مخلوط سازی روغن ها

پیرو سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص مخلوط کردن دو یا چند نوع روغن روانساز بمنظور کاهش یا افزایش ویسکوزیته و رساندن آن به سطح مطلوب از طریق مخلوط سازی یا میکسینگ، توضیحاتی را به شرح زیر و پس از تاخیر بسیار ارائه می نمایم. امید است که کیفیت پاسخ جبرانی بر تاخیر در ارائه آن باشد:

شرح سوال: آیا می توان بمنظور کاهش ویسکوزیته، دو نوع روغن، مثلا  ISO VG 32 را با  ISO VG 64 مخلوط کرد؟ این مخلوط سازی چه تاثیر بر عملکرد تجهیز می گذارد؟

پاسخ: مخلوط سازی دو یا چند نوع لوبریکانت که متعلق به یک دسته از لوبریکانت ها باشند (مثلا دو نوع لوبریکانت هیدروکربنیک پایه نفتی) مستقیما روی ویسکوزیته مخلوط روغنی که در مدار تجهیز در حال چرخش است اثر خواهد گذاشت. میزان ویسکوزیته نهایی، اما، تنها به ویسکوزیته دینامیک (و نه سینماتیک!) این دو یا چند روغن بستگی نخواهد داشت! بلکه، عواملی چون میزان استفاده از ادتیو های پایدارساز حرارتی، آنتی فوم ها، و... نیز در این معادله وارد خواهند شد و محاسبه مقدار ویسکوزیته نهایی را به مساله ای چند معادله-چند مجهول تبدیل خواهند کرد. برای درک بیشتر این مساله، بیایید با هم نگاهی دقیقتر به تاثیر ویسکوزیته یک روغن در زمان حرکت آن در یک ماشین بیاندازیم: ویسکوزیته سیال تراکم ناپذیری مانند روغن به دو دسته ویسکوزیته سینماتیک (که با حرف یونانی "نو" در ادبیات مهندسی نشان داده می شود) و ویسکوزیته دینامیک (که با حرف یونانی "مو" یا "میو" نشان داده می شود) تقسیم می شود. بطور خلاصه، ویسکوزیته سینماتیک تابعی از عدد رینولدز (بیانگر نوع جریان: آرام، لایه لایه، توربولانت، و...) و دمای جریان بوده و به نوع سیال ارتباطی ندارد! از سوی دیگر، ویسکوزیته دینامیک تابعی از عوامل فوق، بعلاوه دانسیته سیال است که خود تابعی از دما و فشار بوده و ارتباط مستقیم با نوع سیال دارد. پس آنچه که با آن در این نوشتار کار داریم، ویسکوزیته دینامیک است...نه سینماتیک! از سوی دیگر، ویسکوزیته دینامیک منجر به تولید فیلمی از روغن با یک ضخامت ویژه می گردد که مقدار این ضخامت و حفظ آن در کیفیت روانکاری در یک بازه مشخص از دما و فشار بسیار مهم است. موارد بسیار متعددی از خرابی های مصیبت بار و حوادث صنعتی را می توان برشمرد که ناشی از عدم توانایی جریان روغن در حفظ ضخامت لازم از فیلم روغن روی سطوح فلزی بوده است. اما! وظیفه این فیلم چیست؟

