ناسازگاری گریس ها

با درود بیکران

هدف از این پست، ارائه پاسخ به پرسش مطرح شده از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ است.

شرح سوال: در پست «انتخاب گریس»، جدولی را ارائه کرده اید که راجع به سازگاری شیمیایی گریس های مختلف صحبت می کند. سوالم این است که سازگاری گریس چیست؟ اگر رعایت نشود، چه اتفاقی می افتد؟ و چطور و از طریق چه تست هایی می توان فهمید که مثلا دو گریس با یکدیگر سازگار نیستند. بدون استفاده از آن جدول؟

در پاسخ به این سوال، قبل از هر چیز، باید عرض شود که جدول سازگاری شیمیایی ارائه شده در پست «انتخاب گریس» حالتی کلی داشته و تنها براساس نوع تغلیظ گر تدوین شده است. حال آنکه، از دیدگاه تخصصی، سازگاری شیمیایی گریس سه جنبه دارد که علاوه بر تغلیظ گر، شامل روغن پایه و ادتیو ها نیز می شود. پاسخ به سوال شما از دو بخش تشکیل شده است: تعریف سازگاری شیمیایی گریس، و تست های تعیین سازگاری.

در بخش دوم، یک مطالعه موردی (Case Study) را نیز بررسی خواهیم کرد تا زوایای پنهان قضیه بیشتر آشکار شود.

الف) تعریف سازگاری شیمیایی گریس

همانطور که در پست «انتخاب گریس» عنوان شده بود، ساختار گریس از سه بخش روغن پایه، تغلیظ گر، و ادتیو ها تشکیل شده است. در زمان مخلوط شدن (یا به بیان بهتر: تماس) دو گریس با NLGI یکسان با یکدیگر، آنچه که بیشترین مورد نگرانی است، به ترتیب، عبارتند از: ویسکوزیته روغن پایه هر یک از طرفین واکنش، نوع روغن (پایه)، و نوع تغلیظ گر (ها). اما، آنچه که در تدوین و استفاده از جداول سازگاری شیمیایی گریس ها مد نظر قرار می گیرد، بیشتر شامل نوع و ساختار شیمیایی تغلیظ گر است و از موارد دیگر چشم پوشی می شود. چراکه تجربه نشان داده است که بیشتر مشکلات و خرابی های ناشی از عدم سازگاری شیمیایی گریس ها در تماس با یکدیگر ناشی از عدم سازگاری تغلیظ گر ها است. اما، در این پست قصد داریم نگاه نزدیکتری به این مساله داشته باشیم.

- سازگاری شیمیایی روغن های پایه:

در تولید و فرمولاسیون گریس ها، استفاده از هر دو نوع روغن مینرال و سینتتیک رواج دارد. آنچه که توجه کارشناس آنالیز روغن را باید در جایگزینی یا مخلوط سازی گریس ها جلب کند، این نکته است که برخی روغن های سینتتیک با انواع مینرال و گروه کم جمعیتی از روغن های سینتتیک سازگاری نداشته و تماس آنها موجب از هم پاشیدگی ساختار شیمیایی مخلوط گریس و تشکیل نمک های معدنی می گردد. بنابراین، حتی در صورتیکه دو تغلیظ گر با یکدیگر سازگار بوده ولی روغن های پایه از چنین توافقی برخوردار نباشند، نتیجه کار مساله ساز خواهد شد. گذشته از این، ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه نیز سوی دیگر معامله است! چراکه اگر ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه خیلی با هم متفاوت باشند، نتیجه مخلوط شدن آنها عملکرد فیزیکی گریس را دستخوش تغییر شدیدی خواهد کرد.

- سازگاری شیمیایی تغلیظ گر:

مخلوط شدن دو یا چند گریس با تغلیظ گر های ناسازگار منجر به واکنش آنی فرمولاسیون های آنها با هم خواهد شد که نتایج مخربی برای عملکرد روانکاری آنها داشته و شوربختانه، این نتایج بلافاصله پس از مخلوط سازی گریس ها مشهود خواهند بود. میزان ناگواری این نتایج و نحوه بروز آنها بسته به زنجیره واکنشی متفاوت خواهد بود. در بعضی مواقع، این زنجیره واکنشی منجر به نرم شدن بیش از حد و ریختن مخلوط گریس، همراه با مهاجرت لایه روانکار از سطوح دریافت کننده روغن، می شود. اما، گاه پیش می آید که واکنش حاص از مخلوط سازی کامپاند های ناسازگار منجر به رها سازی روغن و پیچیدن مخلوط مومی شکلی از تغلیظ گر ها به فضای داخلی برینگ، چرخدنده، شفت، و سایر اجزای مکانیکی خواهد شد که جداسازی این موم از آنها عملا بسیار سخت و مشکل است. برخی واکنش ها هم هست که منجر به سخت شدن تدریجی (حداکثر در طول 24 ساعت پس از مخلوط سازی) مخلوط دو یا چند گریس، به همراه تولید نمک های شبه فلزی، می گردد که عملا موجب سایش سطوح فلزی درگیر شده و راه روانکاری های بعدی را نیز می بندد.

- سازگاری شیمیایی ادتیو ها:

زمانی که ادتیو های دو یا چند سیستم روانکاری (گریس یا روغن) با یکدیگر ترکیب شده و زنجیره ای از واکنش های شیمیایی تشکیل می شود، در صورت ناسازگاری دو یا چند کامپاند از ادتیو های حاضر در هر یک از ساختار های شیمیایی دو طرف واکنش، نتایج بصورت کاهش کیفیت عملکردی مخلوط روانکارها و تشکیل رسوبات جامد (و اغلب، آنقدر سخت که منجر به سایش شوند) نمود خواهند داشت. در برخی از موارد، تشکیل رسوبات حتی تا مرحله تبلور نمک ها نیز پیش می رود که ترکیبی خورنده و ساینده را بدست خواهد داد. اما، مشکل بزرگ و اصلی تشکیل این رسوبات و تبلور آنها در گریس های ناسازگار نیست! مشکل و مساله اصلی در عدم رسوب آنها در مخلوط گریس ها است (!) که عملا خورندگی، فساد، و فرسایندگی مخلوط حاصل از زنجیره واکنشی بین ادتیو ها را بیشتر و بیشتر می کند. لازم بذکر می داند که سلسله واکنش های بین ادتیو های درگیر در این ناسازگاری شیمیایی از سرعت، شدّت، و حدّت، واکنش های بین روغن های پایه و تغلیظ گر های ناسازگار برخوردار نیست، اما، نتایجی به مراتب وخیمتر از نظر فرسایندگی و تمایل به اضمحلال شیمیایی سیستم روانکاری در پی خواهد داشت.

