انتخاب روغن پمپ: مطالعه موردی

با درود بیکران به محضر مبارک تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

هدف از پست حاضر، پاسخ به اعلام نیاز یکی از مخاطبین محترم وبلاگ دانش روغنکاری در خصوص انتخاب روغن مناسب برای روانکاری یک پمپ تغذیه آب بویلر است. امید است که رهنمود ها و راهنمایی های مندرج در این پست، راهگشای مشکلات کسانی باشد که بعدها قصد حل مشکلی شبیه به این را دارند.

شرح سوال: پمپی داریم که مشخصات عملکردی آن در پلاک نشان داده شده در شکل 1 تعریف شده است. این پمپ قرار است در جنوب کشور و در زیر آفتاب نصب شده و آب با دمای 120 درجه سانتیگراد را دریافت کرده و سپس با مشخصات درج شده در پلاک به مدار تغذیه آب بویلر پمپاژ می کند. مکانیزم پمپ سانتریفیوژ چند مرحله ای (BB4، تعریف شده در استاندارد API 610) است. برینگ های این پمپ نیز از نوع NU1016 هستند. قصد بر این است که با توجه به مشخصات عملکردی و مدارک فنی پمپ که از سازنده تحویل شده است، نسبت به انتخاب روغن مینرال یا سینتتیک ایرانی اقدام کنیم.

شکل 1: تصویری از پلاک پمپ حاوی اطلاعاتی درباره مشخصات عملکردی و سازنده و مدل آن

برای پاسخ به این سوال، ابتدا باید شرایط کاری پمپ را مد نظر قرار دهیم. با توجه به اینکه دمای سیال ورودی به پمپ حدود 120 درجه سلسیوس است و در عین حال، محل نصب این پمپ زیر آفتاب جنوب ایران قرار دارد، بنابراین، دمای برینگ های پمپ نباید از 90 درجه سلسیوس کمتر شود. از سوی دیگر، با مراجعه به منوآل پمپ، جدول 4 که در شکل 2 نشان داده شده است روغن ISO VG 68 را برای این پمپ پیشنهاد می دهد. اما، جدول 5 انتخاب واقع گرایانه تری را بدست می دهد. شکل 2 را ببینید. در عین حال، با مراجعه به پستی در همین وبلاگ با عنوان «انتخاب ویسکوزیته روانکار برای ژورنال برینگ ها»، جدول 1، و با توسل به شکل 1 همین پست که سرعت چرخش (دور) پمپ را از روی پلاک آن 2974 rpm بدست می دهد، می توان گرید روغن ISO VG 100 را برای این پمپ انتخاب بهتری دانست.

شکل 2: جداول 4 و 5 منوآل پمپ که روغن مناسب برای پمپ BB4 را پیشنهاد می دهند

انتخاب ISO VG 100 بجای ISO VG 68 برای این پمپ از آن جهت است که برینگ های این پمپ در شرایط Alert Condition قرار داشته و اصطلاحا Hot Running Bearings محسوب می شوند. این شرایط در پست دیگری در همین وبلاگ با عنوان «داغ شدن برینگ ها» تعریف شده است. بنابراین و با توجه به اینکه برینگ های شما در مرز عملکردی داغ عمل کرده و دور پمپ شما نیز بالاست، لذا برینگ های پمپ شما ریسک خرابی آنها بالایی داشته و نیاز مبرم به روغنرسانی دایمی دارند. بدین ترتیب، و به منظور حفظ استحکام و ضخامت فیلم روغن در سطوح درگیر تبادل تنش برینگ های این پمپ، لازم است که ویسکوزیته سینماتیک روغن مصرفی یک گرید بالاتر گرفته شود. برای اطلاع در مورد نقض ضخامت فیلم روغن مطالعه پست «رژیم های روغنرسانی» در همین وبلاگ توصیه می شود. در صورتیکه به اطلاعاتی درباره استحکام فیلم روغن و عوامل موثر بر آن نیاز داشتید، می توانید به پست دیگری در همین وبلاگ با عنوان «اهمیت استحکام فیلم روغن» مراجعه بفرمایید.

حال که گرید ویسکوزیته روغن مصرفی مشخص شد، باید نوع روغن پایه را تعیین کنیم. روغن های مصرفی برای بازه دمایی 90 تا 130 درجه سانتیگراد، شامل هر دو دسته مینرال و سینتتیک می شوند و می توان از هر دو این دسته از روغن ها استفاده کرد (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مطالعه پست «کاربرد روغن در دماهای خیلی بالا» در همین وبلاگ توصیه می شود). منتها، در صورت استفاده از روغن های مینرال، باید به سراغ گروه III روغن های پایه برویم (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). چراکه گروه های I و II روغن های پایه مینرال برای این بازه دمایی مناسب نیستند. در مورد روغن های سینتتیک نیز، بهترین انتخاب روغن هایی هستند که برپایه گروه IV سنتز شده باشند. یعنی روغن های پایه PAO. روغن های سینتتیک پایه گروه V (یعنی PAG و ...) علیرغم مقاومت حرارتی خوب و عمر عملکردی بسیار بالا، چندان برای اینکار توصیه نمی شوند. چراکه مشکلات ناسازگاری شیمیایی با برخی از آلیاژ ها و پلیمر ها داشته و قیمت بسیار بالایی نیز دارند.