فیلم روغنی که موضوع بحث ماست از ضخامتی در اُردِر یک صدم قطر موی انسان برخوردار بوده و وظیفه اصلی آن ایجاد فاصله مطمئنه بین سطوح فلزی درگیر واکنش های ترمومکانیکی در برینگ ها و سایر المان های چرخنده یا یک-طرف ثابت است. از عوامل موثر بر ضخامت این دیوار حائل می توان به سرعت چرخش، الگوی تمرکز بار القایی از محور، و ویسکوزیته دینامیک روغن اشاره کرد. در این میان، اگر ویسکوزیته روغن خیلی پایین باشد، ضخامت فیلم به صفر نزدیک خواهد شد و درست برعکس، اگر ویسکوزیته روغن خیلی بالا باشد، خود موجب افزایش اصطکاک و تولید حرارت خواهد شد. مخلوط سازی دو یا چند روغن (از یک کلاس) اولین اثر منفی خود را روی پرافایل عملکردی روغن خواهد گذاشت. بدین ترتیب که کامپاند روغنی حاصله دیگر پایداری حرارتی، خواص خورندگی، و پایداری شیمیایی قابل پیش بینی نخواهد داشت و دیگر نمی توان مطمئن بود که ضخامت فیلم روغن بویژه در حالت های عملکردی حساس ماشین (مانند دور های بالای مقطعی یا کار در گرما) در یک بازه ایمن حفظ می شود. این عدم قطعیت، بویژه در مورد تجهیزاتی مانند توربین ها، بشدت مخاطره آمیز است. چراکه در اثر واکنش های شیمیایی که بین ادتیو های حاضر در روغن ها رخ خواهد داد، شاهد تشکیل انواع لجن (به انواع رنگ ها: از سیاه تا سبز و حتی قهوه ای) خواهیم بود که هم زمان بین دو فلاشینگ را کوتاه می کند و هم می تواند موجب گرفتگی مدار روغنکاری یا خوردگی موضعی (معمولا پیتینگ کروژن) در مدار روغن شود. نحوه تشکیل این لجن ها در شکل زیر نشان داده شده است:

خورندگی بخار روغن

در پی سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم، پاسخ ارائه شده جهت استفاده سایرین به شرح زیر ایفاد می گردد:

شرح سوال: آیا بخار روغن خورنده است؟ در صورت مثبت بودن جواب، چطور می توان به این موضوع پی برد؟

پاسخ: بطور کلی، سیستم های روغنرسانی بر سه مکانیزم استوار هستند: تزریق روغن، روغنپاشی، و بخار روغن یا مه روغن. در برخی از سیستم های روغنرسانی که بیشتر مربوط به موتور های سنگین با سیکل احتراق دیزل و در حالت ایستا (مثلا بمنظور نصب روی یک ژنراتور برق، و...) می شوند، از سیستم روغنرسانی با مکانیزم مه یا بخار روغن استفاده می شود. بخار یا مه روغنی در صورت وجود ناخالصی، رطوبت، و انواع ترکیبات اسیدی یا بازی می تواند برای سطوح فلزی و غیر فلزی در تماس با آن خورنده باشد. همانطور که احتمالا می دانید، در سیستم روغن علاوه بر لوبکات، از افزودنی های مختلفی استفاده می شود که یکی از این افزودنی ها ممانعت کننده های خوردگی یا Corrosion inhibitors هستند. میزان حضور این افزودنی های در سیستم روغن از طریق استاندارد  ASTM D5534 سنجیده می شود. در این تست، یک قطعه فولادی که به بالای دستگاه تست تعریف شده در استاندارد ASTM D3603 و حاوی روغن تست در دمای 140 درجه سلسیوس، وصل شده و در معرض جریان رو به بالایی از مه روغن و بخار آب بمدت 6 ساعت قرار می گیرد. در انتها، قطعه فولادی برای هرگونه علایم خوردگی بازرسی شده و در صورتیکه علایمی دال بر خوردگی در آن مشاهده شود، روغن تست را پاس نکرده است و برعکس.

بطور کلی، آب یا محصولات آبی به سه شکل یا فاز شیمیایی می توانند در جریان روغن حضور داشته باشند: آب محلول، آب آزاد، و امولسیون آب/روغن.

آب محلول در جریان روغن با ملکول های منفرد آب شناخته می شود که با الگویی منظم در سرتاسر جریان روغن پراکنده شده باشند. بسیاری از روغن های صنعتی، اعم از روغن های هیدورلیک، روغن های توربین، و... می توانند بین 200 تا 600 پی پی ام (یعنی 0.02 تا 0.06 درصد حجمی) آب را بصورت محلول در جریان خود داشته باشند. اینکه نمونه روغن شما و تجهیز شما در کجای این بازه بایستد بستگی کامل به زمان/کیلومتر تعویض روغن و در عین حال، الگوی توزیع دمای روغن شما دارد (برخی منابع، گرادیان دمای روغن، و برخی دیگر، صرفا ماکزیمم دمای روغن را ملاک می دانند). برخی از روغن ها (بویژه روغن های توربین با کیفیت بالا قادر هستند مدتها پس از تعویض، تا سه یا حتی چهار برابر بازه فوق در خود آب محلول را نگهدارند.

