انتخاب روغن هیدرولیک

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف چند تن از مخاطبان محترم این وبلاگ، درباره انتخاب روغن هیدرولیک مناسب با شرایط کاری مدار هیدرولیک، است.

شرح سوال: معیار مناسب برای انتخاب ویسکوزیته مناسب برای یک روغن هیدرولیک چیست؟

پاسخ به این سوال از دو بخش تشکیل شده است: مقدمه ای بر روغن های هیدرولیک، و معیار های انتخاب روغن هیدرولیک

الف) مقدمه ای بر روغن های هیدرولیک

انتخاب روغن مناسب برای سیستم های عملکردی گوناگون، تابع شرایط عملکردی آنها، شرایط محیطی، پروتکل های تعمیر و نگهداری، و برخی عوامل دیگر، از جمله مشخصات عملکردی زیر مجموعه های درگیر با آن روغن (یا به بیان کلی تر: روانکار) است. در مورد روغن های هیدرولیک، علاوه بر مشخصات عمومی روغن (اعم از خواص مکانیکی، خوردگی، و...)، مشخصات دیگری مانند توانایی انتقال حرارت، توانایی انتقال نیرو، و در برخی کاربری ها، توانایی روغنکاری نیز در انتخاب دخیل می شود. تاثیر این عوامل آنچنان عمیق و گسترده است که عملا شاهد ساختار های شیمیایی بسیار متنوعی در انواع روغن های هیدرولیک (بسته به کاربرد، نوع سیستم، نوع مدار، حساسیت عملکردی، و...) هستیم: از روغن های کاملا سینتتیک (بمنظور مقابله با نوسانات شدید دمایی و فشاری) گرفته تا سیالات هیدرولیک آب پایه (که در بخش هایی که ریسک حریق بالایی داشته باشند، کاربرد دارد). در اینجا، روغن های هیدرولیک به سه دسته اصلی تقسیم بندی می شوند: روغن های هیدرولیک سینتتیک، روغن های هیدرولیک نفتی (مینرال)، و مایعات هیدرولیک غیر نفتی.

روغن های هیدرولیک سینتتیک یا مصنوعی حاصل به هم پیوستن دقیق و از پیش طراحی شده زنجیره های متفاوتی (بنا به نوع انتظاری از خواص محصول داریم) از ملکول های هیدروکربنیک، هیدروکسیلیک، و ادتیو های شیمیایی هستند که اصطلاحا طی فرآیندی بنام پلیمریزاسیون ملکولی در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل سیستمی نسبتا پیچیده و پایدار از پیوند های شیمیایی (کوالانسی، هیدروژنی، و واندروالسی) را می دهند. بدلیل همین پایداری ساختاری، روغن های سینتتیک برای کاربرد هایی که مستلزم تحمل نوسانات شدید در دمای عملکردی (بخوانید: شوک حرارتی)، و یا فشار های بالا (چه دیفرانسیل، و چه دینامیک) هستند، انتخاب مناسبی هستند. البته، باید توجه داشت که بسته به پیچیدگی فرآیند تلفیق زنجیره های ملکولی، قیمت این تیپ از روغن ها می تواند گرانتر از انواع مینرال، یا حتی بسیار گرانتر باشد! اما، قیمت بالاتر همه ماجرا نیست! چراکه روغن های سینتتیک اغلب سمی بوده و برای سلامت انسان مضر هستند (تا آنجا که در قرار گیری بیش از نیم ساعت در معرض بخارات برخی گرید های روغن هیدرولیک سینتتیک توصیه نمی شود) و از سوی دیگر، ساختار شیمیایی حاصل از فرآیند (های) پلیمریزاسیون می تواند منجر به خورنده شدن یا ناسازگاری شیمیایی این روغن ها با برخی درزگیر ها و پکینگ ها شود. بعنوان مثال، بیشتر روغن های هیدرولیک سینتتیک با پلی وینیل کلراید سازگاری نداشته و منجر به تردی و  شکنندگی (اثری بنام کهنه شدگی یا Ageing) در آن می شوند.

روغن های هیدرولیک پایه نفتی یا مینرال حاصل فرآیند پالایش نفت خام و سپس افزودن برخی ادتیو های شیمیایی بهبود دهنده خواصی مانند ضد سایش (Anti-Wear)، مقاومت در برابر اکسیداسیون، واکنش دهی شیمیایی با قطعات فلزی و پلیمری، و بهبود یا پایداری شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index) است. روغن های هیدرولیک پایه نفتی انتخاب خوب و قابل مقایسه ای در برابر انواع سینتتیک، به شرط استفاده از ادتیو های درست و کافی در ساختار شیمیایی آنها، هستند. بویژه اینکه، قیمت پایینتری نیز دارند.

مایعات هیدرولیک غیرنفتی، از جمله سیالات تراکم ناپذیری هستند که در مدارات هیدرولیک، بویژه با الزام مقاومت در برابر آتش سوزی، کاربرد دارند. از دیدگاه هزینه ای، مایعات هیدرولیک غیرنفتی در جایگاهی مابین انواع نفتی و سینتتیک قرار می گیرند. ساختار شیمیایی این دسته از مایعات هیدرولیک می تواند از محلول های گلیکول یا حتی آب تشکیل شده باشد. یکی از نقاط ضعف عمده این دسته از مایعات، عدم محافظت لازم در برابر خوردگی و در عین حال، تمایل به سایش است.

