فرسایش ناشی از کاویتاسیون در روغن های هیدرولیک

با درود و کمال احترام

موضوعی که در این پست قصد پرداختن بدان را داریم، بررسی پدیده فرسایش در سیستم های هیدرولیک ناشی از کاویتاسیون می باشد.

تعریف کاویتاسیون:

همانطور که قبلا در پست «تفاوت کاویتاسیون و هواگرفتگی» در همین وبلاگ عنوان شده بود، بنا به تعریف، کاویتاسیون عبارتست از قطع یا وقفه در زنجیره ذرات به هم پیوسته توده ای مشخص از یک سیال مایع (در اینجا: روغن هیدرولیک) که در اثر افت مقطعی و موضعی فشار رخ می دهد. این «وقفه» در جریان حرکتی روغن هیدرولیک بیشتر به شکل حباب های گازی رخ می نماید که فرآیند تشکیل آنها در جریان روغن هیدرولیک (کاویتاسیون) حتی در فشار های مثبت و تقریبا برابر با فشار بخار اشباع روغن هیدرولیک در نقطه دمایی معلوم نیز دور از انتظار نیست. روغن های هیدرولیک مختلف، اما، بسته به میزان آلودگی آنها به ذرات جامدی چون گرد و غبار و میزان انحلال گاز های مختلف (از جمله هوا) در جریان آنها، رفتار های متفاوتی در تشکیل کاویتاسیون و صدمات ناشی از آن را از خود نشان می دهند. شاید قبل از مطالعه ادامه مطلب، خالی از لطف نباشد که پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ مهندسی را مطالعه بفرمایید.

مکانیزم عمل کاویتاسیون بدین شرح است: روغن هیدرولیک طی جریان خود در مدار حاوی مقادیری، هرچند اندک، از حباب های گاز یا هوا است. در مورد هوا که تکلیف معلوم است (!) و بحث آلودگی جریان روغن به هوا مطرح می شود. اما، در مورد حباب های گاز باید توجه کرد که این گاز می تواند بخار خود روغن هیدرولیک باشد. اما، گذشته از منشا این حباب های گازی، باید دانست که نقطه شروع و آغاز فرآیند تخریبی کاویتاسیون در سیستم های هیدرولیک را همین حباب های گازی تشکیل می دهند. زمانیکه فشار جریان هیدرولیک تا حد مشخصی کاهش یابد، این حباب ها تبدیل به منبعی برای پذیرش بخار روغن یا هوای به دام افتاده در جریان روغن هیدورلیک می گردند که همین امر منجر به افزایش چشمگیر، و البته ناگهانی، در اندازه و ابعاد این حباب ها خواهد شد. بدین ترتیب، وقتی این حجم انبوه از حباب ها به ناحیه ای کم فشار از مدار هیدرولیک می رسند، بدلیل چگالش گازی که در خود حمل می کنند، حجم کمتری را از خود نشان می دهند. این کاهش حجم ناشی از چگالش گازی بسیار سریع رخ می دهد و وقتی با شوک های ناشی از تغییرات بسیار سریع فشار و سرعت در مدار هیدرولیک همراه شود، می تواند منجر به پدیده های مخرب و ناخوشایندی، اعم از ایجاد سروصدای بلند و ناگهانی، از دست رفتن مقطعی کنترل (سکته هیدرولیک)، فرسودگی برخی از قطعات مکانیکی، و... شوند (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: شماتیکی از فرآیند کاویتاسیون و فرسایش سطوح ناشی از آن (منبع: Noria)

این همان چیزی است که در مدلسازی ریاضی رفتار جریان سیالات به ناپایداری حجمی معروف است. اما، همانطور که ممکن است حدس زده باشید، امروزه اعتقاد کارشناسان سوده شناسی (Tribology) بر اینست که ناپایداری حجمی یک روغن هیدرولیک (بعنوان مثال اختصاصی از این مبحث) با حضور آلاینده هایی چون ذرات جامد و حباب های حاوی بخار روغن یا هوا رابطه ای مستقیم دارد. این بدان معناست که اگر با توسل به هر وسیله و ترفندی موفق به زدودن ذرات جامد و منشا آلودگی گازی (یا هوا) از جریان روغن هیدرولیک شویم، می توانیم ریسک پدیده مخرب کاویتاسیون را در مدار های هیدرولیک بشدت کاهش داد.

گذشته از آنچه که در بالا شرح داده شد، موضوع این پست به مخاطراتی می پردازد که ناشی از فرسایش قطعات مدار هیدرولیک در اثر کاویتاسیون می باشد. این فرآیند تخریبی که به فرسایش ناشی از کاویتاسیون معروف است، منجر به تخریب کیفیت سطوح دریافت کننده روغن و آلودگی شدید به همراه فرسایندگی بالای جریان روغن هیدرولیک می گردد. در واقع، کاویتاسیون در سیستم های هیدرولیک موجب آن می شود که روغن به تدریج و به جای اینکه بعنوان محافظ سطوح از طریق ایجاد فیلم حایل بین سطوح درگیر تبادل تنش عمل کند، بیشتر شبیه سنباده شده و به تخریب سطوح می پردازد!