ب) تست های تعیین سازگاری

اکنون که با مکانیزم واکنش دهی و نتایج ناگوار این مکانیزم ها در ساختار های شیمیایی ناسازگار گریس ها آشنا شدیم، برآنیم که تست های لازم برای پی بردن به میزان سازگاری این ترکیب ها را با یکدیگر معرفی کنیم. قدر مسلم، تعیین سازگاری شیمیایی دو یا چند گریس با یکدیگر از طریق مخلوط سازی آنها در مقیاس و محیط آزمایشگاهی با نسبت های مختلف و سپس قرار دادن این مخلوط در معرض سیکل های مختلف کاری و حرارتی (بمنظور شبیه سازی محیط عملکردی مخلوط) حاصل می گردد.

در این زمینه، استاندارد ASTM D6185 نسبت های 25/75، 50/50، و 75/25 از دو گریس را در مخلوط سازی استاندارد دانسته و روش تست را بیان کرده است. بدیهی است که برای حضور تعداد بیشتری از گریس در یک مخلوط (مانند آنچه که در مقاله ای از نویسنده همین سطور در مخلوط سازی چهار گریس به انتشار رسیده است)، نسبت های دیگری را باید بکار برد که مسلما روش آزمون را نیز تغییر خواهد داد. استاندارد ASTM D6185، مخلوط دو گریس را بمنظور ارزیابی نتایج تست های «دمای تشکیل قطره»، «پایداری برشی»، «پایداری در انبار» هدف قرار داده و معیار ارزیابی در مورد دو تست آخر، تغییر در میزان قوام مخلوط برحسب NLGI (براساس روش آزمون مندرج در استاندارد ASTM D217) است.

اما، تجربه نشان داده است که استناد به نتایج حاصل از تست براساس استاندارد ASTM D6185 چنان که باید و شاید با شرایط واقعی عملکرد گریس همخوان نیست. این شک و تردید از آنجا نشات می گیرد که هرچند بمنظور آماده سازی نمونه های آزمایشی در این استاندارد از چند مرحله کار مکانیکی بهره برداری می شود. اما، مخلوط گریسی که وارد فضای کاری قطعات مکانیکی پرتحرک و پرفشار می شود، شرایط مکانیکی بسیار شدیدتری را دربازه زمانی بسیار کوتاه تجربه خواهد کرد که روی مکانیزم مخلوط سازی و زنجیره واکنشی دو یا چند گریس تاثیری عمیقتر از آنچه تصور می شد خواهد گذاشت. این شرایط مکانیکی با 60 کورس رفت و برگشتی در استاندارد ASTM D6185 شبیه سازی شده است. اما، در مقام مقایسه، یک بالبرینگ معمولی با سرعت 1750 دور در دقیقه نزدیک به 30 میلیون چرخه مخلوط سازی بین دو گریس را تنها طی سه شبانه روز رقم خواهد زد! علاوه بر این، چنین مخلوطی از گریس در معرض موج مداومی از نیرو های دینامیکی قرار خواهد گرفت که مسلما روی نحوه عملکرد آن و مشخصات فیزیکی آن تاثیری بسیار شدیدتر و عمیقتر از آنچه که در میدان دید و نظر آزمون های «دمای تشکیل قطره»، و تغییرات NLGI در تست های «پایداری برشی»، و «پایداری در انبار» مورد نظر استاندارد فوق پیش بینی می شود برجای خواهد گذاشت.

به همین منظور، مطالعاتی در راستای شبیه سازی هر چه واقعی تر شرایط عملکردی و مخلوط سازی گریس های مختلف صورت گرفته که اخیرا نتایج بهتر و قابل اعتمادتری نسبت به گذشته بدست داده است. یکی از معروفترین این نتایج، دستگاه شبیه ساز برینگ یا Bearing Simulator می باشد. این دستگاه که بیشتر یک تست استند (Test Stand) به شمار می رود، در شکل 1 نشان داده شده و بیشتر در حوزه موتور های الکتریکی کاربرد دارد.

این دستگاه از یک موتور الکتریکی با توان 45 کیلووات، متصل به یک شفت ساده و یک بالبرینگ (به همراه هوزینگ آن)، تشکیل شده است. پنجره ای از پلکسی گلاس در انتهای شفت و محل چرخش بالبرینگ نصب شده است تا مشاهده وضعیت مخلوط شدن دو گریس و نحوه اثر نیرو های وارده بر این مخلوط قابل مشاهده باشد. بمنظور انجام تست، دو گریس با نسبت های استاندارد 25/75، 50/50، و 75/25 با یکدیگر مخلوط شده و بصورت دستی، تا نصف حجم هوزینگ و فضای عملکردی بالبرینگ با هر یک از این مخلوط ها پر می شود.

شکل 1: نمایی از دستگاه تست مخلوط سازی گریس ها

آزمون با روشن شدن موتور الکتریکی آغاز شده و بمدت 72 ساعت با دور 1750 rpm و رسیدن تعداد سیکل های اختلاط گریس به 30 میلیون ادامه می یابد. حین آزمون و پس از طی آن، نتایج مشاهداتی ثبت شده و پس از توقف کامل دستگاه، مخلوط گریس بمنظور انجام آنالیز های تکمیلی از هوزینگ خارج می گردد.

مخلوط گریس خارج شده از دستگاه، ابتدا تحت طیف نگاری به روش FTIR قرار داده می شود تا هرگونه آثار ناشی از اکسیداسیون و کامپاندسازی از طریق آنالیز عناصر موجود در آن مشخص گردد. در مرحله آخر، مخلوط گریس در دستگاه تست رئومتر قرار داده می شود تا تغییرات حاصله در مشخصات جاری شدن و برش فیزیکی آن در مقایسه با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها مشخص و تعیین گردد. آنچه که در این مرحله بیش از سایرین اهمیت دارد، میزان تنش تسلیم است که عاملی کلیدی در تعیین نرم یا سفت شدگی مخلوط گریس نسبت به حالت اولیه دو گریس قبلی به حساب می آید. در کنار آن، مقادیر تنش نوسانی (بمنظور تعیین احتمال روغن زدایی)، و سازگاری بازگشت پذیر (بمنظور تعیین احتمال بروز پدیده هایی چون Channeling و Tunneling در فضای داخلی هوزینگ) نیز به بوته آزمون گذاشته می شوند.

نتایج این تست ها و مشاهدات، در کنار هم، تصویر دقیقی از نتایج احتمالی مخلوط شدن دو گریس را بدست داده و می توانند به کمک کاربران و مالکان تجهیزات در مواقع لزوم بیایند.

در این زمینه، یک مطالعه موردی (Case Study) مطرح شده است. بدین ترتیب که دو گریس با تغلیظ گر یکسان (هر دو پلی اوریا)، اما با مشخصات ناهمسان (جدول 1 را ببینید) با یکدیگر به نسبت 50/50 مخلوط شده و در استند آزمون نشان داده شده در شکل 1 قرار داده شده اند.

