داغ شدن برینگ ها

در این پست، قصد بر آنست که به مساله داغ شدن برینگ ها و راه های تشخیص و جلوگیری از آن بپردازیم. داغ شدن برینگ که در ادبیات مهندسی به Running Hot معروف بوده و نمایی از آن در شکل 1 نشان داده شده است، یکی از مشکلات نگهداری و پایش وضعیت ادوات روتاری در سطح تعمیرات جاری(و نه اساسی!) بوده و برای مقابله با آن و شات دان نشدن یونیت، راهکارهای تجربی گوناگونی پیشنهاد شده است: از تعویض برینگ بگیرید تا ریختن آب روی آن! اما، از دیدگاه مهندسی، داغ شدن برینگ مشمول مراحلی است که اقدام متقابل بمنظور کاهش دمای عملکردی برینگ باید متناسب با آن مرحله باشد.

شکل 1: نمایی از داغ شدن یک برینگ که با دوربین فروسرخ تشخیص داده شده است

اما، سوالی که قبل از شروع بحث باید بدان پاسخ داده شود، مفهوم کلمه «داغ یا Hot» است. معمولا، آن چیزی داغ محسوب می شود که دمای سطح آن از 55 درجه سلسیوس بیشتر باشد. بدین ترتیب که وقتی دمای سطح یک قطعه از 50 درجه سلسیوس بالاتر می رود، دیگر نمی توان آن را براحتی و بمدت طولانی در دست نگه داشت.

پس از این تعریف، به سراغ مورد بعدی می رویم و آن چگونگی بدست آوردن دمای واقعی برینگ است. شکل 2 نمونه ای از تصویر ترموگرافی ثبت شده از یک برینگ در حال کار را نشان می دهد. بیاد داشته باشید که آنچه که دوربین ترموگرافی یا ترمومترهای لیزری یا گچ حرارتی یا سنسور های حرارتی به شما نشان می دهند، دمای سطح برینگ است و درجه حرارت در بخش های داخلی برینگ که محل وقوع خرابی است، حدود 10 تا 15 درجه بیشتر است!

شکل 2: نمونه ای تصویری که با دوربین ترموگرافی از بخش های مختلف یک برینگ در حال کار گرفته شده است

شکل 3: چارت رنگی محدوده های متفاوت دمایی برای یک برینگ و معنی اولیه آن

دمای طراحی برای بیشتر برینگ های صنعتی کمتر از 80 درجه سلسیوس است. بنابراین، حرارت سطحی کمتر از 80 درجه سلسیوس، با توجه به جدول شکل 3، نشانه خوبی است. اما، با بالا رفتن دمای عملکردی برینگ، از عمر لوبریکانت آن بشدت کاسته می شود. بطوریکه با عبور از مرز 65 درجه سلسیوس، بازای هر 8 درجه افزایش دما، باقیمانده عمر گریس نصف خواهد شد. در مورد روغن ها نیز، افزایش دما منجر به کاهش نمایی ویسکوزیته سینماتیک خواهد شد. شدت این کاهش را می توان در شیب نمودار شکل4 (منبع: SKF) مشاهده کرد. همانطور که قبلا گفته شده بود، کاهش ویسکوزیته منجر به نازک شدن فیلم روغن شده و خطر برخورد مستقیم ناهمواری های دو سطح متقابل در برینگ و شفت افزایش خواهد یافت (برای جزییات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست اثر دما بر ویسکوزیته روغن توصیه می شود).

محدوده دمایی 80 تا 95 درجه سلسیوس که در شکل 3 با رنگ زرد مشخص شده، به شرایط احتیاط یا Caution condition معروف است. اگرچه این محدوده دمایی کمی بالاتر از محدوده دمایی خوب است، و حتی ماشین آلات بسیاری را نیز می توان یافت که دمای طراحی آنها در این محدوده قرار بگیرد، اما احتیاط واجب آن است که با ورود به این محدوده، تاریخچه ای از روند عملکرد برینگ در این محدوده دمایی را ثبت کرد. با تحلیل آماری داده های این تاریخچه، می توان خط عملکرد نرمال را تعیین نمود. برای گیربکس ها، موسسه AGMA سقف دمایی 95 درجه سلسیوس را برای مخزن روغن تعریف کرده است. از سویی، آنچه که در آنالیز حرارتی یک برینگ یا مجموعه ای از برینگ ها پس از محدوده دمایی، در جایگاه دوم اهمیت قرار می گیرد، نوسان دمایی است. بعنوان یک قاعده کلی، نوسان بیش از 10 درجه سلسیوس در دمای عملکردی یک برینگ به معنای هشدار جدی است. از جمله عواملی که می تواند در داغ شدن یک برینگ یا نوسان حرارتی آن در این محدوده دمایی تاثیرگذار باشد، می توان به روغنرسانی ضعیف، بارگذاری سنگین، سرعت چرخش بالا، روغنرسانی بیش از حد نیاز(منجر به Grease Overpressure یا ماسیدگی روغن که به Oil Churning معروف است)، و عدم همترازی یا Misalignment  اشاره کرد.