اما، پس از آنکه روغن محلول به حداکثر میزان خود در ترکیب روغن رسید، روغن به حالت اشباع می رسد و از اینجا به بعد است که حضور آب در جریان روغن بصورت قطرات میکروسکوپیک رخ نموده و تشکیل امولسیون می دهد. در روغن های هیدروکربنی، این حالت به ابری شدن یا کدر شدن جریان روغن معروف است. افزایش مقدار آب در این امولسیون موجبات جدایش آب از روغن و تشکیل یک جریان دوفازی را پدید خواهد آورد که از یک لایه آب آزاد و یک لایه روغن تشکیل شده است. این لایه آب آزاد در مورد روغن های معدنی و سینتتیک گروه پُلی آلفا اُلِفین ها که از گرانش ویژه ای کمتر از 1 برخوردارند در کف تانک یا مخزن روغن جمع می شود.

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید

استفاده از گریس WD40

با درود فراوان

مسبوق به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص ارائه مقدماتی در رابطه با انتخاب لوبریکانت، پاسخ ارائه شده جهت استفاده سایر اعضا به صورت زیر ایفاد می گردد

شرح سوال: آیا می توان از گریس  WD40 بعنوان روانکار برینگ پمپ دور بالا استفاده کرد؟

پاسخ: بمنظور تشخیص اینکه می توان از این گریس برای روانکاری برینگ استفاده کرد یا نه، لازم است که ابتدا ترکیب و ساختار شیمیایی آن بررسی شود. همانگونه که شاید بدانید، اجزای تشکیل دهنده فرمولاسیون شیمیایی روغن ها، گریس ها، و لوبریکانت ها، از اسرار شرکت های تولید کننده محسوب می شود. لذا، اصرار بر دسترسی به چنین اطلاعاتی بی فایده است! اما، با مراجعه به MSDS= Material Safety Data Sheet مربوط به گریس WD40، مشخص می گردد که 60 تا 70 درصد حجمی این گریس از قطران پایه نفتی، 15 تا 25 درصد روغن پایه، و 2 تا 3 درصد حجمی آن را دی اکسید کربن تشکیل می دهد. بدین ترتیب، گریس WD40 مخلوطی است از محصولات پایه نفتی و یک محرک شیمیایی. مرحله دوم، آن است که ببینیم فرمولاسیون گریس WD40 چقدر با لوبریکانت های رایج و معروف برینگ ها و رولینگ المنت ها تفاوت یا تشابه دارد. در این خصوص، توجه به چهار نکته زیر ضروری است:

اول) لوبریکانت باید مقاومت خوبی به اکسیداسیون داشته باشد تا از تشکیل لجن و وارنیش در دما های کاری اجتناب شود. بسیاری از لوبریکانت ها در ترکیب خود ادیتیو یا افزودنی های آنتی اکسیدانت دارند که به همین منظور به ساختار شیمیایی روانکار اضافه می شوند. اما، آنطوریکه از ام اس دی اس برمی آید، گریس WD40 دارای چنین افزودنی هایی نیست و در این صورت حتی در دمای محیط نیز شروع به تشکیل لجن می کند.

دوم) در زمینه روانکاری اجزای گردنده تخت بار (اعم از انواع برینگ)، اصلی ترین مشخصه روانکار یسکوزیته دینامیک آن است. عوامل متعددی در انتخاب ویسکوزیته روانکار در برینگ ها مطرح است که از آنجمله می توان به نوع برینگ (سیلیندریکال، بالبرینگ، و...)، سرعت دوران، سایز برینگ، بارگذاری، و بازه دمایی عملکرد اشاره کرد. عموما، بمنظور محاسبه دامنه تغییرات ویسکوزیته از فاکتور سرعت چرخش برینگ یا Bearing Speed Factor, dN   به همراه بازه دمایی پیش بینی شده برای عملکرد برینگ استفاده می شود. بدین منظور، جداول و نمودار هایی برحسب این دو عامل موجود است. در این زمینه بزودی اطلاعات مفصلی ارائه خواهد شد. اما، در هر صورت، ویسکوزیته قطران پایه این گریس مقدار خیلی بالایی ندارد. لذا، بعید است که در سرعت های چرخش پایین و دما های عملکردی متعارف، ویسکوزیته این گریس دچار افت شدید شود. اما، نکته ای ظریف در این بخش رخ می نماید و آنهم ارتباط بین سطوح غلتک ها (رولر ها) با قفسه یا Cage برینگ است. این ارتباط، از آنجا که کاملا تحت شرایط هیدرودینامیکی است، ویسکوزیته روانکار را به حداقل 4 سانتی استوک (در بازه دمایی عملکردی) ملزم می کند. چیزی که شخصا بعید می دانم گریس WD40 موفق به پاس کردن آن شود.

