آنالیز روغن موتور

با درود و احترام

مقصود و منظور از این پست، ارائه اطلاعاتی در سطح مقدماتی و متوسط درباره آنالیز روغن های موتوری است. روغن های موتوری یا Motor Oils عنوانی عمومی برای روغن هایی است که بمنظور روانکاری و روغنرسانی به موتور های درونسوز مصرف می شوند. این موتور ها در صورتیکه حالت اینجین داشته باشند، یعنی نیروبخش و پیشران یک سیستم خودرویی و سیار باشند، Engine Oil نامیده می شوند. اما، اگر موتور مزبور صرفا یک مولد قدرت ثابت باشد، همان عنوان Motor Oil برای آن بکار می رود. البته، این تنها یک نامگذاری و طبقه بندی عام است و روی ترکیبات و مشخصات عملکردی روغن تاثیری ندارد.

یکی از مواردی که کارشناسان آنالیز روغن موتور های سنگین را دچار سردرگمی می کند، تفسیر نتایج آنالیز عناصر شیمیایی است که اصطلاحا با عنوان Elemental Analysis شناخته می شود. این آزمون به روش FTIR (مخفف Fourier Transform Infra-Red) انجام شده و یکی از بهترین و در دسترس ترین روش ها بمنظور آنالیز روغن موتور است. در کنار آن، روش هایی مانند ICP (Inductively Coupled Plasma) با توانایی کشف 30 عنصر به همراه AES (Atomic Emission Spectroscopy) بمنظور تعیین غلظت هر یک از این عناصر می توانند راهگشای کارشناس آنالیز روغن باشند. اما، تفسیر نتایج، بویژه در حالت تقارن و همپوشانی نتایج، کار دشواری است.

آزمایشگاه ها معمولا و بصورت روتین عناصر زیر به همراه مقدار حضور آنها در نمونه روغن را به همراه دیگر نتایج خواسته شده از آنها گزارش می دهند: آهن (Fe)، کروم (Cr)، قلع (Sn)، آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، مس (Cu)، سرب (Pb)، کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg)، بور (B)، روی (Zn)، فسفر (P)، باریم (Ba)، مولیبدن (Mo)، گوگرد (S)، سیلیس (Si)، سدیم (Na)، و پتاسیم (K). شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمونه ای تیپیک از یک گزارش آزمون آنالیز عناصر نمونه روغن

برخی از آزمایشگاه ها نیز باد توجه به امکانات خود، عناصری مانند نقره (Ag)، وانادیوم (V)، تنگستن (W)، یا حتی برخی عناصر سرامیکی مانند سریم (Ce) و بریلیوم (Be) را نیز کشف و اندازه گیری می کنند. البته، عناصر اخیر معمولا در ترکیب روغن های موتوری حضور نداشته یا حضور آنها غیرمحتمل است. اما، با توجه به امکانات اندازه گیری و آنالیز موجود در برخی آزمایشگاه ها، حضور این عناصر نیز بصورت روتین در گزارش آزمون مشتری ذکر می شود. شکل 2 حضور برخی از عناصر معمول و محتمل در آنالیز روغن های موتوری را نشان می دهد.

شکل 2: شماتیکی از عناصر معمول و محتمل در آنالیز روغن های موتوری به همراه منشا آنها

عناصر شیمیایی موجود در یک گزارش آنالیز روغن موتوری به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

الف) عناصر فرسایشی (Wear elements):

این دسته بندی به عناصر شیمیایی اشاره دارد که حضور آنها در یک گزارش نتیجه آزمون آنالیز روغن نشاندهنده شدت و ضعف فرسودگی (Erosion) و کارسودگی (Wear-out) قطعات مختلف موتور است. شرح این عناصر به همراه منشا احتمالی آنها در جدول 1 آمده است.

جدول 1: عناصر فرسایشی

بدین ترتیب، با ترکیب افزایش تک بعدی (Single Rise) یک یا چند عنصر از جدول 1 می توان به وضعیت موتور پی برد. جدول 2 را ببینید.

جدول 2: ترکیب افزایش یک یا چند عنصر فرسایشی و منشا احتمالی آن

ب) آلاینده ها (Contaminants):

این بخش از گزارش آنالیز عناصر آزمایشگاه به عناصر شیمیایی اختصاص دارد که بخشی از آلیاژ های تشکیل دهنده یک موتور درونسوز محسوب نمی شوند یا حداقل (با توجه به پیشرفت های امروزین در استفاده از متریال های نوین) احتمال مصرف آنها در موتور کم است. وجود این عناصر در گزارش آزمایشگاه نشاندهنده ورود آلاینده های محیطی یا شیمیایی به جریان روغن موتور است. جدول 3 را ببینید.

جدول 3: عناصر آلاینده

ج) ادتیو ها (Additives):

عناصری که در این بخش جای می گیرند، به ادتیو هایی اختصاص دارند که در ساختار روغن های مختلف موتوری مورد استفاده قرار می گیرند. در جدول 4 که به معرفی این عناصر اختصاص دارد، سعی در اشاره به عناصری شده است که بیشتر روغنسازان برای سنتز محصولات متنوع خود در رسته روغن های موتوری مورد استفاده قرار می دهند. جدول 4 منشا احتمالی حضور این عناصر را نشان داده است.