بدین ترتیب، و تا بدین جای کار، باید بدنبال روغنی بگردیم که گرید آن ISO VG 100 و از روغن های پایه گروه III یا IV تشکیل شده باشد.

برای انتخاب بین مینرال یا سینتتیک، مراجعه به مدارک سازنده پمپ راهگشا خواهد بود. جدول 7 منوآل این پمپ راهنمایی لازم را می دهد. شکل 3 را ببینید.

شکل 3: بخشی از منوآل سازنده پمپ (جدول 7) که زمان تعویض بین روغن های مینرال و سینتتیک را بدست می دهد

بدین ترتیب، و براساس داده های ستون آخر جدول شماره 7 منوآل سازنده پمپ، عاقلانه ترین انتخاب در مورد این پمپ و این شرایط عملکردی، روغن سینتتیک خواهد بود.

تا این مرحله، ویسکوزیته سینماتیک روغن مشخص شد (ISO VG 100)، و روغن پایه آن نیز تعیین شد (گروه IV، PAO). اکنون بعنوان مرحله یکی مانده به آخر، باید خواص شیمیایی و نوع ادتیو های آن را مشخص کنیم. باز هم بهترین راهنما در این مورد، منوآل سازنده تجهیز است. مطابق پاراگرافی از آن که در شکل 4 نشان داده شده است، این روغن نباید دارای خاصیت پاک کنندگی یا دترجنت باشد. در عین حال، این روغن نباید دارای ترکیبات قوی اسیدی، کامپاند های هیدراته (آبدار)، رسوبات سخت، کامپاندهای صابونی، انواع رزین ها، و دیگر عوامل رسوب زا باشد. در عین حال، این روغن باید دارای خاصیت ضد خوردگی و آنتی اکسیدان باشد.

شکل 4: بخشی از پاراگراف یکی از بخش های منوآل پمپ که به ترکیبات شیمیایی روغن اشاره کرده است

پاراگراف نشان داده شده در شکل 4، بخشی از الزامات و نگرانی های سازنده تجهیز را منعکس می کند. بدین ترتیب، روغنی باید انتخاب شود که خاصیت روانکاری، در عین خنک کنندگی، داشته و قابلیت انتقال حرارت خوبی داشته باشد. این روغن نمی تواند دارای کامپاندها و ادتیو های Dispersant و Detergent باشد. پس نمی توان از روغن های موتوری سینتتیک برای این تجهیز استفاده کرد. چراکه یکی از مشخصه ها و ادتیو های رایج در روغن های موتوری، ادتیو های Dispersant-Detergent هستند که اغلب از نمک های کلسیم، سدیم، یا باریم تشکیل شده اند. پس تا بدینجای کار، یک آپشن حذف می شود: روغن های موتوری.

آپشن دیگری که حذف می شود، روغن های هیدرولیک سینتتیک است. چراکه این تیپ از روغن ها اغلب دارای عدد اسیدیته کل بالای 0.5 هستند که می تواند برای این مرز دمایی خورنده باشد و احتمال حمله اسیدی را تشدید کند. برای اطلاعات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بدین ترتیب، بهترین انتخاب ممکن، که با شرایط و الزامات سازنده پمپ نیز جور در می آید، استفاده از روغن های برینگ یا اگر گیر نیامد، کمپرسوری، سینتتیک است. این روغن ها، علاوه بر انتقال حرارت خوبی که دارند، آنتی اکسیدان نیز بوده و بشدت نسبت به انواع مکانیزم های خوردگی مقاومند. عدد اسیدیته کل پایین (معمولا 0.01) داشته و از ادتیو های Dispersant-Detergent در آنها خبری نیست. بدین ترتیب، نوع روغنی که باید بدنبال آن باشیم تعیین می شود: روغن برینگ یا کمپرسور سینتتیک.

برای مرور، تا اینجای کار، به این روغن رسیده ایم: روغن سینتتیک صنعتی، با گرید ISO VG 100، نوع برینگی یا کمپرسور. اکنون باید برای آخرین مرحله، تامین کننده را شناسایی کنیم. ایرانی یا خارجی؟

پاسخ به این سوال نسبتا راحت است: تولید کنندگان ایرانی در زمینه روغن های سینتتیک موتوری فعالیت بیشتری دارند که یکی از انتخاب های اوت ما بود! بنابراین، تکلیف روشن است و باید بدنبال روغن خارجی بگردیم. با اندکی مطالعه در اینترنت می توان دریافت که با توجه به توضیحات فوق، اولین و بهترین انتخاب روغن برینگ Shell Morlina S4 B100 یا معادل آن است. بعنوان آپشن دوم، می توان به روغن کمپرسوری Shell Corena S4 R100 یا معادل آن نیز بعنوان انتخاب جایگزین فکر کرد.

