکیل فیلم روغن در نازکترین حالت خود. بطوریکه گاه مستلزم برخورد مستقیم دو ناهنجاری سطحی (قله به قله یا قله به دره یا...) به یکدیگر باشد. بدین ترتیب، روغنرسانی در حالت فیلم مرزی می تواند بیشترین ریسک سایش را به همراه داشته باشد. شایسته ذکر است که این مُد بیشتر در زمان استارت-آپ تجهیز رخ می دهد. در این حالت، کمترین میزان انتقال بار به دوش فیلم روغن است.

در رژیم کاری فیلم مخلوط، انتظار می رود که تماس اندکی بین ناهنجاری های دو سطح مقابل برقرار باشد (برخلاف فیلم کامل که تماس بین ناهنجاری های سطحی به صفر می رسد). اما، بارگذاری روی فیلم روغن تقریبا مداوم است. این حالت اندکی پس از استارت-آپ تجهیز رخ داده و تا رسیدن به سرعت چرخش معمول شفت ادامه می یابد. پس از رسیدن به این محدوده سرعتی است که فیلم روغن کامل شده و تمامی بار مکانیکی بین دو بخش ثابت و متحرک ژورنال برینگ به فیلم روغن اختصاص می یابد. شکل 2 ساختار یک ژورنال برینگ نوعی را با جزییات مربوطه نشان می دهد.

شکل 2: شماتیکی از ساختار یک ژورنال برینگ

در فیلم روغن، در اثر اعمال بار، فشار ایجاد می شود که میزان این فشار بستگی مستقیمی به ضخامت فیلم دارد که خود (همانطور که قبلا گفته شده بود) به ویسکوزیته دینامیک روغن یک دمای خاص وابسته است. رابطه بین فشار و ویسکوزیته دینامیک هر روغن یک عدد خاص است که با عنوان فاکتور پی معروف است. این فاکتور نشان دهنده آن است که با افزایش فشار در جریان یک روغن خاص، ویسکوزیته دینامیک آن روغن در آن نقطه فشاری افزایش می یابد. این فاکتور یکی از عوامل تعیین ظرفیت بارگذاری یک ژورنال برینگ است. با این تفاسیر، اکنون می توان دو معادله را برای محاسبه دبی جریان روغنرسانی به یک ژورنال برینگ ارائه کرد که یکی برحسب گالن بر دقیقه و دومی برحسب قطره در دقیقه است (شکل 3).

شکل 3: فرمول محاسبه میزان روغن مورد نیاز برای هر ژورنال برینگ

توضیح اینکه فاکتور لقی یا m در معادلات نشان داده شده در شکل 3 بصورت زیر قابل محاسبه است:

m=1000*(2C/D)

که حروف C و D در شکل 2 تعریف شده اند. آیتم بار وارده یا W نیز عبارتست از وزن تجهیز که باید بر تعداد برینگ ها تقسیم و سپس وارد معادله شود.

کاربرد روغن در دماهای خیلی بالا

در این پست، قصد بر آن است که با نحوه انتخاب روانکار برای بازه های دمایی خیلی بالا آشنا شویم.

شرح مساله: در صورتیکه دمای کاری تجهیز بیش از 400 درجه سلسیوس باشد، از چه ترکیب شیمیایی پایه ای برای گریس یا روغن می توان استفاده کرد؟