سوم) بنا به شرایط کاری، برینگ ها همیشه در معرض انواع مکانیزم های خوردگی هستند. بهمین دلیل، اغلب لوبریکانت ها در ساختار خود دارای افزودنی های ممانعت کننده از خوردگی هستند. چیزی که در ام اس دی اس گریس WD40 دیده نمی شود.

چهارم) بسته به طراحی و کاربری برینگ، وجود افزودنی های ضد سایشی یاAnti-Wear  در لوبریکانت های برینگ از الزامات بسیار حساس است. مجددا، حضور این دسته از افزودنی ها نیز در ساختار این گریس احساس نمی شود.

بعنوان نتیجه گیری، گریس WD40 بیشتر بعنوان روانکار برای مصارف خانگی و الکترونیک کاربرد دارد. مانند روانکاری لولای در، فن کامپیوتر، زبانه قفل، و مصارفی از این دست. بنابراین، استفاده از آن بعنوان یک روانکار صنعتی برای رولربرینگ های سنگین بهیچوجه توصیه نمی شود.

جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc free)

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم در خصوص جایگزین سازی یک روغن هیدرولیک است.

شرح سوال: ما بدنبال جایگزینی برای روغن زیر هستیم:

تجهیز اکسپندر، دور 23000، نوع روغن DIN 51519-ISO VG68

روغن قبلی که فروشنده پیشنهاد داده بود و مصرف می شد Shell Tellus S3M68 بوده است. اما، این روغن در بازار بصورت Fake (تقلبی) عرضه می شود و بدنبال جایگزینی برای آن هستیم. توضیح اینکه این روغن باید طول عمر طولانی داشته باشد و زمان تعویض آن نباید از 10 هزار ساعت کمتر شود.

پاسخ: فارغ از اینکه این گرید روغن توسط فرروشنده پیشنهاد داده شده و از قدیم استفاده از آن در اکسپندر مرسوم بوده یا در مدارک سازنده اکسپندر بدان اشاره شده باشد، و با فرض اینکه نوع روغن دقیقا باید از نوع بدون روی یا Zinc Free باشد (چون اگر در برینگ از آلیاژ های مس و نقره استفاده نشده باشد، براحتی از روغن های هیدرولیک معمول استفاده کرد)، پاسخ به این سوال از سه بخش تشکیل شده است: معرفی روغن های بدون روی، معرفی جایگزین های احتمالی تولید داخل، و پیشنهاد

1. معرفی روغن های بدون روی

عنصر روی (Zn) از دیرباز بعنوان یکی از عوامل موثر در ایجاد قابلیت ضد سایشی و ضد اکسیداسیون به سیستم انواع روغن های صنعتی (چه روانکار و چه هیدرولیک) اضافه می شده و مکانیزم این اضافه سازی نیز از طریق انحلال افزودنی های شیمیایی حاوی این عنصر است. عنصر روی (Zn) در سیستم روغن بصورت فداشوندگی عمل می کند. بدین معنی که پس از آنکه وظیفه خود در راستای ضد سایش و اکسیداسیون را انجام داد، به مرور از ترکیب روغن حذف خواهد شد. اما، برخلاف این حالت، اضافه کردن روی (Zn) به سیستم روغن بهیچوجه کار ساده ای نیست. یکی از رایجترین طرق حضور عنصر روی به سیستم روغن، انجام واکنش شیمیایی بین اکسید های روی و اسید تیوفسفریک (بعنوان یکی از اسید های ارگانیک) است که حاصل آن ماده ای خواهد شد که با عنوان ZDDP=Zinc DialkylDithioPhospahte شناخته شده و در نقش یک افزودنی بسیار رایج در روغنسازی مورد مصرف دارد.