آنالیز روغن گیربکس: مطالعه موردی

با درود فراوان

هدف از این پست، پاسخ به سوال یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ و در عین حال، یک مطالعه موردی یا Case Study از آنالیز روغن یک گیربکس (جعبه دنده) صنعتی است.

شرح مساله: گیربکس صنعتی را در نظر بگیرید که در یک سیستم کانوایر در یک منطقه کویری (نزدیک دریا) کار می کند. از آنجا که گیربکس نزدیک دریا است، Single Rise شدن عناصری مانند کلسیم و سدیم کاملا پذیرفته است. از سوی دیگر، بدلیل Hi-Rise بودن همیشگی عناصری مانند Si و Al، فرسایندگی یا Erosivity روغن گیربکس نیز بالا است. بنابراین، Single Rise شدن گاه به گاه عناصری مانند Fe نیز دور از انتظار نبوده و به امری عادی بدل شده است. شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن و سرب در طول زمان (Historical Trend)

با گرم شدن هوا (اواسط فصل بهار)، سطح عناصر Fe، Cr، Ni، و Pb ناگهان شروع به افزایش شدید کرده و توجه کارشناس نگهداری و تعمیرات را جلب می کنند. در نگاه اول، به نظر می رسد که سه عنصر اول به کارسودگی (Wear-out) قطعات فولاد آلیاژی و عنصر آخر نیز به سایش (Wear) برینگ های گیربکس مربوطند. بر این اساس، کارشناس مربوطه دستور تعویض روغن گیربکس را می دهد. پس از چند ماه کار و در اواسط تابستان، اولین نتایج آنالیز روغن حاکی از ادامه روند کارسودگی و سایش است. شکل 2 را ببینید.

براساس داده های شکل 2، کارشناس نگهداری و تعمیرات نتیجه گرفت که گیربکس وارد مرحله بروز خرابی و توقف کار شده است. اما، برای تصمیم گیری در مورد توقف کار گیربکس، این اطلاعات و ادله کافی نیست! در این مورد، کارشناس مربوطه، به درستی، به سراغ داده های آنالیز ارتعاش رفت.

شکل 2: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن، کروم، نیکل، و سرب در طول زمان (Historical Trend)

داده های آنالیز ارتعاش نشان دهنده رفتار ارتعاشی غیرمعمول در برینگ ورودی گیربکس بود. بنابراین، نتایج آنالیز روغن تایید شد و تصمیم بر تعویض گیربکس قرار گرفت. اما، مشکل چه بود؟

پاسخ به این سوال در ترکیبی از تست های آنالیز روغن نهفته است. ترکیبی از مشخصات عملکردی روغن که در ظاهر ارتباطی به یکدیگر ندارند! اما، با تلفیق این داده ها با یکدیگر است که کارشناس آنالیز می تواند به دید عمومی و روشنی درباره تحلیل خرابی پیش بینانه دست یافته و سپس، اقدامی پیشگیرانه انجام دهد. یکی از این مشخصه ها، ویسکوزیته سینماتیک روغن است و ارتباط دهی آن با آنالیز عناصر و تفسیر نتایج کسب شده، احتیاج به دانش و تجربه فراوان دارد.

در مورد این گیربکس، اتفاق جالبی افتاده بود! بدین شرح که روغنی که در سال قبل و با آغاز فصل پاییز، بدلیل پاره ای تصمیمات مدیریتی، گرید روغن مصرفی از ISO VG 680 به ISO VG 150 تغییر می یابد! طی این چند ماه و تا آغاز فصل تابستان و بروز برخی علائم هشدار دهنده، عدم تطابق ویسکوزیته نمونه روغن کارکرده ارسالی به آزمایشگاه با مشخصات روغن مصرفی ذکر شده در منوآل گیربکس بصورت مداوم توسط آزمایشگاه گوشزد می شده است. بالاخره در اواسط تابستان، تصمیم به بازگرداندن گرید روغن به همان ISO VG 680 گرفته و این روغن یکبار در گیربکس شارژ می شود. اما، دیگر دیر شده بود! و گیربکس فردای آن روز جام کرد! نمودار شکل 3 را ببینید.

شکل 3: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن، کروم، نیکل، و سرب در طول زمان (Historical Trend) از حدود یکسال قبل تا بروز خرابی

پس از باز کردن گیربکس، مشخص شد که تمامی مجرا های سیستم روغنرسانی پر از لجن بوده و تماما مسدود شده بودند. روغن ISO VG 150، بدلیل ویسکوزیته پایینتر قادر به روان شدن و باز کردن راه خود از میان این مجرا های بسته و رساندن خود به بخش های عملکردی و درگیر تبادل تنش بود. اما، همین مقدار نیز کفایت روانکاری کل گیربکس را نمی کرد! اما از هیچ هم بهتر بود!

با تغییر مجدد نوع روغن به ISO VG 680، ویسکوزیته روانکار به حالت اولیه خود برگشته و روغن دیگر قادر به عبور از مجاری نیمه بسته و پر از لجن نبود! بنابراین، همان آب باریکه هم قطع شد و عملا گیربکس بمدت یک شیفت کاری بدون روغن کار می کرد! و همین علت جام کردن آن، یک روز پس از تعویض روغن، بود!