جدول 1: مشخصات دو گریس تحت آزمون مخلوط سازی

همانطور که در جدول 1 قابل مشاهده است، هر دو گریس از یک تغلیظ گر بهره برده و از یک کلاس NLGI بهره می برند. اما، در میزان عمق نفوذ مخروط و ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه (نوع آن ذکر نشده) تفاوت اندکی دارند. براساس جدول سازگاری شیمیایی گریس ها (جدول 14، پست انتخاب گریس را ببینید)، مخلوط سازی این دو گریس هیچ منافات و محدودیتی ندارد. حال، قصد داریم این عدم محدودیت را آزمایش کنیم.

پس از مخلوط سازی دو گریس با نسبت 50/50 و قرار گرفتن در دستگاه تست بمدت 72 ساعت با مشخصات فوق الذکر، نمونه مخلوط در معرض آنالیز عناصر به روش FTIR قرار گرفته و نتایج در جدول 2 نشان داده شده اند.

جدول 2: نتایج آنالیز عناصر به روش FTIR مخلوط دو گریس و مقایسه آن با آنالیز همان عناصر در ترکیب هر یک

بخش هایی از جدول 2 که با رنگ زرد مشخص شده اند، بیشترین تفاوت بین حضور عناصر تحت آنالیز را در مخلوط 50/50 با میزان حضور همان عنصر در ترکیب شیمیایی هر یک از گریس ها نشان می دهند و این به معنی تفاوت فاحش در فرمولاسیون دو گریس (بیشتر در زمینه حضور ادتیو های ضد سایشی یا Anti-Wear)، علیرغم یکسان بودن NLGI و نوع تغلیظ گر است! اما، صرف مقاومت بیشتر یک گریس نسبت به دیگری در برابر سایش نمی تواند ملاک عمل قانع کننده ای برای ناسازگار دانستن ساختار شیمیایی دو گریس باشد. بنابراین، عاقلانه تر آن است که نتایج سایر تست ها نیز بررسی شود.

جدول 3 نتایج آزمون رئومتری را در خود دارد و بخش های زرد رنگ آن بیانگر اختلاف بین دو فرمولاسیون است. این نتایج، در مقایسه با آنچه که در جدول 2 دیدیم، نگران کننده تر است! چراکه تفاوت فاحش در رفتار فیزیکی دو گریس را با یکدیگر نشان می دهد.

جدول 3: نتایج آنالیز رئومتری مخلوط دو گریس و مقایسه آن با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها

شکل 2: نمودار مقایسه ای تنش تسلیم برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

آنچه که پس از مشاهده نتایج جدول 3 مایه نگرانی است، کاهش تدریجی عملکرد مخلوط گریس در طولانی مدت است. پس، تا بدینجای کار، می توان نتیجه گرفت که مخلوط سازی این دو گریس ممانعتی ندارد. اما، برای طولانی مدت توصیه نمی شود! چراکه احتمال بروز عیوبی چون نرم شدگی،روغن زدایی، و «Channeling» در هوزینگ محل عملکرد این مخلوط در طولانی مدت بالا ارزیابی می شود (شکل 3 را ببینید).

شکل 3: نمودار مقایسه ای سازگاری بازگشت پذیر برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

بدین ترتیب، همانطور که دیدیم، با انجام آنالیز های توصیه شده در این پست می توان صحت مندرجات جدول 14 پست «انتخاب گریس» را زیر سوال برد و با توصیه به موقع و مستند به مالک تجهیز، از بروز خرابی ناشی از اشتباه در قرائت و تفسیر مدارک مهندسی در جایگزینی و مخلوط سازی گریس ها جلوگیری کرد.

اصول نمونه گیری

با درود فراوان به کلیه مخاطیبین و بازدیدکنندگان محترم

هدف از این پست، تشریح الزامات و روش های مختلف نمونه گیری از انواع روغن های صنعتی است. لزوم تدوین این پست در خلال پرسش و پاسخ های مطرح شده در جریان آخرین دوره آنالیز روغن (سطح مقدماتی و متوسط) در اراک از طرف بنده دیده شد. چراکه یکی از نکاتی که باید مورد توجه مدیریت نگهداری، تعمیرات، و پایش وضعیت ماشین آلات و تجهیزات روتاری قرار گیرد آن است که مسئولیت نظارت بر روند نمونه گیری از روغن ادوات و تجهیزات تا زمان رسیدن بدست آزمایشگاه (یا حتی در صورت پرتابل بودن وسایل تست: تا زمان آزمون) و در عین حال، تعیین دقت مورد نیاز برای گزارش دهی از طرف آزمایشگاه برای هر آزمون منحصرا و مشخصا بعهده کارشناس آنالیز روغن و آنالیز خرابی است.

تصمیم گیری درباره محل و نحوه نمونه گیری می تواند بسیار مهم و حیاتی باشد. هرگونه اشتباه در هر یک از مراحل این فرآیند می تواند به صرف وقت، هزینه، و اشتباهات جبران ناپذیر در برنامه ریزی نگهداری و تعمیرات یک مجتمع صنعتی، کارخانه، و... منجر شود. نویسنده این سطور، بارها و بارها، شاهد خسارات سنگین به مالک تجهیز در اثر سهل انگاری های ظاهرا کوچک و بی اهمیت در نمونه گیری از روغن آن بوده است.

در بیان اهمیت فرآیند نمونه گیری روغن یک تجهیز دوار، همین بس که فارغ از کیفیت روغن خریداری شده و پیشرفتگی و دقت نظر آزمایشگاه یا تجهیزات پرتابل آنالیز روغن، نتایج آزمون و آنالیز داده های حاصل از آزمایشات مختلف روی یک نمونه زمانی معنی خواهند داشت که نمونه روغن درست و متعلق به همان تجهیزی باشد که کارشناس آنالیز روغن فکر می کند هست! شوربختانه، اشتباه در فرآیند اخذ، حمل، و تحویل نمونه های روغن چنان رایج و تکراری است که حتی مالکان تجهیز و شرکت های ارائه دهنده خدمات آنالیز روغن و تحلیل خرابی در کشور های پیشرفته دنیا نیز نگران دقت صورت گرفته در این فرآیند هستند.

این پست از سه بخش تشکیل شده است: ظروف نمونه گیری، ابزار نمونه گیری، و تنظیم فرکانس و مکان نمونه گیری

الف) ظروف نمونه گیری

یکی از اولین موضوعاتی که کارشناسان آنالیز روغن با آن درگیر هستند، انتخاب ظرف مناسب بمنظور نگه داری، حمل، و تحویل نمونه به آزمایشگاه است. عبارت «مناسب» در اینجا می تواند معانی مختلفی داشته باشد. اما، در مبحث آنالیز روغن ماشین آلات و تجهیزات روتاری، باید به مشخصات استاندارد یک ظرف نمونه گیری روغن توجه کرد. این مشخصات عبارتند از:

- حجم مناسب: برای جای دادن نمونه روغن لازم برای انجام آزمون های مختلف که می تواند برای انواع مختلف روغن، متفاوت باشد؛

