انتخاب گریس

با درود بیکران

در این پست قصد بر آن است که مقدماتی درباره مراحل و اصول انتخاب گریس ارائه شود. این پست از سه بخش تشکیل شده است: آشنایی با گریس، ساختار شیمیایی گریس، و انتخاب گریس.

I. آشنایی با گریس

یکی از مهمترین روانکارهایی که در اکثر صنایع مورد استفاده قرار می گیرد، گریس است. این ماده بعد از روغنها بیشترین مصرف را در جهان (حدود 4%) به خود اختصاص می دهد. شاید بتوان گفت که بدون استفاده از این روانکار چرخ اقتصاد هیچ کشوری به گردش در نخواهد آمد. فرمولاسیون، ساخت، واکنشها و کاربرد گریس مجموعه ای از فناوری های گوناگون شامل بخشهای وسیعی از علم فیزیک، شیمی و مهندسی شیمی را به خود اختصاص می دهد. برای شناخت کامل از این روانکار، به بررسیهای بسیار دقیقی نیاز است. همزمان با ساخت ماشین آلات و تجهیزات جدید که در مقایسه با گذشته دارای سرعت، شرایط سخت کارکرد، تغییرات دما و مزیت های دیگری هستند، تهیه روانکارهای جدید ویژه ماشین آلات امروزی نیز ضروری می نماید. از این رو شناخت کامل از ساختار و فرایند تهیه گریس های جدید اهمیتی دو چندان می یابد. در طول سالیان متوالی و پس از کسب تجربیات فراوان، دانش بسیاری در خصوص ساختار گریس بدست آمده است. اخیرا با استفاده از ابزارهای پیشرفته مانند میکروسکوپ های الکترونیکی و با گرفتن فیلم های مخصوص موارد بسیاری در خصوص ساختار گریس مشخص شده است. با کسب این دستاوردها، و استفاده از اشعه ایکس، مطالعه برروی ساختار صابون ها و نحوه ترکیب آن با روغن و تبلور صابون در روغن با امکانات بیشتری میسر بوده است.

تاکنون تعاریف متعددی برای گریس ارایه شده که عمده ترین آنها را می توان به این شرح خلاصه کرد:

الف) گریس ماده ای است جامد یا نیمه جامد که از مشتقات نفتی و صابون(یا ترکیب چند صابون) همراه با مواد پرکننده (فیلر ها) تشکیل شده و قابل کاربری برای مصارف خاص است؛

ب) گریس ماده روان کننده ای جامد و یا نیمه جامد است که از ترکیب یک پرکننده در داخل روغن ساخته شده است، سایر مواد (برای افزایش این خاصیت) نیز ممکن است در آن بکار گرفته شود؛

ج) گریس ماده روانکاری است که در ساختار آن از پرکننده استفاده شده تا بتواند به قطعات متحرک چسبیده و تحت نیروی جاذبه و یا فشار کارکرد از قطعه جدا نشود.

از دیدگاه قوام و سفتی، گریس ها نیز مانند روغن ها با کلاس های مشخصی تعریف می گردند که توسط موسسه NLGI یا National Lubricating Grease Institute ارائه شده است. این تقسیم بندی از کلاس 000 تا 6 متغیر بوده و جزییات آن در جدول 1 نشان داده شده است. اما، سوال اینجاست که این قوام به چه ترتیب اندازه گیری می شود؟

پاسخ به این سوال با مراجعه به استاندارد ASTM D217 مشخص می گردد. براساس این استاندارد، میزان قوام یک گریس با عمق نفوذ آن در گیجی متشکل از یک مخروط استاندارد و یک صفحه سوراخ دار فولادی، در دمای 25°C، تعیین می شود (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: شماتیکی از دستگاه تعیین قوام گریس (ASTM D217-2010)

گریس هایی که، براساس این روش تست، گرید آنها با اعداد 000، 00، و 0 مشخص می گردد (جدول 1 را ببینید) در دمای اتاق حالتی نیمه جامد (ژله ای) داشته و بیشتر در بال برینگ ها و رولر برینگ های سبک که می توانند شامل انواع چندردیفه و مخروطی نیز باشند، گیربکس ها، و سیستم های روغنرسانی متکی به اصل تجدید جریان روانکار کاربرد دارند. در انتهای جدول 1، گرید های 5 و 6 گریس قرار دارند که در دمای اتاق عملا به سفتی سنگ بوده و بیشتر به شکل بلوک های مستطیلی در بازار موجودند. محل مصرف این گرید از گریس بیشتر در برینگ های دو یا چند پوسته ای ماشین آلات ذوب آهن، انواع کوره های چرخان، و ماشین آلات کاغذسازی است.

جدول 1: طبقه بندی کلاس های مختلف NLGI برای انواع گریس

در این میان، رایجترین و پرمصرف ترین گریس، گرید 2 است. گریس های گرید NLGI #2 آنقدر نرم و روغنی هستند که ملزومات روغنرسانی به بیشتر برینگ ها را فراهم آورده و در عین حال، از قوام و سفتی لازم بمنظور اجتناب از ماسیدگی (و در نتیجه افزایش ضریب اصطکاک و داغ شدن برینگ) برخوردار هستند. گریس های NLGI #3 کمی سفتتر بوده و بیشتر در بال برینگ های بزرگی صاحب کاربرد محسوب می شوند که آب بندی و درزگیری شده و نیازی به مونتاژ و روغنکاری در محل نصب ندارند. گریس های گرید 3 در برینگ های بزرگ نیز مصرف می شوند. شرط استفاده از گریس شماره 3 در این برینگ ها، حداقل عمق گریسکاری 13cm (1.2 inch) و وجود ارتعاش است. علت این انتخاب آن است که گریس های شماره 2 در چنین عمقی تمایل به ریزش بین بال یا رولر ها پیدا کرده (بدلیل قوام کمتر) و در اثر تنش های مکانیکی و تمرکز حرارت دچار ماسیدگی می شوند. برای اطلاعات کلی در مورد ارتباط بین قوام گریس و کاربرد آن، جدول 2 را ببینید.

جدول 2: ارتباط عمومی بین قوام گریس و کاربردپذیری آن

II. ساختار شیمیایی گریس

با توجه به تعاریف مندرج در بخش اول این پست، می توان نتیجه گرفت که مشخصات و کیفیت گریس به نوع و مقدار تغلیظ گر (تیکنر)، مواد افزودنی، مشخصات روغن پایه و همچنین فرایند تولید آن بستگی دارد. مهم ترین ویژگی گریس ها توانایی استفاده از آنها به عنوان روانکار مناسب در نقاط دور از دسترس ماشین آلات است. از طرفی ماشین آلاتی که در آنها از گریس استفاده می شود، طراحی ساده تر و درنتیجه نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند. همچنین از گریس ها می توان در آب بندی دستگاهها بهره برد. در مقابل این مزایا گریس ها توانایی انتقال حرارت و خارج نمودن آلودگی از ماشین را ندارند و این مساله به ساختار ژله ای شکل گریس ها بر می گردد.

بر این اساس، ساختار گریس بدین صورت تعریف می شود که ماده ای است ژلاتینی بصورت جامد و یا نیمه جامد که از یک روانساز (روغنهای معدنی یا سینتتیک) و یک تغلیظ گر (تیکنر) تشکیل یافته است که می تواند معدنی یا آلی باشد. گریس در مواردی مورد استفاده قرار می گیرد که به غلظت های خیلی بالا احتیاج باشد و دیگر نتوان از روغن ها استفاده کرد. چرخ دنده های صنعتی، یاتاقان های بزرگ، فلکه ها و نظایر آن از جمله کاربردهای گریس هستند. این ماده مانند روغن ها برای به حداقل رساندن اصطکاک بین دو قطعه مورد استفاده قرار می گیرد. همانگونه که گفته شد مواد تشکیل دهنده گریس ها شامل روغن پایه، تغلیظ گر و مواد افزودنی است. در حقیقت ماده سفت کننده نقش حامل روغن را به عهده دارد و عمل روانکاری را فقط روغن انجام می دهد، پس فرق اصلی گریس ها با روغن ها در وجود تغلیظ گر است. گریس ها براساس نوع روغن پایه (مینرال، سینتتیک، و گیاهی) و نوع تغلیظ گر (صابون های فلزی، پلیمرها، و مواد معدنی ) دسته بندی می شوند.