اما، مسئولیت این خسارت با کیست؟

پاسخ به این سوال با شرح ماجرای فوق بسیار راحت است: انگشت اتهام کارشناس آنالیز روغن (نگهداری و تعمیرات) را نشان می دهد! چرا؟ چون اشتباه ایشان بوده است که باعث خرابی گیربکس شده است. اما، اشتباه کجاست؟

یکی از مواردی که در دوره آنالیز روغن پیشرفته بدان پرداخته و بر آن بشدت تاکید می شود، اشتباهات رایج در آنالیز روغن و گریس است. یکی از اشتباهات رایج، عدم توجه به روند اکسیداسیون روغن یا گریس و نتایج آن، بویژه در روغن های صنعتی است که در تجهیزات ترمودینامیک کار نمی کنند، مانند روغن های هیدرولیک و روغن های گیربکس. اشتباه مسلم کارشناس نگهداری و تعمیرات در مورد این گیربکس نیز عدم توجه به اکسیداسیون روغن گیربکس، تشکیل لجن، و مسدود شدن مجاری روغنرسانی بود. اتفاقی که با تست ساده TAN ممکن بود منجر به نجات گیربکس و عدم نیاز به تغییر ویسکوزیته روغن از ISO VG 680 به ISO VG 150 شود. اگر روند تغییر TAN روغن کارکرده در برابر رفتار ویسکوزیته سینماتیک و آنالیز عناصر با هم و بصورت همزمان دیده می شد (بحث نمودار تجمعی یا Cumulative Graph) بروز خرابی در مدارات ناشی از تشکیل لجن و اکسیداسیون روغن بسیار زودتر تشخیص داده می شد.

نقطه اشباع روغن

با درود بیکران به تمامی بازدید کنندگان و مخاطبین محترم

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی در زمینه مفهوم نقطه اشباع روغن است. شرح سوال:

طی یک دوره آموزشی، گفته شد که با بالا رفتن دما، نقطه اشباع روغن پایین می آید. اما، من قبلا فکر می کردم که با افزایش دمای روغن، نقطه اشباع نیز بالاتر می رود. منظورم این است که با افزایش دما، جریان روغن مقدار آب بیشتری را می تواند طی مکانیزم انحلال در خود جذب کند. رابطه درست کدام است؟

قبلا طی پستی با عنوان «خورندگی بخار روغن» مکانیزم های انحلال آب در جریان روغن تشریح شده است. احتمالا اشاره شما به آن پست است. خب! همانطور که احتمالا می دانید، وجود آب در جریان روغن، حتی در مقادیر بسیار اندک، می تواند بسیار مخرب باشد. بعنوان مثال، حضور آب با غلظت تقریبا 1,000 ppm می تواند عمر برینگ را به یک چهارم مقدار استاندارد و پیش بینی شده آن کاهش دهد. جدای از مسائل مربوط به خوردگی، وجود آب در جریان روغن می تواند تمایل آن به فرسایندگی (Erosivity) را افزایش داده و موجب کارسودگی (Wear-out) زودتر از موعد قطعات شود. اینکه مقدار مجاز آب (رطوبت) در جریان روغن یک سیستم روغنرسانی چقدر است به عوامل متعددی بستگی دارد که از آن جمله می توان به حساسیت تجهیز یا روغن جاری در سیستم روغنرسانی آن به وجود آب و راندمان حرارتی آن تجهیز اشاره کرد. در همین زمینه، مطالعاتی از طرف نویسنده این سطور، با هدف تعیین میزان تاثیر زمان باقی ماندن آثار آب های مختلف (آب چاه، آب مقطر، آب شرب شهری، و...) در جریان روغن های موتوری، در حال انجام است که نتایج آن بزودی در قالب مقاله ای منتشر خواهد شد.

نقطه اشباع یا Saturation Point، بنا به تعریف، عبارتست از حداکثر میزان آبی که یک حجم ثابت و مشخص از روغن می تواند بصورت محلول در خود داشته باشد. این نقطه، بستگی مستقیم و شدیدی به درجه حرارتی دارد که آن حجم ثابت و مشخص از روغن در آن قرار دارد. این رابطه برای بسیاری از روغن ها خطی است. نمودار شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار تغییرات نقطه اشباع (برحسب %) و حضور آب (برحسب ppm) در یک روغن در برابر درجه حرارت

