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.