در این خصوص، حجم های مختلفی از ظرف های نمونه گیری روغن موجود است که از 50 میلی لیتر تا 200 میلی لیتر متفاوتند. حجم ظرف نمونه گیری با تعداد و پیچیدگی تست های درخواستی از آزمایشگاه ارتباط مستقیم دارد. بعنوان مثال، زمانیکه فقط تست ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته (یا فقط ویسکوزیته دینامیک) از آزمایشگاه درخواست می شود، ظرف 50 میلی لیتری از روغن کفایت می کند. اما، وقتی علاوه بر این، تست Particle Counting نیز به فهرست تست ها اضافه شود، به حداقل 100 میلی لیتر روغن نیاز خواهد بود. البته، این بدان معنی نیست که همه نمونه روغن را باید در یک ظرف جای داد. بلکه می توان بعنوان مثال از دو ظرف 50 میلی لیتری استفاده کرد. اما، در این میان، یک نکته وجود دارد! و آن هم این است که تعدد ظروف نمونه گیری بمعنای افزایش ریسک ورود ذرات محیطی به نمونه روغن و پراکندگی نتایج تست، بخصوص در مورد تست های حساسی مانند آنالیز عناصر و عدد اسیدی (AN) است. بدین ترتیب، عاقلانه تر آن است که برای تست های متفاوت و متعدد از یک نوع روغن، از ظروف بزرگتر و متناسب با آن فهرست از تست ها انتخاب شود.

یکی از نکاتی که حتما باید طی فرآیند نمونه گیری تحت نظارت دقیق کارشناس آنالیز روغن قرار داشته باشد، عدم پرکردن کامل ظرف نمونه گیری از روغن است. برخلاف تصور عام، بخشی از هر ظرف نمونه گیری، بنا به نوع روغن و مشخصات آن، باید خالی از روغن گذاشته شود. این بخش خالی از روغن که اصطلاحا «کسر حجمی» یا «Ullage» گفته می شود، در زمان برخی از تست ها مورد نیاز آزمایشگاه خواهد شد. بطور کلی و عمومی، میزان کسر حجمی نمونه هر روغن به شرح زیر است:

• برای روغن های با ویسکوزیته پایین (کوچکتر-مساوی ISO VG 32): حدود سه چهارم ظرف از روغن پر شود؛

• برای روغن های با ویسکوزیته متوسط (ISO VG 32~100): حدود دو سوم ظرف از روغن پر شود؛

• برای روغن های با ویسکوزیته بالا (بیش از ISO VG 100): حدود نصف ظرف از روغن پر شود؛

شکل 1 اطلاعات بهتری را ارائه می دهد.

شکل 1: تعیین میزان «کسر حجمی» با توجه به کلاس ویسکوزیته سینماتیک روغن

- جنس مناسب: برای نگهداری از نمونه روغن نو یا مصرف شده در ماشین، بدون واکنش دهی یا تغییر خواص شیمیایی و فیزیکی آن که می تواند برای انواع مختلف روغن، متفاوت باشد؛

در این خصوص، متریال های متعدد و متنوعی برای ساخت ظروف نمونه گیری در دسترس است که بیشتر شامل گرید های مختلف پلاستیک و شیشه می گردد. در مورد پلاستیک ها، از رایج ترین آنها می توان به پلی اتیلن سنگین (HDPE) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) اشاره کرد. بطری های HDPE شفاف نبوده و نسبت به برخی از انواع روغن حساسیت دارند. لذا، در مورد برخی از انواع روغن، بویژه برخی روغن های هیدرولیک، مناسب نیستند. همچنین، در مواردی که نیاز به تحلیل رنگ نمونه روغن یا ذرات معلق درون آن باشد، استفاده از این ظروف توصیه نمی شود. بطری های PET، اما، شفاف بوده و نسبت به بسیاری از سیالات هیدروکربنیک و انواع حلال های شیمیایی غیرحساس محسوب می شوند. اما، از سوی دیگر، بطری های PET برای نمونه های روغنی که دمای آنها بیش از 95 درجه سلسیوس باشد، مناسب نیستند. چراکه شوک حرارتی باعث آزاد شدن کامپاند هایی مانند ایزوپروپان از PET شده و می تواند خواص شیمیایی نمونه روغن را تغییر دهد. از دیدگاه شفافیت و سطح تمیزی ظروف که به Cleanness Level معروف است، بطری های HDPE و PET در پشت سر بطری های شیشه ای قرار می گیرند. سه سطح از تمیزی بطری های ظروف نمونه گیری روغن وجود دارد که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: سطوح مختلف تمیزی ظروف نمونه گیری: از چپ به راست، تمیزترین تا معمولی

اصولا، تمیزی ظروف نمونه گیری براساس تعداد ذرات معلق میکروسکوپیک درون آنها تقسیم بندی می شود. ظروف «تمیز» یا «Clean» ظروفی هستند که در هر میلیمتر مکعب از فضای درون خود بیش از 100 ذره با قطر بزرگتر از 10 میکرون نداشته باشند. این سطح از تمیزی به عناوینی چون «استاندارد» در برخی از منابع مهندسی نیز معروف است. این سطح از تمیزی استاندارد، رایجترین و ارزانترین است. بعنوان یک کلاس بالاتر، ظروفی در کلاس «بسیار تمیز» یا «Super Clean» قرار می گیرند که در هر میلیمتر مکعب از فضای درون خود بیش از 10 ذره با قطر بزرگتر از 10 میکرون نداشته باشند. کلاس کیفی بعدی که حد نهایت مورد انتظار از تمیزی ظروف نمونه گیری روغن است، «فوق تمیز» یا «Ultra Clean» نام دارد که شرط آن وجود حداکثر 1 ذره با قطر بزرگتر از 10 میکرون در هر میلیمتر مکعب از فضای درونی ظرف نمونه گیری است. یکی از روش های اندازه گیری سطح تمیزی ظروف، تکنیک SNR یا Signal-to-Noise Ratio می باشد که فرمول محاسبه آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نحوه محاسبه SNR

هر چه مقدار SNR بالاتر باشد، به سطح تمیزی پایینتری نیاز است. بعنوان مثال، شاخص SNR=5 برای روغن هیدرولیک مناسب است. حال آنکه در مورد روغن موتور و برخی انواع روغن های چرخدنده، SNR=10 کفایت می کند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مراجعه به استاندارد ISO 3722 توصیه می شود.

گفتیم که سه سطح از تمیزی برای ظروف نمونه گیری روغن وجود دارد که ظروف شیشه ای بالاترین سطوح را بخود اختصاص داده و از نظر سازگاری شیمیایی نیز در برابر تمامی حلال های شیمیایی و روغن های هیدروکربنیک و سینتتیک ایمن و رویین تن محسوب می شوند. تنها اشکال کار در مورد ظروف شیشه ای، قیمت تمام شده آنها است. جدول 1 در مورد انتخاب جنس مناسب برای ظروف نمونه گیری اطلاعات خلاصه شده ای ارائه کرده است.