بدین ترتیب، ساختار یک گریس از سه بخش اصلی تشکیل شده است: روغن پایه، تغلیظ گر (تیکنر)، و ادتیو ها که انواع آنها در جدول 3 فهرست شده اند.

جدول 3: انواع روغن پایه، تغلیظ گر، و ادتیو رایج در ساختار گریس های صنعتی

II-1. روغن پایه

بیش از 98 درصد از گریس های صنعتی معمول از روغن های مینرال نفتی تشکیل شده اند و از آنجا که گریس ها باید نرخ تبخیر پایینی (نزدیک به صفر) داشته و عمر خدمتی بالایی از آنها انتظار می رود، و در عین حال، در بازه های دمایی زیر صفر نیز باید همچنان کارکرد خود را حفظ کنند، روغن های پایه تشکیل دهنده گریس ها اغلب از بازه ویسکوزیته سینماتیک SAE20~30 انتخاب می شوند که ویسکوزیته سینماتیک آنها در دمای 40°C بین دو نقطه 100~130cSt بیاستد. البته، برای گریس های چند منظوره، استفاده از بازه ویسکوزیته سینماتیک 150~220cSt (در دمای 40°C) بیشتر رایج است. جهت مقایسه بهتر بین مشخصات و گرید های مختلف ویسکوزیته انواع روغن مینرال در دمای 40°C به جدول 4 و نمودار شکل 2 مراجعه فرمایید.

جدول 4: طبقه بندی گرید های مختلف ویسکوزیته سینماتیک برای انواع روغن های مینرال

شکل 2: نمودار ویسکوزیته سینماتیک-درجه حرارت برای انواع روغن های مینرال

در کنار گرید های ویسکوزیته ISO VG (مخفف International Standard Organization Viscosity Grade)، انجمن نفت ایالات متحده یا API (مخفف American Petroleum Institute) نیز برای روغن های پایه درجه بندی منحصر به خود را ارائه کرده است که در جدول 5 فهرست شده است.

جدول 5: انواع روغن های پایه در سیستم تقسیم بندی API

همانطور که در جدول 5 نیز مشخص شده است، انجمن نفت ایالات متحده روغن های پایه گریس های صنعتی را به پنج گروه اصلی تقسیم کرده است:

- گروه I: شامل روغن های پایه نفتِنیک و پارافینیک با درصد بالایی از ملکول های اشباع نشده (ناپایدار) که تمایل زیادی به ترکیب با اکسیژن و تشکیل کامپاند های پایداری از محصولات اکسیداسیون دارند.

نکته: روغن های پایه هیتروسایکلیک (Heterocyclic) که بیشتر ساختار آنها از کامپاند های نیتروژن، اکسیژن، و سولفور دار تشکیل شده و از دیدگاه شیمیایی قطبی و واکنش پذیر محسوب می شوند نیز زیر مجموعه گروه I در نظر گرفته می شوند.

- گروه II و III: شامل روغن های مینرال پالایش و تصفیه شده متشکل از زنجیره های ملکولی پایدار شده با هیدروژن.

- گروه IV: روغن های هیدروکربن سینتتیک (SHC) متشکل از دو یا چند زنجیره ملکولی هیدروکربنیک کوتاه که بصورت مصنوعی به یکدیگر پیوند می خورند تا زنجیره پایدار و بلندی از هیدروکربن ها را تولید کنند.

-گروه V: روغن های پایه ای که دارای مسیر تخریبی متفاوتی از سایر گروه ها بوده و در برابر اکسیداسیون و تنش های حرارتی کاملا مقاوم اند.

شکل 3 حاوی نموداری برای انتخاب زمان گریسکاری مجدد براساس دمای عملکرد برینگ است. بدین ترتیب، براساس این نمودار، با بالا رفتن دمای عملکردی، عمر گریس نیز کاهش یافته و زمان گریسکاری مجدد زودتر فرا خواهد رسید.

شکل 3: نمودار طول عمر گریس برحسب دمای عملکردی برینگ ها

آنچه که در انتخاب روغن پایه برای یک گریس مهم است و نباید با انتخاب روغن اشتباه شود این نکته است که روغن ها براساس ویسکوزیته سینماتیک (شکل 2 را ببینید) انتخاب می شوند. اما، گریس براساس میزان سفتی و قوام (شاخص NLGI، تعریف شده در جدول 1) انتخاب می شوند که این ارتباطی به ویسکوزیته روغن پایه ندارد.

بعنوان مثال، برای تولید گریس NLGI #2 هم می توان از روغن ISO VG 10 استفاده کرد و هم از ISO VG 1000! و این کاملا به کاربرد و الزامات عملکردی گریس بستگی دارد و بدیهی است که استفاده از روغن پایه ISO VG 10 برای یک گریس کاربردی بسیار متفاوت با کاربردی دارد که استفاده از روغن پایه ISO VG 1000 را الزامی می کند. دومین اختلاف فاحش در انتخاب روغن پایه برای ساخت گریس ها و انتخاب روغن های روانکار، امکان مخلوط سازی دو یا چند روغن پایه برای رسیدن به ویسکوزیته لازم برای روغن پایه در 40°C است. بدین صورت که برای رسیدن به روغن پایه با یک ویسکوزیته خاص برای تولید یک گریس، می توان از مخلوط سازی یک روغن با ویسکوزیته سینماتیک پایین و روغنی دیگر با ویسکوزیته خیلی بالاتر از نقطه مورد نظر استفاده کرد.

بعنوان مثال، برای دستیابی به روغن پایه با ویسکوزیته سینماتیک 110cSt در دمای 40°C، می توان از مخلوط سازی روغنی با ویسکوزیته بین 40~75cSt و روغنی دیگر با ویسکوزیته 175~200cSt بهره جست.

اما، ویسکوزیته روغن پایه ای که برای تولید گریس بکار می رود، کاربرد آن را محدود و مشخص می کند. بعنوان نمونه، روغن های پایه ای با ویسکوزیته سینماتیک بالا (تا 900cSt در 40°C) بیشتر در ساختار گریس هایی بکار می رود که در ادواتی مانند ژورنال برینگ، گیربکس، مفاصل، کوپلینگ، و میل راهنما هایی مصرف داشته و تمامی آنها در یک مشخصه طراحی مشترک باشند: بارگذاری سنگین و سرعت چرخش پایین. این مشخصه، تحمل تنش های تماسی بالا در سرعت های پایین را در خود دارد. بنابراین، طبیعی است که در ساختار این تیپ از گریس ها از ادتیو های EP (Extreme Pressure) نیز استفاده شود.

حال اگر بمنظور روانکاری بالبرینگ های معمولی (بارگذاری سبک تا متوسط و سرعت چرخش نسبتا بالا) از گریسی استفاده شود که ویسکوزیته روغن پایه آن مطابق مشخصات بالا باشد، نتیجه چیزی جز ماسیدن گریس (که منجر به داغ شدن برینگ خواهد شد)، سروصدای زیاد، نیاز به گشتاور چرخشی بالاتر، عمر کوتاهتر گریس (شکل 3 را ببینید)، و محدودیت برای عملکرد در سرما نخواهد بود.

