اندیس (شاخص) ویسکوزیته چیست؟

با درود فراوان

این پست از وبلاگ دانش روغنکاری به معرفی مشخصه ای از یک روغن اختصاص دارد که در انتخاب یک روانکار اهمیتی فوق العاده و بسیار حساس دارد. در این پست، قصد داریم به معرفی اندیس (شاخص) ویسکوزیته یا به اختصار VI (مخفف Viscosity Index) بپردازیم.

اندیس ویسکوزیته یا VI پس از ویسکوزیته سینماتیک (معمولا در دو دمای 40 و 100 درجه سلسیوس) در جایگاه سوم پارامتر های مهم در انتخاب یک روغن قرار می گیرد. البته، گاه، بسته به نوع روغن و تجهیز، جای این اندیس با ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100 درجه سلسیوس عوض شده و به جایگاه دوم ارتقا می یابد. اما، اشتباهی که گاهی اوقات کارشناس آنالیز روغن به آن دچار می شود، مستتر دانستن VI در گرید ویسکوزیته نامی یا کلاس ISO VG یک روغن (نو و کارکرده) است. این اشتباه، گاه به قیمت از دست رفتن فرصت تعمیر و بازگرداندن یک تجهیز به کار تمام می شود.

می دانیم که ویسکوزیته یک روغن مشخصه ای مکانیکی (و نه فیزیکی!) از یک روغن است که آیینه تمام نمایی از کیفیت استحکام زنجیره ملکول های هیدروکربنی آن به شمار رفته و با ایجاد اصطکاک بین زنجیره های ملکولی تشکیل دهنده ساختار شیمیایی روغن و میزان حرکت آنها در پاسخ به آن اندازه گیری می شود. بر این اساس، هر چه اصطکاک بین ملکولی بالاتر باشد، یا به عبارتی، هرچه زنجیره های ملکولی طویلتر باشند، روغن ویسکوزیته بالاتری را از خود نشان می دهد.  

با این تعریف، ویسکوزیته به دو نوع تقسیم می شود:

الف) ویسکوزیته دینامیک یا ویسکوزیته ظاهری: که به دو عامل رژیم جریان روغن (توربولانت یا لمینار) و دمای آن بستگی دارد. البته این وابستگی خطی نیست. بدین ترتیب، ویسکوزیته دینامیک به نوع روغن بستگی ندارد!

ب) ویسکوزیته سینماتیک: که حاصل تقسیم ویسکوزیته دینامیک در یک رژیم جریان خاص و یک بازه دمایی خاص بر دانسیته آن روغن در آن بازه دمایی است. بدین ترتیب، ویسکوزیته سینماتیک به نوع روغن بستگی دارد!

اما، آنچه که در کاتالوگ ها، بروشور ها، و برچسب های معرفی محصولات روانکار به مشتری به چشم می خورد، ویسکوزیته دینامیک روغن است. معمولا دانسیته روغن (آنهم در یک دمای خاص، معمولا 15 درجه سلسیوس) بصورت جداگانه در بروشور های معرفی روغن یا MSDS (مخفف Material Safety Data Sheet) آن داده می شود که کارشناس آنالیز روغن می تواند با تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر دانسیته داده شده در این بروشور ها یا گزارش آنالیز واصله از آزمایشگاه، به مقدار ویسکوزیته سینماتیک یک روغن دست یابد.

ویسکوزیته دینامیک نقش بسیار مهم و تعیین کننده ای در تعیین ضخامت فیلم روغن و استحکام آن بازی می کند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه پست «اهمیت استحکام فیلم روغن» در همین وبلاگ توصیه می شود. مشخصات عملکردی دیگری از روغن نیز از ویسکوزیته (سینماتیک یا دینامیک) تاثیر می پذیرند که شرح خلاصه ای از آنها در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: اثرات ویسکوزیته بر مشخصات عملکردی مختلف یک روغن

