رژیم های روغنرسانی

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره انواع رژیم های جریان روغن است.

شرح سوال: انواع رژیم های جریان روغن که در پست «محاسبه دبی روغن به ژورنال برینگ ها» بدان اشاره کرده اید، چیست؟ توضیح کامل می خواستم.

پاسخ به این سوال، با توجه به متون و منابع مختلف فنی و مهندسی در زمینه روغنرسانی و آنالیز روغن، متفاوت است. چراکه هر یک از این منابع، براساس اهداف نویسنده و دامنه خوانندگان و مخاطبان خود، اقدام به تنظیم دسته بندی رژیم های مختلف روغنرسانی به ادوات مکانیکی کرده اند و این، حداقل از نظر نویسنده این سطور، کاملا درست است. بدلیل اینکه هر یک از رژیم های روغنرسانی، در واقع، ابزاری در دست طراح سیستم یا مدار روغنرسانی هستند تا عمر مفید یک قطعه یا مجموعه ای از اجزای یک سیستم ترمودینامیک/هیدرودینامیک را مشخص کنند.

در همین راستا، برخی منابع مهندسی و طراحی اجزا، انواع رژیم های جریان روغن را بر سه، و برخی بر پنج بخش، می دانند. اما، در اینجا، و بطور کلی، چهار نوع و حالت از جریان روغن را معرفی خواهیم کرد: روغنرسانی مرزی، مخلوط، الاستو-هیدرودینامیک، و هیدرودینامیک.

توضیح این نکته لازم است که در برخی از منابع مهندسی، بیشتر موتور های دیزل سنگین، و برخی منابع طراحی اجزای موتور های high performance هوایی یا خودرویی، از اصطلاح الاستو-ترمو-هیدرودینامیک نیز بعنوان شاخه ای از رژیم های روغنرسانی به برینگ ها استفاده شده است که در این پست، آن را زیر مجموعه ای از حالت سوم دانسته و بدون اینکه آن را حالتی مستقل بخوانیم، صرفا بدان اشاره ای خواهیم کرد.

الف) روغنرسانی مرزی (Boundary Lubrication Regime):

این تیپ از روغنرسانی در تماس فلز با فلز (Metal-to-Metal contact) اجزای محرک و متحرک یک ماشین بیشترین کاربرد را دارد. این حالت از تماس بین سطوح، در موارد زیر نمود پیدا می کند:

- در اولین لحظات استارت موتور (مانند ژورنال برینگ ها)؛

- طی آخرین لحظات خاموش کردن و از حرکت ایستادن موتور (مانند ژورنال برینگ ها)؛

- در شرایط بارگذاری متمرکز و سنگین (مانند پین ها و بوش های ماشین آلات ساختمانی)

در چنین شرایطی، سطوح فلزی قطعات درگیر با یکدیگر در مجموعه مونتاژی (Mating Parts) در لحظاتی هرچند کوتاه با یکدیگر درگیری شدید پیدا کرده و تنش های برشی و سطحی بزرگی را متحمل می شوند. در این حالت، اگر فیلم روغن از ضخامت کافی برخوردار نباشد تا زبری سطوح درگیر را جبران نکند، بیش از 90 درصد بار روی قله های ناهمواری بین دو سطح (در حالت میکروسکوپیک) وارد و متمرکز خواهد شد. در این حالت، شاخص لامبدا کمتر از یک خواهد شد (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: شماتیکی از رژیم روغنرسانی مرزی

اصولا، سعی بر این است که در روغنرسانی به مرحله روغنرسانی مرزی نرسیم. چراکه به عقیده بیشتر متخصصان روغنکاری، احتمال بروز آسیب به قطعات مونتاژی در یک مجموعه در این حالت بسیار بالاست که آنهم به دلیل اصطکاک در بالاترین حد خود می باشد.