مکانیزم این فرسایش به حرکت نسبی سطوح جامد و فیلم روغن مرتبط است. در اثر این حرکت نسبی، فشار موضعی روغن هیدرولیک کاهش یافته و در نتیجه، دمای آن موضع از جریان روغن تا نقطه جوش بالا می رود. بدین ترتیب، فرآیند تشکیل حباب های ریزی از بخار روغن کلید می خورد. اما، مشکل هنوز شروع نشده است! دردسر از آنجایی شروع می شود که فشار روغن هیدرولیک به حالت عادی خود بازمی گردد (بالاتر از فشار بخار). در اثر این افزایش ناگهانی فشار، حباب های حاوی گاز در هم فروپاشیده و موج ضربه یا Shock Wave در جریان روغن بوجود می آورند که این امواج ضربه ای می تواند موجب وارد آمدن صدماتی به سطوح قطعات دریافت کننده روغن، دفرمگی، خستگی، کارسختی، و سوراخ های ریزی شود که به Cavitation Pits معروفند.

بدین ترتیب و تا بدینجای کار، به این تعریف رسیدیم که در سیستم های هیدرولیک، کاویتاسیون به مکانیزم تخریبی اطلاق می شود که در آن حباب های گاز (بخار روغن یا هوا) در جریان حرکت به همراه روغن هیدرولیک بزرگ شده، رشد کرده، و ناگهان در مناطقی از مسیر جریان روغن هیدرولیک و در اثر نوسان در فشار موضعی در هم فرو رفته و حجمشان بصورت ناگهانی شدیدا کاهش می یابد. این فرآیند می تواند در بازه ثابتی از دما اتفاق بیافتد.

انواع کاویتاسیون:

اساسا، دو نوع کاویتاسیون وجود دارد:

-         کاویتاسیون ناشی از تبخیر روغن (Vaporous Cavitation):

که عبارتست از فرآیند غلیان روغن هیدرولیک که وابسته به رشد انفجاری حباب های گاز (یا هوا) با رویه ای کنترل نشده در جریان تبدیل بسیار سریع مایع به گاز (تبخیر بسیار سریع روغن هیدرولیک) است. این فرآیند در زمانی اتفاق می افتد که سطح فشار روغن هیدرولیک به زیر فشار بخار آن روغن (بعنوان یک مشخصه فیزیکی) برسد.

-         کاویتاسیون ناشی از ورود گاز به جریان روغن (Gaseous Cavitation):

که یک فرآیند نفوذی (Diffusion) است و زمانی اتفاق می افتد که فشار جریان روغن به زیر فشار اشباع گاز چگال ناپذیر محلول در جریان روغن هیدرولیک افت کند.

از میان دو فرآیند شیمیایی فوق، کاویتاسیون ناشی از تبخیر روغن بسیار سریع (شاید در عرض چند هزارم ثانیه) رخ می دهد. اما، کاویتاسیون ناشی از ورود گاز به جریان روغن بسیار آهسته بوده و نیازمند زمان طولانی تری در مقایسه با کاویتاسیون ناشی از تبخیر روغن است. تطویل این زمان، اما، بستگی تام به میزان حضور جریان روغن در فرآیند انتقال حرارت همرفتی است.

از دیدگاه عملیاتی، آسیب های ناشی از کاویتاسیون (بیشتر در اثر تشکیل موج های ضربه ای و جریان های میکروجت) تنها در حالت کاویتاسیون ناشی از تبخیر روغن رخ می دهند. اما، کاویتاسیون ناشی از ورود گاز به جریان روغن اصولا یک فرآیند مخرب محسوب نگشته و تنها منجر به تولید سروصدا، ایجاد تنش های حرارتی ناشی از شکست ملکولی یا Molecular Cracking) که منجر به ایراد شوک حرارتی به جریان روغن و تجزیه شیمیایی تدریجی آن از طریق مکانیزم اکسیداسیون می گردد. در این زمینه، جزییات بیشتر در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ ارائه شده است.

در منابع مختلف، برای آسیب های ناشی از کاویتاسیون واژه های متفاوتی اظهار شده است که همگی کم و بیش به یک فرآیند تخریبی اشاره دارند. این واژگان کلیدی عبارتند از: cavitation erosion، vaporous cavitation، cavitation pitting، cavitation fatigue، liquid impact erosion، و wire-drawing.