استفاده از روی در ترکیب روغن های هیدرولیک بیشتر با هدف تشکیل لایه ای محافظ غنی از روی (Zn) روی سطوح تحمل کننده بار انجام می شده و می شود. این لایه محافظ ضد سایشی بصورت فداشونده عمل کرده و با جریان مداوم روغن هیدورلیک، دوباره بازسازی می شود. این تیپ از ادتیو های روغنی بیشتر در بارگذاری های متوسط تا سنگین کاربرد دارند. حال آنکه در بارگذاری های سنگین، استفاده از ادتیو های EP=Extreme Pressure ترجیح داده می شود.

علاوه بر محافظت از سطوح اجزای زیر بار در برابر سایش و خوردگی ناشی از آن، ادتیو ZDDP نقش ضد اکسیداسیونی نیز دارد. بدین ترتیب که این ادتیو با توسل به کامپاند های فنولیک و آمینیک از تشکیل رادیکال های آزاد در سطح قطعات جلوگیری کرده و بدین ترتیب زنجیره واکنش های منجر به اکسیداسیون را قطع می کند. در همین راستا، و البته بعنوان یک اثر جانبی، حضور ZDDP در ترکیب روغن هیدرولیک باعث جلوگیری از تشکیل محصولات اسیدی در سیستم روغن شده و خواص روغن (از جمله عدد اسیدیته کل آن یا TAN) را ثابت نگاه می دارد.

بنابراین، حذف ZDDP منجر به استفاده از چندین ادتیو خواهد شد که هر یک فقط توان اجرای بخشی از وظایف آن را دارند و بدین ترتیب، قیمت روغن بالا خواهد رفت، در عین اینکه همان کارآیی را خواهد داشت.

اما، با پیشرفت های فناوری در برخی تجهیزات و ارتقای سطح عملکرد آنها (مثلا بیشتر شدن سرعت چرخش در برخی تجهیزات از مثلا 8000 دور به 22000 دور در دقیقه و حتی بالاتر)، نیاز به استفاده از آلیاژ های جدید برپایه مس، تیتانیوم، پلاتین، نقره، و... در برینگ های این تجهیزات (بمنظور انجام وظایفی چون انتقال بهتر حرارت، جلوگیری از تمرکز تنش، کاهش نرخ ساییدگی، و...) احساس شد. این ارتقای عملکرد، اما، موجب بروز یک اشکال بزرگ شد! چراکه براساس چارت پتانسیل گالوانیک، عنصر روی فاصله بسیاری از چنین فلزاتی داشته و عملا یک عنصر آندیک فعال محسوب می شود. حال آنکه فلزاتی مانند نقره، تیتانیوم، و... بیشتر رفتاری کاتدیک و نجیب از خود نشان می دهند. بنابراین، تماس این دو عنصر می توانست موجب خوردگی گالوانیک شود! از این رو، متخصصین، اقدام به سنتز سیستم های لوبریکانت نوینی نمودند که عنصر روی را از ساختار این سیستم حذف می کرد و وظیفه ضد سایشی و ضد اکسیداسیونی روغن را به دوش ادتیو های دیگری می گذاشت که البته گرانتر و متعدد بودند و همین موضوع موجب پیچیدگی هایی در فرآیند سنتز سیستم روغن می شد که در نهایت روغن هیدرولیکی را به ارمغان می آورد که عاری از روی (Zn) بود، اما در عین گرانتر و حساس بودن نسبت به شرایط حمل و نگهداری، سمی نیز بود.

2. معرفی جایگزین های احتمالی تولید داخل

در مقابله با مشکل تقلبی بودن روغن، می توان از تولیدات داخلی استفاده کرد که در این میان دو محصول Behran HP68  و  Iranol HZاز دو تولید کننده معتبر داخلی (بهران و ایرانول) می تواند در نگاه اول جایگزین خوبی برای محصول کمپانی Shell باشد. اما، با نگاهی به مشخصات این دو روغن و مقایسه آنها با داده های Shell، شک و تردید جای خود را به اطمینان می دهد: اولین مشکل در شاخص ویسکوزیته یا Viscosity Index رخ می نماید. چراکه محصول Shell شاخص ویسکوزیته 105 را ارائه می دهد، حال آنکه این عدد برای بهران 96 و برای ایرانول 97 است (البته ایرانول در بخش فارسی وبسایت خود شاخص ویسکوزیته را 100 معرفی کرده است!). همین علامتی است برای عمر کمتر محصولات داخلی نسبت به روغن Shell! در عین حال، Shell برای محصول خود در سه نقطه دمایی (شامل صفر، 40، و 100 درجه سلسیوس) ویسکوزیته سینماتیک ارائه کرده است. حال آنکه این داده ها در مورد محصول بهران برای دمای صفر و در مورد محصول ایرانول برای دو نقطه دمایی صفر و 100 درجه سلسیوس موجود نیستند. البته، جدای از این دو محصول، کمپانی هایی مانند توتال (فرانسه) و آدینول (آلمان) نیز چنین روغن هیدرولیکی را عرضه می کنند که در بازار کشور های حوزه خلیج فارس قابل دسترسی است.