جدول 1: مشخصات جنس و سطح کیفی (تمیزی) انواع ظروف نمونه گیری روغن

- ساختار مناسب: برای تسهیل در فرآیند نمونه گیری از تجهیز، بدون اجازه ورود به ناخالصی های محیطی طی فرآیند نمونه گیری، سهولت حمل، و سهولت استخراج نمونه از آن در محل آزمون (باز هم بدون اجازه ورود به ناخالصی های محیطی). نمونه ای از یکی از ظروف با ساختار ایمن در شکل 4 نشان داده شده است. در مقام مقایسه، نمونه ای از ظروف نامناسب برای ارسال نمونه روغن به یک آزمایشگاه در امریکای شمالی را ببینید! (شکل 5).

شکل 4: نمونه ای از ساختار های پیشرفته ظروف نمونه گیری روغن

شکل 5: نمونه ای از نحوه ارسال نامناسب و غیراستاندارد ظروف نمونه گیری روغن به آزمایشگاه

ب) ابزار نمونه گیری

پر واضح است که کیفیت ابزار نمونه گیری و روش کار با آنها تاثیر شدیدی روی اثربخشی آنالیز روغن و نتایج حاصل از آن دارد. مقصود از ابزار نمونه گیری، اما، یک ابزار خاص نیست! بلکه مجموعه (یا به بیان بهتر: زنجیره) ای از ابزار های مختلف، شامل ولو (های) مدار نمونه گیری، لوله های عبور نمونه روغن، پمپ (های) مکش نمونه، و هرگونه ابزار و وسیله دیگری است که در فرآیند انتقال نمونه ای از روغن (بدون تاثیر از آلاینده های محیطی) به درون ظرف نمونه روغن دخیل باشد.

بیرون کشیدن یک نمونه از حجم ثابت و فعالی از روغن درون یک سیستم مکانیکی خود می تواند چالشی بزرگ به شمار آید و برای غلبه بر این چالش، در حالت عمومی، سه تکنیک نمونه گیری (به شرح شکل 6) رواج بیشتری دارد که مشتملند بر:

شکل 6: سه راهکار نمونه گیری، شامل: نمونه گیری از پورت/محل تخلیه نمونه روغن، نمونه گیری قطره ای با لوله، و نمونه گیری آفلاین

- نمونه گیری از پورت/محل تخلیه روغن (Tap/Drain or Probe-on Method):

هر سیستم روغنرسانی دارای خطوط تخلیه روغن است که می تواند مجهز به انواع پورت مناسب برای نمونه گیری باشند. این خطوط می توانند حالت نصب عمودی یا افقی داشته باشند که در حالت افقی، بهترین محل نصب پورت جهت نمونه گیری قسمت زیرین لوله تخلیه است. گاهی، طراح یا گروه طراحی اقدام به تعبیه تله روغن (Oil Trap) در مسیر روغنرسانی می کند که می تواند از یک تکه لوله گردن غازی (Goose Neck) جوش داده شده به بدنه لوله اصلی انتقال روغن تشکیل شده باشد. در این صورت، نمونه گیری حتما باید از طریق تله روغن انجام شده و نمونه گیری از شیر یا پورت سایر بخش های مدار روغنرسانی مجاز نیست. بطور کلی، بهترین انتخاب برای نمونه گیری از شیرآلات تخلیه نمونه روغن، سیستم های روغنرسانی با مدار بسته می باشند که از مجموعه ای از لوله ها، شیرآلات، و مخزن (ها) برای برگشت و چرخش روغن در مدار تشکیل شده باشند (شکل 7). مزیت این تیپ از مدار های روغنرسانی در امکان نمونه گیری قبل از بازگشت به مخزن و عبور از فیلتر است. چراکه طبیعت واقعی روغن را می نمایاند و در عین حال، بسیاری از خواص آن توسط فیلتر تغییر نیافته است. نمونه گیری از روغن قبل از رسیدن به مخزن نیز مزایای خود را دارد. چراکه روغن پس از بازگشت به مخزن با حجم عظیمی از روغن موجود در مخزن ترکیب شده و عملا خواصش تغییر می کند. از سوی دیگر، ذرات جامد معلق در جریان روغن نیز با بازگشت به مخزن از آن جدا شده و در کف مخزن، به تدریج، ته نشین می شوند. بنابراین، بهترین نقطه برای نمونه گیری از مدار های بسته روغنرسانی نشان داده شده در شکل 7، نقطه ای قبل از بازگشت روغن به مخزن و قبل از فیلترینگ است.

شکل 7: شماتیکی از مدار روغنرسانی ایده آل برای نمونه گیری از شیر تخلیه

مدار های روغنرسانی با سیکل بسته، از دیدگاه نمونه گیری، به دو دسته مدار های تحت فشار (Pressurized) و غیرتحت فشار (Non-Pressurized) تقسیم بندی می شوند. در مورد مدار های روغنرسانی تحت فشار، روند کار نمونه گیری ساده تر بوده و شامل چهار تکنیک می شود که در شکل 8 نشان داده شده است. این چهار تکنیک عبارتند از:

1) نمونه گیری پرتابل از پورت فشار بالا (Portable High-Pressure Tap Sampling):

این تکنیک که در گوشه بالا-راست شکل 8 نشان داده شده، شامل نمونه گیری از بخش پرفشار مدار است که یک شیر توپی (Ball Valve) یا شیر سوزنی (Needle Valve) در آن بخش وجود داشته و خروجی آن مجهز به لوله ای اسپیرال (مارپیچ)، معمولا از جنس فولاد زنگ نزن، باشد. هدف از این لوله مارپیچ، کاهش فشار روغن به سطحی ایمن قبل از ورود ظرف نمونه گیری است. البته، در صورت عدم دسترسی، می توان از یک شیر فشار شکن بجای این لوله مارپیچ استفاده کرد؛

شکل 8: چهار تکنیک در نمونه گیری از مدار های روغنرسانی تحت فشار با سیکل بسته

2) نمونه گیری از پورت مینیمس (Minimess Tap Sampling):

پورت های مینیمس که نمونه ای از آن در گوشه بالا-چپ شکل 8 نشان داده شده، گونه ای از کوپلینگ های هیدرولیک مجهز به اینترفیس در مدار های روغنرسانی پرفشار می باشند که تا فشار 500 psi قابلیت عملکرد داشته و معمولا روی یک زانویی یا البو نصب می شوند. بمنظور نمونه گیری از پورت های مینیمس، ظرف نمونه گیری باید به یک لوله کوچک مجهز باشد که انتهای آن از طریق یک پروب به پورت فیت شده و با برقراری اختلاف فشار برنولی، روغن به آرامی بدرون ظرف نمونه گیری جریان می یابد. ظرف نمونه گیری باید مجهز به خروجی هوا بمنظور تخلیه هوای درون ظرف در زمان ورود روغن بدان باشد که می تواند از ساختاری یکپارچه با پروب و لوله برخوردار باشد؛

3) نمونه گیری از پورت مجهز به شیر توپی (Ball Valve Tap Sampling):

این تکنیک مستلزم وجود یک شیر توپی قبل از پورت خروج روغن است که الزاما باید روی یک مسیر زانویی شکل قرار داشته باشد. طی نمونه گیری، شیر توپی باید کاملا باز بوده و کاملا تمیز باشد. اطمینان از تمیزی و عدم آلودگی این شیر با فلاشینگ کامل مسیر منتهی به آن حاصل می شود. این تکنیک برای مدار های پرفشار مناسب نیست.

