تفاوت کاویتاسیون و هواگرفتگی

با درود فراوان

در این پست قصد بر آن است که راجع به تفاوت بین دو پدیده ناشی از رفتار سیال عامل در سیستم های روغنرسانی صحبت و روشنگری لازم انجام شود. این دو پدیده، که اغلب با یکدیگر اشتباه گرفته شده و منجر به نتیجه گیری های کاملا غلطی می گردند،  «کاویتاسیون» و «هواگرفتگی» نام دارند. در واقع، میزان تشابه میان این دو پدیده را می توان با تشابه دو تعریف «تنش» و «فشار» در مکانیک کلاسیک مقایسه کرد.

از دیدگاه مکانیزم تشکیل و برخی علایم خرابی، این دو پدیده سیالاتی شباهت هایی به یکدیگر دارند. اما، با دقت به برخی جزییات در نحوه بروز خرابی در ادوات روتاری و برخی اجزایی تشکیل دهنده مدار روغنرسانی، می توان این دو پدیده را از یکدیگر تمیز داده و با نتیجه گیری درست، نظریه خرابی قابل قبول و مفیدی ارائه کرد. در این پست، پس از معرفی دو پدیده کاویتاسیون و هواگرفتگی در سیستم های روغنرسانی، به بیان تفاوت های این دو با یکدیگر خواهیم پرداخت که امیدوارم راهنمای خوبی برای مهندسان شاغل در امور پایش وضعیت و آنالیز خرابی ادوات و تجهیزات روتاری باشد.

الف) کاویتاسیون

بنا به تعریف، کاویتاسیون عبارتست از تشکیل و سپس متلاشی شدن حباب های هوا در جریان روغن. در مدار های هیدرولیک، وقتی روغن به واسطه چرخش دنده های پمپ از مخزن بیرون کشیده می شود، فشار روغن در مخزن بالاتر رفته و فشار خط مکش پمپ کاهش می یابد. همین افت فشار، در واقع، برخلاف تصور عامه، موجب مکیده شدن روغن توسط پمپ نمی شود! بلکه با توجه به اختلاف فشار اتمسفریک، روغن بیشتر به داخل پمپ هُل داده می شود. شکل 1 نموداری رنگی (به تفکیک ناحیه فشار) از یک مدار هیدرولیک نوعی را نشان می دهد.

شکل 1: شماتیکی از مناطق فشاری در یک مدار هیدرولیک نوعی

این فرآیند تا زمانیکه اختلاف فشار در حد کفایت بوده و مسیر عبور روغن نیز باز و بدون مانع باشد، بدون مشکل تداوم خواهد یافت. اما، مشکل از زمانی ایجاد می شود که پمپ به هر دلیل قادر به تامین حجم لازم از روغن نباشد. نام این مشکل «کاویتاسیون» است. شکل 2 را ببینید.

شکل 2: شماتیکی از مکانیزم تشکیل کاویتاسیون

روغن هیدرولیک معمولا و تقریبا دارای 9 درصد هوای محلول می باشد (برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع مکانیزم های انحلال هوا در جریان روغن، مطالعه پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ توصیه می شود). بدین ترتیب، وقتی پمپ نتواند روغن لازم را تامین کند، هوای محلول از جریان روغن جدا شده و بصورت هوای آزاد در می آید که شکل فیزیکی آن حباب های ریز و ناپیوسته هوا در لاین کم فشار پشت پمپ است. با ورود این حباب های ناپایدار از هوا به همراه جریان روغن به درون پمپ، و به تبع آن: افزایش فشار، این حباب ها متلاشی شده و موج ضربه ای ناشی از آزاد سازی انرژی تخلیه این تلاشی فیزیکی موجب تخریب سطح و صدمه دیدن بخش های داخلی پمپ می گردد که در قطعات مکانیکی چرخنده آن بیشتر مشهود است.

شکل 3: شماتیکی از مراحل تلاشی فیزیکی حباب هوا و ایجاد کاویتاسیون

ب) هواگرفتگی

هواگرفتگی در زمانی اتفاق می افتد که هوا به هر دلیل وارد جریان روغن شده و طی یکی از چهار مکانیزم هوای محلول، هوای شناور، هوای آزاد، یا فوم (کف) با آن همراه شود (تعریف هر یک از این چهار مکانیزم در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ موجود است). برخی از این حباب های هوا که بسته به نحوه ورود آنها به جریان روغن می توانند از پایداری متفاوتی برخوردار باشند، در برخورد با بخش های پرفشار پمپ می توانند پس از تلاشی فیزیکی موجب بروز خساراتی به بخش های چرخنده پمپ شوند. اما، این خسارت ها، در مقایسه با کاویتاسیون، حالتی پیوسته نداشته و از عمق کمتری برخوردارند. بیشترین اثر هواگرفتگی در سیستم های روغنرسانی را می توان بر عدم یکنواختی جریان روغن، کاهش دانسیته موثر، و از دست رفتن مقطعی کنترل متمرکز دانست.