فرسایش ناشی از کاویتاسیون یکی از مکانیزم های تخریب وابسته به تماس سیال با سطح جامد است که لازمه وقوع آن تحمیل تنش های کششی به جریان سیال است. همانطور که از مکانیک سیالات می دانیم، وقوع چنین تنش هایی منجر به افزایش مقطعی و موضعی دمای جریان روغن و در نتیجه، نزدیک شدن بخش هایی از آن به نقطه جوش روغن می شود. این فرآیند جوش آوردن، از آنجا که کاملا مقطعی و موضعی است، بلافاصله با برگشت به دمای عادی جریان روغن تنش های فشاری را بدنبال دارد که موجب در هم فروریختگی (Implosion) حباب های بسیار ریز و کوچک بخار روغن می شود. این در هم فروریختگی موجب ایجاد شوک های مکانیکی و تشکیل جریان های میکروجت در بدنه روغن جاری در مدار روغنرسانی هیدرولیک می گردد که یک عامل تخریبی در برابر سطوح جامد اطراف این جریان به حساب می آید. هر سیستمی که قادر به تکرار این الگوی تنش کششی و فشاری باشد، در معرض فرسایش ناشی از کاویتاسیون، به همراه تمامی نتایج و عوارض جانبی مخرب آن، قرار خواهد داشت. از دیدگاه ذاتی، فرسایش ناشی از کاویتاسیون همانند فرسایش ناشی از خستگی سطح به شمار می آید. چنین دیدگاهی از این حقیقت نشات می گیرد که تمامی موادی که در برابر خستگی سطح (بیشتر مواد سخت، و نه ترد!) مقاومت خوبی از خود نشان می دهند، در برابر خرابی های ناشی از کاویتاسیون نیز مقاوم هستند.

فرآیند فرسایش ناشی از کاویتاسیون، نگاه نزدیک:

جریان روغن هیدرولیک عامل ایجاد فرسایش ناشی از کاویتاسیون محسوب می شود. چراکه شرایط حاکم بر مکانیک جریان یافتن این توده سیال است که در برخورد با دیواره جامد (مانند سطوح پمپ یا لوله های منتقل کننده این حجم از روغن هیدرولیک) موجبات فرسودگی و تخریب این سطوح را فراهم می آورند. البته، از دیدگاه مکانیک سیالات، سرعت نسبی (بعنوان نقطه شروع فرسودگی سطوح تماس با جریان روغن) همیشه بین جریان روغن و سطح دیواره جامد وجود داشته و همین حرکت نسبی است که باعث کاهش فشار موضعی روغن هیدرولیک می شود. وقتی که جریان روغن به نقطه جوش خود رسیده و غلیان شروع شود، حباب های بخار در جریان آزاد روغن هیدرولیک تشکیل شده و کاویتاسیون آغاز می گردد. البته، کاویتاسیون ناشی از تشکیل هر یک از این حباب ها عمر چندانی ندارد. چراکه تقریبا هرگونه افزایشی در فشار جریان آزاد روغن موجب چگالش بخار محصور در این حباب ها شده و همین کاهش حجم، همانطور که بالاتر توضیح داده شد، موجب تشکیل موج ضربه ای (Shock Wave) می گردد که به سطوح جامد اطراف جریان روغن هیدرولیک حمله کرده و باعث تخریب آنها می گردد.

مکانیزم این تخریب بدین صورت است که موج ضربه، ابتدا یک تنش فشاری به سطح جامد وارد کرده، و سپس، با بازتابش این تنش به جریان روغن (قانون سوم نیوتن) یک تنش کششی را در راستای عمود بر سطح به دیواره جامد وارد می کند.

اما، این تنها عارضه جانبی چگالش حباب های گاز نیست. موردی که بالاتر بدان اشاره کردیم جریان های میکروجتی هستند که اثر تخریبی خود را دارند. شکل 2 را ببینید. در این شکل نحوه چگالش و درهم فرو ریختگی یک حباب گاز در مجاورت سطح جامد و، به تبع آن، تشکیل میکروجت را نشان می دهد.

شکل 2: شماتیکی از فرآیند چگالش حباب گاز در جریان روغن هیدرولیک و تشکیل میکروجت (منبع: Noria)

بعنوان یک قاعده عمومی در مکانیک سیالات، کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که شرایط هیدرواستاتیک حاکم بر جریان روغن به هیدرودینامیک تبدیل شود. این تبدیل معمولا از طریق تغییر ناگهانی، موضعی، یا مقطعی، در فشار هیدرواستاتیک روی می دهد. این تغییر را می توان در افت فشار مقطعی و موضعی ناشی از چگالش بخار روغن درون حباب های ریز و پرشمار حاضر در جریان روغن (در اثر نزدیک شدن دمای عمومی جریان روغن به نقطه جوش آن) مشاهده کرد. اما، در این میان، نباید از نقش هوای محلول در جریان روغن (مکانیزم شناوری) و ذرات آلودگی جامد همراه جریان روغن هیدرولیک در تسریع و تسهیل تشکیل حباب های بخار روغن و کاویتاسیون ناشی از آن غافل شد. این نقش می تواند بصورت محفظه های بسیار کوچک حاوی هوا یا گاز موجود در شکاف های بسیار کوچک در جداره مخزن یا مدار روغنرسانی یا بصورت هوا یا گازی باشد که در معیت توده ذرات آلاینده شناور و همراه جریان روغن باشد. نتیجه ای که از این جمله می خواهیم بگیریم آن است که هر توده ای از جریان روغن هیدرولیک در هر مدار روغنرسانی می تواند به نوبه خود مستعد به بروز کاویتاسیون باشد. چراکه ذرات جامد آلاینده و انحلال هوا یا گاز در هر سطحی از تمیزی و پاکی جریان روغن هیدرولیک نو یا کارکرده می تواند وجود داشته باشد.

