روغن موتور بجای روغن کمپرسور

با درود و احترام به محضر مبارک تمامی مخاطبان این وبلاگ مهندسی

در این پست، قصد داریم تا به سوال یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور های پیستونی پاسخ دهیم.

شرح سوال:

آیا می توان از روغن موتور پراید SAE 20W-50 در کمپرسور های پیستونی (رفت و برگشتی) استفاده کرد. کمپرسور ما از نوع رفت و برگشتی Double Act سنگین بوده و حدود 4000 لیتر گنجایش روغن دارد. از این کمپرسور برای متراکم سازی هوا برای یک واحد فرآیندی در یک پالایشگاه در مرکز ایران (در منطقه ای کوهستانی) استفاده می شود. می خواهیم بررسی کنیم که آیا می توانیم برای کاهش هزینه ها بجای روغن مصرفی در این کمپرسور که Shell Corena S2 P100 است از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنیم؟

پاسخ به این سوال از چهار بخش تشکیل شده است: آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی، مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور، اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور، و نتیجه گیری

الف) آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی

بطور کلی، کمپرسور ها به دو دسته جابجایی مثبت و دینامیک تقسیم بندی می شوند که در نوع اول (که در این نوشتار مد نظر ماست) گاز (در اینجا: هوا) به داخل یک محفظه کاملا بسته و آببندی شده (مانند سیلندر) کشیده شده و بوسیله یک پیستون متراکم شده و از این سیلندر خارج می شود. اساس کار کمپرسور های دینامیک (که در این مقاله بدانها نمی پردازیم) براساس افزایش سرعت گاز بوسیله حرکت تعدادی پره و سپس کاهش شدید آن است که منجر به افزایش فشار خواهد شد. شکل را ببینید.

شکل 1: نمایه ای از تقسیم بندی انواع کمپرسور ها (منبع: Wikipedia)

همانطور که از شکل 1 می توان مشاهده کرد، کمپرسور های جابجایی مثبت به دو دسته رفت و برگشتی و روتاری (دورانی) تقسیم می شوند که در گروه پیستونی ها، با سه دسته تک مرحله ای (Single Acting)، دو مرحله ای (Double Acting)، و دیافراگمی مواجه هستیم. از میان این سه دسته، کمپرسور های پیستونی تک مرحله ای، کمپرسور هایی هستند که با هر بار چرخش (دوران) میل لنگ، یکبار تخلیه گاز (در اینجا: هوا) متراکم را انجام می دهند. این تیپ کمپرسور ها، پیکربندی های متفاوتی دارند که نمونه ای از آنها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی تک مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

کمپرسور مد نظر ما در این پست، اما، از نوع دو مرحله ای است که به معنی توانایی تخلیه هوای متراکم از دو خروجی در هر بار چرخش میل لنگ آن است. بیشتر کمپرسور های سنگین و بزرگ پیستونی از این مکانیزم در فشرده سازی هوا (یا انواع دیگر گاز به تشخیص طراح یا سفارش مشتری) استفاده می کنند. این نوع از کمپرسور نیز مانند حالت تک مرحله ای می تواند از پیکر بندی های متفاوتی استفاده کند که نمونه ای از آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی دو مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

هرچند تاکنون انواع مختلفی از کمپرسور های پیستونی طراحی و ساخته شده است، اما، مکانیزم کلی کار در همه آنها کم و بیش یکی است. بدین ترتیب که بمنظور متراکم سازی هوا به حرکت یک (یا چند) پیستون در درون یک (یا چند) سیلندر نیاز است که کنترل دینامیک این پیستون ها توسط اتصال به یک دسته پیستون (یا شاتون) که سوی دیگر آن به میل لنگ متصل شده است قابل انجام است. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: نمایی از نحوه اتصال پیستون به میل لنگ و حرکت آن در سیلندر کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

میل لنگ نیز می تواند از یک موتور درونسوز یا یک موتور الکتریکی نیرو گرفته و حرکت آن نیز می تواند با ابزار های مکانیکی مختلف اعم از چرخ طیار (فلایویل) و گیربکس (جعبه دنده) کنترل شود. بمنظور روانکاری حرکت و مقید سازی دینامیک پیستون و متعلقات آن، از یک سیستم روغنرسانی استفاده می شود که نمونه ای از جزییات آن در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: نمایی از قطعات مختلف بمنظور روغنرسانی و مقیدسازی حرکت پیستون در کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

بدین ترتیب، با بالا رفتن پیستون، هوای درون سیلندر متراکم شده (نمودار شکل 6 را ببینید) و با حرکت از طریق دریچه خروجی، به داخل مدار پنوماتیک رانده می شود. با پایین آمدن پیستون، حجم استانانداردی از هوای تازه به داخل سیلندر کشیده می شود. هر مرحله از این فرآیند توسط شیر های داخلی و خارجی کنترل می شود.