شکل 4: تفاوت ساختاری هوای شناور (حباب) و فوم (کف)

حال که کاویتاسیون را با ذکر مثالی در مورد سیستم های روغنرسانی هیدرولیک تعریف کردیم و مکانیزم تشکیل آن را به اختصار بیان کردیم، این سوال پیش می آید که عوامل بروز کاویتاسیون چیست؟ آیا این عوامل با هواگرفتگی یکسان و همسنگ هستند؟

پاسخ به این سوالات با بررسی و مقایسه علل بروز دو پدیده «کاویتاسیون» و «هواگرفتگی» ممکن می گردد. در مورد کاویتاسیون، هرگونه افزایش یا کاهش ناگهانی سرعت جریان روغن می تواند عاملی در ایجاد کاویتاسیون به شمار رود. در توضیح این قضیه باید گفت که سرعت جریان روغن با سایز خط هیدرولیک نسبت عکس دارد. از سوی دیگر، بیشتر پمپ ها دارای خط مکش بزرگتری نسبت به خط فشار خود هستند. مقصود از این کار، کاهش سرعت ورودی به پمپ، و در نتیجه، تسهیل ورود روغن به آن است. بدین ترتیب، هر عامل محدود کننده یا مزاحم در این روند (اعم از انسداد جزیی یا مقطعی استرینر یا فیلتر) موجب افزایش سرعت ورود روغن به پمپ و به تبع آن، کاویتاسیون شود. علاوه بر این، در صورتیکه سرعت چرخش پمپ بیش از حد مشخص و توان تامین پمپ باشد، کاویتاسیون محرز خواهد بود. به این حالت، اصطلاحا، Over Drive گفته می شود.

از سوی دیگر، افزایش دمای جریان روغن (بهر دلیل) می تواند یکی دیگر از عوامل تشکیل کاویتاسیون باشد. چراکه افزایش دما روند تشکیل حباب های گاز ناشی از تبخیر جزیی روغن را تسهیل کرده و به ناپایداری آنها در برابر افت فشار نیز کمک می کند. از طرفی، کاهش دما نیز مخاطرات خود را دارد. چراکه سرما موجب افزایش ویسکوزیته سینماتیک روغن، و در نتیجه، ورود آن به پمپ را سخت می کند. بهمین دلیل است که بسیاری از سیستم های هیدرولیک در دمای محیطی کمتر از 5 درجه سلسیوس استارت خورده و در دمای کمتر از 20 درجه سلسیوس نباید زیر بار بروند.

سوی دیگر قضیه، اما، بسیار متفاوت است! چراکه هواگرفتگی تنها و تنها در اثر عدم کارآیی نشت بند ها و اتصالات خط مکش پمپ مدار هیدرولیک صورت می پذیرد. توجیه علمی این قضیه نیز آن است که فشار روغن در خط مکش اغلب پایینتر از فشار اتمسفریک بوده و بهمین دلیل، در صورت وجود نشتی در این خط، روغن به بیرون نشت نخواهد کرد! بلکه این هوا خواهد بود که وارد مدار می شود.

شکل 5: اتصالی که با حرف A در این شکل مشخص شده است، پس از 12 سال کار مداوم و تحمل ارتعاش، شل شده و هوا را به درون خط مکش وارد کرده است

از دلایل دیگر هواگرفتگی می توان به عدم عملکرد صحیح واشر های درزگیر شفت در پمپ ها، عدم چرخش مناسب شفت در جهت صحیح (گاه پس از بازسازی پمپ و گاه در اثر عدم نصب مناسب، جهت چرخشی که مثلا باید راستگرد باشد، چپگرد می شود که در برخی پمپ ها موجب هواگرفتگی خواهد شد)، و کاهش سطح روغن در مخزن اشاره کرد. توجه به این نکته در مورد آخرین علت هواگرفتگی لازم است که سطح روغن هرگز نباید کمتر از 5 سانتیمتر نسبت به خط مکش بالاتر بایستد.