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.