شکل 6: نمودار ترمودینامیک عملکرد کمپرسور پیستونی (منبع: Noria)

خنک کاری چنین کمپرسوری به دو طریق قابل انجام است: یا از طریق گردش هوا در اطراف دسته پیستون (شاتون) و یا از طریق ژاکت آب اطراف سیلندر. البته در این خصوص، طراحی های مختلف و بسیار متنوعی وجود دارد، ولی هدف از همه آنها یکی است.

همانطور که تاکنون دیدیم، شباهت بسیاری مابین کمپرسور های پیستونی و موتور های درونسوز وجود دارد. در هر دو این سیستم های ترمودینامیک، سیلندر و پیستون وجود داشته و در هر دوی آنها از میل لنگ (و متعلقات کنترلی آن) بمنظور مقید سازی دینامیک پیستون استفاده می شود. اما، کمپرسور های پیستونی دارای چند تفاوت در ساختار خود با موتور های درونسوز هستند:

اول) در کمپرسور های پیستونی، سوپاپ های سر سیلندر (که ممکن است در بخش دیگری هم نصب شده باشند، بنا به پیکربندی مورد نظر طراح یا مشتری) بصورت اتوماتیک عمل می کنند. این در حالی است که در موتورهای درونسوز، عملکرد این سوپاپ ها توسط یک واحد مکانیکی (میل بادامک یا...) یا الکترونیکی (ECU، تسمه یا زنجیر تایمینگ، و...) کنترل می شود؛

دوم) در کمپرسور های پیستونی (معمولا دو مرحله ای که محفظه روغن تحت فشار باشد) دسته پیستون مستقیما به میل لنگ وصل نیست و در این میان از قطعه ای واسط بنام کراس هد استفاده می شود (شکل های 3 و 4 را ببینید) که مزایای مختص به خودش را دارد. از جمله اینکه می توان با توسل به این وسیله، در روغنرسانی به بخش سیلندر از یک روغن دیگر استفاده کرد یا اصلا آن را روانکار نکرد!

سوم) از دیدگاه روانکار و روغنرسانی، پیستون یک کمپرسور اصلا قرار نیست با دمای چند هزار درجه ای احتراق مخلوط سوخت و هوا درون سیلندر مواجه شود. از این رو، جنس تاج پیستون و رینگ های آن می تواند کاملا متفاوت با همتایان خود در موتور های درونسوز باشد. این تفاوت، بنا به تجربه شخصی نویسنده می تواند شامل گرید متریال، نوع پوشش آن، یا حتی ساختار متالورژیک و روش تولید آن باشد. با همین دیدگاه، سیستم روغن های موتوری برای تحمل دمای تا 120 درجه سلسیوس طراحی شده و از این رو، ادتیو های مصرفی در ساختار شیمیایی آنها می تواند کاملا متفاوت از روغن های مصرفی در کمپرسور های پیستونی باشند. این در حالی است که روغن های کمپرسوری اصلا قرار نیست حتی به دمای 100 درجه سلسیوس هم برسند و بیشتر در دما های صفر تا 60 درجه سلسیوس است که باید عملکرد خود را نشان دهند.

چهارم) از دیدگاه آنالیز روغن، در تست های آنالیز عناصر روغن های کمپرسوری، معمولا حد بیشینه و کمینه عناصری مانند آهن (Fe)، کروم (Cr)، آلومینیوم (Al)، مس (Cu)، و مخصوصا سیلیسیم (Si) کاملا با روغن های موتوری متفاوت است که این تفاوت شدید در نوع ادتیو های بکار رفته در ساختار شیمیایی این تیپ از روغن ها در قیاس با روغن های موتوری است. در این مورد، در بخش بعدی بیشتر صحبت خواهیم کرد.

ب) مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور

قبل از شروع این بخش، لازم است کمی در رابطه با وظایف روغن در یک کمپرسور پیستونی بدانیم. براساس صفحه 108، کتاب Reciprocating Compressors; Operation & Maintanaince_1996، نوشته Heinz P. Bloch & John J. Hoefner، در نبود شوک های حرارتی، مهمترین وظیفه روغن های کمپرسوری به شرح زیرخلاصه می شود:

1) جداسازی قطعات ساینده از یکدیگر؛

2) تقلیل حرارت ناشی از اصطکاک از طریق خنک کاری و انتقال حرارت؛

3) زدودن گرد غبار و سایر آلاینده های جامد ورودی به سیستم؛

4) کاهش فرسایش؛

5) کاهش افت ناشی از اصطکاک؛

6) کاهش نشت گاز (در اینجا: هوا)؛

7) محافظت از قطعات در برابر خوردگی؛ و

8) کاهش رسوب آلاینده ها در جریان روغن

بدین ترتیب، ابتدا رفتار مکانیکی دو روغن موتوری SAW 20W-50 و Shell Corena S2 P100 را در برابر حرارت بصورت عددی و ریاضی تحلیل خواهیم کرد. نمودار شکل 7 را ببینید.