جدول 4: عناصر ادتیو ها

در کنار آنالیز عناصر شیمیایی موجود در یک نمونه روغن، کارشناس آنالیز روغن هرگز نمی تواند و نباید به آنالیز عناصر شیمیایی بسنده کند. یکی از ابزار های مناسب بمنظور کمک به کسب یک تصویر بهتر و واضح تر از وضعیت و سلامت روغن، نظارت بر ویسکوزیته سینماتیک روغن و تعداد ذرات فرسایشی مشاهده شده در آن است. نمودار های شکل 3 در این زمینه راهنمای خوبی هستند.

شکل 3: راهنمایی برای وضعیت های مختلف ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور در برابر تعداد ذرات جامد شمارش شده

از سوی دیگر، همانطور که قبلا در همین وبلاگ اشاره شد، عدد اسیدی یا AN (Acid Number) نیز می تواند بعنوان یکی از شاخص های کارآمد در آنالیز روغن مطرح شود. این شاخص در روغن های موتوری بهتر است همراه با وضعیت ادتیو ZDDP مورد مطالعه قرار گیرد. در مورد ZDDP قبلا در همین وبلاگ پستی درج شده است. به نمودار شکل 4 نگاه کنید.

شکل 4: راهنمایی برای تصمیم گیری درباره وضعیت سلامت روغن براساس دو شاخص عدد اسیدی و حضور ادتیو ZDDP

بطورکلی، در روغن های موتوری نو، هر 0.1 از عدد اسیدی (AN) برابر با حضور 600ppm ادتیو ZDDP است. جدول 5 محدوده ادتیو های مورد استفاده در روغن های موتوری را نشان می دهد.

جدول 5: راهنمایی برای مقدار مجاز از ادتیو های روغن موتور

در کنار این روش، اما، بیشتر آزمایشگاه ها و همچنین کارشناسان آنالیز روغن، عدد قلیایی (BN) را شاخص اصلی سنجش وضعیت سلامت روغن های موتوری می دانند. در صورت مواجهه با گزارشاتی که عدد AN را در خود نداشتند، می توان از برهان خلف نیز استفاده کرد. نمودار شکل 5 راهنمایی عمومی را در این مورد ارائه می دهد.

شکل 5: راهنمایی در مورد تغییرات عدد قلیایی (BN) روغن های موتوری

بطورکلی، برای موتور های دیزلی، عدد BN معمولا از 9~10 شروع شده و با کاهش تدریجی به 5~5.5 می رسد. منطقه هشدار زمانی شروع می شود که عدد BN به 3~3.5 رسیده و عدد AN نیز باندازه 1~1.5 افزایش داشته باشد.

نقش سدیم و پتاسیم در آنالیز روغن موتور

با درود فراوان به محضر مبارک تمامی مخاطبین محترم و معزز این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوال مطرح شده توسط یکی از مخاطبین و خوانندگان محترم در خصوص آنالیز روغن (سطح پیشرفته) و تفسیر وجود سدیم و کلسیم بیش از حد در نتایج آنالیز عناصر شیمیایی می باشد.

شرح سوال: نتایج آنالیز عناصر واصله از آزمایشگاه برای یک دیزل ژنراتور 16 سیلندر نشان دهنده افزایش غیرعادی سدیم در روغن است. ژنراتور ما در کنار دریا یا حتی نزدیکی آن نیست! اخیرا، با اندازه گیری درون سایت (آنالیزور پرتابل) متوجه افزایش پتاسیم هم شده ایم. همچنین، ویسکوزیته روغن نیز افزایش داشته (روغن سفتتر شده). این نتایج برای من کمی گیج کننده است. این افزایش مقادیر را چطور می توان تفسیر کرد؟

پاسخ: در منابع مطالعاتی مختلف، علل متعدد و متنوعی برای حضور سدیم یا ترکیبات سدیم دار در روغن های موتوری ذکر شده است: از ضدیخ/ضد جوش گرفته تا نمک دریا، نمک های کویری، ادتیو ها، تغلیظ گر گریس، برخی روغن های پایه، نفوذ گرد و خاک، آب چاه، و... . اینکه کدامیک از این منابع باعث و بانی افزایش سدیم در نمونه روغن موتوری شما شده اند، بیشتر بستگی به محیط استقرار و عملکرد دیزل ژنراتور و نحوه تعمیر، نگهداری، و سرویس آن دارد.

از طرفی، پتاسیم یک منشا ویژه و مشخص دارد که آنهم ضدیخ/ضد جوش است. اما، به این سادگی نمی توان نتیجه گرفت که بله! چون سدیم و پتاسیم در آنالیز روغن زیاد شده، پس حتما کسی ضد یخ/ضد جوش داخل مدار روغن ریخته یا نشتی ضد یخ دارم!