همانطور که در نمودار شکل 1 مشخص است، حتی با ثابت ماندن میزان حضور آب در حجم ثابتی از روغن، با افزایش دما، میزان پذیرش آب در آن حجم از روغن بصورت خطی کاهش پیدا می کند. بدین ترتیب، آنچه که در دوره آموزشی به شما گفته شده صحیح است. مکانیزم کار نیز بدین ترتیب است که مقداری از آب (برحسب ppm) می تواند تا رسیدن روغن به نقطه اشباع بصورت ملکول های منفرد در میان زنجیره ملکولی روغن جای داده شوند. افزایش دما، موجب کاهش فضای بین زنجیره های ملکولی شده و سیستم روغن دیگر مانند قبل پذیرای ملکول های آب نخواهد بود. از این لحظه به بعد، ملکول های آب فضای بین زنجیره های ملکولی روغن را ترک کرده، به هم پیوسته، و به شکل امولسیون (شناور) در جریان روغن قرار می گیرند که خطرناک ترین حالت وجود آب در جریان یک روغن (بویژه روغن های موتوری) است. این حالت که به آب شناور معروف است، شامل قطرات آبی است که گوشه ای از حجم جریان روغن را به خود اختصاص داده و همراه با آن حرکت می کنند. زمانی که توزیع این قطرات ریز آب در سرتاسر حجم ثابتی از روغن به بیشترین میزان رسید، این قطرات به یکدیگر پیوسته، تشکیل لایه ای از آب را روی روغن می دهند که به آب آزاد معروف است. تشکیل آب آزاد و دو فازی شدن جریان روغنرسانی به تجهیز لازمه رسیدن این قطرات به نقاط سکون مدار روغنرسانی است.

تشخیص میدانی روغن سینتتیک از مینرال

با درود و احترام به کلیه مخاطبین عزیز این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوالی است که از طرف یکی از مخاطبین محترم و معزز این وبلاگ در زمینه راه (های) تشخیص روغن های سینتتیک از مینرال مطرح شده بود. شرح سوال: آیا راهی هست که بتوان روغن سینتتیک از مینرال را در محل سایت تشخیص داد؟ تجهیزات ما کمپرسور های سانتیفیوژ و گیربکس های سنگین است که باید از روغن سینتتیک برای آنها استفاده شود. وگرنه صدمه می بینند. می خواهم سرم کلاه نرود. به من گفته اند که روغن های مینرال رنگ تیره تر و انواع سینتتیک روشنترند. می خواستم ببینم این حرف درست است؟

پاسخ به این سوال در حیطه بازرسی و کلیم روغن قرار می گیرد. مسلما از وضعیت ظاهری و رنگ یک روغن نمی توان به ترکیبات و ساختار شیمیایی آن پی برد. رنگ محصولات روغنی مصرفی در شرکت شما نیز صرفا رنگ است و معرف هیچ مشخصه شیمیایی یا فیزیکی نیست. در زمینه رنگ روانکار ها نیز هیچ استاندارد ناظری وجود ندارد و روغنسازان نیز می توانند در هر بچ، رنگ محصول خود را تغییر دهند. این موضوع در دنیای روغنسازی چیز عجیبی نیست و پذیرفته شده است. متاسفانه باید صراحتا عرض کنم که برای تشخیص روغن پایه یک روانکار و تعیین سینتتیک یا مینرال بودن آن هیچ راهکار عملیاتی و سایتی وجود ندارد.  با این وجود، ادعای مطرح شده برای شما در خصوص تشخیص روغن با توسل به رنگ آن نیز پر بیراه نیست! این نظریه احتمالا بر این باور استوار است که روغن های پایه سینتتیک طبیعتا سفید یا بی رنگ بوده و روغن های مینرال (بدلیل وجود ترکیبات سولفوردار، کامپاند های آروماتیک، و برخی ناخالصی های طبیعی) کمی تیره هستند. اما، این راهکار بسیار نامطمئن است! چراکه با ورود ادتیو های مختلف و متنوع به ساختار روانکار (بعنوان سیستم روغن و محصول نهایی که بدست شما می رسد) رنگ سیستم روغن دستخوش تغییرات شدیدی خواهد شد. این تغییرات آنچنان شدید است که روغن سینتتیک نهایی می تواند از روغن مینرال حتی تیره تر هم باشد!

بنظر نویسنده، بهترین راهکار در این خصوص انجام تست های آزمایشگاهی از طریق دستگاه های آنالیز پرتابل روغن است. برخی از این دستگاه های پرتابل، نوع روغن را از طریق ویسکوزیته دینامیک تشخیص می دهند. اما برخی، براساس دانسیته کار می کنند. در این خصوص، و با توجه به نیاز شما، توصیه می شود دستگاه آنالیز روغن پرتابلی را تهیه کنید و یک قطره از محصول وارده به انبار را در آن وارد نمایید. این دستگاه میزان دانسیته روغن را به شما می دهد. علاوه بر این، و در جایگاه دوم، می توانید از شاخص ویسکوزیته (VI) نیز برای تصمیم گیری استفاده کنید.

البته، در کنار موارد فوق، ترکیبی از مشخصات فیزیکی روغن، شامل سه نقطه دمایی اشتعال، ریزش، و آنیلین نیز می توانند برای تشخیص یک نمونه روغن سینتتیک از مینرال مفید باشند.

نویسنده در برخی موارد از تبادل نظرات و بازدید های خود، شاهد نظریاتی مبنی بر توسل به آنالیز عناصر تشکیل دهنده نمونه روغن نو برای تشخیص روغن سینتتیک از مینرال بوده است که با توجه به خطای بالای این روش، و در عین حال، احتمال شدید تغییر در ادتیو های مورد استفاده روغنسازان در سنتز محصولات، بهیچوجه توصیه نمی شود.