این نمودار بیانگر رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت است.

شکل 7: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: 2.68%)

همانطور که انتظار می رفت، رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت از یک روند توانی پیروی می کند. نمودار شکل 8 رفتار همین روغن را بصورت خطی و با نقاط کنترلی 40 و 100 درجه سلسیوس نشان می دهد.

شکل 8: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: صفر)

اکنون به بررسی روغن موتوری SAE 20W50 می پردازیم. نمودار های مندرج در شکل های 9 و 10، به ترتیب، رفتار غیرخطی و خطی این روغن را در برابر افزایش دما نشان می دهند.

شکل 9: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: 2.00%)

شکل 10: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: صفر)

از نمودار های مندرج در شکل های 7 و 9 می توان به این نکته اولیه دست پیدا کرد که روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی 20 تا 60 درجه سلسیوس، باندازه تقریبا 16 درصد با شتاب بیشتری ویسکوزیته خود را از دست می دهد که این به معنای سرعت بیشتر این روغن نسبت به روغن موتوری SAE 20W-50 برای جریان یافتن در مدار روغنرسانی در بازه دمایی فوق است. با نگاهی به نمودار های مندرج در شکل های 8 و 10 می توان به این نتیجه رسید که روغن موتوری SAE 20W50 گرچه ویسکوزیته اولیه بیشتری نسبت به روغن کمپرسوری دارد، اما به اندازه تقریبا 73 درصد آن را زودتر با افزایش حرارت از دست می دهد. این تفاوت در شکل 12 بیشتر مشهود است.

پس، اولین نتیجه ای که می توانیم از تحلیل عددی نمودار های 7 تا 10 بگیریم آن است که روغن Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی معمول عملکردی کمپرسور مورد مطالعه ما در مدار روغنرسانی سریعتر حرکت کرده و فشار کمتری به پمپ روغن وارد می آورد. این به معنی لایه نازکتری از فیلم روغن در این بازه دمایی برای قطعات کمپرسور (بویژه در بخش سیلندر) است، اما با سرعت بیشتر جریان یافتن روغن در مدار جبران می شود.

نمودار های نشان داده شده در شکل های 11 و 12، به ترتیب، حاصل بر هم نشانی نمودار های 7 تا 10 هستند.

شکل 11: نمودار تجمعی رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  دو روغن SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

شکل 12: نمودار تجمعی رفتار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن های SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

ج) اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور

قبل از شروع بحث در این مورد، دو منبع را در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور ها بررسی می کنیم:

- مطابق صفحه 415، بند 2، پاراگراف a، از کتاب Lubrication Fundamentals، نوشته Don M. Pirro، Martin Webster، و Ekkehard Daschner، ویرایش سوم، انتشارات CRC، سال 2016، می توان در کمپرسور های پرتابل و کوچک پیستونی هوا از روغن های موتوری حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant استفاده کرد. حتی در انواع ثابت کمپرسور های پیستونی هوا نیز که میزان رطوبت هوای تحت فشار تولیدی آنها بالا باشد نیز استفاده از روغن های موتوری بجای روغن های توربینی و ... توصیه شده است.

تا اینجا را داشته باشید! بعنوان منبع دوم،

- مطابق صفحه 112، پاراگراف آخر، از کتاب Lubrication in Practice، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط W. S. Robertson، انتشارات MacMillan، سال 1983، برای روغنرسانی به کمپرسور های هوای پیستونی کوچک، استفاده از روغن های موتوری Detergent-Dispersant توصیه شده است. چراکه این تیپ از روغن ها مقاومت به اکسیداسیون خیلی خوبی دارند.

اگر بخواهیم این دو منبع معتبر را مورد استناد قرار دهیم، پس شما به راحتی می توانید از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنید و در هزینه های خریدتان صرفه جویی بزرگی کنید! اما، به دو نکته باید دقت کرد: کمپرسور شما کوچک نیست! و از آن مهمتر، رطوبت هوای منطقه ای که در آن قرار دارید نیز بالا محسوب نمی شود! پس استناد به دو منبع فوق کاملا و مطلقا غلط است!

اما، ادتیو های Detergent-Dispersant چیستند؟ بطور خلاصه، Detergent-Dispersant ها یا ادتیو های DD گونه ای از ادتیوهای چندمنظوره هستند که بیشتر در ساختار روغن های موتوری و برخی انواع روغن های گیربکسی استفاده می شوند. ساختار شیمیایی، مکانیزم کار، و انواع این تیپ از ادتیو ها به روشنی و درستی در بند 6.4، صص 99-104، کتاب Lubricants & Lubrication، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط Theo Mang و  Wilfried Dresel، انتشارات Wiley، سال 2007، تعریف شده است.