بعنوان یک قاعده عمومی، وجود فضا های خالی یا میدان های جریان (Flow Field) در همسایگی سطوح جامد اطراف جریان روغن هیدرولیک نشان دهنده آغاز فرآیند کاویتاسیون است. چراکه این میادین جریان محل رسیدن فشار موضعی جریان روغن به حداقل مقدار خود هستند و این یعنی نقطه آغاز استحاله فشار هیدرواستاتیک به هیدرودینامیک. میادین جریان، با توجه به اینکه حاوی حداقل فشار هیدرودینامیکی ممکن هستند، محل ایده آلی برای تولد، رشد، و نگهداری از حباب های حاوی گاز یا بخار روغن به شمار می روند. این حباب ها با پیوستن به یکدیگر تشکیل حباب های بزرگتر یا حتی توده ای از حباب های ریز را می دهند که می توانند در کسری از ثانیه درهم فروریخته، و با اعمال تغییرات شدید در فشار موضعی، شروع به تخریب سطوح جامد اطراف خود کنند.

همانطور که می دانیم، و البته قابل تصور هم هست، حباب های گاز یا بخار روغن هیدرولیک در اطراف و سطوح جانبی جریان روغن هیدرولیک در مدار روغنرسانی واقعند. با چگالش این حباب ها، ذرات جریان روغن اطراف آنها با سرعت به سمت مرکز جریان روغن رانده می شوند. انرژی سینتیک ناشی از حرکت بسیار سریع این ذرات از مرز های جریان به سمت لایه های مرکزی جریان روغن موجب تشکیل ضربه قوچ (Water Hammer) های موضعی و البته بسیار شدید به شکل امواج ضربه ای می شود. این امواج ضربه ای، بیشتر از آنکه روی مرکز جریان تاثیرگذار باشند، به سمت حباب های گازی باز گشته و سبب بروز اثرات مخربی روی قطعات و سطوح جامد می گردند.

کاویتاسیون، راه ها و ابزار تشخیص:

بمنظور تشخیص وقوع یا حتی پتانسیل آغاز فرآیند کاویتاسیون، ابزار ها و ادوات صوتی (سنسور های فشار آکوستیک)، تصویری، ارتعاشی، ادوات اندازه گیری صوتی - نوری (Sono - Luminescence) یا حتی از طریق اندازه گیری و مقایسه مشخصات عملکردی سیستم سیال (اعم از دبی، یا پاسخ سیستم، یا...) موجود و در دسترس است. با وقوع کاویتاسیون، سرعت فرسایش در مدار روغنرسانی هیدرولیک چند برابر می شود. این موضوع از طریق آنالیز عناصر حاضر در نمونه روغن هیدرولیک نیز قابلیت تشخیص زودهنگام دارد. بدین ترتیب که با Single Rise شدن یکی از عناصر نماینده شاخص فرسایش (برای اطلاعات بیشتر به پست «آنالیز روغن موتور»، جدول 1، در همین وبلاگ مراجعه فرمایید) یا حتی High Rise شدن گروهی از چنین عناصری می توان به آغاز این مکانیزم تخریبی در مدار روغنرسانی هیدرولیک پی برد. این امکان از آن جهت مطرح می شود که کاویتاسیون قادر به تخریب سطوح و فرسایش فولاد های سختی مانند انواع فولاد های ابزار و استلایت ها است. بنابراین، می توان با مطالعه روند نمو حضور عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، آهن، و...در نمونه روغن هیدرولیک به وضعیت فرآیند کاویتاسیون در مدار هیدرولیک پی برد.

میزان خسارتی که کاویتاسیون می تواند باعث شود بستگی تام به سرعت و فشاری دارد که درهم فروریختگی (چگالش) حباب های گاز (یا هوا) می تواند تولید کند. چراکه در اثر این سرعت و فشار مقطعی و موضعی در جریان روغن هیدرولیک است که سطوح جامد اطراف جریان روغن تحت موجی از تنش های شدید قرار می گیرند. در همین راستا، از آنجا که عمر این موج تنشی بسیار کوتاه است، و در عین حال، شدت ضربه وارده به سطوح جامد و زمان مورد نیاز برای چگالش در مورد حباب های بزرگتر در دیفرانسیل فشار های لازم برای چگالش بیشتر است، بنابراین می توان نتیجه گرفت که هرچه تنش کششی روی سطوح جریان روغن (فصل مشترک جریان روغن با سطوح جامد دربرگیرنده آن) بیشتر باشد، که این به معنی کمتر شدن فشار استاتیک جریان روغن هیدرولیک است، شاهد حباب های گاز بزرگتری در جریان روغن بوده و به تبع آن، شدت کاویتاسیون بیشتر خواهد بود که خود منجر به عمق بیشتری از صدمات و خرابی ناشی از آن می گردد.