موضوع کمی پیچیده تر است! چراکه بنا به تجربه شخصی نویسنده، این نتیجه گیری با خطای بسیار همراه است و بمنظور کاهش این خطا باید روند تغییرات (افزایشی یا کاهشی) عناصری چون بور (B)، کروم (Cr)، فسفر (P)، و سیلیس (Si) را نیز در نظر گرفت و با رسم یک نمودار مقایسه ای-تجمعی چند معیاره به تصویر دقیقی از وضعیت روغن موتور دست یافت. در صورتیکه تمامی عناصر فوق روندی هارمونیک داشته باشند، می توانید نتیجه بگیرید که جایی از مدار روغنرسانی موتور شما نشتی ضد یخ/ضد جوش وجود دارد. این بدان معناست که باید جایی در مدار روغنرسانی دیزل ژنراتور خود بدنبال یک یا چند مورد از موارد زیر باشید:

-واشر آببند/درزگیر خراب؛

-هرگونه فرسایش الکتروشیمیایی؛

-هرگونه فرسایش ناشی از کاویتاسیون؛

-خوردگی لاینر ها؛

-هرگونه آسیب دیدگی رادیاتور یا مدار خنک کاری موتور؛

-آسیب دیدگی واشر سرسیلندر؛

-هرگونه ترک خوردگی یا آسیب دیدگی بلوک موتور یا سرسیلندر ها

همانگونه که به درستی تشخیص داده اید، نفوذ و انحلال ضد یخ/ضد جوش می تواند منجر به افزایش ویسکوزیته سینماتیک شود. اما این افزایش در دمای 40 درجه سلسیوس چندان محسوس نیست. بدین ترتیب، توصیه می شود که از نمونه روغن خود تست دانسیته گرفته و نتایج تغییر در ویسکوزیته دینامیک را در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس دنبال کنید. بدین ترتیب به نتایج واضح تری خواهید رسید. در عین حال، می توانید جهت دستیابی به یک تصویر واضح تر، نمودار مقایسه ای-تجمعی از دو معیار ویسکوزیته دینامیک و عدد اسیدیته کل (TAN) یا عدد قلیایی کل (TBN) را رسم کرده و نتایج را عینا ببینید و تفسیر کنید. افزایش TAN در هارمونی با ویسکوزیته دینامیک می تواند موید رفتار خورنده و غیرمعمول روغن موتور شما در اثر آلودگی جریان روغن به ضد یخ/ضد جوش باشد. نفوذ ضد یخ/ضد جوش در مقادیر اندک (زیر 5 درصد حجمی) به روغن موتور می تواند موجب تشکیل ژله های بنفش رنگ شود. این ژله ها را می توانید در لابلای کاغذ فیلتر روغن ببینید. در صورتیکه میزان انحلال ضد یخ/ضد جوش در روغن از 5 درصد فراتر رفته و به 10 درصد و بیش از آن (کمتر از 20 درصد حجمی) برسد، تشکیل ژله ها آنقدر زیاد می شود که فیلتر را مسدود کرده و مسیر بای پس باز (By Pass) خواهد شد. بنابراین، در صورتیکه هنوز فیلتر های روغن موتور خود را باز بینی نکرده اید، ولی شاهد گرفتگی پیش از موعد فیلتر و باز شدن مکرر مسیر روغنرسانی بای پس (By Pass) هستید، می توانید نتیجه بگیرید که در مدار روغنرسانی تجهیز نشت ضد یخ/ضد جوش وجود دارد.

نفوذ و انحلال ضد یخ/ضد جوش در روغن موتور می تواند باعث اشکالاتی اعم از افزایش ویسکوزیته (بیشتر دینامیک)، گرفتگی فیلتر های روغن در اثر تشکیل کامپاند های امولسیونی (بیشتر به شکل ژله)، تشکیل ترکیبات اسیدی و بروز خوردگی ناشی از آن در مدار روغنرسانی، و در نهایت گرفتگی مدار روغن و عدم روغنرسانی صحیح شود. اما، چیزی که بنا به تجربه شخصی نویسنده این سطور بیش از موارد فوق اهمیت داشته و می تواند موجب توقف کامل دیزل ژنراتور شود، پدیده ای با عنوان «ساچمه های روغن» می باشد که حاصل واکنش شیمیایی (مکانیزم هیدرولیز) بین کلسیم سولفونات (بعنوان یکی از کامپاند های دیترجنت همیشه حاضر در ساختار روغن موتور) و اتیلن گلیکول (ماده اصلی تشکیل دهنده ضد یخ/ضد جوش)  است. جزییات این زنجیره واکنشی در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: خلاصه ای از زنجیره واکنشی (هیدرولیز) بین ترکیبات کلسیم دار و اتیلن گلیکول تا تشکیل ساچمه های روغن

شکل 1: تصویری از ساچمه های روغنی با بزرگنمایی 1000 برابر از ساچمه های روغن فرورفته در لایه محافظ بابیتی یک برینگ که با میکروسکوپ الکترونی گرفته شده است