پاسخ: در انتخاب یک لوبریکانت، عوامل متعدد و بشدت متغیری تاثیرگذارند. اما، اگر تنها به آیتم درجه حرارت توجه کنیم، عواملی چون ویسکوزیته، پایداری حرارتی، و مقاومت به اکسیداسیون بیش از بقیه دخیلند. روی کاغذ، وقتی بدنبال یک روانکار فقط با توجه به دمای کاری باشید، روغنی می خواهید که در دما های پایین همچنان پمپ پذیر باشد و در عین حال، در دما های بالا نیز قادر به محافظت از تجهیز باشد و این یعنی اندیکس ویسکوزیته بالایی داشته باشد. چنین روانکاری در گرما خواص خود را حفظ کرده و اصطلاحا دچارCooking  نخواهد شد و بدین ترتیب، در تماس با سطوح بسیار داغ تجزیه نشده، اکسیده نشده، و از خود رسوبات شیمیایی و لجن و وارنیش بجای نخواهد گذاشت. خب! تا اینجای قضیه، روغن های هیدروکربنی قطعا جزء انتخاب ها نخواهند بود! حتی روغن های سینتتیک خانواده پی ای اُ یا PAO= Polyalphaolefin نیز که نسبت به روغن های هیدروکربنیک از خلوص بالاتر و عملکرد بسیار بهتری برخوردارند قادر به تحمل این پرافایل دمایی نیستند. چراکه این روغن ها در بیش از 200 درجه سلسیوس اکسید شده، کارایی ویسکومتریک خود را از دست می دهند. تجزیه شیمیایی این روغن ها در دما های بیش از 200 درجه سلسیوس حداکثر چند ساعت طول می کشد. براساس قوانین مکانیک سیالات و انتقال حرارت، روغنرسانی و روانکاری مناسب و اثربخش، تا 170 درجه سلسیوس ممکن است. پس از این مرز دمایی، روانکاری صحیح مستلزم رعایت شروط زیر است: کاهش زمان اوورهال، کاهش ظرفیت بارگذاری، سرعت دوران کمتر، سطح اصطکاک کمتر، فشار روغن بیشتر، و... . در همین راستا، مرز دمایی تجزیه شیمیایی انواع روانکار براساس روش استاندارد ASTM D2879-2010 قابل تعیین است. توجه به این نکته لازم است که افزایش این مرز دمایی با توسل به ادتیوها ممکن نیست. اما، برعکس این قضیه، یعنی کاهش مرز دمایی، آنهم با افزودن کامپاندهایی با پایداری حرارتی پایینتر، امکانپذیر است. جدول 1 مرز دمایی عملکردی برای انواع روغن های پایه را نشان می دهد. براساس جدول 1، انتخاب برای پرافایل حرارتی بالاتر از 400 درجه سلسیوس بسیار محدود می شود.

جدول 1: مرز دمایی عملکردی برای انواع روغن های پایه یا Base Oil

البته، شایان ذکر است که روانکار هایی که عملکرد خوبی در دمای 400 درجه سلسیوس و حتی بالاتر از آن داشته باشند، وجود دارند. اما، مشکل بزرگ این روانکارها، جامد بودن این مواد در دمای متعارف است. این از روغن های پایه! در مورد گریس ها، وقتی صحبت از محدوده دمایی بالای 400 درجه سلسیوس باشد، مشکل اصلی تیکنر یاThickener  است. چراکه وقتی دمای گریس بالا می رود، گریس به نقطه ای می رسد که ساختار ژلی آن ناپایدار شده و گریس مایع می شود. این نقطه بهDropping Point  معروف است. جدول 2 مرز دمایی این نقطه را برای معروفترین و رایجترین تیکنرهای گریس نشان می دهد.

جدول 2: مرز دمایی عملکردی برای انواع تیکنر های گریس

همانگونه که از جدول 2 مشخص است، گریس های معمول، حتی به مرز 400 درجه سلسیوس نزدیک هم نمی شوند! در این زمینه، استفاده از لوبریکانت های جامد یا کامپوزیتی می تواند محتمل باشد. البته در صورت چنین انتخابی، باید ریسک ناشی از چنین انتخابی را نیز پذیرفت.

بعنوان نتیجه گیری، در پرافایل دمایی 400 درجه سلسیوس، می توان از روانکارهای پردوامی مانند فلزات مایع، اکسیدهای مایع، برخی ترکیبات شیشه ای، و روانکارهای جامدی مانند دی سولفید مولیبدن بهره برد.

محاسبه طول عمر گریس

با درود فراوان

در این پست قصد داریم به معرفی گریس، نحوه انتخاب آن، و نحوه محاسبه طول عمر آن بپردازیم

امروزه، بیش از 90 درصد روانکاری انواع برینگ های صنعتی با توسل به گریس انجام می گیرد. بنابراین، دانستن نحوه انتخاب و محاسبه عمر مفید گریس برای مهندسین ادوات روتاری بسیار مهم است. در محاسبه طول عمر مفید یک گریس چندین عامل دخیل است که در محاسبه وارد شده و هر یک تاثیر خود را دارند. اهمیت این محاسبات در رسیدن به عددی است که کمترین میزان مصرف روانکار یاMQL= Minimum Quantity Lubrication   نامیده شده و در کنترل هزینه های نگهداری و تعمیرات نقش اساسی بازی می کند. رولربرینگ های ساچمه ای (بال) و استوانه ای مثال هایی از برینگ المنت هایی در تجهیزات روتاری هستند که میزان ام کیو ال در آنها بسیار مهم است. چراکه با تاثیر گرفتن از یکسری از عوامل منفی، عمر گریس در آنها بسرعت کم شده و آنها را در معرض انواع حالات خرابی قرار می دهد.