اما، این صدمات و خساراتی که اینقدر به آنها اشاره می کنیم، دقیقا چیستند؟ موج ضربه ناشی از تشکیل و، سپس، درهم فروریختگی حباب های گاز سبب بوجود آمدن حفرات آتش نشانی کم عمق و متقارن، و در عین حال، تغییر شکل های دائمی در سطح قطعات سیستم هیدرولیک می گردد. بدین ترتیب، صدمات ناشی از کاویتاسیون، درست مانند خرابی های ناشی از خستگی یا Fatigue Failure، سه دوره زمانی دارند:

-         دوره کُمون: در این دوره زمانی از وقوع خرابی، با وقوع تغییر شکل های الاستیک و پلاستیک، ترک های بسیار ریز (Micro-cracks) در اطراف مرز دانه ها و ناخالصی های همیشه حاضر در بطن آلیاژ قطعات جوانه می زنند. در این مرحله، در صورت تشخیص به موقع و زودهنگام، می توان با عملیات ترمیمی خاص قطعه را همچنان در سیکل کاری خود نگاه داشت؛

-         دوره تشدید: طی این دوره زمانی، روند رشد ترک های ریز ادامه یافته و با وقوع عواملی مانند تنش های کششی یا فشاری در قطعات هر از چندگاهی پیشرفت بیشتر و سریعتری می کنند. در این مرحله، همچنان امکان نجات دادن تجهیز و اجتناب از وقوع خرابی های بیشتر وجود دارد؛

نکته: یکی از مشکلاتی که در این دوره با آنالیز روغن هیدرولیک قابل تشخیص است، ذرات فلزی جدا شده از قطعات فلزی مدار هیدرولیک و حاضر در جریان روغن است. اندازه این ذرات که با ضربات ناشی از کاویتاسیون از سطح قطعات جدا می شوند ارتباط مستقیمی با سختی این قطعات دارد. در واقع، بزرگترین ذرات در این مرحله از قطعات جدا شده و وارد جریان روغن هیدرولیک می شوند. اندازه ذراتی که در مرحله بعدی از قطعات جدا می شوند، کوچکتر است.

-         دوره پایداری: در این دوره، نرخ رشد ترک ها و پخش شدن آنها در سراسر ساختار قطعه به عددی ثابت رسیده و عملا دیگر امکان نجات قطعه از شکست وجود ندارد.

همانطور که قبلا گفتیم، در یک سیستم روغن (در اینجا: روغن هیدرولیک) حباب های گازی زمانی شکل می گیرند که تنش های کششی جریان روغن ناشی از فشار پایین ایجاد شوند. این حباب های گازی که همراه با جریان روغن در حرکتند، وقتی به یک منطقه پرفشار از مسیر روغن می رسند، تحت تنش های فشاری شدید، موضعی، و مقطعی قرار گرفته و بشدت فشرده می شوند. این فشردگی باعث چگالش و درهم فروریختگی این حباب ها می شود. بدین ترتیب، بخشی از مسیر جریان روغن که محل تولد حباب ها، محل چگالش آنها، و محل وقوع خرابی ناشی از کاویتاسیون است، الزاما می تواند مستقل از هم باشد. عدم توجه به این نکته، بسیاری از کارشناسان تحلیل خرابی را به اشتباه انداخته است. نکته دومی که باید هر کارشناس آنالیز خرابی و آنالیز روغن (بویژه در سیستم های هیدرولیک) بدان توجه کند آن است که خرابی و صدمات ناشی از کاویتاسیون پدیده ای کاملا مکانیکی هستند و برای وقوع به وجود تنش های کششی و فشاری شدید، مقطعی، و موضعی در جریان روغن نیاز مبرم دارند.

اما، مناطقی که بیشترین پتانسیل وقوع کاویتاسیون در مدارات هیدرولیک را دارند، دقیقا کجا هستند؟

بخش های متعدد و متنوعی از مسیری که روغن هیدرولیک در یک مدار طی می کند در معرض کاویتاسیون هستند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

-         بخش پایین دستی جریان روغن عبوری از کنترل ولو ها (بخصوص آنهایی که دیفرانسیل فشاری بالایی داشته باشند)؛

-         بخش محفظه مکش پمپ ها؛

-         در اکچوایتور (عملگر) هایی که سرعت عمل و واکنش بالایی داشته باشند (هم خطی و هم روتاری)؛

-         هرجا که نشتی وجود داشته باشد (اعم از اطراف آببند ها، سیت های ولو، و اطراف اسپول ها)؛

نکته: در این بخش از مدارات هیدرولیک، سرعت بالای جریان روغن موجب افت فشار جریان روغن در اطراف بخش های حاوی نشتی به زیر فشار بخار نامی جریان روغن هیدرولیک می شود (در برخی منابع، به این حالت Wire-Drawing اطلاق می شود).