این ساچمه ها قطری 5 تا 40 میکرونی داشته و از سختی قابل توجه 48 HRC برخوردارند. لذا، با توجه به این سایز و این میزان از سختی براحتی قادر به تخریب و فرسودن بابیت برینگ ها و سطح میل لنگ خواهد بود. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه مقاله ای در این خصوص از طرف انجمن مهندسی خودروی ایالات متحده امریکا با عنوان

Influence of Oil Balls on Premature Overlay Removal of Diesel Engine Connecting Rod Bearings

نوشته M. Patel، چاپ شده در نشریه مهندسی خودروی همین انجمن با شماره مقاله SAE Paper 810501 توصیه می شود. روند تشکیل و توزیع این ساچمه های روغنی در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیکی از روند تشکیل ساچمه های روغنی در روغن موتور

بمنظور تشخیص روند تشکیل این ساچمه ها در جریان روغن، بهترین گزینه، مطالعه روند تغییرات سدیم به کلسیم (Na/Ca) می باشد. سیر صعودی گرفتن این نسبت، می تواند دال بر آلودگی شدید جریان روغن بوده و بهانه ای برای هشدار و مطالعه عمیقتر وضعیت موتور باشد.

تفسیر عنصر Si در نتایج آنالیز روغن

با درود بیکران به تمامی مخاطبان محترم

موضوعی که در این پست بدان پرداخته می شود، یکی از اشتباهات رایج در آنالیز روغن بوده و در قالب سطح پیشرفته دوره آموزشی آنالیز روغن و با سرفصل «اشتباهات رایج در آنالیز روغن» بصورت مفصل توضیح داده می شود. اما، در اینجا، هدف آشنایی بیشتر مخاطبین با یکی از بزرگترین و رایجترین اشتباهات رایج در تفسیر گزارش آنالیز عناصر نمونه های روغن نو و کارکرده واصله از آزمایشگاه است. فراوانترین اشتباهات در تفسیر حضور عنصر سیلیسیم (Si) پیش می آید و اگر کارشناس آنالیز روغن از تجربه و دانش کافی برخوردار نباشد، می تواند در تفسیر حضور این عنصر دچار اشتباه شده و با همین لغزش، هزینه های هنگفتی را به مالک تجهیز تحمیل کند.

در دوره های سطح مقدماتی و گاه متوسط آنالیز روغن معمولا با این مثال روبرو هستیم که گزارش آزمون آنالیز عناصر یک نمونه روغن کارکرده بدست شما می رسد، در این گزارش، عنصر Si نسبت به ادوار قبل اصطلاحا Single Rise شده است. بنظر شما چرا سیلیس در روغن بالا رفته و منشا آن چیست؟

بسیاری از منوآل های تعمیر و نگهداری و در عین حال، منابع مطالعاتی در زمینه آنالیز روغن و پایش رفتار مقطعی (Condition Monitoring) در این زمینه نظر قاطعی دارند: آلودگی محیطی، ورود گرد و خاک به جریان روغن! و متعاقب آن توصیه به تعویض فیلتر های هوا و گاهی تعویض زودهنگام روغن!

خب! صد البته که راهنمایی و توصیه منوآل تعمیر و نگهداری و در عین حال، نظر منابع مطالعاتی و مراجع دانش پایش رفتار مقطعی ماشین آلات صنعتی رد خور ندارد! و تخطی از آنها به صلاح نیست! اما، باید توجه داشت که تجربه شخصی و پس از آن، مطالعات میدانی انجام گرفته توسط نویسنده این سطور نشاندهنده آن است که Single Rise شدن عنصر سیلیسیم همیشه به معنای آلودگی محیطی نبوده و گاه فیلتر های هوا تازه تعویض شده و وظیفه خود را به خوبی انجام می دهند، اما همچنان شاهد Si-Hi (سای-های: روند کلی افزایش سیلیس در نمونه های روغن) شدن نتایج آزمون های عنصری روغن هستیم. چیزی که قصد داریم در این پست اشاره کنیم، بخشی از مطالبی است که در سطح پیشرفته آنالیز روغن ارائه می شود. چراکه دوره پیشرفته آنالیز روغن بیشتر جای انتقال تجارب است و خیلی کمتر از قبل راجع به روش های استاندارد و آکادمیک در آن صحبت می شود.

عنصر سیلیسیم، از نظر فراوانی در کره زمین، پس از اکسیژن قرار می گیرد. بنابراین، یکی از عناصری است که همیشه در گزارش آزمون آنالیز عناصر یک روغن (چه کارکرده و چه نو) باید مشاهده شود، این عنصر است. وجود این عنصر (بسته به میزان حضور گزارش شده در نتایج آزمون برحسب ppm)، می تواند نشاندهنده تمایل جریان روغن به رفتار فرساینده بویژه در برابر قطعات ساخته شده از آلیاژ های نرمی مانند انواع آلیاژ های مس و آلومینیوم تعبیر شود. اما، از سوی دیگر، باید توجه داشت که سیلیس ماده اصلی تشکیل دهنده ادتیو های ضد کف (Anti-Foam) به شمار می رود که در ساختار بسیاری از روغن ها به فراوانی مورد استفاده روغنسازان قرار می گیرد. مصرف این ادتیو بویژه در روغن های بازیافتی و تصفیه شده بیشتر از قبل هم هست. نمودار شکل 1 مقایسه ای از میزان مصرف ادتیو های ضد کف در انواع مختلف روغن را برحسب ppm نشان می دهد.