شکل 4: نمودار تغییرات ویسکوزیته سینماتیک روغن روانکار برحسب دما (منبع: SKF)

محدوده دمایی بعدی که در شکل 3 با رنگ نارنجی مشخص شده، به شرایط هشدار یاAlert condition  معروف بوده و به بازه دمایی 96 تا 120 درجه سلسیوس اختصاص دارد و از جمله علل رسیدن به این بازه دمایی می تواند ناشی از تمرکز تنش، برینگ تازه گریس یا روغنکاری شده، اوورگریسینگ، مراحل اولیه خرابی برینگ، و... باشد. در چنین شرایطی، باید جزییات فرآیند را بررسی کرد یا وضعیت تجهیز را با دقت بیشتری پایش نمود. آنالیز نمونه روغن یا گریس می تواند در این مرحله بسیار مفید باشد

مرحله بعدی در چارت شکل3 (قرمز رنگ) که به شرایط اعلان خطر یا Alarm condition معروف است، به محدوده دمایی 121 تا 150 درجه سلسیوس اختصاص دارد. عملکرد برینگ در این محدوده دمایی به معنی رسیدن برینگ به مراحل پیشرفته خرابی است. در این مرحله، علاوه بر ترموگرافی و آنالیز روغن، باید از ابزارهای دیگری مانند آنالیز فرکانسی، سنجش تغییر مکان با آلتراسونیک یا اشعه فروسرخ، یا...جهت اطمینان از وضعیت تجهیز استفاده کرد. در چنین شرایطی، کاهش سرعت چرخش یا بارگذاری یا کاهش تعداد استارت آپ می تواند بسیار راهگشا باشد. در این مرحله، از روغنکاری مجدد برینگ اکیدا خودداری کنید! چراکه روغنرسانی به برینگ در این شرایط منجر به بالا رفتن ضریب اصطکاک و در نتیجه، افزایش هرچه بیشتر دمای آن خواهد شد.

مرحله آخر که به بیش از 150 درجه سلسیوس می پردازد و با رنگ خاکستری در شکل 3 نشان داده شده، به شرایط توقف فوری یا  Force Shut-down معروف بوده و نویسنده این پست با این مرحله بسیار آشنا است و دستورهای شات دان بسیاری صادر کرده است! برینگ ها در این محدوده دمایی، مراحل نهایی خرابی را طی کرده و عنقریب تجهیز را با مشکلات بغرنجی مواجه خواهند کرد. گاه فرصت واکنش در این مرحله به چند ساعت محدود می شود و دیگر صحبت از چند روز نیست! در این مرحله، برینگ را باید از دست رفته دانست و باید بفکر نجات هوزینگ و شفت و... بود! در چنین شرایطی، باز کردن برینگ نباید بلافاصله پس از شات دان باشد و باید به برینگ فرصت داد که سرد شده و اصطلاحا به پایداری حرارتی برسد. این زمان کاملا به هندسه برینگ وابسته است. در این مرحله از روغنکاری برینگ باید کاملا برحذر بود. چراکه این عمل منجر به خرابی بلافصل و آنی برینگ خواهد شد. در چنین شرایطی، باید اجازه داد تا برینگ پس از شات دان سرد شود و نباید روی آن آب ریخت! چراکه این عمل منجر به شکستگی شفت یا حداقل تغییر خواص متالورژیک شفت خواهد شد. اما، اگر عجله در کار باشد، استفاده از فن یا پنکه ای  که هوای محیط را به برینگ و هوزینگ بدمد، بلامانع خواهد بود.

مشکل روغن سیاه

در این پست، قصد بر آن است که به علل مشکل سیاهی روغن روانکار در برینگ های پمپ های نفت، گاز، و پتروشیمی پرداخته شود. این پست شامل سه بخش است: بخش اول شرح مساله، بخش دوم آنالیز خرابی، و بخش سوم نتیجه گیری

مقدمه

رولربرینگ ها و بالبرینگ ها از اجزای اصلی دوار در پمپ ها به شمار رفته و روغنرسانی بدانها یکی از چالش هایی است که از دیرباز در زمینه نگهداری، تعمیر، و پایش وضعیت آنها مطرح بوده است. آلوده شدن جریان روغن عبوری از المان های غلتنده این برینگها، علاوه بر مخاطراتی که ممکن است برای عملکرد صحیح پمپ در بر داشته باشد، می تواند عامل بالقوه ای در زمینه از دست رفتن یک واحد فرآیندی نیز به حساب آید. از این رو، کمپانی سالتزر پامپس یا Sulzer Pumps در بازه زمانی 1997 تا 2001 اقدام به سلسله تحقیقاتی در زمینه مُد های مختلف آلودگی روغن رولربرینگ های نصب شده در پمپ های سنتریفیوگال خود کرده است که نتایج این تحقیقات در قالب مقاله با عنوان «روغن سیاه» یا  Black Oil در هفدهمین همایش بین المللی کاربران پمپ در دانشگاه تگزاس ارایه شد و این پست شامل خلاصه ای از روند تحلیل این مشکل و راهکار های پیشنهادی برای حل آن است. از دیدگاه سالتزر پامپس، مشکل سیاهی روغن جز مشکلات ناشی از آلودگی کوتاه مدت رولر برینگ ها بشمار می رود