در صورتیکه نگران میکس شدن روغن های مینرال با روغن سینتتیک هستید، در صورتیکه گیربکس شما در نواحی معتدل و گرم کشور عمل می کند، ترکیب این دو روغن (البته در صورت یکی بودن طبقه بندی API روغن های پایه) مشکل چندانی ایجاد نمی کند. اما، در صورتیکه گیربکس یا کمپرسور های شما در شرایط محیطی سرد کار می کنند، ترکیب دو روغن مینرال و سینتتیک مشکل ساز خواهد بود.

روغن های سینتتیکی که در گیربکس ها و کمپرسور ها استفاده می شوند، معمولا از روغن پایه PAO یا PAG تشکیل شده اند. روغن های PAO حساسیت کمتری به مخلوط شدن با روغن های مینرال دارند (البته در شرایط عدم کارکرد در سرما). اما روغن های PAG حساسیت شدیدی نسب به ترکیب با سایر روغن ها (نه فقط مینرال، که حتی PAO) از خود نشان داده و مشکلات شدیدی، اعم از Clogging (لخته شدگی)، Gelling (تشکیل ژله)، و Churning (ماسیدگی) در مدار روغنرسانی پدید می آورند.

اهمیت استحکام فیلم روغن

با درود و احترام

هدف از این پست، ارائه اطلاعاتی در سطح مقدماتی در رابطه با استحکام فیلم روغن است. قبلا، طی چندین پست جداگانه راجع به نحوه تعامل فیلم روغن با قطعات درگیر در تبادل تنش صحبت شده بود. در پست های قبلی صحبت از این شده بود که ضخامت فیلم روغن چه تاثیری روی توزیع حرارت، و میراگری تنش های مبادله شده بین دو سطح درگیر دارد. در عین حال، قبلا راجع به نقش ضخامت فیلم روغن در رژیم های مختلف روغنرسانی نیز به تفصیل صحبت شده است.

حال که با اهمیت ضخامت فیلم روغن در یک رژیم روغنرسانی خاص آشنا شده ایم، به اهمیت استحکام فیلم روغن در یک رژیم روغنرسانی می پردازیم. با این پست کوتاه، مقدمات آشنایی با رژیم های روغنرسانی و فیلم روغن به پایان می رسد.

شکل 1: نمایی از فیلم روغن تشکیل شده (در مقیاس ماکروسکوپیک) روی یک برینگ

استحکام فیلم روغن یکی از حیاتی ترین و مهمترین خواص مکانیکی روغن مصرفی در ماشین آلات صنعتی به شمار می رود که تاثیر پذیری شدیدی از خواص مکانیکی روغن پایه و ادتیو های فعال در ساختار آن دارد. همانطور که قبلا در رابطه با ضخامت فیلم روغن گفته بودیم، وظیفه فیلم روغن ایجاد فاصله مناسب بین دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش و جلوگیری از برخورد این دو سطح به یکدیگر است. بدین ترتیب، روغن باید از ساختار شیمیایی مناسب برای ایجاد این فاصله، حفظ آن در دما های مختلف، و تحمل تنش های متمرکز و گسترده متنوع باشد. بمنظور حفظ ضخامت لازم برای فیلم روغن، سه عام تاثیر گذار است:

-سرعت نسبی: که عبارتست از حاصل تاثیر سرعت دو سطح درگیر تبادل تنش؛

-ویسکوزیته دینامیک روغن پایه: که از دو عامل رژیم جریان روغن و دمای آن تاثیر می گیرد؛ و

-مقدار بار وارده: که در اینجا هر دو نوع بار متمرکز و بار گسترده مد نظر است

البته، باید این نکته را نیز در نظر گرفت که ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه تنها مبنایی برای برآورد ویسکوزیته سینماتیک فیلم روغن است. چراکه ویسکوزیته سینماتیک فیلم روغن تابع عواملی چون نوع ادتیو های حاضر در ساختار روغن و در عین حال، حضور کامپاند های آلاینده در ترکیب روغن کارکرده (مانند انواع سیلیکات، آلومینات، و دوده، یا ...) است.

بنابراین، از آنجا که ضخامت فیلم روغن و به تبع آن، کیفیت روغنرسانی نتیجه تعادل سه عامل هیدرودینامیکی فوق در یک مجموعه (همان فیلم روغن) محسوب می شود، به این سبک از روانکاری، روغنرسانی هیدرودینامیک یا Hydrodynamic Lubrication اطلاق می شود.