از سوی دیگر، روغن های پایه ای که در 40°C از ویسکوزیته سینماتیک پایینتری برخوردار باشند (25~50cSt) بیشتر در گریس هایی کاربرد دارند که قرار است در سرما عملکرد خود را حفظ کرده و سیستم های دورانی را روانکاری کنند که بارگذاری در آنها چندان سنگین نبوده و سرعت دوران آنها نیز نسبتا بالا باشد. از مشخصات این تیپ از سیستم های دورانی (اغلب از نوع بال و رولر برینگ) آن است که در میانه عمر گریس می توان از شارژ مقدار اندکی روغن روانکار در قفسه یا cage برینگ بمنظور بازسازی ساختار گریس استفاده کرد. بکار گیری این تکنیک بیشتر ناشی از این حقیقت است که این کلاس از روغن های پایه از وزن ملکولی پایینتری نسبت به همتایان ویسکوزتر خود برخوردار بوده و از این رو، مقاومت کمتری نسبت به تبخیر در دما های عملکردی بالا از خود نشان می دهند. عملی که در نهایت، منجر به کاهش عمر خدمتی گریس می گردد. جدول 6 تاثیر شرایط عملکردی برینگ و ساختار آن روی انتخاب ویسکوزیته سینماتیک روغن های پایه را نشان می دهد.

جدول 6: تاثیر شرایط بارگذاری برینگ بر ویسکوزیته روغن پایه گریس

در ساختار حدود 2 درصد از گریس های صنعتی از روغن های سینتتیک استفاده می شود که آنها را از لحاظ قیمت بشدت با انواع ساخته شده از روغن های معدنی معمولی متمایز می کند. اما، این قیمت بالا با توجه به کاربرد های خاص آنها توجیه می شود. مثلا، بازه عملکرد این تیپ از گریس ها در سرما -18~-29°C و در گرما 116~127°C است که اصلا قابل مقایسه با روغن های نفتی معمول نیست (برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مشاهده پستی در همین وبلاگ با عنوان «کاربرد روغن در دما های خیلی بالا» توصیه می شود). در میان انواع روغن های سینتتیک موجود، انواع PAO و اِستِر ها مصرف بیشتری دارند.

از دیدگاه انتخاب و بهره برداری، ویسکوزیته گریس بهیچوجه نباید با ویسکوزیته روغن پایه آن اشتباه گرفته شود. بعنوان مثال، استفاده از روغن EP220 برای روانکاری برینگ موتور های الکتریکی معمول نیست. اما، استفاده از گریسی که از همین روغن تشکیل شده است، بسیار معمول و پسندیده است! یکی از بهترین روش ها برای انتخاب حداقل ویسکوزیته سینماتیک گریس، محاسبه فاکتور سرعت چرخش است که با دو شاخص DN و NDm نشان داده شده و بصورت زیر محاسبه می گردند:

 

 

هدف از محاسبه شاخص سرعت، رسیدن به مقیاسی برای تصمیم گیری درباره سرعت سطحی چرخش جسم صلب و سپس انتخاب ویسکوزیته مناسب برای روانکار آن است (شکل 4 را ببینید). تفاوت این دو شاخص در ورودی محاسباتی است. بدین ترتیب که NDm قطر گام را بجای قطر داخلی برینگ در نظر می گیرد که بیشتر در مورد برینگ هایی کاربرد دارد که نوع المان های غلتشی آنها یکسان نیست. بنابراین، در این تیپ از برینگ ها بهتر آن است که از قطر گام بجای قطر داخلی بعنوان مضربی از سرعت چرخش استفاده شود. بدین ترتیب، و با دانستن فاکتور سرعت و دمای عملکردی، براحتی و با استفاده از  نمودار شکل 4 می توان حداقل ویسکوزیته سینماتیک گریس مورد نظر را تعیین کرد. جدول 7 نیز در این مورد راهنمایی خوبی را ارائه می دهد.

شکل 4: نمودار فاکتور سرعت برحسب دمای عملکردی (منبع: Exxon Mobil)

بدین ترتیب و با توسل به داده های جدول 7 و نمودار های نشان داده شده در شکل های 2، 3، و 4 می توان با دانستن دمای عملکردی تجهیز، نسبت به انتخاب حداقل ویسکوزیته سینماتیک برای روغن پایه تشکیل دهنده گریس اقدام کرد.

جدول 7: ارتباط بین نوع گریس، ویسکوزیته روغن پایه، و سرعت چرخش (NDm)

نکته: برای مباحث مربوط به محاسبه مقدار گریس مورد نیاز و عمر خدمتی گریس، مراجعه به پست های «محاسبه مقدار گریس و فرکانس آن»، و «محاسبه طول عمر گریس» در همین وبلاگ توصیه می شود.

II-2. تغلیظ گر

علاوه بر روغن پایه (که اغلب خود ترکیبی از دو یا چند روغن دیگر است)، ماده دیگری نیز باید با آن تلفیق شود تا مخلوطی نیمه جامد و با قوام فیزیکی بیشتری نسبت به روغن خالص بدست می آید که همان گریس است. این ماده تیکنر (Thickener) یا تغلیظ گر نام داشته و وظیفه آن تنظیم قوام و سفتی گریس، از طریق ژل سازی مخلوط روانکار چرب، می باشد. بمنظور تبدیل مخلوطی از دو یا چند روغن به ژل (به بیان بهتر: تبدیل از حالت مایع خالص به حالت نیمه جامد یا ژله ای)، از صابون های متشکل از اسید های چرب با عناصر اصلی مانند لیتیوم، کلسیم، سدیم، و آلومینیوم، با غلظت 6 تا 20 درصد وزنی در ترکیب گریس، استفاده می شود. در میان موارد فوق، ترکیبات صابونی لیتیوم دار از همه قدیمی تر بوده (1942) و بیش از 72 درصد مصرف سالیانه تولید گریس را به خود اختصاص داده اند. صابون های لیتیوم دار ضد آب بوده و در بازه دمایی 110~125°C کارآیی دارند. البته، این عملکرد حرارتی با افزودن ترکیبات حاوی اسید های ارگانیک با وزن ملکولی اندک (بعنوان عوامل تشکیل کمپلکس های شیمیایی تقویت کننده ساختار صابون) به ترکیب این تیپ از صابون ها قابل ارتقا به 150~175°C است. صابون های فوق بصورت رشته های کوتاه، متوسط، و بلند، و مهره های کوچک شبه کره ای (Spheroid) در دسترس بوده و پس از مخلوط شدن با روغن پایه  اعمال حرارت، ذوب شده و با تلفیقی از واکنش های شیمیایی و تشکیل پیوند های کووالانسی و واندروالسی، ساختار ژله ای نیمه جامدی را تولید می کند که از نظر شیمیایی پایدار است. طول انواع رشته ای از 1~100μm و قطر انواع شبه کره ای نیز بین 0.012~0.8μm متغیر است. از نظر کمپلکس سازی، هرچه نسبت طول رشته های صابونی به قطر آنها بیشتر شود، قوام گریس یا سفتی نهایی ژله بیشتر خواهد شد. در مورد انواع شبه کره ای، هرچه نسبت قطر مهره ها به تعداد آنها افزایش یابد، شرایط فوق برقرار خواهد بود. در میان موارد فوق، گریس هایی که از صابون های لیتیوم دار تشکیل شده باشند بیشترین کاربرد را داشته و به گریس های مالتی مشهورند. گریس های کلسیم دار در جایگاه بعدی قرار داشته و به گریس های کاپ معروفند. گریس های متشکل از صابون های سدیم دار بیشترین مقاومت به سرما را داشته و با عنوان تجاری والوالین در بازار قابل دسترسی هستند.