شکل 1: میزان حضور سیلیسیم در انواع مختلف روغن نو

البته، نباید این نکته را از نظر دور داشت که مقدار حضور سیلیسیم در یک کلاس خاص از روغن (مانند روغن موتور مینرال) نیز از یک برند روغنساز تا برند دیگر می تواند متفاوت باشد که بدلیل اعمال روش های مختلف و متفاوت در شیرین سازی محصول، و در عین حال، فرآیند امتزاج ادتیو های فعال و غیرفعال، کاملا طبیعی و نرمال است.

بر این اساس، بسیاری از آزمایشگاه های آنالیز روغن، حد تجربی 20ppm را برای عنصر سیلیسیم بعنوان خط قرمز و محدوده هشدار در نظر گرفته اند که پایه ای آماری داشته و پس از این محدوده، ارائه هشدار به مالک تجهیز یا خریدار محموله روغن لازم و ضروری تلقی می شود.

از دیگر سو، آنالیز نمونه ای از محموله روغن نو وارد شده به یک مجتمع صنعتی یا تعمیرگاه نیز خود معیاری برای بسیاری از کارشناسان تعمیر و نگهداری تجهیزات و ماشین آلات صنعتی محسوب شده و برای بسیاری از کارشناسان آنالیز روغن، به نوعی، پایه کار برای پیش بینی رفتار ماشین فرض می شود.

تشخیص و تعیین منبع ورود سیلیس به نمونه روغن باید با دقت و وسواس صورت گیرد. چراکه منابع این عنصر متنوع بوده و باید بمنظور تشخیص صحیح منبع از تکنیک های مقایسه ای استفاده کرد. بدین ترتیب که کارشناس آنالیز روغن نباید تنها Single Rise شدن سیلیس را معیار قرار دهد. البته، تکیه بر Single Rise شدن هر عنصر می تواند نقطه اتکای خوبی برای هشدار و توجه بیشتر به نتایج آنالیز های بعدی تلقی شود. اما دلیل کافی برای تصمیم گیری نیست. جدول 1 منابع بالقوه با توجه به افزایش سطح برخی از عناصر را نشان می دهد و می تواند بعنوان راهنما مورد استفاده کارشناسان آنالیز روغن قرار گیرد.

جدول 1: راهنمایی برای تشخیص منابع آلودگی جریان روغن با توجه به مقایسه ای از آنالیز عناصر

اما، نویسنده، براساس تجارب و مطالعات خود، معیار های ارائه شده در جدول 1 را کافی نمی داند. چراکه آنالیز عناصر شیمیایی هیچگاه کفایت لازم بمنظور تصمیم گیری درباره وضعیت یک روغن را ندارد! این آزمون گرچه لازم است، اما بهیچوجه کافی نیست! یکی از روش هایی که توسط نویسنده این سطور آزمایش شده است، تقسیم ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس بر مقدار سیلسیم گزارش شده است. این شاخص که بصورت Vis/Si بیان می شود، در صورت افزایش غیر خطی (توانی یا چند جمله ای درجه دوم) می تواند نگران کننده باشد. راهکار دیگری که در زمینه مقایسه چند معیاره (بویژه در مورد فرسایندگی بابیت ها) مناسب است، مقایسه همزمان سه شاخص عنصر سیلیسیم، آنتیموان (یا سرب)، و عدد اسیدیته کل (در مورد برخی روغن ها، عدد قلیاییت کل) است که باید بصورت تجمعی و روی یک نمودار دیده و تفسیر شوند. شکل 2 را ببینید.

شکل 2: نمونه ای از یک نمودار تجمعی مقایسه ای چند معیاره

در نمودار شکل 2، تفسیر اولیه حاکی از رفتار فرساینده روغن است.

البته، در کنار معیار های اندازه گیری آنالیز روغن، می توان بر داده های میدانی (اعم از مصرف روغن، افزایش سرریز، افزایش مصرف سوخت، و...) نیز تکیه کرده و آنها با به نتایج آنالیز برخی از عناصر نشان داده شده در جدول 1 مرتبط کرد. نمودار شکل 3 را ببینید.