بخش اول: شرح مساله

سالتزر در طراحی پمپ های خود از یک طرح استاندارد برای جایگذاری برینگ ها استفاده می کند که شامل آرایشی از دو بالبرینگ با زاویه تماس 40 درجه ای (شکل 1 را ببینید)، یکی در نقش تراست و دیگری در نقش رادیال برینگ، و یک بالبرینگ شیار عمیق (در نقش برینگ شعاعی یا رادیال) است. هر دو طرف این آرایش نیز از رینگ های روغنرسان برنزی نیمه غوطه ور در یک کارتل روغنی برای روغنرسانی استفاده می کنند. در طرح استاندارد دیگر که در برخی دیگر از محصولات سالتزر بکار می رود، از همان مجموعه دوتایی بالبرینگ با زاویه تماس 40 درجه ای (یکی در نقش تراست و دیگری در جایگاه رادیال برینگ) و یک بالبرینگ شیار عمیق یا یک رولربرینگ استوانه ای، در نقش رادیال برینگ، استفاده می شود (شکل 2) که هر سه برینگ بمنظور روغنکاری از یک هوزینگ مشترک شامل رینگ های روغنرسان برنزی نیمه غوطه ور در کارتل مشترک برای هر مجموعه برینگ استفاده می کنند. در یک بازه زمانی کوتاه که گاه از چند ساعت پس از استارت پمپ تا چند هفته طول می کشید، گزارش های متعددی از تیرگی شدید یا سیاهی روغن، به همراه مشاهده آثاری از تکه های برنز در نمونه روغن، واصل شد. آنالیز نمونه روغن اخذ شده از پمپ های مختلف حاکی از وجود ذرات جامد فلزی با سایز 3 تا 5 میکرومتر به همراه تغییر رنگ روغن از زیتونی به قهوه ای سوخته و حتی سیاه (در موارد متعدد) بود (نمونه ای از گزارش آنالیز روغن در شکل 3 نشان داده شده است). این در حالی بود که هیچ گزارشی مبنی بر فساد روغن یا نارضایتی از کیفیت روانکار دریافت نشده بود

شکل 1: آرایش استاندارد اول Sulzer برای طراحی تراست و رادیال برینگ ها

شکل 2: آرایش استاندارد دوم Sulzer برای طراحی تراست و رادیال برینگ ها

شکل 3: نمونه ای از گزارش های آنالیز روغن

بخش دوم: آنالیز خرابی

بمنظور تحلیل خرابی منجر به نارضایتی مشتری، چند کارگروه در سالتزر تشکیل و هر یک مطابق چک لیستی که در شکل 4 نشان داده شده، نسبت به اولویت بندی علل محتمل خرابی اقدام نمودند. نتیجه تکمیل فرم شکل 4 و تشکیل جلسات تحلیل خرابی، تقسیم بندی علل خرابی به شرح زیر بود که باید روی آنها تحقیق انجام می پذیرفت

1.      موارد مرتبط با مباحث شیمیایی که در انتخاب روغن یا ادتیو های آن قابل رفع بود

2.      موارد مرتبط با آلودگی های بالقوه، طی هر یک از مراحل تولید، مونتاژ، نصب، و راه اندازی که با تفحص در هر یک از این مراحل قابل شناسایی و رفع بود

3.      موارد مرتبط با مکانیزم های سایش که در طراحی قابل رفع بود

1.       موارد مرتبط با مباحث شیمی روغن

این احتمال از آنجایی مطرح شد که امکان داشت سیستم روغن با عناصر و کامپاند های شیمیایی حاضر در هوزینگ واکنش داده و عامل آلودگی روغن شده باشند. از جمله کامپاند هایی که خیلی احتمال حضور آنها می رفت، می توان به ترکیبات هیدراته ناشی از نفوذ آب (یا رطوبت)، محصولات ناشی از واکنش بازدارنده های خوردگی برینگ ها با ادتیو های حاضر در سیستم روغن، محصولات ناشی از واکنش سیستم روغن با رنگ درزگیر های برینگ، و کامپاند های ناشی از فساد تدریجی روغن اشاره کرد. اما، نتایج تست های صورت گرفته در تمامی این موارد منفی بود

شکل 4: ماتریس آنالیز خرابی

2.       موارد مرتبط با آلودگی های بالقوه

تمیزی جریان روغن و عاری بودن آن از ذرات فرساینده ای چون گرد و غبار، کامپاندهایی هیدراته و نیتراته، انواع نمک های فلزی و شبه فلزی، و... موضوع بسیار مهمی در کلیه مراحل مونتاژ، نصب، و راه اندازی است. این ذرات جامد (و اغلب غیرفلزی یا شبه فلزی) از سختی بالایی برخوردار بوده و می توانند همراه با چرخش جریان روغن در اطراف المان های غلتنده، خسارات جبران ناپذیری به ساختار برینگ، اعم از سایش، خوردگی، و...، وارد سازند. اما، با تحقیقات بعمل آمده مشخص شد که درزگیری برینگ ها بسیار خوب انجام شده و ذرات برنزی حاضر در نمونه روغن های سیاه نیز حاصل فرسایش بین ذرات شبه فلزی یا نافلزی و سطوح پرداخت شده فلزی نیستند

3.       موارد مرتبط با مکانیزم های سایش

در ماتریس خرابی نشان داده شده در شکل 4، پنج موضوع بعنوان موارد محتمل در خرابی ناشی از مکانیزم های سایشی مطرح شده بود: پایداری رینگ و عمق غوطه وری آن در کارتل، تنظیم مونتاژی (فیت) برینگ ها، نوع برینگ ها، روغنرسانی اندک به برینگ ها، و ویسکوزیته روغن (به همراه نوع ادتیوها). طی تستی که در آزمایشگاه سالتزر انجام شد (شکل 5)، انواع بارهای محوری و شعاعی، طی یک برنامه تست 13، 2، 7، و 8 ساعت کارکرد مداوم، به چند نمونه پمپ وارد شد. طی آزمون، پنجره های کوچکی از پلکسی گلاس و سنسور های حرارتی و ارتعاشی در هوزینگ پمپ تعبیه شد تا متخصصین رفتار برینگ ها را زیر نظر بگیرند.