بدین ترتیب، بدون در نظر گرفتن حرارتی که جریان روغن در یک تجهیز تجربه می کند، صحبت کردن راجع به ویسکوزیته آن بی معنی خواهد بود. اما، نکته ای که در این میان اغلب از چشم کارشناسان آنالیز روغن، در مبحث انتخاب یک روغن، پنهان می ماند، این است که آنچه که در بروشور ها و سایر مدارک معرفی یک محصول روانکار بیان می شود، تنها ویسکوزیته آن محصول در یک دمای نقطه ای خاص است: 40 درجه سلسیوس؛ که اصلا برای تصمیم گیری درباره کیفیت و مناسبت آن با کاربردی که در نظر داریم، کافی نیست! آنچه که در تصمیم گیری برای انتخاب یک روغن نافذ است، دانستن واکنش یک روغن به تغییرات حرارتی محیط عملکردی آن از طریق افت ویسکوزیته دینامیک آن است. به دیگر سخن، برای انتخاب یک روغن (بویژه روغن های برینگی، توربینی، و موتوری) باید رفتار حرارتی روغن (منحنی ویسکوزیته دینامیک آن برحسب درجه حرارت) کاملا مشخص باشد. اما، این منحنی همیشه در دسترس نیست! اگر خیلی خوش شانس باشیم، ویسکوزیته دینامیک در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس را داریم! اینجاست که اندیس ویسکوزیته وارد می شود! این شاخص توسط E. Dean و C. Davis در سال 1929 ابداع شد. این شاخص، که مانند بسیاری از شاخص های مهندسی، بی بعد است در استاندارد ASTM D2270 تعریف شده و مطابق آن اندازه گیری می شود.

این شاخص، که روش پیدایش آن مانند عدد اکتان منشایی صفر و صدی (حداقل و حداکثری) داشته و براساس دو مقدار طبیعی و تجربی بدست می آید، براساس واکنش طبیعی دو روغن خام پارافینیک و نفتنیک اندازه گیری و سنجیده می شود. از مکانیک سیالات می دانیم که سیالات پارافینیک (که روغن خام حاصل از نفت پنسیلوانیا بیشترین تطابق با این تعریف را دارد) کمترین واکنش ویسکوزیته را در برابر حرارت دارند. بنابراین، عدد شاخص ویسکوزیته این روغن صد (VI = 100) فرض می شود. از سوی دیگر، سیالات نفتنیک (که روغن خام حاصل از نفت استحصالی از خلیج تگزاس بیشترین تطابق را با این تعریف دارد) نیز بیشترین واکنش ویسکوزیته را در برابر تغییرات حرارت داشته و بدین ترتیب اندیس ویسکوزیته آن صفر (VI = 0) است. بدین ترتیب، دو نقطه حداقل و حداکثر برای این شاخص تعیین شده است. بر این اساس، اگر رفتار حرارتی یک روغن بین دو دمای 40 و 100 درجه سلسیوس به روغن پنسیلواینایی نزدیک بود، شاخص ویسکوزیته آن 100 است. ولی اگر این رفتار به روغن خلیج تگزاس شبیه تر بود، شاخص ویسکوزیته آن به صفر نزدیکتر می شود.

بنابراین، هر چه شاخص ویسکوزیته یا VI یک روغن بالاتر باشد، تمایل به حفظ ویسکوزیته آن در بازه های دمایی مختلف و در اثر شوک های حرارتی بیشتر بوده و رفتار حرارتی روغن قابل پیش بینی تر است. پس می توان نتیجه گرفت که شاخص ویسکوزیته بالاتر به معنای کیفیت بهتر آن روغن است.

اما، این روش استاندارد برای اندازه گیری (یا به بیان بهتر: پیش بینی) شاخص ویسکوزیته یک روغن است. این بدان معنی است که با همین روش، می توان با دانستن ویسکوزیته دینامیک یا سینماتیک یک روغن در دو نقطه دمایی (مثلا 20 و 80 درجه سلسیوس) شاخص ویسکوزیته یک روغن را پیش بینی کرد. اما، اعداد 40 و 100 درجه سلسیوس، ایستگاه های استاندارد برای اندازه گیری شاخص ویسکوزیته هستند. روش شخصی نویسنده این پست بدین صورت است که ویسکوزیته دینامیک یک روغن در دو دمای 40 و 100 را وارد نرم افزار های محاسباتی مانند Excel یا MATLAB کرده و با اتصال این دو نقطه به یکدیگر، معادله خط را بدست می آورد. بدین ترتیب، عرض از مبدا و ضریب زاویه نمودار خطی بدست آمده نشاندهنده کیفیت رفتار حرارتی یک روغن است. هرچه عرض از مبدا این خط بیشتر و بالاتر باشد، بدان معنی است که ویسکوزیته دینامیک روغن با شتاب و شیب بیشتری در اثر شوک حرارتی کاهش می یابد. به نمودار شکل 1 نگاه کنید.