ساختار فیزیکی این ادتیوها میسل تایپ (Micelle Type) است که بعلت قطبی بودن آنها است. ساختار شیمیایی آنها نیز متشکل از کامپاندهای نمک فلزات یا شبه فلزاتی مانند کلسیم، منیزیم، سدیم، و باریم است. ترتیب ذکر شده براساس میزان مصرف و رواج این فلزات یا شبه فلزات در کامپاندینگ شیمیایی است. شکل 13 را ببینید.

شکل 13:ساختار میسل ادتیو های Detergent (منبع: صفحه 134، کتاب Lubricant Additives, Chemistry, & Applications، سال 2009)

وظیفه اصلی این ادتیو ها به دو دسته دیترجنتی و دیسپرسانتی تقسیم می شود. در حالت دیترجنت، این کامپاندها به ذرات آلاینده اسیدی چسبیده و آنها را از سطح فلزی قطعات جدا می کنند. از اینجا به بعد، حالت دیسپرسانتی فعال شده و از توزیع و پخش شدن ذرات جدا شده از سطح قطعات در جریان روغن جلوگیری می کند.

یکی از معروفترین این کامپاند های شیمیایی، سولفونات ها هستند که بشکل کلسیم سولفونات، سدیم سولفونات، یا باریم سولفونات به وفور در روغن های موتوری یافت می شوند. این ادتیو ها از نظر ساختار شیمیایی بازی (قلیایی) محسوب شده و هدف از آنها بالا بردن عدد بازیسیته کل (TBN) سیستم روغن بمنظور مقابله با تشکیل کامپاند های اسیدی ناشی از حضور گوگرد (سولفور) در سوخت های احتراقی (بنزین، گازوییل، یا گاز طبیعی یا LPG) است. در کمپرسور های پیستونی، اما، از حرارت های بالا (اصولا، شوک حرارتی!)، سایش های شدید، گوگرد سوخت، و... خبری نیست! به همین دلیل، عدد TBN سیستم روغن (در صورت استفاده از روغن موتور بجای روغن کمپرسور) بدون دلیل بالا می رود که این بالا بودن TBN اثرات زیر را بدنبال خواهد داشت:

- تشکیل لایه خاکستر غنی از نمک های کلسیم؛

- افت پایداری شیمیایی روغن؛ و

- افزایش مصرف روغن

تشکیل (یا به بیان بهتر: رسوب) لایه ای غنی از نمک های کلسیم (که البته می تواند نمک های باریم یا سدیم یا منیزیم را نیز در خود داشته باشد) موجب تبلور تدریجی این نمک ها شده و با توجه به سختی نسبتا بالای این بلور ها، موجبات سایش در بخش هایی مانند سیت رینگ ها، و سیت ولو ها (سوپاپ ها) را فراهم می آورند. این خوردگی و ساییدگی سطوح به مرور می تواند باعث نشتی و از دست رفتن روغن (بویژه در سیستم های روغنرسانی قطره ای) شده و بدین ترتیب، مصرف روغن را بی دلیل بالا می برد. از سوی دیگر، با افزایش بی دلیل TBN، محیط سیستم روغن فراقلیایی (Over-Base) شده و به مرور موجب کاهش مقاومت به اکسیداسیون سیستم روغن (بویژه در در محیط های کوهستانی که رطوبت هوا پایین باشد یا دمای پایینی بر محیط کاری کمپرسور حکمفرما باشد) خواهد شد. این اکسیداسیون، به همراه حضور ترکیبات شدید قلیایی، می تواند به مرور موجب تشکیل کامپاند هایی مانند NaOH ونظایر آن بویژه در بخش سیلندر و پیستون شده و موجبات خوردگی سوزنی (حفرات ریز) که با عنوان Pitting Corrosion شناخته می شود را در سطح پیشانی پیستون و پیراهن سیلندر فراهم آورد.

از این رو، اغلب سازندگان کمپرسور های هوای پیستونی سنگین، توصیه می کنند که بمنظور روغنرسانی به چنین کمپرسور هایی از روغن های Detergent-free استفاده شود. این بدان معنی است که براساس دو منبعی که در بالا بدانها اشاره شد، می توان با رعایت اصولی مانند ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته، از روغن های موتوری معادل که حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant نباشند، استفاده کرد.

د) نتیجه گیری

با توجه به مواردی که در بخش های «الف»، «ب» و «ج» این نوشتار بیان شد، استفاده از روغن SAE 20W-50 برای مصرف در کمپرسور شما بهیچوجه و تحت هیچ شرایطی توصیه نمی شود.

با تشکر از آقای مهندس داوود بیرانوند، کارشناس محترم مکانیک شاغل در مجتمع فولاد بوتیای کرمان و از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی که بنده را در رفع اشکال این مقاله (جابجایی شکل های 8 تا 12) یاری نمودند.