شکل 3: مثالی از یک نمودار تجمعی نتایج آنالیز عناصر و داده های میدانی

یکی دیگر از معیار های تصمیم گیری برای ورود گرد و خاک به جریان روغن، نسبت مستقیم سیلیسیم به آلومینیوم است. همانطور که می دانیم، بیشتر خاک از سیلیکا یا SiO2 تشکیل شده است. اما، آلومینا یا Al2O3 نیز یکی دیگر از اجزای تشکیل دهنده خاک است که در تمامی مکان های کره زمین ترکیب دوم پس از سیلیکا در تشکیل خاک است. بنابراین، می توان با تقسیم سیلیس بر آلومینیوم به شاخصی برای آلودگی جریان روغن به گرد و غبار بدست آورد. میزان این شاخص، بصورت تجربی، اگر بیش از 3 باشد، نشاندهنده آلودگی جریان روغن به گرد و غبار است. اما، نکته ای که نباید از یاد برد، ترکیب شیمیایی خاک است. مطابق مطالعات صورت گرفته توسط نویسنده، در برخی از مناطق میهن عزیزمان ایران، خاک با ترکیبات نمکی حاوی سدیم، کلسیم، و پتاسیم همراه است. بنابراین، حاصل تقسیم سیلیسیم بر حاصل جمع آلومینیوم، سدیم، کلسیم، و پتاسیم یعنی Si/(Al+xNa+yCa+zK) می تواند بعنوان شاخص دیگری مد نظر قرار گیرد. حروف x، y، و z ضرایب تصحیحی هستند که توسط نویسنده در حال تحقیق بوده و بزودی طی مقاله ای در نشریه Tribology in Industry، چاپ صربستان، مقدار هر یک از آنها پیشنهاد داده خواهد شد.

اما، تا قبل از آن، می توان از نمودار مقایسه ای تجمعی پنج معیاره ای که روند افزایشی/کاهشی هر یک از عناصر Si، Al، Na، Ca، و K را نشان می دهند (مانند نمودار شکل 2) بعنوان ابزاری برای تصمیم گیری استفاده کرد. استفاده از این نمودار، بویژه برای تجهیزاتی که در مناطق دریایی/کوهستانی/صحرایی قرار داشته باشند (مانند عسلویه و بند دیر) کاربرد بیشتری داشته و توسط نویسنده امتحان شده است.

ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها

با درود و احترام به کلیه مخاطبین محترم این وبلاگ، هدف از این پست ارائه مرجع و راهنمایی در خصوص ادتیو EP (Extreme Pressure) در روغن های چرخدنده است. این پست، بعنوان یک پیش درآمد بر پست مفصلی تلقی می گردد که با عنوان «انتخاب روغن های چرخدنده و گیربکسی» بزودی در همین وبلاگ انتشار خواهد یافت. یکی از مشکلاتی که طراحان و سازندگان گیربکس با آن مواجهند، انتخاب مواد مناسب برای چرخدنده های درگیر و پوسته ای است که قرار است این مجموعه از چرخدنده ها را درون خود نگه دارد. از سوی دیگر، روغن های چرخدنده نیز بعنوان سیستمی پایدار از انواع متفاوتی از ترکیبات شیمیایی فعال، اغلب دارای انواع و اقسام ادتیو های شیمیایی در ساختار خود هستند که برای حفظ عملکرد آن لازم و حیاتی محسوب می شوند، اما، در برخی شرایط، حضور بعضی از این ادتیو ها می تواند برای سیستم مکانیکی حاوی آنها خطرناک و مضر باشد.

در این پست، قصد داریم راجع به ادتیوی صحبت کنیم که با نام عمومی EP، مخفف Extreme Pressure، شناخته شده و در روغن های چرخدنده به وفور یافت می شود. حضور این ادتیو، مطابق آمار جمع آوری شده در ایالات متحده در خلال سال های 2012 تا 2015 در بیش از 62 درصد روغن های چرخدنده ای مصرفی در این کشور مشاهده شده است.

بطورکلی، ادتیو های کلاس EP از دیدگاه ساختار شیمیایی به سه دسته تقسیم می شوند:

• کلرین دار؛

• سولفور-فسفر دار؛ و

• پتاسیم بورات

مکانیزم عملکردی این تیپ از ادتیو ها، تشکیل لایه تبدیلی ناشی از واکنش شیمیایی بین ترکیب پایه ادتیو و سطح فلز و تشدید فعالیت بر اثر گرما است. در برخی مکانیزم ها، این لایه تبدیلی می تواند فدا شونده نیز باشد. مشکل، اما، از همین جا شروع می شود! بدین ترتیب که تشکیل این لایه تبدیلی گاه در برخی آلیاژ های مس دار (مانند برنز که به وفور در ساخت قطعات چرخدنده و گیربکس استفاده می شود) موجبات خوردگی شدید سطح قطعه و بروز خرابی مکانیکی را فراهم می آورد.

شکل 1: شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های EP

این مورد در گیربکس های دنده مارپیچ نمود بیشتری دارد. چراکه در این تیپ از گیربکس ها استفاده از آلیاژ های برنزی رایج تر است. بطورکلی، یک گیربکس دنده مارپیچ یا Worm Gear از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: ماردان (Worm Rod) و چرخ مارپیچ (Worm Wheel). شکل 2 را ببینید.