4) نمونه گیری پرتابل از پورت مینیمس (Portable Minimess Tap Sampling):

این تکنیک که در پایین-راست شکل 8 نشان داده شده، یکی از بهترین روش ها برای نمونه گیری از مدار های روغنرسانی تحت فشار محسوب شده و مستلزم استفاده از یک پورت مینیمس پرتابل است که مجموعه ای از یک مینیمس مادگی و یک کوپلینگ اتصال سریع (Quick Connection) بوده و عمل نمونه گیری را از مدار تحت فشار، به ایمن ترین شکل ممکن، میسر می سازد. کوپلینگ نیز می تواند پیچی یا فشاری باشد.

مدار های روغنرسانی که در دسته بندی غیر تحت فشار قرار می گیرند، معمولا از رنج فشاری بسیار پایینتری نسبت به انواع تحت فشار برخوردار بوده و بمنظور نمونه گیری از آنها استفاده از بخش هایی از مدار مانند لوله تخلیه، لوله تغذیه، یا لوله برگشت روغن توصیه نمی شود. چراکه این بخش ها از فشار کافی بمنظور نمونه گیری برخوردار نیستند. در چنین مواردی، بکارگیری یک پمپ خلا بمنظور کمک به فرآیند نمونه گیری راهکار خوبی خواهد بود (شکل 9 را ببینید). پورت نمونه گیری باید برای اتصال به پروب مخصوص از وضعیت مناسبی برخوردار باشد. مثلا، وجود یک شیر مینیمس در این موارد، گزینه خوبی است.

شکل 9: شماتیکی از نحوه نمونه گیری از مدار های غیرتحت فشار

شکل 10: صحنه ای از نمونه گیری با پمپ خلا

اما، برخی مدار های روغنرسانی هستند که در طراحی (لی اوت) خود از خطوط برگشت یا تخلیه استفاده نمی کنند. این تیپ از مدار های روغنرسانی به Wet Sump معروف بوده و نمونه هایی از آنها را می توان در روغنرسانی به موتور های دیزل (دیزل ژنراتور ها، و...)، برخی از گیربکس ها، و بعضی از انواع کمپرسور مشاهده کرد. در چنین لی اوتی، از آنجا که خطی برای برگشت یا تخلیه روغن وجود ندارد، نمونه گیری باید از خط تغذیه مدار روغن و قبل از فیلتراژ آن انجام شود (شکل 11).

شکل 11: شماتیکی از نحوه نمونه گیری از مدار های Wet Sump

- نمونه گیری قطره ای با لوله (Drop-Tube Method):

این روش یکی از رایجترین روش ها در اخذ نمونه روغن از سیستم های روغنرسانی غیرسیرکوله (مانند روغنرسانی شتکی و غرق در وان روغن) بحساب می آید. تا اینجا، سخن از مدار های روغنرسانی بود که در یک سیکل بسته روغن را به بخش های مختلف یک تجهیز هدایت می کردند. اما، گونه ای از سیستم های روغنرسانی نیز وجود دارد که از سیکل بسته استفاده نمی کنند و روغن در یک مدار یا مسیر از پیش تعیین شده در حرکت نیست. به این سبک از کار، روغنرسانی غیرسیرکوله گفته می شود که مخزن یا کارتل روغن در آن اساسی ترین نقش را بازی کرده و انواع سیستم های روغنرسانی Splash-Type یا روغنرسانی شتکی و انواع برینگ های غرق در وان روغن از آن جمله اند. نمونه گیری از چنین سیستم هایی مستلزم عملکرد جاری (عدم توقف) تجهیز در زمان نمونه گیری بوده و بهترین روش در مورد این سیستم ها، باز کردن شیر یا درپوش تخلیه مخزن و پر کردن ظرف از نمونه روغن است (شکل 12).

شکل 12: نحوه نمونه گیری از سیستم های روغنرسانی غیرسیرکوله

این روش از نمونه گیری با مخاطرات متعددی برای بروز خطا در نتایج آنالیز همراه است. چراکه نمونه گیری از پایینترین بخش (کف) مخزن انجام می شود که محل تجمع آلاینده هایی چون رسوبات جامد، لجن، ذرات آب محلول، و... است. بنابراین، نمونه گیری از درپوش/شیر تخلیه نه تنها مفید نخواهد بود، بلکه تفسیر نتایج آزمون برای کارشناس آنالیز روغن را بسیار مشکل و پرخطا خواهد کرد. راه چاره ای که برحسب تجربه در این مورد ارائه شده است، اتصال لوله ای به محل تعبیه شیر/درپوش تخلیه در کف مخزن (همانگونه که در شکل 12 نشان داده شده) است تا نمونه از حجم اصلی مخزن روغن گرفته شود. طول این لوله حداقل باید تا نیمه عمق مخزن رسیده و در عین حال، نوک آن با نزدیکترین دیواره مخزن و نزدیکترین قطعه متحرک حداقل دو اینچ (5 سانتیمتر) فاصله داشته باشد. شکل 13 بهترین محل های نصب لوله برای اخذ نمونه از مخزن روغن را نشان می دهد.

شکل 13: شماتیکی از بهترین محل های نمونه گیری به روش قطره ای با لوله

شکل 14: مقایسه ای از نحوه نمونه گیری از یک تجهیز با دو روش مکش قطره ای با لوله و مکش با پراب

- نمونه گیری آفلاین (Off-Line Method):

در نمونه گیری از تجهیزاتی مانند موتور های دیزل، برخی گیربکس ها، و انواع مشخصی از کمپرسور ها، گفتیم که نمونه گیری به روش پرابی و با/بدون توسل به پمپ مکش باید از لوله اصلی تغذیه روغن صورت پذیرد. اما، بجای استفاده از این روش، می توان روال بهتری را بکار برد که به نمونه گیری آفلاین معروف بوده و مستلزم اخذ نمونه از فاصله بین پمپ روغن و فیلتر (ها) در لوله اصلی تغذیه مدار روغن است (شکل 15). این روش، آنقدر محبوب و کارآمد است که بسیاری از طرح های جدید دارای بخش مخصوصی بمنظور نمونه گیری بین پمپ و فیلتر هستند.

شکل 15: شماتیکی از نحوه نمونه گیری به روش آفلاین

یکی دیگر از روش های رایج و کارآمد در نمونه گیری روغن برخی از گیربکس ها و هوزینگ برینگ های مختلف، استفاده از یک مجموعه پرتابل سیرکولاسیون روغن (حاوی فیلتر، پمپ، لوله ها و اتصالات، و...) است که نمونه روغن را از مخزن (بعنوان نقطه پایین دست) مکیده و پس از فیلتراژ، دوباره به نقطه دیگری از تجهیز (معمولا بالادست) تزریق می کند. در این روش (شکل 16)، می توان از روغن جاری در مسیر تصفیه آفلاین، قبل از رسیدن به فیلتر (ها) نمونه گیری کرد.