آنالیز روغن گیربکس درایر: مطالعه موردی

با درود بیکران به تمامی مخاطبین و مراجعین محترم این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به درخواستی درباره آنالیز روغن گیربکس است که چندی پیش بدست بنده رسیده بود، اما بدلیل مشغله کاری چند وقتی معطل مانده بود.

شرح سوال: در یک کارخانه فرآوری محصولات ارگانیک، یک دستگاه درایر (خشک کن) داریم که گیربکس نسبتا پیچیده ای دارد. این گیربکس یک مخزن روغن به حجم 4000 لیتر دارد که روغن اون کف میکنه.(لایه ای کف روی سطح اون تشکیل میشه). دمای اون در حدود 40 درجه سانتیگراد است. این تجهیز در جنوب ایران و در منطقه ای گرمسیر واقع است. این سیستم بدلیل نشتی روغن بالایی که در تجهیزات وجود دارد، دایما با کاهش سطح روغن مواجه است. بنابراین، بصورت متوسط هر هفته یک بشکه روغن 220 لیتری روغن به مخزن اضافه می شود. نمونه روغن را ارسال کردم جهت آنالیز که پاسخش رو به همراه آنالیز روغن نو برای جنابعالی ارسال میکنم. آزمایشگاهی که نمونه روغن را آزمایش کرد، اعلام کرده که روغن شما بسیار آلوده است و ناس آن بالاست. حدود 12. عدد ناس چیست؟ در صورت صلاحدید بنده رو راهنمایی بفرمایید در مورد علل احتمالی کف کردن روغن. نوع روغن بهران بردبار 220 است که با برینگ ها و چرخدنده های گیربکس در ارتباط است.

پاسخ به این پرسش از دو بخش اصلی تشکیل شده است: عدد NAS و علل کف کردن روغن که در هر دو مورد نیاز به تفسیر گزارش آنالیز آزمایشگاه و مقایسه نتایج آزمون در مورد نمونه روغن نو و کارکرده می باشد. البته، بسیار شایسته و عالی می بود، اگر نتایج آنالیز در فواصل زمانی منظم پس از هر بار شارژ یا به عبارت دیگر، سر ریز روغن، انجام می شد که این خود یکی از اشتباهات مالک تجهیز است. چراکه تفسیر دو گزارش آنالیز روغن نو و کارکرده با خطای بالایی همراه است.  اما، در این مرحله، گویا چاره ای نیست! و مجبوریم به همین اطلاعات اندک و از راه دور اکتفا کنیم. نتیجه گزارش آنالیز روغن بهران 220 نو و کارکرده، به ترتیب، در شکل های 1 و 2 (الف، ب، و ج) آمده است.

شکل 1: نتیجه آنالیز روغن نو بهران 220

شکل 2 (الف): صفحه اول گزارش آنالیز روغن کارکرده روغن بهران 220

شکل 2 (ب): صفحه دوم گزارش آنالیز روغن کارکرده بهران 220

شکل 2 (ج): صفحه سوم گزارش آنالیز روغن کارکرده بهران 220

داده های حاصل از مقایسه نتایج آنالیز روغن نو و کارکرده ای که در شکل های 1 و 2 نشان داده شده بود، در جدول 1 موجود است. همانطور که در این جدول مشخص است، از دیدگاه آنالیز عنصری، میزان حضور عنصر آهن (Fe) باندازه تقریبا 400 برابر بیشتر شده است. در همین راستا، میزان حضور عنصر سیلیسیم (Si) نیز تقریبا 40 برابر بیشتر است. از همینجا می توان نتیجه گرفت که با روغنی کثیف و بشدت خورنده روبرو هستیم که بجای روانکاری، بیشتر نقش سنباده را بعهده گرفته است! در تایید این نتیجه گیری می توان به عناصری مانند کروم (Cr) و مس (Cu) اشاره کرد که در نتایج آنالیز روغن کارکرده به ترتیب 20 و 10 برابر شده اند.

جدول 1: تفسیر اولیه نتایج آنالیز روغن شکل های 1 و 2

از دیگر نتایجی که می توان از تفسیر گزارش آنالیز روغن (جدول 1) گرفت، تقلیل اثر حضور ادتیو های روغن گیربکس با توجه به افزایش شدید عناصری مانند کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg)، و روی (Zn) است. شکل 3 حاوی نموداری برای کمک به درک بهتر رشد عناصر شیمیایی در آنالیز عنصری نمونه روغن های نو و کارکرده (شکل 1 و 2) است.

بدین ترتیب، و تا بدینجای کار، با روغن گیربکسی مواجه هستیم که بسیار کثیف و بسیار فرساینده (Erosive) محسوب می شود. همین نتیجه گیری کافیست که کارشناس آنالیز روغن یا CM توصیه اکید بر توقف کار تجهیز و تعویض روغن را بکند. با این تفاسیر، اصلا نیازی به انجام تست NAS نیست! و همه چیز گویای وضعیت روغن است. با اینحال، بخش مربوط به خواص مکانیکی روغن را نیز از شکل های 1 و 2 مطالعه و تفسیر می کنیم.