3. پیشنهاد

با توجه به میزان ویسکوزیته سینماتیک در سه نقطه دمایی اشاره شده، نموداری رسم شده است که در شکل 1 قابل رویت است. براساس این نمودار، ویسکوزیته روغن Shell با ضابطه Y=0.2207x²-31.876x+990 نسبت به افزایش دما از صفر تا 100 درجه سلسیوس واکنش نشان می دهد (خطا: صفر). بنابراین، در این حوزه، چهار پیشنهاد ارائه می شود:

شکل 1: نمودار عملکرد حرارتی روغن Shell Tellus S3M68

3. 3.1 ارسال نمونه روغن های بهران و ایرانول (حداقل 100 سی سی) به آزمایشگاه و اخذ ویسکوزیته سینماتیک در دو نقطه دمایی صفر و 100 درجه سلسیوس، سپس رسم نمودار عملکرد حرارتی این دو روغن، بدست آوردن ضابطه رفتار حرارتی ویسکوزیته این دو روغن و مقایسه با ضابطه فوق. در این صورت، می توان راجع به استفاده یا عدم استفاده از این دو روغن بهران و ایرانول بجای Shell تصمیم گرفت. چون در حال حاضر، رفتار حرارتی این دو روغن مشخص نیست. البته، همین کار را می توان در مورد نمونه روغن های توتال و آدینول نیز انجام داد.

 3.2 بررسی وضعیت متریال برینگ های تجهیز، چون در صورتیکه در ساختار آنها از آلیاژ های مس، نقره، تیتانیوم، پلاتین، و... استفاده نشده باشد، می توان براحتی از روغن های هیدرولیک زینک دار استفاده کرد

3.3 استفاده از روغن های توربینی (داخلی یا خارجی): در این خصوص نیاز به ارائه جزییات بسیار دقیق از تجهیز است که بنده آنها را در اختیار ندارم

3.4 استفاده از روغن های سینتتیک (داخلی یا خارجی):  در این خصوص نیاز به ارائه جزییات بسیار دقیق از تجهیز است که بنده آنها را در اختیار ندارم

نقش بابیت در ژورنال برینگ ها

مقصود از این پست، ارائه توضیحاتی در مورد نقش بابیت در ژورنال برینگ ها و طرق مختلف خرابی در ژورنال برینگ ها و تاثیر آن بر عملکرد یک تجهیز، در قالب یک مقدمه و دو مثال عملیاتی یا Case study، است.

مقدمه

همانگونه که قبلا به عرض رسیده بود، ژورنال برینگ ها معمولا در بارگذاری ها و دورهای چرخش بالا بکار می روند. بعنوان یک شاخص عمومی، معمولا در ماشین آلات با قدرت تولیدی بیش از 500 اسب بخار یا دور بیش از 3000 دور بر دقیقه از ژورنال برینگ استفاده می شود. قبلتر از این، وظیفه اصلی ژورنال برینگ ها در کاهش اصطکاک بین دو سطح با سرعت نسبی متفاوت خلاصه می شد. اما، امروزه، از ژورنال برینگ علاوه بر کاهش اصطکاک، انتظار می رود که به روند انتقال حرارت بین دو سطح نیز کمک کرده، ذرات جامد و رسوبات جمع شده در فضای مابین دو سطح را جمع آوری کرده، و در عین حال، از قطعات گرانقیمتی مانند شفت و روتور حفاظت لازم را بعمل آورد