در مواقعی که با تماس غلتشی یا Rolling Contact سروکار داریم، حرکت لغزشی (Sliding Motion) نزدیک به صفر است. در این تیپ از کاربرد ها، هرچند میزان بار های فشاری متمرکز بیش از همیشه است، اما، بدلیل صفر شدن سرعت نسبی، فیلم روغن همچنان شانس زیادی برای حفظ ضخامت خود دارد (اشاره به همان تعادلی که در بالا ذکر شد). از نگاه نزدیک، این نقاط تمرکز فشار حتی برای تشکیل فیلم روغن با ضخامت مناسب مفید نیز هستند که علت آن را باید در نسبت بین ویسکوزیته دینامیک روغن پایه و فشار جستجو کرد. این نسبت که به شکل نمودار در بیشتر منابع مهندسی سیالات موجود است، اجازه می دهد که ویسکوزیته روغن بصورت مقطعی و با افزایش فشار، بالا رود. بدین ترتیب، فیلم روغن با افزایش مقطعی فشار حالتی الاستیک بخود گرفته و ضخامت خود را حفظ می کند. به این حالت از روانکاری، روغنرسانی الاستوهیدرودینامیک گفته می شود.

اما، در عمل، حفظ این تعادل همیشه ممکن نیست. برخی مواقع در عملکرد یک ماشین (مانند مواقع استارت یا توقف ناگهانی، آلودگی جریان روغن به ذرات فرسایشی، ورود گرد و خاک به جریان روغن، یا ...) هستند که تعادل فوق به هم می خورد. مثلا، ویسکوزیته بیش از حد زیاد می شود، بار وارده ناگهان کم شده یا بشدت بالا می رود، یا حتی سرعت نسبی بشدت زیاد شده یا اصلا به صفر می رسد. تازه اثر مقطعی یا ماندگار تنش های حرارتی را نیز باید به لیست فوق اضافه کرد. در چنین مواردی، که حین عملکرد یک ماشین کم هم نیستند، الزامات تشکیل مکانیزم های روغنرسانی هیدرودینامیک و الاستوهیدرودینامیک برآورده نمی شوند، روغنرسانی مرزی یا Boundary Lubrication اتفاق می افتد. در فرمولاسیون اغلب روغن های روانکار وقوع چنین شرایطی پیش بینی می شود و از این رو ادتیو های متنوع و مختلفی به ساختار شیمیایی روغن اضافه می شوند تا به تشکیل فیلم روغن و حفظ ضخامت آن کمک کنند.

شکل 1: روغنرسانی مرزی

بدین ترتیب، و با افزودن ادتیو های کنترل کننده سایش و اصطکاک به روغن پایه، ترکیب شیمیایی از لوبریکانت (بشکل روغن یا گریس) حاصل می شود که در مواردی مانند روغنرسانی مرزی نیز قادر به حفظ ضخامت فیلم روغن بوده و از آن گذشته، فیلم روغن حاصل از آن نیز از استحکام کافی برخوردار خواهد بود.

اما، استحکام فیلم روغن چیست؟ استحکام فیلم روغن مشخصه ای کیفی از یک روغن یا گریس است که به شکل توانایی فیلم حاصل از یک سیستم روغن در تخفیف اثرات اصطکاک بین دو سطح درگیر تبادل تنش و کنترل روند فرسایش با توسل به عواملی غیر از ضخامت فیلم روغن تعریف می شود. همانطور که در مقدمه این پست و متن سایر پست های مرتبط با موضوع مکانیزم های مختلف روغنرسانی و تشکیل فیلم روغن ذکر شد، اصلی ترین عامل کمک به حفظ ضخامت فیلم یک سیستم روغن طی مکانیزم های روغنرسانی هیدرودینامیک و الاستوهیدرودینامیک، ویسکوزیته سینماتیک (و در برخی سیستم های روغنرسانی و برخی فرمولاسیون ها: ویسکوزیته دینامیک) است. اما، وقتی ویسکوزیته سینماتیک یک روغن پایه برای تشکیل فاصله بین دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش کافی نباشد، راه حل در ترکیب شیمیایی روغن پایه و کامپاند هایی خاص از ادتیو ها است تا به تشکیل فیلم روغن کمک کند. برخی فرمولاسیون ها، حتی، پا را از این هم فراتر گذاشته و سعی در برقرار چنان ترکیبی در ساختار روغن پایه با ادتیو ها دارند که با افزایش دما و تمرکز فشار بین دو سطح تبادل تنش، استحکام فیلم روغن بیشتر و بیشتر شود.

مکانیزم کار نیز بدین صورت است که ادتیو های کنترل کننده سایش و اصطکاک در ترکیب با روغن پایه به آن خاصیتی قطبی می دهند تا در شرایط اعمال بار های فشاری سنگین یا دما های بالا قدرت جاذبه سطحی دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش را افزایش داده و از طریق واکنش های شیمیایی با این دو سطح فلزی و تشکیل لایه های بسیار نازکی در مقیاس ملکولی و فدا شونده روی این دو سطح اثر اصطکاکی فلز-به-فلز را کاهش دهند. فراموش نشود که لازمه عملکرد صحیح این لایه های نازک ملکولی، چکش خواری بیشتری آنها در مقایسه با دو سطح فلزی درگیر است. اولین و مهمترین اثر تشکیل این لایه های فداشونده چکش خوار کاهش استحکام برشی در نقاط تماس دو سطح فوق است که از طریق شکسته شدن پیوند های شیمیایی ضعیف بین ملکولی روغن (در مقایسه با پیوند فلزی دو سطح جامد) که به نیروی کمتری در قیاس با پیوند فلزی نیاز دارد تامین می شود. البته در این میان، عواملی چون خواص شیمیایی روغن پایه و متالورژی آلیاژ های تشکیل دهنده دو سطح جامد را نیز نباید از نظر دور داشت.