شکل 5: نمونه ای از دستگاه تست پمپ در آزمایشگاه Sulzer

بمنظور انجام هر تست نیز از روغن  ISO VG Turbo 32 تمیز و نو استفاده شد. پس از انجام هر تست نیز نمونه روغن تخلیه شده و آنالیز شد. پس از اتمام تمامی تست ها نیز، کل مجموعه تراست و رادیال برینگ ها دمونتاژ و کلیه اجزا زیر میکروسکوپ برده شد. آنالیز روغن نشان از تغییر رنگ روغن به تیرگی داشت و نمونه روغن نیز پر بود از ذرات جامد با سایز های 3 تا 5 میکرون! جداسازی مغناطیسی انجام گرفته روی این ذرات نشان دهنده مخلوطی از ذرات فلزی آهنی و غیرآهنی بود و این یعنی اینکه ذرات غیرفلزی در روغن وجود نداشت و این به خودی خود خبری خوب است! چراکه منشا مشکل را داخلی نشان می داد! بنابراین، به تحلیل تفصیلی پنج مورد فوق تمرکز شد.

3.1.   پایداری رینگ و عمق غوطه وری آن در کارتل

نتایج تست ها حاکی از آن بود که پایداری رینگ (شکل 6 را ببینید) بشدت به ویسکوزیته روغن و عمق غوطه وری رینگ در آن وابسته است. عموما، رفتار دینامیک رینگ های روغن، پس از رسیدن به بازه دمای عملکردی، از یک الگوی منظم پیروی نمی کند و این به دلایل زیر است

-          حرکت پاندولی ناشی از دوران حول نقطه مرگ بالا (نقطه تماس رینگ با شفت) که منجر به حرکت نوسانی در صفحه ای با زاویه 90 درجه نسبت به محور شفت می گردد

-          حرکت انتقالی رینگ به عقب و جلو در طول کارتل روغن

شکل 6: نحوه رفتار نوسانی رینگ روغن در هوزینگ

پس ذرات برنزی حاضر در نمونه روغن می تواند ناشی از برخوردها و سایش های شکل گرفته ناشی از همین حرکت رینگ باشد. با تغییر سطح روغن (کم یا زیاد کردن حجم روغن حاضر در کارتل) هیچ تغییری در نوع این رفتار حاصل نشد. تنها تفاوت در نقطه شروع این رفتار نامنظم بود که آنهم بدلیل تغییر دمای عملکردی بود. در یک تحقیق، متریال رینگ روغن به فولاد نرم و سپس به آلیاژ زنگ نزن تغییر داده شد که نتیجه تنها شامل تغییر در نوع ذرات فلزی از برنز به فولاد نرم یا آلیاژ زنگ نزن بود! اما، در حرکتی دیگر، متریال رینگ روغن از فلزی به غیرفلزی تغییر داده شد که به تمامی مشکل را حل نمود. بدین ترتیب که دیگر از رفتار پاندولی و نامنظم خبری نبود و حتی روغن کارتل نیز خود به میرایی نوسان حرکتی رینگ کمک می کرد. بدین ترتیب، مشکل حضور ذرات برنزی در کارتل روغن که خود موجب تماس های بین فلزی با اجزای برینگ می شدند و به تغییر خواص روغن کمک می کردند، حل شد

3.2.   تنظیم مونتاژی (فیت) برینگ ها

بمنظور فیت شدن بهتر برینگ های تراست و افزایش لقی بین آنها، از یک شیم با ضخامت 0.002 اینچ استفاده شده بود (شکل 7). این افزایش لقی با هدف کاهش بازه دمای عملکردی بین دو برینگ و کاستن از اصطکاک بین آنها به طرح اضافه شده و بخشی از طرح استاندارد سالتزر بود. اما، تست ها نشان دادند که سایش دو طرفه بین این شیم با کیج برینگ ها (بویژه در حالت بی باری) موجب سُرخوردن برینگ ها و تشکیل کربن ناشی از دوده روغن شده و جریان روغن را کثیف و سیاه می نماید. در تست های باقیمانده، این شیم برداشته شد و برای تراست برینگ ها از آرایش لقی متوسط یا  Medium Clearance استفاده شد. تست های انجام شده در این حالت نشان از این موضوع داشتند که کثیفی روغن بسیار کمتر شده، ولی دمای عملکردی برینگ ها بالاتر رفته است که البته این موضوع با تغییر زاویه تماس و نحوه مونتاژ برینگ ها قابل حل بود