شکل 5: نمونه ای از جدا شدن روغن پایه از گریس و بجای ماندن تغلیظ گر

شکل 6: تصویر میکروسکوپیک از ساختار تغلیظ گر کلسیم سولفونات

البته، اخیرا برای کاربرد های دما بالا، استفاده از انواع ترکیبات غیر صابونی پودری مانند پودر های پلی اوریا استفاده می شود که از مکانیزم ذوب بمنظور تلفیق ساختاری در روغن بهره نبرده و بدین ترتیب، نیازی به حرارت دهی خیلی زیاد ندارند.

مکانیزم تلفیق در این پودرها، انحلال و بین نشینی است. البته، می توان بمنظور تقویت انحلال یا تسریع در واکنش، از اعمال حرارت استفاده کرد. اما، حتی در این صورت، نیازی به رسیدن به نقاط دمایی بالا نیست. این پودر ها، از آنجا که خاصیت صداگیری خوبی دارند، در تولید گریس های مصرفی در روانکاری موتور های الکتریکی بسیار پرکاربردند.

پایداری مکانیکی این پودرها، در ترکیب با خاصیت غیرذوبی آنها، جایگاه خوبی را برای گریس های حاصل از پلی اوریا در روانکاری بال برینگ های با بارگذاری سبک و متوسط ایجاد کرده است که در ساختار موتور های الکتریکی کاربرد فراوانی دارند. یکی از الزامات عملکردی چنین بال برینگ هایی، حفظ عملکرد (مخصوصا سروصدا) در بازه های مختلف دمایی بدون گریسکاری مجدد است.

در عین حال، در تجهیزات نورد لوله، راه آهن، و برخی موتور های دریایی که بارگذاری سنگین، دور پایین، و دمای بالا را می طلبد، می توان تا سقف 175°C از گریس های پلی اوریا استفاده کرد. این تیپ از گریس ها در بازار به گریس نسوز معروف هستند.

گفتنی است که سفتی نهایی گریس که با گرید NLGI (جدول 1 را ببینید) تعیین می شود، تابعی است از میزان تغلیظ گر، نوع آن، و ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه. پس، می توان نتیجه گرفت که ویسکوزیته روغن پایه تاثیر مستقیمی روی قوام (یا به بیان بهتر: گرید NLGI یک گریس) ندارد. جدول 8 راهنمایی عمومی برای انتخاب گریس براساس دمای عملکردی و فاکتور سرعت DN است:

جدول 8: راهنمای عمومی برای انتخاب گریس براساس دما و سرعت چرخش

II-3. ادتیو ها

در گریس ها نیز، همانند روغن های روانکار، از افزودنی های شیمیایی بمنظور بهبود رفتار فیزیکی-شیمیایی (شامل مقاومت در برابر اکسیداسیون، محافظت از سطح فلز در برابر تشکیل محصولات خوردگی، و مقاومت به ساییدگی) و، در نهایت، عملکرد حرارتی استفاده می شود. غلظت این مواد در ترکیب گریس که انواع کامپاند های آمین دار، ترکیبات فنولیک، و انواع بازدارنده های خوردگی را شامل می شود، بین 0.1~1 درصد وزنی گریس است. شکل 7 شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های بازدارنده خوردگی را نشان می دهد. البته، کارآیی ادتیو ها به همینجا ختم نمی شود و خواصی مانند ضد آب بودن و مقاومت در برابر نفوذ نمک های سدیم، پتاسیم، و کلسیم را نیز می توان به این لیست اضافه کرد.

در این میان، ادتیو های بهبود دهنده رفتار گریس در برابر تنش های فشاری که به EP معروفند از جایگاه ویژه و انحصاری برخوردارند. اما، همه جا کاربرد نداشته و بیشتر در تولید گریس های مخصوص بال برینگ مصرف می شوند. ادتیو هایی که در کلاس EP قرار می گیرند، بیشتر شامل کلرین، بورات پتاسیم، و کامپاند های سولفور-فسفردار بوده و مکانیزم عملکردی آنها بصورت تشکیل یک فیلم فداشونده (Sacrificial Film) بمنظور پرکردن ناهمواری های میکروسکوپی دو سطح متقابل بوده و تشکیل این فیلم نیز مستلزم رسیدن دمای دو سطح درگیر به نقطه دمایی خاص است. پس، می توان از همین نکته به این نتیجه رسید که فعالیت ادتیو های کلاس EP مستلزم گرم شدن سطوح درگیر تبادل بار است. شماتیکی از مکانیزم عملکرد این تیپ از ادتیوها در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 7: شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های بازدارنده خوردگی

شکل 8: شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های کلاس EP

ادتیوهای EP، علیرغم فوایدی که در صورت حضور در ترکیب شیمیایی گریس از خود نشان می دهند، دارای محدودیت های بسیار جدی در غلظت حضور خود در گریس هستند که در ذیل به برخی از آنها اشاره شده است:

- در بالبرینگ های سنگین که سرعت چرخش آنها کمتر از 10 فوت بر دقیقه (10FPM) باشد، حضور ادتیو های EP از نوع کامپاند های سولفور-فسفردار در گریس می تواند مکانیزم تخریبی را کلید بزند که به Polishing معروف است. برای اطلاعات بیشتر در خصوص این مکانیزم تخریب، مراجعه به هندبوک ASM Handbook Of Case Histories in Failure Analysis; Volumes 1 & 2 (2002) توصیه می شود. کامپاند های سولفور-فسفردار از نظر شیمیایی بسیار فعال و واکنش پذیر محسوب شده و فیلم فداشونده حاصل از این ادتیو ها بشدت متمایل به واکنش دهی با سطح فلز می باشد. از این رو در کاربرد های سنگین و کم سرعت، بجای این تیپ از ادتیو ها، از بورات پتاسیم استفاده می شود؛

- کامپاند های سولفور-فسفردار دارای سقف دمای عملکردی 95°C بوده و عملا در کاربرد های بیش از این مرز دمایی کارآیی خود را از دست می دهند؛

- کامپاند های سولفور-فسفردار از مرز دمایی 60°C به بعد با آلیاژ های مس (خانواده برنج، آلیاژ های مس دار، خانواده برنز، و...) واکنش داده و عملا مشکلات خوردگی زیادی را برای این دسته از آلیاژ ها ایجاد می کنند؛

- ادتیو های پتاسیم بورات و کلرین، حتی در صورت وجود حجم اندکی از آب (یا به بیان کلی: رطوبت) بشدت قابلیت خورندگی روی انواع آلیاژ های فولادی ایجاد می کنند. بنابراین، در کاربرد هایی که حتی احتمال نفوذ مقادیر بسیار اندکی از رطوبت به بال برینگ حاوی گریس متشکل از این تیپ از ادتیو های EP وجود داشته باشد، نسبت به استفاده از گریس مزبور باید احتیاط های لازم را بعمل آورد.

در مورد تجهیزات خطوط نورد محصولات فولادی، راه آهن، و برخی از موتور های دریایی که عملکرد آنها مستلزم بارگذاری سنگین و سرعت چرخش پایین است، از ادتیو های سولفور و فسفر دار استفاده می شود که بیشتر خاصیت ضد سایشی را به گریس مصرفی در این صنایع اضافه می کنند. جدول 9 راهنمای عمومی برای حضور انواع ادتیو را براساس نوع کاربرد گریس ارائه می دهد.

جدول 9: راهنمای عمومی برای انتخاب گریس براساس دما و سرعت چرخش

اما، همه ادتیوهایی که به ساختار شیمیایی گریس اضافه می شوند، لزوما حاوی عملکردی خاص نیستند. بسیاری از این مواد صرفا با هدف پرکنندگی و افزایش حجم به ساختار گریس افزوده می شوند که از آن جمله می توان به پودر خشک دی سولفید مولیبدن، گرافیت، اکسید روی (Zn)، و تالک اشاره کرد.