شکل 3: نمودار رشد عناصر شیمیایی در آنالیز عنصری نمونه روغن های نو و کارکرده

بخش مربوط به خواص مکانیکی روغن های نو و کارکرده در شکل های 1 و 2 بسیار ناقص است و عملا تنها دو شاخص ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس و نسبت مستقیم ویسکوزیته 40 به سیلیسیم (Vis/si) را می توان از آنها استخراج کرد. جدول 2 را ببینید.

جدول 2: تفسیر ثانویه نتایج آنالیز روغن شکل های 1 و 2

در جدول 2، منظور از STD مشخصات «استاندارد» محصول (روغن بهران بردبار 220) است که از وبسایت ایرانول استخراج شده است. داده های جدول 2 نشاندهنده آن است که ویسکوزیته سینماتیک روغن مورد آنالیز ما نسبت به آنچه که مصرف شده است (نه مقدار استاندارد، براساس داده های وبسایت ایرانول!) حدود 8 درصد افزایش داشته است. نسبت گیری مستقیم برای نظارت بر تغییرات ویسکوزیته 40 بر مقدار سیلیس نیز در اینجا کارآیی ندارد و موجب گمراهی کارشناس آنالیز روغن خواهد شد. چراکه این شاخص (Vis/Si) در طول زمان و با وجود بیش از سه نمونه کارآیی دارد و اصطلاحا، Time-Trended است. بنابراین، در این Case Study با یک نمونه آموزشی دیگر روبرو می شویم که در دوره پیشرفته آنالیز روغن تدریس می شود و آن، اشتباهات رایج در آنالیز روغن، است.

خب! تا اینجای قضیه، متوجه شدیم که با روغنی مواجه هستیم که غلیظ تر شده و میل به فرسایش آن نیز بسیار بیشتر شده است. این روغن بشدت آلوده بوده و نمی توان از آن انتظار رفتار نیوتنی داشت. بنابراین، اولین نتیجه ای که پس از تفاسیر فوق می توان گرفت آن است که اصلا در مورد این روغن و این گیربکس و این تجهیز نیازی به آزمون NAS نبوده و نیست! و انجام آن تنها به معنی دور ریختن پول است! توصیه نویسنده بر آن است که برای دستیابی به جزییات بیشتر درباره سلامت روغن و تجهیز، بهتر آن است که مالک تجهیز یا شرکت مهندسی مشاور آزمون های TAN و TBN و عدد pH را نیز در طول بازه های زمانی متناوب و متعدد (بیش از سه بار در طول دوره سرویس) در نتایج آنالیز روغن بگنجاند.

از اینجا به بعد تازه می توانیم به سراغ پاسخ سوال مطرح شده برویم:

الف) عدد NAS

حروف NAS مخفف National Aerospace Standard است که در اوایل دهه 60 میلادی به تدوین استاندارد های مطالعاتی فنی درباره تجهیزات هوایی و فضایی در ایالات متحده می پرداخت. این سازمان در همان اوقات، سندی با شماره NAS 1638 را با موضوع کنترل آلودگی خارجی در سیستم های روغنرسانی هیدرولیک تدوین کرد. هدف از این استاندارد، معرفی معیار هایی برای آلودگی روغن در سیستم ها و تجهیزاتی بود که به آلودگی جریان روغن حساس هستند. مانند روغن های موتوری، روغن های هیدرولیک، و روغن های توربینی. این استاندارد بعد ها توسط انجمن مهندس خودروی ایالات متحده (SAE) مورد تجدید نظر قرار گرفت و با شماره SAE 4059 منتشر شد. هرچند، در سالیان اخیر، استفاده از استاندارد ISO 4406 به مراتب رواج بیشتری یافته است که در این پست مقایسه ای کوتاه بین NAS 1638 و ISO 4406 نیز خواهیم داشت.

بنابراین، همانطور که مشاهده می فرمایید، NAS در مورد روغن های گیربکسی کاربردی ندارد. مگر اینکه کارشناس آنالیز روغن یا CM تشخیص دهد که برای یک تجهیز خاص این تست لازم است.