شکل 7: استفاده از شیم فاصله انداز بین تراست برینگ ها

3.3.   نوع برینگ ها

گزارش های بازرسی رسیده از سایت های نصب پمپ ها حاکی از آن بود که مشکل سیاهی روغن در بخش تراست برینگ ها خیلی شدیدتر از بخش رادیال برینگ ها بود. حتی برخی سایت ها گزارش کرده بودند که سیاهی روغن را تنها در تراست برینگ ها دیده اند. بمنظور بررسی این گزارش ها، دو نمونه روغن در هر تست بصورت جداگانه از تراست برینگ ها و رادیال برینگ ها تهیه و آنالیز شد. نتایج آنالیز روغن نشان داد که آرایش دو بالبرینگ در تراست خیلی بیشتر از یک برینگ به تشکیل روغن سیاه و آلوده حساس است و این بیشتر می توانست بدلیل فاکتور های هندسی و عملکردی دو برینگ با زاویه تماس مشخص باشد. برخی از این فاکتورها عبارتند از: کنترل کمتر روی لقی داخلی بین دو برینگ، بارگذاری تراست که منجر به شرایط بی باری برای یکی از برینگ ها می شد، سُر خوردن دو برینگ، دمای عملکردی بالاتر (تا 12 درجه سلسیوس) در فضای بین دو برینگ که موجب کاهش ویسکوزیته روغن و کاستن از ضخامت فیلم روغن در نقطه تماس بین بال های برینگ ها می شد. از آنجا که امکان تغییر برینگ ها و آرایش طرح، بدلیل مسائلی چون اسپک مشتری، هزینه طراحی بسیار سنگین، و برآورده سازی الزامات استانداردی API 610 وجود نداشت، لذا سعی بر این شد که با تغییر در لقی بین برینگ های تراست، از شدت این مشکل کاسته شود.

3.4.   روغنرسانی اندک به برینگ ها

حین تست ها، دبی روغنرسانی به برینگ ها از طریق پنجره های پلکسی گلاس وارسی شد و طی یکسری آزمایشات، میزان این دبی افزایش داده شد. اما، نتیجه حاصله هیچ تغییری در رنگ روغن را نشان نداد و تنها تغییر حاصله، افزایش دمای برینگ ها در اثر ماسیدگی روغن در آنها بود که ضریب اصطکاک را بالا برده بود. بنابراین، نتیجه بر آن شد که میزان دبی روغنرسانی به برینگ ها که در حد چند قطره در دقیقه بود، برای برینگ ها کافی بود و نمی توان دبی روغنرسانی را عامل تشکیل روغن سیاه دانست.

3.5.   ویسکوزیته روغن (به همراه نوع ادتیوها)

از دیدگاه تئوری و روی کاغذ، هرچه ویسکوزیته یک روغن بیشتر باشد، ضخامت فیلم آن در نقطه تماس بال های برینگ نیز بیشتر خواهد شد. از این رو، دو نمونه روغن توربینی ISO VG Turbo 46 & 68 بجای گرید 32 مورد استفاده آزمایشی قرار گرفتند که نتایج حاصله نشان از بهبود خواص سایشی در گرید 46 بود و استفاده از گرید 68 تغییر چندانی در نتایج آزمایش نداشت. حتی استفاده از ادتیو های ضدسایشی نیز تغییر محسوسی در روند تشکیل روغن سیاه بدست نداد. از این رو، می توان نتیجه گرفت که با تغییر روغن از گرید 32 توربینی به 46، می توان از احتمال تشکیل روغن سیاه جلوگیری کرد

بخش سوم: نتیجه گیری

با توجه به موارد مندرج در بخش دوم این پست، دو راهکار ضرب الاجلی زیر بمنظور حل مشکل پیشنهاد شد

اول) تعویض روغن به گرید 46، تغییر رینگ روغن به غیرفلزی (لاستیکی)، و استفاده از برینگ های پیش بار با لقی متوسط (بدون شیم) در بخش تراست برینگ ها

دوم) تعویض روغن به گرید 46، تغییر رینگ روغن به غیرفلزی (لاستیکی)، و استفاده از برینگ های با لقی متوسط (بدون شیم و پیش بار) که با تکنیک های مونتاژ دقیق نصب شده باشند

در موردی مشابه که برای یک پمپ ساز ژاپنی پیش آمده بود، آنالیز خرابی منجر به تغییر درزگیر های برینگ ها و نوع روغن شد! چرا که مشکل طرف ژاپنی در نحوه مونتاژ و جنس درزگیر، به همراه نوع روغن بود (ناگفته نماند که پمپ ساز ژاپنی، قبلا، از رینگ های روغن پلاستیکی استفاده می کرد)

محاسبه مقدار گریس و فرکانس آن

با درود و مزید احترام

در این پست قصد بر آن است که نحوه محاسبه مقدار مورد نیاز برای تزریق گریس در یک برینگ و فاصله زمانی این تزریق ها، آشنایی مختصری ایجاد شود

همانطور که قبلا در پستی جداگانه به عرض رسیده بود، در محاسبه مقدار روغن یا گریس مورد نیاز برای هر بار تزریق درون یک برینگ، دانستن ابعاد برینگ (اعم از قطر های داخلی و خارجی یا عرض و طول ناحیه روغنکاری که در پست های قبلی با شکل نشان داده شده بود) نکته ای کلیدی است. بدین ترتیب، با معلوم بودن این دو مشخصه ابعادی و ضرب کردن مضرب آنها (برحسب اینچ) در 0.114، مقدار گریس لازم برحسب اونس را بدست آورد. در مقیاس متریک نیز، با ضرب کردن دو بُعد فوق در مقیاس سانتیمتر، و سپس ضرب کردن حاصل در عدد 0.005، مقدار گریس لازم برحسب گرم بدست خواهد آمد. این فرمول برای تمامی انواع برینگ ها معتبر است