III. انتخاب گریس

پیش از پرداختن به مبحث نهایی (انتخاب گریس)، نگارنده بر خود لازم می داند که مختصری درباره تست های رایج بمنظور شناسایی قابلیت ها و کارآیی گریس ارائه شود.

III-1. آزمون های گریس

اهم این تست ها عبارتند از:

دمای تشکیل قطره

هدف از این آزمون که براساس استاندارد های ASTM D566 و ASTM D2265 انجام می شود، تعیین نقطه دمایی است که با عبور از آن گریس بصورت قطره قطره از اُریفیس تعبیه شده از کاپ حرارت داده شده تست فرو خواهد ریخت. کاربرد این تست در تعیین تمایل گریس از تغییر فاز نیمه جامد (ژله ای) خود به مایع بوده و با توجه به نتیجه این آزمون می توان محدوده حرارتی کاربری یک گریس را تعیین کرد. بعنوان یک قاعده عمومی، حداکثر دمای کاربری یک گریس بین 20~60°C کمتر از دمای تشکیل قطره آن می باشد (جدول 10 را ببینید).

جدول 10: دمای تشکیل قطره و حداکثر دمای کاربری گریس های مختلف

دمای روغن زدایی (روش اول)

هدف از این آزمون که براساس روش مندرج در استاندارد های ASTM D972 و ASTM D2295 قابل انجام است، تعیین میزان جدایی روغن از گریس در اثر حرارت است. با افزایش محدوده حرارتی که گریس در معرض آن است، روغن پایه آن که از ویسکوزیته کمتری نسبت به تغلیظ گر برخوردار است، کم کم شروع به تبخیر کرده و از بدنه گریس جدا می شود. بدین ترتیب، ساختار ژله ای گریس تدریجا شروع به سخت شدن می کند. این تمایل به جدایی در اثر تبخیر، بویژه در مورد روغن های پایه ای که ویسکوزیته سینماتیک آنها (در دمای 40°C) از 75cSt کمتر باشد، بیشتر و سریعتر اتفاق می افتد. بعنوان یک قاعده کلی، در مورد گریس های مینرال، باقی ماندن بمدت 22 ساعت در دمای 100°C نباید منجر به جدایی بیش از 2 درصد وزنی روغن پایه از ترکیب گریس گردد. این حد مجاز در مورد گریس های سینتتیک (با حفظ شرایط تست فوق) حداکثر 0.4 درصد وزنی است.

دمای روغن زدایی (روش دوم)

در این روش، که براساس استاندارد FTM 791-321.2 انجام می شود، نمونه گریس در یک توری سیم قیفی شکل قرار گرفته و بمدت 30 ساعت در دمای 100°C حرارت داده شده و میزان خروج قطرات روغن جدا شده از گریس اندازه گیری می شود. در این روش، جدا شدن روغن پایه باندازه 2 تا 5 درصد وزنی گریس پذیرفتنی است. این بدان معنی است که اگر طی مدت حرارت دهی و پس از آن، گریس هیچ روغنی از خود پس ندهد، به احتمال زیاد قادر به تامین روانکاری لازم در شرایط مقتضی نخواهد بود. روغن زدایی بیش از حد نیز به معنی عدم پایداری حرارتی گریس تلقی می شود.

مقاومت به اکسیداسیون

طی این آزمون که جزییات روش انجام آن در استاندارد ASTM D942 شرح داده شده است، نمونه گریس بمدت 100 تا 500 ساعت در محفظه تحت فشاری که اصطلاحا «بمب» نامیده می شود، در معرض اکسیژن خالص با فشار 110psi و دمای 99°C قرار داده می شود. واضح است که هرگونه افت فشار در اکسیژن درون محفظه به معنای جذب آن توسط نمونه گریس است. بعنوان یک قاعده کلی، حداکثر افت مجاز فشار اکسیژن در مورد تست 100 ساعتی بین 3~25psi و در تست 500 ساعتی 25~50psi می باشد.

مقاومت به سایش و فشار سنگین

مقاومت به سایش، در عین تحمل فشار سنگین که به Extreme Pressure یا به اختصار: EP معروف است، به مجموعه ای از تست ها اطلاق می شود که براساس روش مندرج در استاندارد های ASTM D2509، ASTM D2266، و ASTM D2596 انجام می شود. در بخشی از این مجموعه که به روش Timken مشهور است (استاندارد ASTM D2509) از دستگاه بارگذاری سایشی متشکل از تقابل یک تست بلاک ساخته شده از آلیاژ فولاد کربوره (ثابت) در برابر یک کاپ چرخان (متحرک) حاوی یک رولربرینگ مخروطی استفاده می شود. میزان بارگذاری نیز از 40 پاند برای گریس های چند منظوره معمولی تا 60 پاند برای گریس های EP متغیر است.

اما، روش دیگری بنام روش «چهار ساچمه ای یا Four Ball» نیز هست که برپایه روش مندرج در استاندارد های ASTM D2266 و ASTM D2596 قابل انجام بوده و مفهوم کلی آن استفاده از یک ساچمه فولادی بعنوان عضو متحرک است که روی سه ساچمه هم اندازه و هم جنس خود (ثابت) غوطه ور در نمونه گریس چرخیده و در آخر میزان خراشیدگی سطح ساچمه چرخان یا هر یک از ساچمه های ثابت مورد بازرسی قرار می گیرد. تفاوت بین دو استاندارد اخیر تنها در هدف از انجام آزمون و جزییات نحوه انجام آن است. بطوریکه، براساس استاندارد ASTM D2266 (که با هدف استخراج معیاری برای خواص ضدسایشی گریس انجام می شود)، ساچمه متحرک باید بمدت یکساعت زیر بار 40kg بچرخد و سپس، قطر خراشیدگی (های) بوجود آمده روی سطح ساچمه های ثابت اندازه گیری می شود. بعنوان یک قاعده کلی، قطر این خراش ها نباید بیرون از بازه 0.4~0.6mm تحت شرایط چرخش با سرعت 1200RPM در دمای 75°C قرار گیرد. استاندارد ASTM D2596، اما، توانایی تحمل فشار (EP) گریس را با همان ابزار هدف می گیرد. در این روش، میزان بارگذاری از 400 تا 500kg متغیر است.

آزمون تعیین طول عمر گریس در بالبرینگ ها

از معیار استخراج شده از این تست که براساس استاندارد ASTM D3336 انجام می پذیرد، ساچمه شماره 204 به گریس آغشته شده و با سرعت 10000RPM شروع به چرخش می کند. پس از انجام آزمون، هیچگونه روغن زدایی، چکه کردن روغن، و...پذیرفتنی نیست.

البته، روش دیگری نیز قبلا در این خصوص رایج بوده است که براساس استاندارد ASTM D1741 (Withdrawn شده در سال 1991، بدون معرفی استاندارد جایگزین) انجام می شده و در آن از ساچمه شماره 306 در دور 3600RPM، در دمای 125°C، استفاده می شده است. قاعده معمول در این روش رسیدن به عمر 10 هزار ساعتی برای گریس های NLGI #2 با تغلیظ گر لیتیوم و پلی اوریا می باشد.