شکل 16: شماتیکی از نمونه گیری در حاشیه تصفیه آفلاین

ابزار های نمونه گیری روغن یک تجهیز متفاوت، متنوع، و متعددند. هر یک از این ابزار، کارآیی خود را داشته و بالقوه نمی توانند جایگزینی برای یکدیگر باشند. از آن جمله می توان به سرنگ های مخصوص (Syringe)، بطری های خلا (Vacuum Bottles)، شیر تراتل (Throttle Valve)، و آداپتور سه راهه (T-Joint) اشاره کرد. شکل های 17 و 18 را ببینید.

شکل 17: شماتیکی از ابزار مختلف نمونه گیری

شکل 18: شماتیکی از آداپتور سه راهه بعنوان ابزاری برای نمونه گیری

اما، فارغ از نوع ابزار و سطح تمیزی آن که با فلاشینگ مداوم و منظم بدست می آید، استفاده از پورت های مخصوصی مانند انواع پورت مینیمس روی مخزن یا کارتل روغن می تواند این اطمینان را به کارشناس آنالیز بدهد که از این پورت ها بجز برای اخذ نمونه روغن استفاده دیگری نخواهد شد. آداپتور های سه راهه، در کنار وظیفه برقراری اتصال بین لوله راهنمای درون مخزن و پورت مینیمس، می توانند بمنظور نصب ادوات کمکی مانند ساید گلس، شیر تخلیه، پورت اتصال سریع (Quick Connection)، درپوش مغناطیسی، یا گیج های فشار نیز مورد استفاده قرار گیرند (شکل 18).

ج) تنظیم فرکانس و مکان نمونه گیری

همانطور که قبلا گفته شد، آنالیز روغن یکی از کارآمدترین راه های تشخیص خرابی و ارزیابی وضعیت سلامت یک تجهیز، در هر دو سطح پیشگیرانه و پیشبینانه، به شمار می رود. اما، این دقت و کارآیی در گرو رعایت اصول نمونه گیری از روغن تجهیز است. در بخش سوم این پست، به تنظیم فرکانس نمونه گیری و نحوه تعیین مکان نمونه گیری می پردازیم. در محاسبه فرکانس نمونه گیری از روغن یک تجهیز، پنج عامل دخیل است (شکل 19). این عوامل عبارتند از:

- اهمیت اقتصادی بروز خرابی: وقتی حساسیت فرآیند نسبت به توقف کار، خرابی، یا قطع موقتی عملکرد یک تجهیز بالا باشد، باید فواصل نمونه گیری را کوتاه کرد؛

شکل 19: شماتیکی از عوامل موثر بر فرکانس نمونه گیری

- اهمیت زیس محیطی و اقتصادی روغن: در تجهیزاتی که روغن بکار رفته در ساختار آنها گرانقیمت بوده یا انتشار آن در محیط زیست اطراف تجهیز بتواند مشکلات عدیده ای ایجاد کند، فواصل نمونه گیری باید کوتاه شود؛

- سن تجهیز: در مورد تجهیزاتی که کاملا نو بوده یا قدیمی باشند، فواصل نمونه گیری باید کوتاه تر از حد معمول باشد؛

- سن روغن: درست مانند خود تجهیز، زمانی که روغن نو درون سیستم شارژ می شود و در عین حال، وقتی سن روغن بالا باشد، فاصله بین دو نمونه گیری باید کوتاه گردد. این قاعده، در مورد روغن های موتوری، با کیلومتراژ نیز قابل تعمیم خواهد بود. البته، تصمیم در این مورد، برعهده کارشناس آنالیز روغن است؛

- نزدیکی به حدود مجاز: در آنالیز عناصر یا آزمون شمارش ذرات فرسایشی، وقتی که مقدار برخی از عناصر یا تعداد مشخصی از آنها Single Rise شده و به مقدار خطر نزدیک می شود، فاصله بین نمونه گیری ها باید کوتاهتر شود.

مکان نمونه گیری نیز باید بنحوی انتخاب شود که واقعی ترین تصویر را از رفتار و وضعیت جریان روغن درون تجهیز به کارشناس آنالیز ارائه کند. این مکان در مورد هر تجهیز می تواند متفاوت باشد. مثلا، در مورد رولربرینگ ها، باید از روغن جاری در فضای بین المان های غلتشی و قفسه (Cage) برینگ، و در مورد گیربکس ها، از روغن واقع در فضای بین دندانه چرخدنده ها باید نمونه گیری شود. البته، پرواضح است که نمی توان از این مکان ها، پورتی بمنظور اخذ نمونه تعبیه کرد. اما، حداقل می توان با قبول درصدی از خطا (که در محاسبات مربوط به تفسیر گزارش آنالیز روغن قابلیت چشمپوشی داشته باشد) از نزدیکترین موقعیت نسبت به نمونه گیری اقدام کرد. در این پست، به سه نمونه از ماشین آلات، برحسب نوع سیستم روغنرسانی، اشاره می شود که شامل سیستم روغنرسانی سیکل بسته با مخزن خشک (Dry Sump Circulating Lube oil System) مانند آنچه که در توربین ها بکار می رود، سیستم روغنرسانی سیکل بسته با مخزن خیس (Wet Sump Circulating Lube oil System) مانند آنچه که در موتور های دیزل بکار می رود، و سیستم های روغنرسانی با سیکل باز مانند آنچه که در گیربکس ها و پمپ ها بکار می رود:

- سیستم روغنرسانی سیکل بسته با مخزن خشک: این سیستم از یک منبع روغن مرکزی، یک یا چند پمپ، تعدادی قطعه بعنوان دریافت کننده روغن، یک یا چند فیلتر، و تعدادی لوله بمنظور اتصال اینها به یکدیگر تشکیل شده است. مطابق آنچه که تاکنون گفته شد، بهترین مکان در چنین سیستمی برای نمونه گیری قسمت های پایین دست مدار روغنرسانی است که بیشترین عمل سایش، شوک حرارتی، و... در بین قطعات دریافت کننده روغن اتفاق می افتد. اما، به دلیل آنکه قطعات دریافت کننده روغن متعدد و در مکان های مختلفی قرار دارند، بهترین مکان برای نمونه گیری نه یکی که می تواند چندین نقطه باشد. فارغ از مکان این نقاط، آنچه که تمامی این نقاط را به یکدیگر پیوند می دهد، آن است که تمامی نمونه گیری ها باید در مسیر برگشت روغن به منبع اصلی و تا قبل از عبور جریان روغن از المان فیلترینگ انجام شده باشند.