اما، پس از اینکه مقدار گریس لازم را بدست آوردیم، باید بدانیم که این مقدار از گریس در چه فاصله زمانی باید به برینگ تزریق شود؟ پاسخ به این سوال، محاسبه پیچیده ای را می طلبد. این فاصله زمانی که به فرکانس گریس کاری مجدد یا Regreasing Frequency معروف است، علاوه بر شرایط ابعادی و فیزیکی برینگ، تابع شرایط محیطی محل کار برینگ نیز هست. این عوامل بشکل ضرایبی از اعداد که بخشی از یک فرمول محاسباتی را تشکیل می دهند که در شکل 1 نشان داده شده است، هر یک براساس شرایط مستقل تعیین شده و تاثیر خود را در فرمول می گذارند

شکل 1: فرمول محاسبه دوره زمانی باقیمانده تا گریسکاری بعدی برینگ (برحسب ساعت)

اولین و مهمترین عامل در تعیین فاصله زمانی تزریق یک گریس، دمای محیط عملکردی برینگ است. هرچه محیط داغتر باشد، فاصله زمانی بین دو تزریق گریس کوتاهتر خواهد شد. میزان گرد و غبار در محیط و در عین حال، رطوبت نسبی محیط کار نیز، کم و بیش، همین اثر را دارند. بنابراین، هرچه محیط کاری برینگ پرگرد و غبارتر و پررطوبت تر باشد، فاصله زمانی بین دو گریسکاری نیز کوتاهتر خواهد شد. مواردی مانند شرایط ابعادی برینگ و شرایط محل نصب و عملکرد آن (اعم از ارتعاش، بارگذاری، سرعت چرخش، و...) نیز بر مدت بین دو گریسکاری تاثیر مستقیم دارند. بعنوان مثال، اگر برینگ روی یک شفت عمودی نصب شده باشد، طبیعی است که گریس متمایل به «دویدگی» و بیرون زدن از هوزینگ را خواهد داشت. بنابراین، هوزینگ زودتر از گریس خالی شده و زودتر نیاز به گریسکاری خواهد داشت. ارتعاش نیز همین اثر مخرب را دارد. بطوریکه در اثر ارتعاش، روغن گریس تمایل به جداشدن از تیکنر را پیدا کرده و گریس خیلی زود خواص خود را از دست می دهد. آخرین ضریب تاثیر نیز به شکل و هندسه برینگ اختصاص دارد. مسلما، شکل هندسی المان های تشکیل دهنده برینگ، اعم از بال (ساچمه)، رولر (استوانه)، و نحوه قرار گیری آنها در کیج برینگ (زاویه دار، افقی، و...)، شدیدا روی میزان تنش وارده از طرف آنها به ماتریس گریس (روغن+تغلیظ گر) تاثیرگذار خواهد بود. بعنوان مثال، در بلبرینگ ها، گریس تمایل بیشتری به ماسیدن، نسبت به رولربرینگ ها دارد که همین می تواند باعث افزایش ضریب اصطکاک و زودتر داغ شدن برینگ شود.

فرمولی که در شکل 1 نشان داده شد، فرمول پایه برای محاسبه دوره زمانی است که بین هر بار گریسکاری برینگ ها باید در نظر گرفته شود. اما، اخیرا، مطابق تجربیاتی که در برخی واحد های عملیاتی بدست آمده است، این فرمول با ضرب عدد 20 در طرف راست معادله اصلاح شده و بصورت زیر در آمده است (شکل 2 را ببینید):

شکل 2: فرمول اصلاح شده محاسبه دوره زمانی باقیمانده تا گریسکاری بعدی برینگ (برحسب ساعت)

فرمول اصلاح شده شکل 2 در مواقعی کاربرد دارد که اعدادی مانند F_10Real (Adjusted Frequency، تعریف شده در استاندارد DIN 51825, part 2) و داده های محاسبات عمر گریس (معروف به FE9) در دسترس نبوده (معمولا این اطلاعات در بروشور های تامین کننده گریس ذکر نمی شوند) و تکنسین های نگهداری و تعمیرات می توانند با توسل به فرمول اصلاح شده، به تقریب خوبی برای تعیین فاصله بین دو گریسکاری برینگ ها دست یابند.

اصلاح فرمول اصلی (شکل 1) با این فرض است که مقدار بارگذاری واقعی روی برینگ درصد اندکی از ظرفیت بارگذاری طراحی شده برای برینگ را در بر گرفته و در عین حال، برینگ ها در محدوده سرعت دورانی کمتری نسبت به محدوده اسمی تعیین شده برای آنها (یعنی کوچکتر/مساوی 300K برای بال و رولربرینگ ها، و 140K برای برینگ های کروهی و تراست برینگ ها) کار می کنند.

بنابراین، در صورتیکه برینگ مورد نظر شما از شرایط تعریف شده در بالا برخوردار نباشد، بهتر است از فرمول اصلی (شکل 1) استفاده کنید. در غیر اینصورت، و در صورت احراز شرایط عملکردی فوق، استفاده از فرمول اصلاح شده (شکل 2) نتایج عاقلانه تری را بدست می دهد.