III-2. انتخاب گریس براساس ملزومات حرارتی

در مبحث انتخاب روانکار براساس ملزومات حرارتی، برخلاف روغن ها که اصل انتخاب بر ویسکوزیته سینماتیک (و گاهی دینامیک، بنا به مقتضیات طراحی) است، در گریس ها، مبنای انتخاب قوام و سفتی است. همانگونه که پیشتر و در ابتدای این پست ذکر شد، موسسه NLGI اقدام به ارائه طبقه بندی برای انواع گریس نموده است که خلاصه ای از آن در جدول 1 به نمایش درآمده است. انتخاب گریس براساس ملزومات حرارتی به دو بخش تقسیم می شود که به ترتیب شامل الزامات حرارت و برودت خواهد شد:

انتخاب گریس برای مقاومت به حرارت

شرایط دمایی «گرم» یا «پرحرارت» واژه ای کاملا نسبی در علوم مهندسی است. بعنوان مثال، برینگ هایی در خطوط نورد لوله یا فولاد سازی کار می کنند، ممکن است در معرض شوک حرارتی به اندازه صدها درجه سلسیوس قرار گرفته و سپس به مدت زیاد در بازه دمایی 120~150°C کار کنند. یا در مثالی دیگر، برینگ هایی که مسئولیت چرخاندن سیستم نقاله بدنه های رنگ شده خودرویی را در سرتاسر فرآیند بعهده دارند، باید این بدنه ها را بدرون کوره های پخت رنگ نیز برده و سالم بیرون بیاورند. دمای معمولی که این برینگ ها در طول فرآیند پخت رنگ در این کوره های گازسوز تحمل می کنند از 205°C کمتر نیست (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، به کتاب «رنگ ها و پوشش های خودرویی، جلد دوم: مبانی طراحی سالن های رنگ خودرویی» مراجعه بفرمایید).

مسلما، انتخاب گریس برای این دو برینگی که مثال زده شد می تواند به نتایجی کاملا متفاوت بیانجامد. در این خصوص، اولین قدم در انتخاب گریس، براساس الزام مقاومت به حرارت، بررسی منشا حرارتی که گریس قرار است تحمل کند و نتیجه تحمل این بازه حرارتی (مثلا تجزیه شیمیایی، و...) است. جدول 11 در این مورد راهنمایی لازم را ارائه داده است.

جدول 11: راهنمای عمومی برای انتخاب گریس براساس الزام مقاومت به حرارت

طول عمر یک گریس به مقاومت ساختار شیمایی آن به سه عامل وابسته است: تنش های مکانیکی (شامل تنش های حرارتی و برشی)، اکسیداسیون، و انتقال حرارت. از این میان، دو عامل اکسیداسیون و انتقال حرارت در تخریب یک گریس کاملا به یکدیگر وابسته اند. چراکه شوک حرارتی می تواند ساختار شیمیایی یک گریس را از هم بپاشد و موجبات نفوذ هوا به آن را فراهم آورد.

از سوی دیگر، تنش های حرارتی و برشی نیز آثار تخریبی منحصر به خود را دارند و گاه می توانند بصورت همزمان روی کیفیت عملکرد و طول عمر یک گریس اثرات منفی جبران ناپذیری بگذارند. جدول 12 با هدف ارائه اطلاعاتی در این خصوص و پیوند بازه حرارتی عملکرد یک گریس و فاکتور سرعت چرخش (DN) تنظیم شده است.

جدول 12: ارتباط بین بازه حرارتی، فاکتور سرعت (DN)، و گرید NLGI

انتخاب گریس برای مقاومت به برودت

همانطور که برای دمای کاربری یک گریس نقطه حداکثری وجود دارد، نقطه حداقلی نیز برای آن قابل تعیین و تصور است. چراکه سرما باعث افزایش ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه و در نتیجه کل سیستم گریس شده و عملا پمپاژ آن را غیرممکن می سازد. از این رو، برای گریس های مختلف، بسته به نوع کاربرد و ترکیب ساختار شیمیایی آنها، حداقل دمای عملکردی تعریف شده است که در جزییات آن را می توان در جدول 13 مشاهده کرد.

جدول 13: حداقل دمای عملیاتی برای انواع گریس

III-3. انتخاب گریس براساس ملزومات سازگاری شیمیایی

همانطور که قبلا گفته شد، گریس ها برحسب ساختار شیمیایی اجزای آنها (روغن پایه، تغلیظ گر، و ادتیوهای مختلف) رفتار شیمیایی متفاوتی را از خود به نمایش می گذارند. از سوی دیگر، گاه پیش می آید که بخواهیم از گریس جدیدی بجای قبلی استفاده کنیم. در این مواقع، باید توجه داشت که با توجه به ساختار خمیری گریس، جداسازی کامل گریس قدیمی از بخش های مختلف تجهیز امکانپذیر نیست. با این اوصاف، در صورتیکه گریس های انتخاب شده و قدیمی از نظر ساختار شیمیایی با یکدیگر سازگاری نداشته باشند، تماس آنها با یکدیگر و تلفیق روغن پایه یا تغلیظ گر آنها می تواند منجر به خساراتی اعم از خوردگی، تشکیل ذرات جامد سخت (مانند انواع کامپاند های کلسیم یا سدیم دار)، تخریب زودهنگام گریس، و... شود. جدول 14 سازگاری شیمیایی گریس های مختلف را با یکدیگر در سه حالت نشان می دهد: سازگار، مرزی، و ناسازگار.

جدول 14: چارت سنجش سازگاری شیمیایی انواع گریس

پس از بررسی سازگاری شیمیایی، در زمان تعویض گریس با یک گریس جدید که اصطلاحا به Grease Change over معروف است، مواردی اعم از پایداری ساختار گریس در برابر تنش های حرارتی و برشی، مقاومت به اکسیداسیون، مقاومت به نفوذ آب، حضور یا به بیان بهتر: مکانیزم حضور ادتیو های EP و AW، و...نیز باید لحاظ گردد. جدول 15 نمونه ای از یک مطالعه موردی برای مقایسه سه گریس با تغلیظ گر لیتیومی معمولی (چند منظوره)، لیتیوم کامپلکس، و کلسیم سولفوناتی است.

جدول 15: نمونه ای از مقایسه خواص سه گریس سازگار

علاوه بر مواردی که در جدول 15 نشان داده شده است، در زمان انتخاب یک گریس از بین چند کاندیدای بالقوه، انجام چند تست استاندارد و سپس مقایسه نتایج آنها با یکدیگر بسیار راهگشا و مفید خواهد بود. جدول 16 مقایسه ای از مطالعه موردی بین سه گریس فوق الذکر را نشان می دهد.

جدول 16: نمونه ای از مقایسه خواص سه گریس براساس تست های استاندارد

III-4. انتخاب گریس براساس ملزومات طول عمر

همانند دیگر مواد مهندسی، گریس نیز از یک طول عمر مشخص برخوردار بوده و در اثر عواملی چون تنش های حرارتی و مکانیکی، شوک حرارتی، اکسیداسیون، و... دچار از هم پاشیدگی ساختار یکپارچه خود شده و بتدریج خواص مهندسی خود را از دست می دهد. یکی از مهمترین و پردردسرترین این نشانه های تخریبی، روغن زدایی است. روغن پایه بدلایل مختلف، اعم از اکسیداسیون، تبخیر جزیی، خزش، و... از ساختار گریس جدا شده و در نتیجه گریس تبدیل به جسمی انعطاف ناپذیر، خشک، تیره، و غیرچرب خواهد شد. بدین ترتیب، عواملی چون رطوبت، شرایط برینگ، بازه حرارتی، تماس با هوا، و... می توانند بشدت روی تخمین عمر مفید یک گریس تاثیرگذار باشند. برای اطلاعات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست های «محاسبه مقدار گریس و فرکانس آن»، و «محاسبه طول عمر گریس» در همین وبلاگ توصیه می شود.

Oil Whirl & Oil Whip

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، معرفی دو پدیده منجر به خرابی دائم در ژورنال برینگ ها است که در ادبیات مهندسی با عناوین Oil Whirl (چرخش روغن) و Oil Whip (شلاق روغن) شناخته می شوند. لازم به توضیح است که از دیدگاه آنالیز خرابی، هر دو پدیده چرخش و شلاق روغن از جمله پدیده های مشترک بین آنالیز روغن و ارتعاش یک تجهیز محسوب شده و در واقع با اصول پایداری هیدرودینامیک یک تجهیز سروکار دارند.

