داغ شدن برینگ ها

در این پست، قصد بر آنست که به مساله داغ شدن برینگ ها و راه های تشخیص و جلوگیری از آن بپردازیم. داغ شدن برینگ که در ادبیات مهندسی به Running Hot معروف بوده و نمایی از آن در شکل 1 نشان داده شده است، یکی از مشکلات نگهداری و پایش وضعیت ادوات روتاری در سطح تعمیرات جاری(و نه اساسی!) بوده و برای مقابله با آن و شات دان نشدن یونیت، راهکارهای تجربی گوناگونی پیشنهاد شده است: از تعویض برینگ بگیرید تا ریختن آب روی آن! اما، از دیدگاه مهندسی، داغ شدن برینگ مشمول مراحلی است که اقدام متقابل بمنظور کاهش دمای عملکردی برینگ باید متناسب با آن مرحله باشد.

شکل 1: نمایی از داغ شدن یک برینگ که با دوربین فروسرخ تشخیص داده شده است

اما، سوالی که قبل از شروع بحث باید بدان پاسخ داده شود، مفهوم کلمه «داغ یا Hot» است. معمولا، آن چیزی داغ محسوب می شود که دمای سطح آن از 55 درجه سلسیوس بیشتر باشد. بدین ترتیب که وقتی دمای سطح یک قطعه از 50 درجه سلسیوس بالاتر می رود، دیگر نمی توان آن را براحتی و بمدت طولانی در دست نگه داشت.

پس از این تعریف، به سراغ مورد بعدی می رویم و آن چگونگی بدست آوردن دمای واقعی برینگ است. شکل 2 نمونه ای از تصویر ترموگرافی ثبت شده از یک برینگ در حال کار را نشان می دهد. بیاد داشته باشید که آنچه که دوربین ترموگرافی یا ترمومترهای لیزری یا گچ حرارتی یا سنسور های حرارتی به شما نشان می دهند، دمای سطح برینگ است و درجه حرارت در بخش های داخلی برینگ که محل وقوع خرابی است، حدود 10 تا 15 درجه بیشتر است!

شکل 2: نمونه ای تصویری که با دوربین ترموگرافی از بخش های مختلف یک برینگ در حال کار گرفته شده است

شکل 3: چارت رنگی محدوده های متفاوت دمایی برای یک برینگ و معنی اولیه آن

دمای طراحی برای بیشتر برینگ های صنعتی کمتر از 80 درجه سلسیوس است. بنابراین، حرارت سطحی کمتر از 80 درجه سلسیوس، با توجه به جدول شکل 3، نشانه خوبی است. اما، با بالا رفتن دمای عملکردی برینگ، از عمر لوبریکانت آن بشدت کاسته می شود. بطوریکه با عبور از مرز 65 درجه سلسیوس، بازای هر 8 درجه افزایش دما، باقیمانده عمر گریس نصف خواهد شد. در مورد روغن ها نیز، افزایش دما منجر به کاهش نمایی ویسکوزیته سینماتیک خواهد شد. شدت این کاهش را می توان در شیب نمودار شکل4 (منبع: SKF) مشاهده کرد. همانطور که قبلا گفته شده بود، کاهش ویسکوزیته منجر به نازک شدن فیلم روغن شده و خطر برخورد مستقیم ناهمواری های دو سطح متقابل در برینگ و شفت افزایش خواهد یافت (برای جزییات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست اثر دما بر ویسکوزیته روغن توصیه می شود).

محدوده دمایی 80 تا 95 درجه سلسیوس که در شکل 3 با رنگ زرد مشخص شده، به شرایط احتیاط یا Caution condition معروف است. اگرچه این محدوده دمایی کمی بالاتر از محدوده دمایی خوب است، و حتی ماشین آلات بسیاری را نیز می توان یافت که دمای طراحی آنها در این محدوده قرار بگیرد، اما احتیاط واجب آن است که با ورود به این محدوده، تاریخچه ای از روند عملکرد برینگ در این محدوده دمایی را ثبت کرد. با تحلیل آماری داده های این تاریخچه، می توان خط عملکرد نرمال را تعیین نمود. برای گیربکس ها، موسسه AGMA سقف دمایی 95 درجه سلسیوس را برای مخزن روغن تعریف کرده است. از سویی، آنچه که در آنالیز حرارتی یک برینگ یا مجموعه ای از برینگ ها پس از محدوده دمایی، در جایگاه دوم اهمیت قرار می گیرد، نوسان دمایی است. بعنوان یک قاعده کلی، نوسان بیش از 10 درجه سلسیوس در دمای عملکردی یک برینگ به معنای هشدار جدی است. از جمله عواملی که می تواند در داغ شدن یک برینگ یا نوسان حرارتی آن در این محدوده دمایی تاثیرگذار باشد، می توان به روغنرسانی ضعیف، بارگذاری سنگین، سرعت چرخش بالا، روغنرسانی بیش از حد نیاز(منجر به Grease Overpressure یا ماسیدگی روغن که به Oil Churning معروف است)، و عدم همترازی یا Misalignment  اشاره کرد.