با تشکر از آقای مهندس مهرداد قنواتیان از خوزستان که در اصلاح و ویرایش این پست نویسنده را یاری فرمودند.

جایگزینی روغن

با درود فراوان

هدف از این پست، پاسخ به سوال یکی از مخاطبان محترم در خصوص انتخاب و جایگزینی روغن است.

شرح سوال: آیا می توان بجای یکی از روغن های Omala HD 220/Mobil gear SHC XMP 220/Spartan Ep 220

یکی از روغن های زیر را استفاده کردOmala S4 WE 220/Omala S4 GX 220/Energol SE 220؟

پاسخ: علیرغم اینکه مواردی چون حداکثر سرعت چرخش، رده بارگذاری تجهیز، نوع مکانیزم، نوع تجهیز، بازه دمایی عملکردی، شرایط محیطی محل نصب، و... در متن سوال ذکر نشده است، پاسخ به این سوال در سه بخش اصلی ارائه می شود: بررسی روغن های قدیم، بررسی روغن های جدید، و نتیجه گیری

1.        بررسی روغن های قدیم

در نگاه اول به کد تجاری محصولات قدیم می توان حدس زد که یکی محصول کمپانی شل، و دو تای دیگر محصول موبیل هستند. گرید ویسکوزیته سینماتیک هر سه محصول نیز یکی و معادل ISO VG 220 بوده و نوع لوبریکانت ها نیز روغن چرخدنده یا Gear Oil است.

1.1.      روغن Shell Omala HD 220:

بطورکلی روغن های سری Omala HD کمپانی شل جز روغن های سینتتیک بشمار رفته و از نقاط قوت آنها می توان به حضور ادتیو هایی در سیستم روغن بمنظور محافظت چرخدنده از Micropitting اشاره کرد. از دیدگاه استاندارد های AGMA، رده عملکردی این روغن 5EP است. عملکرد حرارتی این روغن با پنج معیار ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40°C، ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100°C، شاخص تغییرات ویسکوزیته یا Viscosity Index، نقطه خود اشتعالی یا Flash Point، و نقطه ریزش یا Pour Point تعیین می شود که در جدول 1 مشهود است.

جدول 1: عملکرد حرارتی روغن Shell Omala HD 220

220	cSt	Vis40
25.8	cSt	Vis100
148	-	VI
240	°C	Flash Point (FP)
-48	°C	Pour Point (PP)

1.2.     روغن Mobil gear SHC XMP 220:

روغن های سری SHC XMP کمپانی موبیل نیز کاملا سینتتیک بوده و از ادتیو های محافظ در برابر Micropitting برخوردارند. از دیدگاه AGMA، گرید این دسته از روغن ها نیز 5EP است. عملکرد حرارتی این روغن در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: عملکرد حرارتی روغن Mobil gear SHC XMP 220

220	cSt	Vis40
28.3	cSt	Vis100
166	-	VI
240	°C	Flash Point (FP)
-45	°C	Pour Point (PP)

1.3.     روغن Mobil Spartan EP 220:

این روغن نیز در براساس اعلام وبسایت موبیل (mobil.com)، یک روغن چرخدنده سینتتیک بوده و برای عملکرد زیر دمای 90°C مناسب است (در مورد گیربکس های چرخ حلزونی: حداکثر 70) و برای بیش از این دما باید از سری SHC = Synthetic Hydrocarbon استفاده کرد. گرید AGMA این روغن نیز 5EP بوده و عملکرد حرارتی آن در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول 3: عملکرد حرارتی روغن Mobil Spartan EP 220

220	cSt	Vis40
18.6	cSt	Vis100
93	-	VI
240	°C	Flash Point (FP)
-15	°C	Pour Point (PP)

1.4.    نتیجه مقایسه روغن های قدیم

همانطور که از نمودار عملکرد حرارتی شکل 1 پیداست، ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100°C برای روغن چرخدنده Mobil gear SHC XMP 220 بیش از دو روغن قدیم دیگر است و همین رفتار را می توان در بحث شاخص تغییرات ویسکوزیته نیز بخوبی مشاهده کرد که بمعنای پایداری بهتر (18 درصد عملکرد بهتر نسبت به محصول کمپانی شل) است. اما، در زمینه عملکرد برودتی، وضعیت روغن Shell Omala HD 220 اندکی مناسبتر می نماید (حدود 3 درصد بهتر) که البته کاملا قابل اغماض است. مگر اینکه تجهیز نسبت به سرما حساس باشد.

عملکرد حرارتی روغن Mobil Spartan EP 220، چه در سرما و چه در گرما، اصلا قابل قیاس با دو روغن دیگر نیست.

از دیدگاه عملکرد مکانیکی و شیمیایی، هر سه روغن از یک گرید AGMA-5EP برخوردار بوده و هر سه از روغن پایه PAO (Polyalpha olefin) به همراه ادتیو های محافظ در برابر خوردگی و Micropitting تشکیل شده اند. بنابراین، رفتار هر سه روغن در دمای محیط قابل مقایسه با یکدیگر است. اما، استفاده از روغن Spartan در دما های بیش از 70 و کمتر از 5 درجه سلسیوس توصیه نمی شود.