شکل 2: شماتیکی از گیربکس دنده مارپیچ

ماردان معمولا از گرید های پرکربن و مقاوم به حرارت فولادی ساخته می شود. اما، چرخ مارپیچ جنسش از آلیاژ های نرم مس داری مانند انواع برنج یا برنز است. البته در برخی طرح ها، هر دو قطعه از آلیاژ مس ساخته می شوند. علت استفاده وسیع از آلیاژ های مس را می توان در دو جنبه خواص بی نظیر ساخت و تولید (اعم از ماشینکاری و شکل پذیری عالی، و در عین حال، قیمت تمام شده کمتر، در عین فراوانی و دسترسی بهتر نسبت به فولاد های آلیاژی) و انعطاف پذیری متالورژیک آنها در آلیاژ پذیری با انواع مختلفی از عناصر شیمیایی، مانند سرب، و...، دانست.

از میان انواع فوق الذکر برای ادتیو های EP، آنهایی که برپایه ترکیبات سولفور دار تولید شده باشند، بیشترین رفتار تخریبی را در مورد آلیاژ های مس از خود نشان می دهند. در این دسته، دو تیپ از سولفور می تواند مورد استفاده کامپاندساز قرار گرفته باشد:

• سولفور فعال:

کامپاند های حاوی سولفور فعال پس از واکنش دهی با سطح فلز تشکیل لایه ای نرم و چکش خوار از صابون فلزی داده و این شرایط را فراهم می آوردند که دو سطح متقابل بدون صدمه رساندن و زخمی کردن یکدیگر به تبادل نیرو بپردازند. این لایه تبدیلی، با توجه به شرایطی که گفته شد، فدا شونده محسوب می شود. بدین ترتیب که پس از تحمل تنش های وارده، بدلیل نرم و چکش خوار بودن ساییده شده و بصورت تکه های بسیار ریز وارد جریان روغنی می شود که وظیفه شستشو و تمیزکاری فضای بین سطوح درگیر را نیز دارد. سولفور در حالت فعال خود از نظر شیمیایی رفتاری خورنده در برابر فلزاتی مانند فولاد و آلیاژ های مس دارد. از این رو، می تواند خواص مکانیکی سطوح تشکیل شده از آلیاژ های مس یا برخی فولاد ها را دچار عوارض ناشی از خوردگی مانند سوراخ های ریز (Pitting Corrosion) یا تورق (Spalling) کند. از دیگر سو، افزایش حرارت نیز می تواند واکنش بین سولفور فعال و سطح فلز را تشدید و تسریع کند. این تشدید و تسریع از قانون آرِنیوس (Arrhenius rule) پیروی می کند که شامل دو برابر شدن سرعت واکنش شیمیایی بازای هر 10 درجه سلسیوس افزایش دمای روغن است؛

• سولفور غیرفعال:

کامپاند های سولفور غیر فعال تمایل کمتری به چسبیدن به سطوح و واکنش دهی شیمیایی از خود نشان داده و از این رو، روغن های حاوی ادتیو های EP سنتز شده با این کلاس از کامپاند ها، رفتار خوردگی مناسبتری در برابر آلیاژ های فولاد، و بویژه مس، از خود نشان می دهند.

ادتیو های EP کامپاند شده با سولفور فعال در مواجه با آلیاژ های مس (اعم از برنج یا برنز) اقدام به برقرار زنجیره ای از واکنش های شیمیایی می کنند که حاصل آنها سولفید مس یا دی سولفید مس است. گرما نیز، با توجه به قانون آرِنیوس، شدت و دوام این زنجیره واکنشی را تضمین می کند. هر دو ترکیب سولفید و دی سولفید مس از سختی بالاتری نسبت به آلیاژ مس برخوردار بوده و می توانند موجب خراشیدگی و فرسایش شدید سطوح قطعات تشکیل شده از این آلیاژ های مس و برخی فولاد ها را فراهم آورند.

شکل 3: نمونه ای از تخریب سطح قطعه برنجی یک گیربکس دنده مارپیچ

با این تفاسیر، سوال اینست که مالک تجهیز چگونه می تواند تشخیص بدهد که روغن گیربکسی که قصد خرید دارد برای تجهیز مناسب است یا خیر؟ آیا بجای افزایش کارآیی، از عمر آن نمی کاهد؟

پاسخ به این سوال در تست تطابق با مس روغن گیربکس نهفته است که مطابق با استاندارد ASTM D130 و براساس جدول نشان داده شده در شکل 4 انجام می شود. این آزمون، بویژه، برای گیربکس های مناسب است که مطمئن هستیم در ساختار آن از آلیاژ های مس استفاده شده است. البته، گفتنی است که برخی از آلیاژ های فولاد خوشتراش نیز مقادیر معتنابهی از مس در ساختار خود دارند. لذا، استفاده از آنها نیز ریسک بالایی خواهد داشت. این آزمون که نام کامل آن «Copper Strip Corrosion Test» یا «آزمون خوردگی تسمه مسی» است، ابزاری بی نظیر در پیش بینی رفتار خوردگی روغن گیربکس حاوی ادتیو های EP در زمان عملکرد در گیربکس تجهیز به شمار می رود. بوسیله این آزمون می توان تشخیص داد که کدام کلاس از ادتیو EP سولفور دار در سنتز روغن گیربکس بکار رفته است.