بطورکلی، اساس استاندارد هایی مانند NAS 1638 و ISO 4406 بر شمارش ذرات جامد وارد شده به جریان روغن واقع است. هرچه تعداد این ذرات در یک واحد مشخص از حجم روغن (مثلا میلی لیتر) بیشتر باشد، سطح آلودگی روغن بالاتر می رود. تفاوت این دو استاندارد، تنها بر نحوه تقسیم بندی این سطوح آلودگی است. استاندارد NAS 1638 آلودگی جریان روغن به ذرات جامد را در حجم واحد 100 mL به پنج سطح تقسیم می کند:

سطح 1: حضور ذراتی با اندازه 5 تا 15 میکرون؛

سطح 2: حضور ذراتی با اندازه 15 تا 25 میکرون؛

سطح 3: حضور ذراتی با اندازه 25 تا 50 میکرون؛

سطح 4: حضور ذراتی با اندازه 50 تا 100 میکرون؛

سطح 5: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 100 میکرون

اما، استاندارد ISO 4406 آلودگی جریان روغن را در یک حجم 1 mL به سه گروه زیر تقسیم بندی می کند:

سطح 1: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 4 میکرون؛

سطح 2: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 6 میکرون؛

سطح 3: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 14 میکرون

بر این اساس، استاندارد NAS 1638 براساس حضور ذرات جامد آلاینده در یک حجم واحد 100 میلی لیتری از نمونه روغن با اندازه و سایز های مشخص، پنج سطح آلودگی را ارائه می دهد. اما، تا اینجای کار فقط از سایز ذرات صحبت شد. تعداد آنها در یک حجم واحد مشخصه دیگری است که تحت عنوان کلاس آلودگی از آن یاد شده و هرچه عدد این کلاس بالاتر باشد، نشانه آلودگی بیشتر یک حجم واحد از روغن به ذراتی با اندازه مشخص است. چهارده کلاس آلودگی در این خصوص وجود دارد که شرح آنها در جدول 3 آمده است:

جدول 3: کلاس های 14 گانه آلودگی جریان روغن (معیار NAS)

همانطور که در جدول 3 مشاهده می شود، کلاس های آلودگی روغن به روش NAS 1638 از 00 شروع شده و به 12 ختم می شوند که به ترتیب بیانگر بسیار تمیز و بسیار آلوده می باشد. در مورد این نمونه روغن که شرح آنالیز آن در شکل 2 آمده است، عدد NAS برای سنجش آلودگی روغن 12 گزارش شده است که بیانگر آلودگی شدید جریان روغن به ذرات جامد و فرساینده است.

ب) علل کف کردن روغن

قبلا طی پستی با عنوان «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ، به تشریح شرایط اولیه و مکانیزم انحلال هوا در جریان روغن پرداخته بودیم. بطورکلی، تشکیل فوم یا کف روی سطح روغن بویژه در مورد سیستم های روغنرسانی که شرایط توربولانس را تحمل یا تجربه می کنند، امری طبیعی و پذیرفته شده است. مشکل از آنجایی آغاز شده و سپس تشدید می شود که این کف موجب تغییر (بخوانید: کاهش) ویسکوزیته دینامیک روغن شده و عملکرد آن را بشدت تخریب می کند. در این خصوص، مطالعه پستی در همین وبلاگ با عنوان «نقش دانسیته در خواص روغن ها» توصیه می شود. یکی از مواردی که در تشخیص تمایل به کف کردن (کف زایی) روغن به همراه افزایش فرسایندگی آن در بین کارشناسان آنالیز روغن با سطح مهارت مقدماتی و متوسط مطرح می شود، حضور عنصر سیلیسیم (Si) در نتایج آنالیز عناصر نمونه روغن است. در این خصوص، پستی با عنوان «تفسیر عنصر Si در نتایج آنالیز روغن» در وبلاگ دانش روغنکاری درج شده است که مطالعه آن خالی از لطف نیست. در این خصوص (مطالعه و تفسیر حضور عنصر سیلیس در نتایج آزمون) اکیدا توصیه می شود که حتما با مطالعه و وسواس کامل جلو بروید یا با شرکت های مهندسی مشاور با تخصص آنالیز روغن و تفسیر گزارش آزمون در این حوزه تماس بگیرید.

اما، موضوعی که به بهانه این مطالعه موردی یا Case Study قصد طرح آن را دارم، مطالعه امکان از دست رفتن ادتیو های ضد کف (Anti-Foam) در اثر فیلتراسیون نامناسب یا حتی بیش از حد جریان روغن است. ادتیو های ضد کف که در برخی از منابع مهندسی با عنوان Defoamant نیز از آنها یاد می شود، معمولا بصورت ترکیبی از دو کامپاند شیمیایی متیل سیلیکون (Methyl Silicone) و پُلی متاکریلات (Polymethacrylate) موجودند که توسط روغنساز و طی مراحل مختلف تولید روغن (بسته به فرآیند و فناوری مورد استفاده در تولید روغن) با غلظت های متفاوت (بسته به ویسکوزیته روغن پایه و برخی از خواص فیزیکی آن مانند دانسیته) با روغن مخلوط شده و به ساختار شیمیایی آن اضافه می شوند. گاهی اوقات، کاربرد روغن روی غلظت یا ترکیب شیمیایی این ادتیو ها تاثیر گذار است. بعنوان مثال، روغن های چرخدنده یا گیربکسی که از کلاس ویسکوزیته بالاتری برخوردار باشند (مانند بهران بردبار 220) تمایل بیشتری به کف زایی از خود نشان می دهند. چراکه امکان و احتمال سکون و تجمع حباب های ریز هوا در آنها بیشتر از روغن های کم ویسکوزی است که تمایل بیشتری به دفع حباب های هوا (بدلیل ویسکوزیته پایینتر و شرایط حاکم بر طراحی مدار روغنرسانی) دارند. بنابراین، در روغن های توربینی، احتمال اینکه حباب های هوا روی سطح روغن در مخرن جمع شده و خودبخود بترکند بسیار بیشتر از روغن های غلیظ گیربکسی است.