2.      بررسی روغن های جدید

از ظاهر امر برمی آید که از بین سه روغن Omala S4 WE 220، Omala S4 GX 220، و Energol SE 220، دو تای اول محصول Shell و سومی محصول BP است. گرچه، برای کد محصول سوم چیزی با این عنوان پیدا نکردم و حدس می زنم که عنوان صحیح آن BP Biogear SE 220 باشد که روغنی زیست تخریب پذیر یا Biodegradable بوده و از محصولات شاخص کمپانی بریتیش پترولیوم می باشد که معادلی در سبد محصولات Shell و Mobil برای آن نیست! از این روغن، متاسفانه، دیتاشیتی بدست نیاوردم. اما، بطورکلی می توان گفت که روغن های زیست تخریب پذیر نسبت به انحلال آب و شوک حرارتی حساس بوده و برای کاربری در دما های بالاتر از 60 درجه سلسیوس مناسب نیستند. در عین حال، از آنجا که روغن های زیست تخریب پذیر بشدت نسبت به فساد ناشی از اکسیداسیون حساسند، بنابراین در کنترل ویسکوزیته و عدد شاخص اسیدیته کل آنها باید دقت عمل زیادی بعمل آید.

جدول 4 جزییات بیشتری در این مورد نشان می دهد.

جدول 4: محدودیات پیشنهادی برای پایش وضعیت روغن های زیست تخریب پذیر

نوع تست	روغن نباتی	PAO ها	PAG ها	دی اِستِر ها
تغییر در ویسکوزیته سینماتیک:
حداکثر افزایش در دمای 40°C (%)	20	20	20	20
حداکثر کاهش در دمای 40°C (%)	10	10	10	10
حداکثر افزایش در دمای 100°C (%)	10	10	10	10
حداکثر مقدار آب آزاد (ppm)	300~500	1000	300~500	1000
حداکثر عدد شاخص اسیدیته کل (mg KOH/g)	1.5	1.5	1.5	1.5
حداکثر سطح ورود آلودگی (براساس استاندارد ISO 4406)	16/13	16/13	16/13	16/13

از سوی دیگر، از بررسی اولیه روغن های جدید برمی آید که روغن های قدیم برپایه PAO بودند. حال آنکه روغن های جدید کمپانی شل که قصد استفاده از آنها را دارید کاملا برپایه PAG هستند که از لحاظ عملکرد و ساختار شیمیایی کاملا متفاوت است. گرچه، هر دو روغن سینتتیک هستند.

2.1.    روغن Shell Omala S4 WE 220

روغن چرخدنده مناسب برای دنده های مارپیچی که از مقاومت به Micropitting خوبی برخوردار است. این روغن بنا به اعلام وبسایت Shell، برای قطعات ساخته شده از آلومینیوم و آلیاژ های آن مناسب نیست و برای چرخدنده های خورشیدی و چرخ های دندانه دار نیز توصیه نمی شود. این روغن از دیدگاه شیمیایی خورنده محسوب شده و ممکن است با رنگ های پلی اورتان، آلکید رزین ها، و... واکنش دهد. برای رنگ آمیزی قطعاتی که با این روغن در تماسند باید از رنگ های پایه اپوکسی استفاده کرد (برای اطلاعات بیشتر در این حوزه، مراجعه به کتاب رنگ ها و پوشش های خودرویی، جلد اول، فصل هفتم، از همین نویسنده، توصیه می شود). از سوی دیگر، این روغن برای درزگیر های ساخته شده از لاستیک های نیتریلی نیز توصیه نمی شود و بهتر است برای چنین روغنی از درزگیر های ویتونی استفاده شود. عملکرد مکانیکی این روغن AGMA-5EP است. عملکرد حرارتی این روغن در جدول 5 نشان داده شده است.

جدول 5: عملکرد حرارتی روغن Shell Omala S4 WE 220

220	cSt	Vis40
34.4	cSt	Vis100
203	-	VI
278	°C	Flash Point (FP)
-39	°C	Pour Point (PP)

2.2.   روغن Shell Omala S4 GX 220

روغنی بر پایه PAG و مناسب برای انواع چرخدنده و گیربکس که تا محدوده 120 درجه سلسیوس را براحتی تحمل می کند. عملکرد مکانیکی AGMA-5EP است. این روغن برای چرخدنده های مارپیچ با بارگذاری سنگین مناسب نیست. عملکرد حرارتی در جدول 6 نشان داده شده است.

جدول 6: عملکرد حرارتی روغن Shell Omala S4 GX 220

220	cSt	Vis40
30	cSt	Vis100
160	-	VI
250	°C	Flash Point (FP)
-45	°C	Pour Point (PP)

3.      نتیجه گیری

با توجه به نمودار شکل 1، در صورتیکه تجهیز شما گیربکسی است که از چرخدنده های مارپیچی فولادی تشکیل شده باشد، براحتی می توانید از روغن Shell Omala S4 WE 220 بعنوان جایگزین استفاده کنید. اما، اگر گیربکسی دارید که اجزای آلومینیومی داشته، در آن از رنگ های غیراپوکسی استفاده شده، و/یا مکانیزم آن مشتمل بر چرخ های دندانه دار، چرخ حلزون، یا چرخدنده های خورشیدی است، روغن Shell Omala S4 GX 220 با توجه به عملکرد حرارتی یگانه و بی مانند خود در این لیست، انتخاب بهتری است.

شکل 1: نمودار عملکرد حرارتی پنج روغن (سه تا قدیم و دو تا جدید)