اما، شاخص لامبدا (λ) چیست؟ در دانش سوده شناسی (Tribology)، بمنظور توصیف هر یک از حالت های تشکیل فیلم روغن بین فضای تماسی بین سطوح جامد (و صلب!) از شاخصی بنام لامبدا استفاده می شود که تعریف فیزیکی آن نسبت ضخامت فیلم روغن به زبری (ناهمواری) دو سطح درگیر است. بدین ترتیب: - وقتی لامبدا از یک (در برخی منابع: 1.2) کوچکتر شود، روغنرسانی در حالت مرزی در حال انجام است. - وقتی لامبدا بین 1 (در برخی منابع: 1.2) و 3 (در برخی منابع: 2) قرار گیرد، روغنرسانی در حالت مخلوط یا فیلم نازکی از روغن انجام می پذیرد. و در آخر - وقتی شاخص لامبدا از عدد 3 (در برخی منابع: 2) عبور کند، ضخامت فیلم روغن به بالاترین حد خود رسیده و اصطلاحا، روغنرسانی در حالت فیلم کامل (هیدرودینامیک) انجام می شود. این مراحل، در نموداری بنام «نمودار استریبک» نشان داده شده است. شکل 2 را ببینید. شکل 2: نمودار استریبک در سه حالت روغنرسانی مرزی، مخلوط، و روغنرسانی هیدرودینامیک

همانطور که قبلا اشاره شد، روغنرسانی در حالت مرزی بیشتر در حین استارت و خاموش کردن تجهیز، یا در بارگذاری های سنگین و کم سرعت اتفاق می افتد. اما، در حالت عمومی، وقوع این حالت از روغنرسانی را می توان در هر موقعیتی دانست که دو سطح روغنکاری شده، طی حرکت نسبی، در معرض تماس فیزیکی با یکدیگر قرار گرفته و بدین ترتیب، پتانسیل چسبندگی و ساییدگی سطوح در این حالت به بیشترین مقدار خود می رسد. بنا به عقیده بیشتر کارشناسان روغنرسانی و سوده شناسی، نزدیک به 70 درصد خرابی های ناشی از چسبندگی بین سطوح یا ساییدگی آنها در دو زمان استارت یا خاموش کردن تجهیز رخ می دهد.

اما، بمنظور فرار از عواقب ناشی از روغنرسانی مرزی چه راهکار هایی پیش رو است؟ یکی از رایجترین و آسانترین راهکار ها در این زمینه، انتخاب ویسکوزیته سینماتیک مناسب برای روغنکاری سطوح می باشد. روانکاری که از ویسکوزیته سینماتیک خیلی پایینتی برخوردار باشد، قادر به حفظ ضخامت فیلم روغن (و در نتیجه: ایجاد حائلی بین سطوح فلزی درگیر) نخواهد بود که نتیجه بلافصل آن، تماس فیزیکی بین دو سطح فلزی خواهد بود. اما، این همه ماجرا نیست و این سکه روی دیگری هم دارد! چراکه با افزایش بیش از حد ویسکوزیته سینماتیک، تمایل به اصطکاک بین ملکول های روغن نیز افزایش یافته و پدیده ای با عنوان «ماسیدگی روغن» پیش خواهد آمد که خود عامل مهمی در افزایش دمای سطوح تماسی خواهد بود. برای اطلاعات و جزییات بیشتر در این زمینه، مراجعه به پست «داغ شدن برینگ ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

روش دومی که در این تیپ از موارد کاربرد دارد (بیشتر در زمینه چرخدنده ها و کمپرسور ها)، استفاده از روانکار هایی با فرمولاسیون تقویت شده (شامل انواع ادتیو های ضد سایشی و Extreme Pressure ها) است. هدف از اینکار، واکنش این ادتیو ها با ناهمواری های سطحی دو سطح فلزی درگیر (در حضور فشار و دمای بالا) و تشکیل لایه ای محافظ و فدا شونده روی سطوح فلزی است که قابلیت بازسازی و ترمیم دارد. بدین ترتیب، لایه ای محافظ و ناپایدار روی سطوح فلز تشکیل خواهد شد که در اثر فشار و سایش از میان رفته و با جریان یافتن مجدد روغن و واکنش دهی ادتیو های درون ساختار شیمیایی آن با فلز پایه، دوباره ترمیم خواهد شد. شکل 3 را ببینید.