-         هرجایی از مسیر روغن هیدرولیک که انحنای تند، زوایای تیز، کاهش ناگهانی سطح مقطع جریان، افزایش ناگهانی سطح مقطع، و هرگونه تغییر شکل ناگهانی داشته باشد (مانند دیافراگم ها، ولو ها، و...) شکل 4 را ببنید.

شکل 3 روند تشکیل حباب های گاز یا بخار روغن و سپس کاویتاسیون را در یک پمپ دنده ای نشان می دهد.

شکل 3: شماتیکی از فرآیند کاویتاسیون در یک پمپ دنده ای (منبع: Noria)

شکل 4: شماتیکی از فرآیند کاویتاسیون و فرسایش سطوح در پی تغییر سطح مقطع و هندسه محل عبور جریان روغن هیدرولیک (منبع: Noria)

اما، چگونه می توان آثار مخرب ناشی از کاویتاسیون را کاهش داد؟

طی فرسایش ناشی از کاویتاسیون، ترک های بسیار ریز یا Micro-Crack به سمت آن بخشی از قطعات می روند که استحکام لازم برای مقاومت در برابر ضربات شدید، مقطعی، و موضعی ناشی از کاویتاسیون را از دست داده است. بدین ترتیب، ذرات ناشی از برخورد این ضربات سهمگین به قطعات آلیاژی سیستم هیدرولیک به تدریج از آنها جدا شده و وارد جریان روغن هیدرولیک می شوند. توجه به این موضوع لازم است که درست همانند فرآیند خرابی ناشی از خستگی یا Fatigue Failure، ترک های بسیار ریز ناشی از کاویتاسیون نیز ابتدا در نقاط تمرکز تنش یا Stress-Rising Regions هر قطعه رخ می دهند. از طراحی اجزا، احتمالا (!) بیاد داریم که این نقاط معمولا شامل هرگونه تغییر شکل شدید در هندسه یا سطح قطعه می باشند، اعم از شکاف ها، سوراخ ها، برآمدگی ها، فرورفتگی ها، کنارسوختگی های جوش، پلیسه های لبه قطعات، عیوب جوشکاری، و... یا بخش های ناهمگن و نامتجانس از متریال یا آلیاژ تشکیل دهنده قطعات، اعم از ناهمگنی ناشی از ریخته گری، ناخالصی ها، و بخش های کربن زدایی شده. بنابراین، هر ناهمواری و زبری در سطح قطعات بکار رفته در سیستم هیدرولیک می تواند نقطه شروعی برای کاویتاسیون باشد.

از سوی دیگر، با توجه به مطالبی که قبلا بیان شد، یکی از بهترین و موثرترین راهکار ها برای اجتناب از کاویتاسیون در یک مدار هیدرولیک، کاهش احتمال وقوع تنش های کششی در جریان روغن هیدرولیک است. به عبارت دیگر، مجموعه کاربران تجهیزات هیدرولیکی (اعم از مالک تجهیز، مشاور، طراح، سازنده، نصاب، و...) باید سعی در کاهش احتمال وقوع شکست محور جریان روغن یا خلا در مسیر عبور جریان روغن هیدرولیک داشته باشند. در این خصوص، عنایت به موارد زیر می تواند در این زمینه راهگشا و مفید باشند:

-         افزایش سطح فشار در خروجی ولو های تراتلینگ؛

-         افزایش فشار ورودی در بخش مکش پمپ (ها) با استعانت از تکنیک هایی مانند سوپرچارجینگ ورودی پمپ، و...؛

-         بازرسی های دوره ای و بازبینی وضعیت نصب و شرایط سیال در اکچویتور ها؛

-         انجام تست های لازم بمنظور تشخیص زودهنگام میزان آب محلول در جریان روغن هیدرولیک و اتخاذ راهکار های مناسب برای کاهش میزان آب در آن بمنظور کاهش احتمال Wire-Drawing؛

نکته: آب دارای فشار بخاری بالاتر از روغن هیدرولیک است. بنابراین، وجود آن بیش از 600ppm در صد میلی لیتر از روغن هیدرولیک می توان موجب تمایل به تشکیل حباب های بخار در مناطقی مانند سیت ولو ها و آببندی های دینامیک شود.