بمنظور انجام وظایف فوق، سطح ژورنال برینگ ها با ماده ای نرم و مسطح با عنوان بابیت پوشانده می شود که از پتانسیل بسیار بالایی برای خیس شدن بوسیله مایعات نافذی مانند روغن برخوردار است. بابیت نسبت به شوک حرارتی و سوختگی موضعی مقاوم است. اما، بسیار نرمتر از فولاد بوده و براحتی خراشیده می شود. همین، عاملی بازدارنده برای جلوگیری از آسیب رسیدن به شفت و روتور، از طریق مکانیزم فدا شوندگی، محسوب می شود. عناصر تشکیل دهنده الیاژ بابیت در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: عناصر تشکیل دهنده بابیت

همانگونه که از جدول 1 پیداست، بیش از 80 درصد بابیت را قلع تشکیل می دهد. اما، با اینکه قلع در دمای 230 درجه سلسیوس ذوب می شود، اما بابیت تا دمای 315 درجه سلسیوس، همچنان در برابر ورود به فاز مایع مقاومت می کند. همین عامل، تکیه گاهی برای ماشین است تا در دورهای بالاتر و دماهای کاری بیشتر عملکرد خود را حفظ کند. در این میان نقش فیلم روغن و ضخامت آن در یک بازه دمایی خاص (که در پست های قبلی راجع به نقش ویسکوزیته در تشکیل آن صحبت شد) بسیار حیاتی است. چراکه با تشکیل فیلم روغن، بین بابیت و سطح لغزنده فولادی روی آن (معمولا شفت یا روتور)، یک سد حرارتی تشکیل شده و در عین حال، از تماس مستقیم بابیت با فولاد و ذرات جامد رسوبی جلوگیری می شود (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: نحوه حرکت ذرات جامد بدرون لایه بابیت

از دیدگاه تئوریک، تا زمانیکه تماسی بین بابیت و سطح شفت نباشد، عمر ژورنال برینگ تضمین شده است. این بدان معنی است که یک ژورنال برینگ می تواند عمر لایتناهی داشته باشد! اما، هیچوقت این اتفاق نمی افتد! چراکه فیلم روغنی تمیزی که رفتار نیوتنی از خود نشان بدهد، عملا پس از مدتی کارکرد تجهیز و ورود ذرات مختلف بدرون آن (با منشا آهنی یا...) دیگر وجود خارجی ندارد و روغن عملا پس از مدتی معین مانند یک سمباده عمل کرده و رفتاری غیرنیوتنی از خود نشان می دهد که تمایلی به انتقال حرارت صحیح نیز از خود نشان نمی دهد. پس آلودگی و فساد جریان روغن (منظور فساد شیمیایی و حرارتی است) می تواند عامل خرابی بسیاری از ژورنال برینگ ها باشد. از سوی دیگر، بابیت نسبت به بارگذاری دینامیک غیرمتقارن نیز بسیار حساس بوده (بهم خوردگی الاینمنت) و ترک های خستگی در آن ایجاد می گردد که پس از مدتی کل بابیت را از سطح برینگ می زداید (شکل 2).

شکل 2: مراحل تخریب بابیت

از سوی دیگر، ساختار بابیت بگونه ای است که بخش کوچکی از قلع آن توسط حرارت ذوب شده و توسط فیلم عبوری روغن شسته می شود. این باعث تشکیل مسیر هایی از عبور روغن در بابیت، در اطراف بخش های سختتر پر آنتیموان و مس، شده و به تدریج کانال هایی را برای عبور روغن و خنک کاری بیشتر ایجاد کند. اما، با آلوده شدن جریان روغن و پر شدن این کانال ها از ذرات جامد، عملا مکانیزم انتقال حرارت بین ژورنال برینگ و شفت بهم می خورد. پس، عملا، همانگونه که سرعت های چرخش خیلی زیاد برای برینگ خطرناک است، سرعت چرخش پایینتر از حد معمول برای یک دوره طولانی نیز مخاطره آمیز است.

اکنون به دو مورد مطالعه خرابی موردی می پردازیم:

Case Study شماره 1: خرابی پمپ تغذیه بویلر یک توربین بخار

ژورنال برینگ یک پمپ سنگین به ناگهان طی عملکرد عادی پمپ دچار خرابی می شود (شکل 3 را ببینید). سایز ژورنال 5.75 اینچ و لقی معمول برینگ ها بین 7 تا 9 میل بود.