ب) معیار های انتخاب روغن هیدرولیک

شکل 1، نمایی شماتیک و رنگی را از یک مدار هیدرولیک نشان می دهد. در این شکل، بیشترین لاین فشار با رنگ قرمز، فشار متوسط با رنگ آبی، و کمترین فشار با رنگ سبز نشان داده شده اند.

همانطور که در شکل 1 مشهود است، بیشترین فشاری که روغن هیدرولیک باید تحمل کند، در لاین قبل از پمپ اصلی مدار (موسوم به لاین مکش) است. البته، وجود فیلتر در بسیاری از مدارات هیدرولیک در لاین مکش، مزید علت نیز هست. بدین ترتیب، نوع و مکانیزم پمپ (های) مکش تاثیر بسزایی در انتخاب نوع و گرید روغن هیدرولیک دارد. بطور کلی، سه مکانیزم در پمپ های هیدرولیک رایج است: مکانیزم تیغه ای (Vane Pumps)، پیستونی (Piston Pump)، و چرخدنده ای (Gear Pump).

در این میان، پمپ هایی که از چرخنده در ساختار خود استفاده می کنند، می توانند چرخدنده را در داخل یک پوسته یا خارج آن بکار گیرند که البته این موضوع کاملا بستگی به نظر طراح و قابلیت های عملکردی مورد انتظار از آن پمپ دارد.

در ساختار پمپ های تیغه ای، همانطور که از نام آنها پیداست، یک روتور قرار دارد که وظیفه چرخاندن تیغه های نصب شده روی یک شفت را بصورت غیرهم مرکز بعهده دارد. القای فشار به روغن در محفظه بسته ای (بعنوان حجم کنترل) صورت می گیرد که تیغه های روتور در آن با سرعت نسبتا بالایی در حال چرخیدن هستند. این دسته از پمپ های هیدرولیک از قیمت بالاتر و حساسیت عملکردی بیشتری نسبت به انواع دیگر برخوردار هستند. اما، از سوی دیگر، جریان بسیار یکنواخت و قابل کنترلی را در مقایسه با انواع دیگر فراهم می آورند. پمپ های تیغه ای معمولا به ویسکوزیته ای بین 14~160 cSt در بازه دمایی عملکردی معمول روغن نیاز دارند. شکل 2 شماتیکی از ساختار این دسته از پمپ های هیدرولیک را نشان داده است.

شکل 1: نمای شماتیکی از یک مدار هیدرولیک

شکل 2: شماتیکی از ساختار یک پمپ تیغه ای هیدرولیک

پمپ های هیدرولیک پیستونی یکی از رایجترین مکانیزم های انتخابی در بین طراحان مدارات هیدرولیک بوده و از قیمت پایینتر و دوام بیشتری نسبت به انواع تیغه ای برخوردارند. یکی از مزایای این دسته از پمپ ها، دستیابی به فشار های تامین هیدرولیک بالا تا 6000 psi است. بازه ویسکوزیته معمول برای روغن ورودی به این پمپ ها 15~160 cSt در بازه دمایی متعارف است. شکل 3 شماتیکی از ساختار معمول در این پمپ ها را نشان می دهد.

شکل 3: شماتیکی از ساختار یک پمپ پیستونی

پمپ های هیدرولیک چرخدنده ای کمترین بازدهی تولید فشار هیدرولیک را نسبت به دو نوع قبلی دارند. اما، عدم حساسیت به ذرات معلق و نوع روغن هیدرولیک آنها را به گزینه قابل قبولی در میان طراحان مدارات هیدرولیک بدل ساخته است. پمپ های چرخدنده ای روغن را با گیر انداختن در فضای بین دو دندانه چرخدنده تحت فشار گذاشته و سپس رها سازی آن در مدار تامین می کنند. چنین مکانیزمی در دو حالت چرخدنده داخلی (شکل 4) و خارجی (شکل 5) وجود دارد.

شکل 4: شماتیکی از ساختار یک پمپ چرخدنده داخلی

شکل 5: شماتیکی از ساختار یک پمپ چرخدنده خارجی

پمپ های هیدرولیکی که از مکانیزم چرخدنده داخلی بهره می برند، بازه وسیعی از ویسکوزیته (تا 2200 cSt) را پذیرا بوده و فشار های بالایی از 3000 تا 3500 psi را تامین می کنند.

پمپ های چرخدنده خارجی، اما، بازدهی کمتری داشته، ولی در عوض قیمت پایینتر، هزینه نگهداری و تعمیرات کمتر داشته و جریان یکنواخت تری را تامین می کنند. از نظر فشار تامین، بازه فشار این نوع از پمپ ها کاملا با نوع چرخدنده داخلی یکسان است. اما، ویسکوزیته روغن ورودی به آنها به 300 cSt محدود می شود.

با توجه به مواردی که گفته شد، جدول 1 می تواند بعنوان معیاری برای انتخاب گرید ویسکوزیته سینماتیک روغن هیدرولیک، با توجه به سه عامل مکانیزم پمپ، دما، و فشار، مورد استفاده قرار گیرد.

جدول 1: راهنمای انتخاب روغن هیدرولیک براساس نوع پمپ، حداکثر فشار، و دما