بطور کلی، سه نوع ادتیو وجود دارند که به فرآیند کاهش اصطکاک و کنترل روند تشکیل محصولات سایشی کمک می کنند:

- بهبود دهنده های اصطکاک (Friction Modifiers):

بیشتر شامل ادتیو هایی هستند که لوبریسیته (Oiliness) یک سیستم روغنی را بهبود می بخشند. این ادتیو ها کامپاند های قطبی متشکل از اسید های چرب هستند که به روغن پایه اضافه شده و در سرعت های لغزش پایین، باعث کاهش اصطکاک از طریق تشکیل یک فیلم صابونی می شوند. از این ترکیبات بیشتر در مجموعه هایی استفاده می شود که در مدیریت مصرف سوخت تاثیرگذار بوده و عواملی چون ضریب اصطکاک بین قطعات و چسبندگی-لغزش در سرعت های تبادل تنش پایین روی عملکرد آنها تاثیر شدیدی دارد. بارزترین مثال در مورد چنین مجموعه هایی موتور های خودرویی، ژنراتور ها، و جعبه دنده ها هستند. عملکرد این ادتیو ها همانند ادتیو های ضد سایش است، با این تفاوت که بهبود دهنده های اصطکاک در بار گذاری های سبک نیز عملکرد خود را حفظ کرده و در دما های پایین نیز همچنان فعال می مانند. با افزایش دمای عملکردی، فیلم صابونی تشکیل شده در اثر عملکرد این ادتیو ها تجزیه شده و اثر خود را از دست می دهد. اما، با این حال، مرز دمایی تجزیه این فیلم صابونی با توجه به حساسیت بیشتر سطح فلزی به واکنش با اسید های چرب از دیگر ادتیو ها بالاتر است.

- ضد سایش ها (Anti-wears):

این دسته از ادتیو ها بیشتر شامل کامپاند های قطبی روی (Zn) یا فسفر دار بوده و از معروفترین آنها می توان به ZDDP (زینک دی آلکیل دی تیو فسفات) اشاره کرد. هدف از این دسته از ادتیو ها، واکنش دهی با سطح فلزی قطعات در شرایط روغنرسانی مرزی است. ادتیو های ضد سایشی یا AW در دما های بالا و بارگذاری های آهسته و سنگین بیشترین کارآیی را دارند. چراکه با افزایش دما و کاهش ویسکوزیته سینماتیک روغن (قانون آرنیوس)، سطح فعالیت شیمیایی این ادتیو ها بیشتر شده و منجر به تشکیل فیلم حائل (Barrier Film) مستحکم تری می شود.

نکته: برای اطلاعات بیشتر درباره قانون آرنیوس، مراجعه به پست «ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بطور کلی، ادتیو هایی مانند ZDDP بیشتر بمنظور ایجاد مقاومت در سیستم روغن نسبت به سایش (Wear) و کارسودگی (Wear-out) به آن اضافه می شوند. هرچند کاربرد آنها با محدودیت هایی روبرو است. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه پست «جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc free)» در همین وبلاگ توصیه می شود.

نکته: در رابطه با ارتباط حضور ادتیو ZDDP در روغن های موتوری با افزایش/کاهش عدد اسیدی کل (TAN)، مراجعه به پست «آنالیز روغن موتور» در همین وبلاگ توصیه می شود.

- ادتیو های EP (Extreme Pressure):

این دسته از ادتیو ها، که در بعضی منابع با عنوان ادتیو های ضد خراشیدگی (Anti-Scuff Additives) نام برده شده اند، همان عملی را انجام می دهند که از ادتیو های بهبود دهنده اصطکاک و ضد سایشی انتظار می رود. با این تفاوت که مرز تجزیه دمایی این ادتیو ها از دو دسته قبلی بسیار بالاتر است. ترکیب شیمیایی ادتیو های EP نیز از کامپاند های قطبی فسفر و سولفور دار تشکیل شده است.

نکته: برای اطلاعات بیشتر در مورد این ادتیو ها و انواع آنها، مراجعه به پست « ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

عملکرد ادتیو های EP در دما های سطحی بسیار بالا به بیشترین حد خود رسیده و با تشکیل فیلم شبه صابونی با استحکام برشی اندک حاصل واکنش دهی شیمیایی با سطح فلزی قطعات مقاومت خوبی در برابر دما های بالا (در عین بارگذاری آهسته و سنگین) ایجاد می کند (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: نمای شماتیکی از عملکرد ادتیو های EP در برابر بار و گرما

هرچند ادامه (یا حتی تشدید) زنجیره واکنش های شیمیایی سیستم روغن دارای ادتیو های EP با سطح فلزی قطعات به روند تشکیل و استحکام فیلم حائل کمک می کند، اما، ادامه این روند می تواند برای برخی از آلیاژ ها خطرناک و خورنده باشد.