الف) شرح مساله:

همانگونه که پیش از این گفته بودیم، یکی از وظایف فیلم روغن در ژورنال برینگ ها کمک به انتقال حرارت ناشی از اصطکاک بین سطوح فلزی شفت و ژورنال است که این مهم با تکیه بر دو مکانیزم هدایت (Conduction) و جابجایی (Convection) در لایه مرزی فیلم روغن بین دو سطح انجام می شود. اما، باید توجه داشت که فیلم روغنی که اطراف شفت در جریان است و ضخامت آن نیز بهیچوجه متقارن نیست (شکل های 1 و 2 را ببینید) را نمی توان ثابت فرض کرد. بلکه، این فیلم نامتقارن از روغن همانند شفتی که در حال خنک کاری آن است، در حال چرخش می باشد. اما، نکته اینجا است که سرعت این چرخش با سرعت دوران شفت یکی نیست و چیزی کمتر از نصف آن را تشکیل می دهد.

شکل 1: شماتیکی از چرخش (دوران نامتقارن) شفت درون ژورنال

می دانیم که چرخش شفت از پیک گرادیان فشار روغن ناشی می شود. اما، این حرکت دورانی، بدلیل تراکم ناپذیری روغن، با اندکی حرکت درج جهت عمودی همراه است که موجب عدم تقارن و هم مرکزی حرکت دورانی نسبت به مرکز دوران می گردد. این حرکت عمودی شفت را «خیز دورانی» می نامند که شدت یا ارتفاع آن تابعی از سرعت روتور، وزن روتور، و فشار روغن است. حال اگر شفت در حین حرکت دورانی نامتقارن خود، کنش های نامنظمی (اعم از سِرج یا شوک مکانیکی) را دریافت کند، میزان خیز دورانی آن به تناسب دامنه زمانی شوک دریافتی افزایش خواهد یافت و همین، تعادل مکانیکی بین حرکت شفت و ضخامت فیلم روغن را برهم خواهد زد.

شکل2: شماتیکی از گرادیان فشار روغن و نقطه پیک آن در تقابل با بخش های مختلف ژورنال و شفت

بمنظور جبران این عدم تعادل گذرا بین چرخش شفت و ضخامت فیلم روغن (که با فشار روغن ارتباط مستقیم دارد)، پمپ روغن بصورت اتوماتیک کسری روغن را با پمپاژ روغن اضافی به فضای خالی بین شفت و ژورنال جبران می کند. بدین ترتیب، فشار روغن افزایش یافته و به تبع آن، ضخامت فیلم روغن بین شفت و ژورنال نیز افزایش خواهد یافت که در نتیجه آن، نقطه پیک گرادیان فشار روغن اصلاح شده و الگوی دوران نامتقارن شفت حول نقطه مرکزی برینگ اصلاح خواهد شد. این اصلاح رفتار دورانی، نتیجه میراگری فیلم روغن در برابر ارتعاشات حاصل از ناپایداری های لحظه ای وارده به الگوی دورانی نامتقارن سیستم شفت و ژورنال برینگ است. حال اگر بنا به دلایلی که در ذیل راجع به آنها بحث خواهد شد میراگری فیلم روغن ناکافی بوده یا اصلا وجود نداشته باشد، ارتعاش القا شده به رفتار این سیستم دورانی تشدید شده و به مرور منجر به حرکت دوارنی خشن شفت با ضربات شلاقی کوتاه (اما شدید!) به دیواره ژورنال خواهد شد که می تواند بسته به نوع سیستم، الگوی بارگذاری، و حساسیت آن، صدمات جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد.

1. چرخش روغن (Oil Whirl):

بنا به آنچه که در شرح مساله گفته شد، چرخش روغن می توان از عوامل زیر نشات گرفته و یا توسط آنها تشدید شود:

• وجود بارگذاری دینامیک (سبک یا سنگین) یا پیش بار؛

• فاصله بیش از حد مجاز بین ژورنال و شفت (لقی) که می تواند ناشی از مونتاژ نادرست یا سایش باشد؛

• تغییر در خواص روغن (بویژه ویسکوزیته برشی)؛

• هرگونه افزایش یا کاهش در فشار و دمای روغن؛

• عدم طراحی صحیح برینگ (گاهی Overdesign انجام شده برای حصول اطمینان از عملکرد صحیح زیر بار سنگین شفت نیز می تواند در این رده جای گیرد)؛

• نشت یا فرار روغن از آببند (Seal) های مکانیکی؛

• هرگونه تغییر در ضریب میرایی سیستم چرخشی (میرایی پس ماند، یا اصطکاک خشک)؛

• اثرات حرکت جایروسکوپیک (بویژه در پمپ های OH)

  در کنار عوامل فوق، برخی تجهیزات گاه بصورت موردی و تحت تاثیر ارتعاشات القایی ناشی از اتفاقات فرآیندی که حتی ممکن است خارج از یونیت اتفاق افتاده و بواسطه اقلامی چون پایپینگ، اتصالات فرآیندی، یا حتی فونداسیون به تجهیز انتقال یابند، از خود رفتار های ارتعاشی دال بر چرخش روغن نشان می دهند. رفتار هایی از این دست بیشتر ناشی از یکسان بودن یا همپوشانی دامنه فرکانسی ارتعاش وارده به سیستم دورانی با فرکانس رفتار چرخش روغن است. آنچه که شایان توجه است، گذرا بودن این الگوی ناهنجار است و در غیر اینصورت بنا به حساسیت تجهیز، اقدام به ایزوله نمودن آن نمود.

  البته، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن براحتی و با آنالیز فرکانسی رفتار ارتعاشی تجهیز قابل شناسایی است. اگرچه، در این خصوص، بین منابع مختلف اختلافاتی هست، اما در مجموع، می توان گفت که فرکانس چرخش روغن بین 40 تا 48 درصد سرعت دوران شفت (برحسب RPM) اتفاق می افتد. به گفته برخی منابع، احتمال وقوع فرکانس ارتعاشی ناشی از چرخش روغن در حد فاصل 40 تا 43 درصد سرعت دوران شفت (RPM) بیشتر از بقیه موارد است (شکل 3 را ببینید). نمودار شکل 3 مراحل آغاز ارتعاش ناشی از چرخش روغن و سپس توسعه آن به شلاق روغن را ازابتدای دوران شفت تا رسیدن سرعت چرخش آن به دور های بالا نشان می دهد.

  

  شکل 3: نمودار رفتار ارتعاشی حین دوران شفت و رسیدن به دو پدیده ناپایداری حاصل از چرخش، و سپس، شلاق روغن

  همانطور که از نمودار مندرج در شکل 3 پیداست، شفت از دور تقریبا 1800RPM وارد منطقه چرخش روغن شده و تا رسیدن به دور 4000RPM در آن منطقه باقی می ماند. در نمودار فوق، سه حالت سرعت دورانی شفت به نمایش درآمده است: 0.5X، 1X، و 2X. منظور از این سه حالت، تمایل به حفظ آهنگ دوران در شفت است. بدین ترتیب که خط 1X رفتار فرکانسی شفتی را نشان می دهد که با یک برابر سرعت دورانی آغازین به سرعت های بالاتر دست می یابد. همین ترتیب را می توان در شفت های با الگوی دورانی 0.5X و 2X مشاهده کرد. با توجه به نمودار شکل 3، می توان دید که در دور 4000RPM، شفتی که از الگوی دورانی 1X در افزایش سرعت دورانی خود پیروی می کند، به منطقه رزونانس وارد شده (به مقیاس محور عمودی سمت راست نمودار توجه کنید) و به همین دلیل، از نیروی کافی بمنظور غلبه بر فرکانس حرکت چرخشی روغن برخوردار می گردد. اما، بمحض خروج تجهیز از مرحله رزونانس (تقریبا پس از 5200RPM) دوباره شاهد بازگشت ارتعاش ناشی از چرخش روغن هستیم.