این مسئولیت روغنساز است که در ترکیب شیمیایی محصول خود تعادل لازم را بین ادتیو های ضد کف و سایر ادتیو های لازم به حضور در ساختار شیمیایی روغن خود فراهم کند. چراکه اگر غلظت ادتیو های ضد کف در سیستم روغن خیلی بالا باشد، روغن رفتاری معکوس از خود نشان داده و تمایل بیشتری به کف زایی (در اثر تغییر کشش سطحی) از خود نشان خواهد داد. توجه به این نکته لازم است که ادتیو های ضد کف، برخلاف بیشتر ادتیو های معمول در روغنسازی، نباید بصورت محلول در ساختار روغن حضور داشته باشند. در حالت عادی، افزودن مقداری از این ادتیو ها موجب انحلال بخشی از آنها در سیستم روغن خواهد شد. اما، با افزایش بیش از حد این ادتیو، حالت حضور آنها در سیستم روغن از تعلیق یا سوسپانسیون به انحلال یا Dissolved State تغییر یافته و تاثیر این ادتیوها را بشدت کم خواهد کرد. شکل 4 مکانیزم عملکرد ادتیو های ضد کف را نشان می دهد.

شکل 4: نحوه عملکرد ادتیو های ضد کف در سیستم روغن

در حالت عادی و ایده آل، با حضور ادتیو های ضد کف در سیستم روغن، هرگز نباید مشکلی برای سیستم روغن (مخصوصا در مورد روغن های گیربکسی پرویسکوزیته) پیش بیاید. اما، واقعیت این است که این ادتیو ها بمرور زمان عملکرد خود را به دلایل متعددی از دست می دهند که یکی از این دلایل، آلودگی بیش از حد روغن است. این اتفاقی است که در مورد روغن گیربکسی ما افتاده است! آلودگی بیش از حد جریان روغن موجب از کار افتادن ادتیو های ضد کف آن شده و باعث تشکیل لایه ای قطور از کف روی سطح روغن در مخزن یا کارتل شده است. مکانیزم کار نیز مشخص است: آلودگی جریان روغن باعث تغییر رفتار آن از فاز نیوتنی به غیرنیوتنی شده و کشش سطحی آن را هدف می گیرد. با تغییر کشش سطحی روغن، عملکرد ادتیو های ضد کف تحت تاثیر شدید قرار گرفته (شکل 4 را ببینید) و حباب های هوا آزادانه و بدون مزاحمت می توانند در سیستم روغن تردد کنند. از سوی دیگر، دو عامل درجه حرارت و ویسکوزیته سینماتیک روغن نیز می توانند در تمایل روغن به کف زایی تاثیر گذار باشند.

همانطور که می دانیم، حباب های هوا حاوی مقادیر معتنابهی از اکسیژن در درون خود هستند که در روغن های مینرالی مثل بهران بردبار 220 اثر میکرودیزلینگ را در پی دارد. برای اطلاعات بیشتر راجع به میکرودیزلینگ، مطالعه پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در وبلاگ دانش روغنکاری توصیه می شود. میکرودیزلینگ به همراه اکسیداسیون و تشکیل محصولات ناشی از آن بمرور زمان موجب آلودگی شدید روغن و تقلیل اثر بسیاری از ادتیو های حاضر در ساختار شیمیایی آن می شوند. اما، در این میان، یکی از عواملی که در کنار افزایش ویسکوزیته و غلیظ شدن روغن (همانطور که در جدول 2 نشان داده شد) بر روی عملکرد ادتیو های ضد کف حاضر در سیستم روغن تاثیر گذار است، افزایش دمای جریان روغن است. جدول 4 میزان ریسک افزایش دما به همراه ویسکوزیته را برای کلاس های مختلف روغن (برحسب ویسکوزیته سینماتیک: ISO VG) نشان می دهد.

جدول 4: میزان ریسک افزایش دما و ویسکوزیته برای روغن های مختلف

همانطور که از جدول 4 قابل مشاهده است، روغن بهران بردبار 220 با دمای عملکردی 40 درجه سلسیوس از نظر تمایل به تشکیل فوم با کف زایی در منطقه بسیار پر خطر یا Very High Risk قرار دارد. بنابراین، روغن تجهیز مورد نظر ما در این مطالعه مورد هر چه سریعتر باید عوض شود.