-         استفاده از روغن های هیدرولیک با فشار بخار پایین؛

-         انتخاب پمپ هایی با مشخصات شارژینگ جریان هیدرولیک مناسب؛

-         انتخاب روغن هیدرولیک با ویسکوزیته دینامیک پایینتر یا بالا بردن دمای روغن هیدرولیک

در بسیاری از موارد، مهندسان طراح قادر به کاهش صدمات و خسارات ناشی از کاویتاسیون با انتخاب متریال مناسب هستند. بعنوان مثال، در برخی از قطعات پمپ ها و ولو ها، می توان بجای آلومینیوم از فولاد های زنگ نزن استفاده کرد یا اینکه در برخی از قطعات که سطوحی حساس به کاویتاسیون داشته باشند از Hard Facing استفاده کرد (شکل 5 را ببینید).

شکل 5: میزان مقاومت گروه های مختلف مواد به کاویتاسیون (منبع: Noria)

یک راه دیگر در ایجاد مقاومت به کاویتاسیون در سطح قطعات (بویژه پمپ ها و برخی آببند ها و ولو ها) استفاده از قطعات لاستیکی یا روکش های الاستومریک در برخی قطعات است.

 

انتخاب روغن گیربکس-مطالعه موردی

با درود و احترام به پیشگاه کلیه خوانندگان این وبلاگ مهندسی

موضوعی که در این پست قصد بررسی آن را داریم، نحوه انتخاب روغن برای یک گیربکس مارپیچ است که در قالب یک مطالعه موردی و مثالی ارائه می شود تا در آینده مورد استفاده خوانندگان محترم در موارد مشابه قرار گیرد.

شرح سوال: گیربکس مارپیچی داریم که عکسی از پلاک آن در شکل های 1 و 2 آمده است. این گیربکس در اتاق مجهز به Air Condition قرار داشته و دمای پوسته آن در حالت عادی و با سنجش از طریق ترمومتر لیزری، برابر با 20 درجه سلسیوس است. مشکل اینجاست که این گیربکس با گریس نسوز پر شده و پس از پنج دقیقه کار مداوم در دمای 80 درجه سلسیوس استوپ (Stop) می کند. لطفا نوع روغن مناسب برای این گیربکس مارپیچ (حلزونی) را مشخص فرمایید.

شکل 1: عکس از گیربکس

شکل 2: نمای نزدیک از پلاک گیربکس

پاسخ: از عکس های ارسالی مشخص می شود که این گیربکس از نوع حلزونی، مدل RMI28S، با نسبت کاهش یک به هشتاد، ساخت کمپانی ایتالیایی STM به آدرس وبسایت http://www.stmspa.com می باشد. با مراجعه به وبسایت این شرکت و مطالعه Service Manual و کاتالوگ محصولات این کمپانی، اطلاعات زیر دریافت شده است:

شکل 3: بخشی از کاتالوگ شرکت STM که به مشخصات ابعادی و استاندارد ساخت گیربکس RMI28S اختصاص دارد (منبع: STM)

با مراجعه به همین منوآل، صفحه B11، بند 1.4، با عنوان «Lubrication» مشخص می شود که این گیربکس برای تحویل به مشتری با روغن سینتتیک و گرید ISO VG 320 پر می شود. بنابراین، تا بدینجای کار، نوع (Type)، کلاس، و گرید روغنی که بدنبال آن هستیم مشخص شد:

Type: Synthetic/Mineral Oil (Synthetic Preferred)

Class: Gear Oil

Grade: ISO VG 320

بحث مینرال را از آنجا مطرح کردم که دمای استپ گیربکس و دمای عادی کارکرد آن مشخص است. در عین حال، شرکت STM در منوآل خود (همان صفحه، همان بند) استفاده از روغن های تیپ سینتتیک را ارجح دانسته، اما استفاده از روغن مینرال را منع نکرده است. بنابراین، باید دید که اگر با توجه به شرایط بازار ایران و محل قرار گیری و کارکرد این گیربکس، انتخاب بهتر و ارزانتری وجود داشته باشد، به سراغ آن برویم.

شکل 4: جدول مشخصات روغنکاری گیربکس RMI28S (منبع: STM)

خب! کار ما با این منوآل تمام شده و برای اطلاعات بیشتر و جمع بندی باید به سراغ کاتالوگ محصولات کمپانی STM برویم. این کاتالوگ که 238 صفحه است اطلاعات بیشتری را در اختیار می گذارد. با مراجعه به بند 1.6 این کاتالوگ، صفحات A6 تا A8، در می یابیم که کمپانی STM برای گیربکس های خود سه نوع آپشن را از دیدگاه تیپ روغن توصیه می کند:

-         روغن های مینرال: باید زمانی انتخاب شود که محدودیت دمایی برای کارکرد روغن وجود نداشته (یعنی گیربکس در محدوده دمایی کنترل شده و مشخصی کار کند و دمای عملکردی آن نیز خیلی سرد یا خیلی گرم نباشد) و گیربکس در حالت بارگذاری سبک و عملکرد آن نیز مداوم نباشد.