شکل 4: نمودار تغییرات ویسکوزیته سینماتیک روغن روانکار برحسب دما (منبع: SKF)

محدوده دمایی بعدی که در شکل 3 با رنگ نارنجی مشخص شده، به شرایط هشدار یاAlert condition  معروف بوده و به بازه دمایی 96 تا 120 درجه سلسیوس اختصاص دارد و از جمله علل رسیدن به این بازه دمایی می تواند ناشی از تمرکز تنش، برینگ تازه گریس یا روغنکاری شده، اوورگریسینگ، مراحل اولیه خرابی برینگ، و... باشد. در چنین شرایطی، باید جزییات فرآیند را بررسی کرد یا وضعیت تجهیز را با دقت بیشتری پایش نمود. آنالیز نمونه روغن یا گریس می تواند در این مرحله بسیار مفید باشد

مرحله بعدی در چارت شکل3 (قرمز رنگ) که به شرایط اعلان خطر یا Alarm condition معروف است، به محدوده دمایی 121 تا 150 درجه سلسیوس اختصاص دارد. عملکرد برینگ در این محدوده دمایی به معنی رسیدن برینگ به مراحل پیشرفته خرابی است. در این مرحله، علاوه بر ترموگرافی و آنالیز روغن، باید از ابزارهای دیگری مانند آنالیز فرکانسی، سنجش تغییر مکان با آلتراسونیک یا اشعه فروسرخ، یا...جهت اطمینان از وضعیت تجهیز استفاده کرد. در چنین شرایطی، کاهش سرعت چرخش یا بارگذاری یا کاهش تعداد استارت آپ می تواند بسیار راهگشا باشد. در این مرحله، از روغنکاری مجدد برینگ اکیدا خودداری کنید! چراکه روغنرسانی به برینگ در این شرایط منجر به بالا رفتن ضریب اصطکاک و در نتیجه، افزایش هرچه بیشتر دمای آن خواهد شد.

مرحله آخر که به بیش از 150 درجه سلسیوس می پردازد و با رنگ خاکستری در شکل 3 نشان داده شده، به شرایط توقف فوری یا  Force Shut-down معروف بوده و نویسنده این پست با این مرحله بسیار آشنا است و دستورهای شات دان بسیاری صادر کرده است! برینگ ها در این محدوده دمایی، مراحل نهایی خرابی را طی کرده و عنقریب تجهیز را با مشکلات بغرنجی مواجه خواهند کرد. گاه فرصت واکنش در این مرحله به چند ساعت محدود می شود و دیگر صحبت از چند روز نیست! در این مرحله، برینگ را باید از دست رفته دانست و باید بفکر نجات هوزینگ و شفت و... بود! در چنین شرایطی، باز کردن برینگ نباید بلافاصله پس از شات دان باشد و باید به برینگ فرصت داد که سرد شده و اصطلاحا به پایداری حرارتی برسد. این زمان کاملا به هندسه برینگ وابسته است. در این مرحله از روغنکاری برینگ باید کاملا برحذر بود. چراکه این عمل منجر به خرابی بلافصل و آنی برینگ خواهد شد. در چنین شرایطی، باید اجازه داد تا برینگ پس از شات دان سرد شود و نباید روی آن آب ریخت! چراکه این عمل منجر به شکستگی شفت یا حداقل تغییر خواص متالورژیک شفت خواهد شد. اما، اگر عجله در کار باشد، استفاده از فن یا پنکه ای  که هوای محیط را به برینگ و هوزینگ بدمد، بلامانع خواهد بود.