علاوه بر این، بهترین موقعیت برای نمونه گیری از روغن زمانی است که جریان روغن در حالت توربولانت (مغشوش) باشد. مغشوش شدن رژیم جریان روغن وابسته به تحت فشار قرار گرفتن یا تغییر مسیر ناگهانی آن است. با این معیار، یافتن نقاطی که جریان روغن در آنها مغشوش می شود، آسان است؛ مانند زانویی ها. مغشوش بودن جریان روغن بمنظور نمونه گیری از آن جهت مهم است که ذرات معلق همراه با جریان روغن در رژیم جریانی آرام، شروع به ته نشین شدن طی مسیر جریان کرده و عملا همگی آنها در نمونه روغن اخذ شده از سیستم حضور ندارند و همین یعنی خطا!

به شکل 20 نگاه کنید. سمت چپ شکل که با ضربدر قرمز مشخص شده است، نشاندهنده نقطه نامناسب برای نمونه گیری است. اما، سمت راست بیانگر انشعابی از یک زانویی است که جریان مغشوشی از آن می گذرد و برای نمونه گیری مناسب است. فلش های فیروزه ای جهت حرکت، و پیکان های آبی رنگ، رژیم جریان روغن را نشان می دهند.

شکل 20: شماتیکی از دو مکان مناسب و نامناسب برای نمونه گیری

- سیستم روغنرسانی سیکل بسته با مخزن خیس: همانطور که قبلا گفته شد، در این سیستم خبری از لاین برگشت روغن نیست و به همین دلیل، نمونه گیری باید از بعد از پمپ در لاین تغذیه و قبل از فیلتر باشد. شکل 21 را ببینید. بدلیل آنکه نمونه گیری از جریان پرفشاری صورت می گیرد، بهترین پورت برای انجام اینکار، پورت های مینیمس است. این پورت ها از آن جهت مناسب هستند که فرآیند نمونه گیری را ایمن کرده و از سوی دیگر برای کارکرد سیستم نیز مزاحمتی ایجاد نمی کنند. شکل 22 را ببینید.

شکل 21: شماتیکی از محل نمونه گیری مناسب در سیستم های روغنرسانی سیکل بسته با مخزن خیس

شکل 22: شماتیکی از نمونه گیری از لاین پرفشار از پورت مینیمس

- سیستم روغنرسانی سیکل باز: در سیستم های روغنرسانی که چرخشی در مدار وجود نداشته و مخزن یا وان روغن نقش اصلی را ایفا می کند، بهترین مکان نمونه گیری، پورت های تخلیه کف مخزن هستند. البته، بهتر آن است که بمنظور جلوگیری از خطا، از لوله راهنما و آداپتور سه راهه، به شرحی که قبلا در همین پست رفت، استفاده شود.

دوره آموزشی آنالیز روغن کمپرسور و پمپ

برگزاری دوره آموزشی اختصاصی آنالیز روغن تجهیزات صنعتی (سطح مقدماتی و متوسط) توسط شرکت "ترفند سازه فرساد" به درخواست شرکت "نفت پاسارگاد" با محوریت آنالیز روغن کمپرسور و پمپ

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.

روغن هیدرولیک چیست؟

با درود بیکران

هدف از این پست، ارائه پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین این وبلاگ در زمینه تعریف روغن هیدرولیک است.

شرح سوال: روغن هیدرولیک چیست و با چه تست هایی شناخته می شود؟

بنا به تعریف، روغن هیدرولیک به دسته ای از روانکار های صنعتی اطلاق می شود که علاوه بر نقش روانکاری، بعنوان واسطه ای برای انتقال قدرت نیز عمل می کنند. با این تفاوت که انتقال قدرت در این دسته از روغن ها، برخلاف انواع چرخدنده ای، بصورت آزاد انجام نگرفته و از طریق لوله های و شیلنگ های طراحی شده برای اینکار انجام می پذیرد. بهمین دلیل، ادواتی که قرار است انتقال قدرت را انجام دهند، مانند پمپ ها، ردیوسر ها، و... نیز باید به همین منظور طراحی و تست شوند. عامل اصلی در تعیین کیفیت عملکرد روغن های هیدرولیک، مقاومت آنها به کاهش حجم تحت فشار (اصل تراکم ناپذیری) و ویسکوزیته دینامیک است. در برخی از طراحی ها، مدار هیدرولیک علاوه بر انتقال قدرت و روانکاری، وظیفه خنک کاری (انتقال حرارت تحت مکانیزم همرفتی) را نیز برعهده دارند. اما، از آنجا که این وظیفه سوم نقش اساسی در فرمولاسیون روغن های هیدرولیک ندارد، ادتیو های استانداردی که به ترکیب شیمیایی این دسته از روغن ها اضافه می شوند، بمنظور ایجاد مقاومت به سایش، خوردگی، و انحلال ذرات معلق در ساختار روغن هستند. از دیدگاه فیزیکی، روغن های هیدرولیک اغلب اشتعال پذیر بوده و نسبت به شارژ الکترواستاتیک حساس هستند. حال آنکه چنین نقطه ضعفی در سایر انواع روغن های صنعتی کمتر دیده می شود.

در روزگار قدیم، سیستم های هیدرولیک اولیه از آب بعنوان واسطه انتقال قدرت استفاده می شد که وجه تسمیه هیدرولیک از همین انتخاب می آید. اما، با توجه به بروز عیوبی اعم از خوردگی و ضعف در روانکاری، به تدریج روغن های هیدروکربنیک پایه نفتی (بیشتر حاصل واکس زدایی از پارافین تولید شده از پالایش نفت خام) جایگزین آن شدند که بزرگترین نقطه ضعف آنها اشتعال پذیری می باشد. انواع سینتتیک، اما، از این نقطه ضعف مبرا بوده و از انواع روغن های صنعتی و گیاهی تشکیل می شوند.

اصولا، کیفیت روغن های هیدرولیک، به ترتیب اولویت، با مشخصات پایه ای زیر تعیین می شود:

- ویسکوزیته دینامیک در حداقل سه نقطه دمایی: معمولا صفر، 20، 40، و 60 درجه سلسیوس. البته، دمای حداکثر و حداقل این نقاط بسته به نظر کارشناس آنالیز روغن قابل جابجایی است؛ برای اطلاعات بیشتر به پست های "انتخاب روغن هیدرولیک" و "نقش دانسیته در خواص روغن ها" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index): معمولا بین 150 تا 200

- تمایل به انحلال رطوبت و هوا: برای اطلاعات بیشتر به پست "تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- عدد pH و عدد اسیدی: برای اطلاعات بیشتر به پست "عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

- آنالیز عناصر شیمیایی: برای اطلاعات بیشتر در خصوص این تست به پست "جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc Free)" در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید.

اما، توجه به این نکته لازم است که بسته به نوع و ترکیبات روغن هیدرولیک مورد نیاز، انجام تست ها یا درخواست مشخصات بیش از آنچه که در فوق بیان شد، بسته به تشخیص کارشناس آنالیز روغن قابل تعیین و الزام خواهد بود.