شکل 3: شماتیکی از ساختار سطوح درگیر فلزی و لایه های مختلف تشکیل شده روی آنها

ب) روغنرسانی مخلوط (Mixed Lubrication Regime):

بطور کلی، با افزایش سرعت لغزش بین سطحی، روغنرسانی در حالت مرزی کمرنگ شده و به تدریج حالتی از تجمع نامتقارن و مقطعی روغن در بخش هایی از مسیر جریان روغن بین دو سطح فلزی مماس با یکدیگر رخ می دهد که بخاطر شکل تقریبا سه گوش آن به Oil Wedge یا گوه روغن معروف است. بدین ترتیب، با کاهش احتمال تماس فیزیکی بین سطوح و به تبع آن، افزایش ضخامت فیلم روغن، ضریب اصطکاک بین سطوح درگیر نیز کاهش یافته و به حدی می رسد که در سوده شناسی به روغنرسانی در حالت مخلوط معروف است. در این حالت، بدلیل وجود گوه روغن و اصل تراکم ناپذیری این سیال، شاهد مقداری نابالانسی در حین چرخش خواهیم بود. این حالت از روغنرسانی به سطوح درگیر، در واقع، برزخی بین روغنرسانی مرزی و روغنرسانی در حالت تشکیل فیلم کاملی از روغن (روغنرسانی هیدرودینامیک/الاستو-هیدرودینامیک) بوده و با افزایش ضخامت فیلم روغن، کم کم شاهد تشکیل فیلم کاملی از روغن در فضای مابین سطوح تماسی خواهیم بود.

شکل 4: شماتیکی از رژیم روغنرسانی مخلوط

ج) روغنرسانی هیدرودینامیک (Hydrodynamic Lubrication, HDL, Regime):

شرط این حالت از روغنرسانی، تشکیل فیلم کاملی از روغن مابین سطوح لغزنده (مانند سطح شفت و ژورنال برینگ) است که بمنظور برقرار این شرط، به کیفیت مونتاژ و انطباق هندسی بالایی بین سطوح قطعات مونتاژی در یک مجموعه مکانیکی نیاز است. یکی از شروط این کیفیت مونتاژ بالا، انطباق شعاع انحنای سطوح متقابل (مانند انحنای سطح خارجی شفت و سطح داخلی ژونال برینگ) بوده که مستقیما منجر به کاهش فشار تماسی (100~300psi) در، مثلا، ژورنال برینگ های صنعتی در زمان حرکت نسبی خواهد شد.

شکل 5: شماتیکی از رژیم روغنرسانی هیدرودنامیک

رسیدن به این حالت از روغنرسانی پس از طی شرایط بالغ بر دو حالت رژیم روغنرسانی قبلی بوده و در حالت کلاسیک، بدون گذر از آنها حاصل نمی شود. اما، زمان و کیفیت عبور از دو رژیم روغنرسانی قبلی در مدیریت خرابی ادوات روتاری نقش حیاتی دارد. در این رژیم از روغنرسانی، حجم سه گوش روغنی که نطفه آن در رژیم روغنرسانی مخلوط بسته شده بود، به بهترین حالت خود رسیده و با تکیه بر اصل تراکم ناپذیری روغن، بعنوان بالشتی بین دو سطح متقابل عمل می کند. بدین ترتیب، ریسک برخورد و سایش دو سطح با یکدیگر به حداقل مقدار خود می رسد. در این رژیم، تنها عامل اصطکاکی ناشی از حرکت نسبی لایه های روغن نسبت به یکدیگر است که تا حدودی موجب افزایش دما خواهد بود.