ساختار گریس در شکل 1 نشان داده شده است. براساس این شکل، گریس از روغن پایه، تیکنر، و انواع ادتیو تشکیل شده است. آنچه که در این میان عمل روانکاری را بعهده دارد، روغن پایه است که می تواند مینرال، کاملا سنتتیک، یا مخلوطی از این دو باشد.

شکل 1: ساختار گریس

انواع مختلفی از ادتیو ها به این روغن اضافه می شوند که بیشتر با هدف مقاومت به خوردگی، تشکیل لایه (ها) بمنظور محافظت از سطح فلز در شرایط بارگذاری مختلف، و یا بهبود رفتار ویسکو-الاستو-هیدرودینامیک گریس در دما های مختلف به روغن اضافه شده و رفتار و خواص آن را تغییر می دهند. وظیفه تیکنر نیز جذب این سیستم روغنی و آزاد کردن تدریجی آن در شرایط مختلف ترمودینامیک روی سطح فلز است. در عمل، چند گرم از گریس می تواند برای روانکاری موثر و طولانی مدت یک رولربرینگ بکار رود. بدین ترتیب، محاسبه دقیق میزان گریس مصرفی و مدت عمر آن می تواند در کاهش هزینه ها بسیار موثر باشد.

محاسبه عمر مفید یک گریس: در محاسبه دقیق طول عمر گریس ها چندین عامل دخیلند که از آن جمله می توان به نوع گریس، نوع برینگ، شرایط کاری، و شرایط محیطی اشاره کرد. شکل 2 نمودار عمومی طول عمر گریس ها را برحسب شرایط عملکردی (سرعت چرخش و دما) را نشان می دهد. در این نمودار، برای نمونه، طول عمر دو گریس لیتیومی با روغن پایه مینرال که یک گریس روانکار عمومی است و گریس دیگری با تیکنر پلی اوریا و روغن پایه سنتتیک از خانواده اِستِر ها نشان داده شده است.

شکل 2: نمودار محاسبه عمر گریس

محور افقی نمودار شکل 2 بیانگر شرایط کاری تعریف شده یا فرض شده برای برینگ می باشد. این شرایط کاری با عددی بیان می شود که حاصلضرب سه شاخص نوع برینگ یا Kf، سرعت چرخش یا n، و قطر متوسط برینگ یا dm است. البته در برخی منابع، حاصلضرب سرعت چرخش در قطر متوسط برینگ را فاکتور سرعت نامیده اند. شاخص نوع برینگ تعریفی عددی از شرایط روانکاری برینگ بوده و از 0.9 تا 10 برای بلبرینگ های ساده تا حدود 90 برای رولربرینگ های پیچیده متفاوت است. بزرگتر شدن این شاخص به معنای بیشتر شدن سطح مقطع های اعمال نیرو و در نتیجه، افزایش تنش عمومی وارده به ماتریس تیکنر و روغن گریس است.

از نمودار شکل 2، میزان عمر تئوریک گریس یا tf بدست می آید. اما، بمنظور نزدیک کردن این عدد به واقعیت، ضرایب تاثیر یا Influence factor در آن ضرب شده و مقدار آن را به عددی واقعی برحسب ساعت تغییر می دهند. هر یک از ضرایب تاثیر با حرف اف انگلیسی و عمر واقعی گریس با tfq در فرمول زیر نشان داده شده اند

tfq=tf*f1*f2*f3*f4*f5*f6

که در فرمول فوق،

f1 = Environmental media, degree of pollution (0.1 to 0.9)

f2 = Load dynamics, impacts (0.1 to 0.9)

f3 = Bearing temperature (0.1 to 0.9)

f4 = Bearing load (0.1 to 1.0)

f5 = Airflow (0.1 to 0.7)

f6 = Type of mounting, centrifugal energy (0.5 to 0.7)

در مورد ضریب تاثیر حرارتی یا f3، ذکر این نکته لازم است که برای گریس های استاندارد (متشکل از تیکنر لیتیومی و مینرال اویل)، پیرسازی حرارتی در دما های بالاتر از ۱۴۰ درجه سلسیوس بشدت بر عمر گریس تاثیر منفی دارد. مثلا، با رسیدن دمای کاری به ۱۹۰ درجه سلسیوس، عمر واقعی گریس به صفر خواهد رسید. چراکه در این دما، روغن از تیکنر جدا شده و در اثر افزایش سرعت سیرکولاسیون گریس در برینگ به همین دلیل، نرخ اکسیداسیون گریس بالا رفته و گریس کم کم تمامی خواص خود را از دست می دهد. در دما های خیلی پایین نیز، عملکرد گریس کاهش شدیدی می یابد و حتی شاهد ترک خوردن گریس در دما های حدود منفی ۲۰ درجه سلسیوس هستیم.