شکل 1: نمودار ویسکوزیته خطی (بین 40 و 100 درجه سلسیوس) دو روغن موتوری و کمپرسوری (خطا: صفر)

سوالی که در اینجا مطرح می شود آن است که عدد مناسب برای شاخص ویسکوزیته روغنی که می خواهیم انتخاب کنیم، چقدر باید باشد؟ آیا استاندارد و مرجعی در این باره برای تصمیم گیری هست؟

پاسخ به این سوال کمی مشکل است و بستگی به شرایط تجهیز دارد. روغن هایی تولید شده اند که شاخص ویسکوزیته ای بیش از 400 دارند. اما، اکثر روغن های صنعتی موجود در بازار شاخص ویسکوزیته ای بین 90 تا 160 دارند. مقدار شاخص ویسکوزیته مناسب برای یک عملکرد، معمولا بصورت تجربی تعیین می شود و استاندارد یا مرجع خاصی در این مورد وجود ندارد. بعنوان مثال، برای توربین های بخار، شاخص ویسکوزیته نباید از 95 پایینتر بوده و برای موتور های درونسوز خودرویی، شاخص ویسکوزیته کمتر از 100 پسندیده نیست. در مورد روغن های برینگی، معمولا شاخص ویسکوزیته بالا مناسبتر است و معمولا شاخص ویسکوزیته کمتر از 120 مناسب تشخیص داده نمی شود. بطور کلی، موارد تجربی زیر می تواند در انتخاب روغنی یا اندیس ویسکوزیته بالا یا پایین مورد توجه واقع شوند:

الف) شاخص ویسکوزیته بالا برای موارد زیر کاربرد دارد:

- مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته روغن معلوم نباشد؛

- بارگذاری یا سرعت چرخش یکسان یا یکنواخت نباشد؛

- دمای عملکردی متفاوت و متغیر باشد؛

- قصد بر بهینه سازی انرژی در بین باشد؛

- قصد بر افزایش طول عمر روغن (افزایش بازه تعویض روغن) باشد؛ و

- قصد بر کاهش MTTR  و افزایش MTBF باشد.

ب) شاخص ویسکوزیته پایین در موارد زیر صاحب کاربرد است:

- بارگذاری و سرعت چرخش معلوم، ثابت، و یکنواخت باشد؛

-  دمای عملکردی تجهیز یکنواخت باشد؛ و

- مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته سینماتیک در یک بازه دمایی خاص معلوم بوده و قابل دستیابی باشد.

مطالعه موردی: اکنون، به مقایسه دو روغن می پردازیم که هر دو از یک گرید هستند (ISO VG 150). یکی مینرال (بعنوان روغن A) و دیگری سینتتیک (با نام روغن B). اما، شاخص ویسکوزیته روغن مینرال 95 و روغن سینتتیک 150 است. حال، رفتار حرارتی این دو روغن را از نقطه دمایی منفی 20 تا مثبت 100 درجه سلسیوس بررسی می کنیم. این رفتار حرارتی در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: مقایسه رفتار حرارتی دو روغن مینرال و سینتتیک از یک گرید (ISO VG 150)

مقایسه داده های جدول 2 بیانگر آن است که با وجود عدم تفاوت چشمگیر دو روغن در دمای 40 درجه سلسیوس، شاهد تفاوت 236 درصدی ویسکوزیته سینماتیک در دمای منفی 20 و منفی 25 درصدی در دمای 100 درجه سلسیوس هستیم. پس از این دو روغن، با اینکه در دمای 40 درجه سلسیوس تفاوتی با هم ندارند، اما در صورت بروز شوک حرارتی تفاوت رفتاری فاحشی از خود نشان می دهند.

شکل 2: نمودار شماتیکی از شش نوع روغن با یک گرید ویسکوزیته، ولی شاخص ویسکوزیته متفاوت

بدین ترتیب، در انتخاب یک روغن یا جایگزین سازی آن نباید تنها به ویسکوزیته دینامیک یا بطور خلاصه به گرید ISO VG آن دقت کرد. بلکه، اندیس ویسکوزیته آن را نیز باید در نظر گرفت. پیشنهاد نویسنده این است که بجای مقایسه اعداد موجود در کاتالوگ روغن های مختلف برای انتخاب یک کدام، بهتر است ویسکوزیته دینامیک هر روغن را در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس رسم کرده و مانند شکل 2 نمودار خطی چند روغن را بصورت هندسی با هم مقایسه کرد.