شکل 6: شماتیکی از نحوه عملکرد بالشتک سه گوش روغن

ضخامت فیلم روغن در این رژیم بین 2 تا 100 میکرون بوده و در ژورنال برینگ های بسیار بزرگ (مانند انواع توربین های بزرگ نیروگاهی) به 300 میکرومتر نیز می رسد. بمنظور حفظ این محدوده ضخامت فیلم روغن، لازم است که ویسکوزیته سینماتیک روغن طوری انتخاب شود که رژیم روغنرسانی به برینگ ها در هر ترکیبی از شرایط عملکردی (سرعت بالا و بار سنگین، سرعت بالا و بار سبک، سرعت پایین و بار سنگین، و...) حفظ شود.

د) روغنرسانی الاستو-هیدرودینامیک (Elasto-Hydrodynamic Lubrication, EHL, Regime):

این حالت از روغنرسانی زمانی اتفاق می افتد که یکی از شروط زیر در روغنرسانی هیدرودینامیک برقرار باشد:

- حرکتی غلتشی (Rolling Motion) بین سطوح متقابل برقرار باشد: این نوع از حرکت گردابی، هرچند کوچک، می تواند موجب افزایش فشار سطحی یا حتی تمرکز تنش در بخش هایی از هر یک از سطوح قطعات درگیر را فراهم آورد؛

- عدم تطابق هندسی (Surface Dissimilarity) بین سطوح درگیر وجود داشته باشد: هرگونه عدم تطابق هندسی بین سطوح درگیر، موجب برهم خوردن الگوی توزیع فشار بین دو سطح شده و نتیجتا، فشار تماسی (بین چند صد تا چند هزار psi) بالا خواهد رفت

- فیلم روغن در بخشی از مسیر ناگهان نازک شده ولی بعد به شرایط معمول خود بازگردد: از این حالت که در برخی از منابع با عنوان رژیم روغنرسانی ترمو-الاستو-هیدرودینامیک یاد می شود، بیشتر می تواند ناشی از تمرکز تنش های حرارتی در بخش هایی از یکی از سطوح درگیر یا فساد روغن باشد.

شکل 7: شماتیکی از رژیم روغنرسانی الاستو-هیدرودینامیک

وقتی روغن طی سیر طبیعی مدار روغنرسانی خود وارد محوطه بین المان غلتشی (Rolling Element) و سطح متقابل آن (معمولا Raceway) می شود که در برخی منابع به منطقه تماس (Contact Zone) معروف است، فشار آن بطور ناگهانی افزایش می یابد. این افزایش ناگهانی فشار بصورت مستقیم روی ویسکوزیته سینماتیک و بصورت غیرمستقیم روی تراکم پذیری فیلم روغن اثر می گذارد. از سوی دیگر، آن بخشی از سطوح جامد و صلب که در منطقه تماس قرار دارند نیز، تحت تاثیر تمرکز فشار و تنش، و در پاسخ طبیعی به آن، دچار اندکی تغییر شکل (صاف شدن) الاستیک خواهند شد. توجه شود که در حالت تمرکز حرارت (ترمو-الاستو-هیدرودینامیک) شدت این تغییر شکل و کیفیت بازگشت به حالت اولیه آن (کرنش الاستیک) تحت تاثیر قرار گرفته و نسبت به EHL تغییر خواهد کرد. بدیهی است که خواص متالورژیک و مشخصات گرماکاری (عملیات حرارتی) سطوح درگیر در نحوه پاسخ به این محرک فیزیکی، و لذا رفتار خرابی تجهیز، نقش بسزایی دارند.

در اغلب موارد، ضخامت فیلم روغن در این رژیم، یک (1) میکرون در نظر گرفته می شود. این مقدار با توجه به محدوده ارتفاع قلل ناهمواری های سطحی 0.4 تا 0.8 میکرون در نظر گرفته شده است.