شکل 4: چارت استاندارد آزمون خوردگی تسمه مسی (ASTM D130)

روش انجام این آزمون بدین ترتیب است که یک تسمه مسی در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس درون نمونه روغن فروبرده شده و پس از مدت زمان معینی و پس از بیرون کشیده شدن از نمونه روغن، وضعیت ظاهری و تغییر رنگ سطحی آن مطابق چارت شکل 4 بررسی می شود. نتیجه آزمون به چهار کلاس تقسیم می شود که از حداقل تغییر رنگ (کلاس 1a) تا سیاه شدگی کامل (کلاس 4c) متغیر است. در صورتیکه نتیجه آزمون بین کلاس های 1a و 2b قرار گیرد، ریسک واکنش دهی شیمیایی بین روغن و قطعات مسی بالاست.

بدین ترتیب و براساس مقدمات بالا، می توان موارد احتیاطی زیر را برای روغن های چرخدنده حاوی ادتیو های EP لازم دانست:

الف) برای گیربکس های با سرعت چرخش کمتر از 10FPM، استفاده از روغن های حاوی ادتیو های EP می تواند موجب بروز فرسایش سطحی با مکانیزم Polishing شوند که در درازمدت برای قطعات مسی و فولادی خطرناک است و موجب از دست رفتن مقطعی راندمان انتقال قدرت خواهد شد. برای روغنرسانی به این دسته از گیربکس ها، استفاده از روغن های چرخدنده حاوی ادتیو EP توصیه نمی شود؛

ب) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر دار از نظر شیمیایی بسیار فعال محسوب شده و در اثر گرما و فشار مقطعی، موجب بروز فرسودگی سطحی قطعات گیربکس با مکانیزم Polishing خواهند شد. این مکانیزم، از آنجا که موجب ساییدگی لبه های نوک دندانه ها خواهد شد، علت اصلی عدم کنترل و دقت گیربکس در انتقال قدرت خواهد بود. در مواردی از این دست، ادتیو های EP نوع پتاسیم بورات جایگزین مناسبی خواهند بود؛

ج) فعالیت شیمیایی ادتیو های EP (بویژه انواع سولفور دار) در زمان عملکرد نوک دندانه چرخدنده ها در پیک دمایی به اوج خود می رسد. بنابراین، در برخی از کاربرد ها، که دمای عملکرد گیربکس به میزان لازم برای فعالسازی شیمیایی ادتیو های EP نمی رسد، ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس اهمیت پیدا می کند. چراکه هرچه ویسکوزیته سینماتیک روغن بالاتر باشد، ضخامت فیلم روغن بین دو سطح چرخدنده بیشتر از حد معمول شده و انتقال حرارت بیشتری انجام خواهد شد. در نتیجه نوک دندانه چرخدنده ها نیز دمای کمتری را تجربه خواهند کرد. بدین ترتیب، و با عدم فعالسازی ادتیو های EP درون روغن، شاهد افزایش سرعت و شدت فرسایش دو سطح درگیر خواهیم بود. بنابراین، در گیربکس هایی که از سرعت چرخش پایین، تبادل بار اندک، و دمای عملکردی پایین برخوردار باشند، در صورت استفاده از روغن حاوی ادتیو EP، بهتر است ویسکوزیته سینماتیک پایینتری انتخاب شود تا محدوده دمای فعالسازی این ادتیو حفظ گردد؛

د) در برخی کاربرد ها یا طراحی ها، که دمای گیربکس بسیار بالا یا بسیار پایین باشد، جایگزین کردن روغن های حاوی ادتیو های EP با لوبریکانت های پودری (جامد) حاوی دی سولفید مولیبدن، گرافیت، یا دی سولفید تنگستن راهکار بسیار مناسبی خواهد بود. البته باید توجه داشت که این تیپ از لوبریکانت ها توانایی تحمل بار به مراتب کمتری نسبت به روغن ها دارند؛

هـ) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر نباید در دما های عملکردی بیش از 95 درجه سلسیوس مورد استفاده قرار گیرند. البته، بطور کلی، این کلاس از ادتیو های EP برای محدوده دمایی گرمتر از 60 درجه سلسیوس مناسب نیستند و خورندگی شدیدی نسبت به آلیاژ های مس از خود نشان می دهند؛

و) بسته به مقدار استفاده، ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر با روغن های حاوی ادتیو ضد سایش (AW) حاوی زینک (Zn) سازگار نبوده و واکنش شیمیایی بین این دو ادتیو منجر به تولید نمک های فلزی فرساینده در سطوح درگیر بین چرخدنده ها می شود که نتایج اصلی آن افزایش شدید دما و فرسودگی موضعی خواهد بود. بنابراین، باید در زمان تعویض روغن های گیربکسی با انواع جدید دقت نمود که روغن قبلی و جدید از این دو ادتیو برخوردار نباشند؛

ز) در کاربرد هایی که احتمال نفوذ آب یا ترکیبا آبدار (هیدراته) به فضای درونی گیربکس بالاست، استفاده از روغن های گیربکسی حاوی ادتیو های EP کلاس بورات و کلرین، بدلیل تشکیل ترکیبات اسیدی قوی بهیچوجه توصیه نمی شود.