شکل 3: تصویری از خرابی ایجاد شده در ژورنال برینگ یک پمپ سنگین

پس از شات دان، برینگ ها از پمپ جدا شده و آنچه که به سر ژورنال برینگ ها آمده بود، در شکل های 4 تا 7 نشان داده شده است.

شکل 4: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 5: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 6: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 7: عکسبرداری SEM از خسارت وارده به ژورنال برینگ

همانگونه که در شکل 6 مشخص است، گوشه ها و مرز های بابیت روی ژورنال ذوب شده و سپس مجددا روی بخش هایی از برینگ رسوب کرده است که این ناشی از عدم الگوی مناسبی از انتقال حرارت متوازن است. عکسبرداری الکترونی (SEM) بیانگر ریزساختار سطحی بابیت است (شکل 7) که به شکل طرح های سوزنی (مس) و مکعبی شکل (آنتیموان) در بستر قلعی ظاهر شده است. در واقع، سطح شفت با قطعات سوزنی و مکعبی مس و آنتیموان تماس داشته که از سختی بیشتری نسبت به قلع برخوردار هستند و این در حالی بوده که روغن از طریق کانال هایی که در اطراف قطعات مس و آنتیموان قرار داشته اند، جاری می شده است. پرسنل کارگاه، تشکیل قوس الکتریکی را عامل خرابی پمپ می دانستند. اما، آزمایش ها نشان دادند که هیچ قوس الکتریکی عامل سوختگی ژورنال برینگ نبوده است و تنها عامل خرابی را می توان Overheating ناشی از عدم روغنرسانی به برینگ دانست.

Case Study شماره 2: خرابی برینگ فن سانتریفیوژ

یک دستگاه فن سانتریفیوژ (شکل 8) در حال کارکرد عادی خود بود که ناگهان دمای پوسته برینگ آن (اندازه گیری شده با ترمومتر) به 100 درجه سلسیوس رسید. این افزایش دما با صداهای غیرعادی و لرزش شدید فن ادامه یافت تا در نهایت منجر به دستور شات دان شد.

شکل 8: تصویری از فن مورد مطالعه

تحقیقات روشن کرد که روند این افزایش دما از پنج روز پیش از خرابی فن شروع شده است. در عین حال، اندازه گیری سطح مخزن روغن بیانگر کاهش سطح روغن تا مقدار بسیار زیادی بود. چک وضعیت پمپ روغن (شکل های 9 و 10) نشان داد که سیل (آببند) پمپ خوب کار نمی کرده و نشتی داشته است. در عین حال، وضعیت نصب تجهیز نیز بگونه ای بوده است که چکه های روغن از سیل پمپ توسط فن مکیده شده و مانع از مشاهده آنها توسط اپراتور بوده است.

شکل 9: نمایی از وضعیت خرابی فن، به سیاه شدگی های ناشی از مکش روغن (فلش) توجه کنید

شکل 10: سیل (آببند) مشکل دار پمپ روغن

از آنجا که یونیت در شرایط سخت زمستانی کار می کرد، دستور به ادامه کار داده شد تا شرایط سرمای زمستانی به پایان برسد و در طی این مدت، مخزن روغن مدام پر می شد و وضعیت تغییرات دمایی و ارتعاشی فن نیز با توجه به گذر زمان چک شده و روی نمودار می آمد (شکل 12 را ببینید). پس از گذر از شرایط سخت زمستانی، یونیت خاموش شد و برینگ ها مورد بازرسی قرار گرفتند (شکل 11)، مشخص شد که لایه بابیت درست همانطوریکه انتظار می رفت عمل کرده و در نبود روغن ذوب شده و از سطح شفت محافظت کرده است (مکانیزم فداشوندگی). اما، پس از آنکه روغن دوباره به برینگ رسیده بود، مکانیزم انتقال حرارت به جای خود بازگشته و موجب «ماسیدن» بابیت و جمع شدن نامتقارن آن در بخش های مماس با شفت شده بوده است. بدین ترتیب، با تعویض برینگ ها (عدم امکان تعمیر در محل) تجهیز قادر به ادامه کار شد.

شکل 11: تخریب لایه بابیت و محافظت آن از سطح برینگ

شکل 12: نمودار پایش وضعیت فن