-         روغن های PAO یا Poly-Alpha-Olefin: این تیپ از روغن ها زمانی برای گیربکس ما مناسبند که محدوده دمایی مشخص نبوده یا دمای عملکردی خیلی سرد یا خیلی گرم باشد. بارگذاری سنگین و عملکرد مداوم و بدون توقف نیز مزید بر علت استفاده از این تیپ روغن ها هستند.

-         روغن های PAG یا PolyAlkylene Glycol: این تیپ از روغن ها باید زمانی انتخاب شوند که اصطکاک لغزشی شدیدی (High Sliding Friction) در محل نصب و رژیم کاری گیربکس وجود داشته باشد. این رفتار بیشتر در شفت های گیربکس های مارپیچ مشاهده می شود. اما، در استفاده از این روغن ها باید دقت کافی را به عمل آورد! چراکه روغن های PAG با بیشتر ترکیبات روانکار ناسازگاری شیمیایی دارند. از سوی دیگر، روغن های PAG تمایل زیادی به پذیرش کامپاند های هیدراته (آب) در ساختار خود داشته و از این رو، کیفیت روغنرسانی خود را به سرعت از دست می دهند. بنابراین، با توجه به وجود در بازار، قیمت، و این نقطه ضعف در تلفیق پذیری با آب، روغن های PAG از دور انتخاب خارج می شوند.

با مراجعه به جدول صفحه A8 کاتالوگ فوق (شکل 5) می بینیم که انتخاب روغن برای گیربکس های STM براساس محدوده های دمایی زیر توصیه شده است:

-         از -10 تا +25 درجه سلسیوس؛

-         از -5 تا +25 درجه سلسیوس؛

-         از -5 تا +35 درجه سلسیوس؛

-         از 0 تا +35 درجه سلسیوس؛

-         از +10 تا +45 درجه سلسیوس؛

-         از 0 تا +50 درجه سلسیوس؛ و

-         از +10 تا +60 درجه سلسیوس

شکل 5: جدول انتخاب روغن برای انواع گیربکس (منبع: STM)

با نگاهی به جدول مندرج در شکل 5 می توان فهمید که روغن های تیپ PAO و PAG برای محدوده دمای عملکردی خیلی سرد (-10 درجه سلسیوس) تا خیلی گرم (+60 درجه سلسیوس) مناسبند. حال آنکه گیربکس RMI28S موضوع این پست در دمای کنترل شده +20 درجه سلسیوس کار می کند و در پیک دمایی +80 درجه سلسیوس از کار می افتد. بنابراین، بازه های دمایی 0 تا +35 و 0 تا +50 درجه سلسیوس برای این گیربکس انتخاب مناسبی بنظر می رسند. اما، کدامیک از این دو محدوده دمایی درست است؟ در عین حال، در صورت استفاده از روغن PAO بجای مینرال، چه ملاحظاتی باید رعایت شود؟

پاسخ به این دو سوال که تکلیف کار انتخاب روغن این گیربکس را مشخص می کند، در مراجعه به MAINTENANCE BOOKLET، شرکت STM، صفحه 11 از 15، نهفته است. شکل 6 را نگاه کنید:

 شکل 6: بخشی از Maintenance Booklet که به انتخاب روغن گیربکس می پردازد (منبع: STM)

همانطور که در جدول شکل 6 مشهود است، محدوده دمایی 0 تا +50 درجه سلسیوس انتخاب ارجحی است. این از سوال اول که پاسخش را گرفتیم! حال به سراغ سوال دوم می رویم:

براساس جدول مندرج در صفحه 14 از 15 Maintenance Booklet کمپانی STM که در شکل 7 نشان داده شده است، روغن این گیربکس براساس شرایط عملکردی و نگهداری باید بین 500 تا 1000 ساعت کارکرد عوض شود.

شکل 7: بخشی از Maintenance Booklet که به تعویض روغن گیربکس می پردازد (منبع: STM)

از سوی دیگر، با توجه به اینکه دمای عملکردی این گیربکس زیر 60 درجه سلسیوس است، بنابراین، در صورت استفاده از روغن مینرال، هر 4000 ساعت نیاز به سرریز روغن برای این گیربکس داریم. در عین حال، اگر از روغن PAO استفاده کنیم، نیازی به سرریز روغن نخواهد بود.

بر این اساس، پیشنهاد نویسنده این پست برای این گیربکس به شرح زیر است:

روغن بهران بردبار PS، با گرید ISO VG 320، مینرال

نکته: براساس بند 4.4 Maintenance Booklet کمپانی STM، صفحه 11، در صورتیکه تمایل به استفاده از گریس برای روغنرسانی به این گیربکس را داشته باشید، لازم است که از گریس با روغن پایه سینتتیک (PAO) با گرید قوام NLGI 00 استفاده شود. در مراجعه به منابع دیگر از کمپانی STM که شرح آن در شکل های 4 و 5 ذکر شد، تغلیظ گر گریس می تواند از گروه لیتیم ها باشد.