  بطور کلی، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن در محدوده 40 تا 50 درصدی لقی (Clearance) معمول برینگ ها به بیشترین شدت خود رسیده و اقدامات اصلاحی، اعم از تنظیم دمای روغن (یا به بیان بهتر: ویسکوزیته سینماتیک آن)، اصلاح نابالانسی یا ناهمترازی (بمنظور اصلاح الگوی بارگذاری)، اصلاح موقتی الگوی همترازی با توسل به گرم یا سرد کردن پایه های نگهدارنده تجهیز، شیار دار کردن یا اصلاح هندسه شیار برینگ (بمنظور اصلاح پیک گرادیان فشار روغن)، یا تنظیم فشار روغن، در این مورد را می طلبند. اما، چنین اقداماتی تنها بصورت موقت مشکل ارتعاش ناشی از چرخش روغن را حل می کنند و بمنظور حل دائمی این مشکل می توان راهکار هایی اعم از نصب یک پوسته جدید در ژورنال (بمنظور ایجاد لقی یا Clearance جدید)، ایجاد پیش بار در برینگ با توسل به ایجاد موانع مکانیکی برای تنظیم فشار داخلی روغن، یا حتی تعویض کامل برینگ با یک نوع متفاوتی از برینگ که حساسیت کمتری به ارتعاشات ناشی از چرخش روغن داشته باشد (مانند برینگ های با شیار محوری، برینگ های چند بخشی، و برینگ های معروف به tilting pad)، را در نظر داشت.

  

  شکل 4: نمونه ای از برینگ های thrust pad

  حساسیت به بروز ارتعاش حاصل از چرخش روغن در برینگ های tilting pad از آن جهت کمتر محسوب می شود که در ساختار این تیپ از برینگ ها چندین پد یا سگمنت بکار رفته است که هر یک الگوی توزیع فشار مستقلی از فیلم روغن را برای خود داشته و از این رو، نیرو های بیشتری در تراز کردن الگوی دوران شفت در ژورنال دخیل می شوند. همین موضوع به دستیابی الگوی یکنواخت تری از میرایی منجر شده و پایداری کلی سیستم دورانی را بهبود می بخشد.

ج) شلاق روغن (Oil Whip):

با توجه به نمودار شکل های 3 و 5، ارتعاشات ناشی از شلاق روغن وابسته به دو شرط زیر است:

• وجود ارتعاشات ناشی از چرخش روغن (شرط لازم)؛ و

• تقارن فرکانسی چرخش روغن با فرکانس طبیعی سیستم (شرط کافی)

  

  شکل 5: تصویر ساده شده ای از نمودار شکل 3

  البته، در مورد شرط کافی، ذکر این نکته لازم است که برای تقارن فرکانسی، وجود فرکانس طبیعی همیشه لازم نیست! بلکه، گاه (بنا به شرایط تجهیز) فرکانس بالانس روتور یا سرعت بحرانی دوران می تواند جایگزین فرکانس طبیعی سیستم شود. بعنوان مثال، به شکل های 3 و 5 دقت کنید: با رسیدن دور شفت (روتور) به 9200RPM و سپس عبور از آن، فرکانس طبیعی آن با فرکانس طبیعی حاصل از دوران در سرعت 2X در حالت بالانس منطبق می گردد. در این زمان، فرکانس ناشی از ارتعاش چرخش روغن که حدود 43 درصد از RPM را تشکیل می داد، با این سرعت بحرانی تلفیق شده و ناگهان ناپایداری دینامیکی که تاکنون ناشی از چرخش روغن بود، در یک لحظه به ناپایداری حاصل از شلاق روغن ارتقا مقام می یابد! جالب توجه است که فرکانس ناشی از شلاق روغن، برخلاف فرکانس حاصل از چرخش روغن، ثابت بوده و از سرعت دوران روتور (RPM) کاملا مستقل است. بدین ترتیب، حتی در صورتیکه سرعت دوران تجهیز بیشتر شود (حتی تا 12000RPM) نیز فرکانس حاصل از شلاق روغن همان خواهد بود!

  وقتی یک سیستم دورانی وارد محدوده ارتعاشی شلاق روغن می شود، کلیه عوامل موثر بر پایداری دینامیکی آن حذف شده و تنها دو عامل جرم و سماجت مکانیکی (Stiffness) آن در لیست باقی می مانند. در میان عوامل موثر بر دامنه نوسان آن نیز، تنها لقی (Clearance) برینگ های آن است که بر پایداری دینامیکی آن تاثیر می گذارد. بدین ترتیب، اگر تجهیز وارد مرحله ارتعاشی شلاق روغن شده و فرکانس آن کنترل یا تصحیح نشود، ارتعاشات وارده به سیستم دورانی آن می تواند اثرات بسیار مخربی داشته باشد.

  اما، این همه ماجرا نیست! در برخی از تجهیزات که مدار روغنرسانی آنها به ژورنال برینگ ها نشتی داشته باشد یا از روانکار اشتباه در آنها استفاده شده باشد، عیب ارتعاشی دیگری با عنوان «شلاق خشک» رخ می دهد که از نظر تطابق فرکانسی و اثرات مخرب آن، کاملا قابل مقایسه با شلاق روغن است. اما، دلیل بوجود آمدن آن چیز دیگری است. چراکه ارتعاش ناشی از شلاق خشک زمانی اتفاق می افتد که اصطکاک شدیدی بین برینگ ثابت و ژورنال متحرک رخ داده باشد. این اصطکاک، که بدلیل فقدان یا کمبود فیلم روغن (در اثر Clearance زیاد یا نشت روغن یا عدم پایداری حرارتی روغن، در صورت انتخاب یا شارژ اشتباه) رخ می دهد، اثرات ارتعاشی را تشدید کرده و از نظر تخریبی، اثربخشی زودهنگام نسبت به شلاق روغن دارد.

  شلاق خشک درست مانند کشیدن انگشت تر روی سطح خشک یک شیشه است. با انجام این عمل، خیلی زود متوجه ارتعش و صدای زوزه مانند خواهید شد که رفتار اصطکاکی المان های برینگ خشک را تداعی می کند. در صورت تشخیص شلاق خشک در رفتار ارتعاشی یک تجهیز، ابتدا باید وضعیت شارژ روغن و نوع آن را مورد بررسی قرار داده و سپس بدنبال مواردی چون نشت مدار و Clearance برینگ ها بود.

Case Study شماره 1: ارتعاش ناشی از چرخش روغن در یک Chiller Unit

برینگ های داخلی یک توربین بخار که تاسیسات مربوط به چیلر یونیت یک مجتمع دانشگاهی در ایالات متحده را بکار می انداخت چندین بار پشت سر هم خراب شد. بازرسی ها نشان می داد که نیمه فوقانی برینگ ها طوری ساییده شده است که بابیت از سطح داخلی برینگ جدا شده و در بخشی از برینگ عملا دیگر بابیتی وجود ندارد. نمودار های طیفی (اسپکتروم) ارتعاشی نشان دهنده رفتار ارتعاشی Subsynchronous بودند که نشان از وقوع چرخش روغن در کوپلینگ ها بود. با بازرسی های بیشتر، احتمال ناهمترازی مطرح شد. اما، اندازه گیری های انجام شده حاکی از تناسب خوب وضعیت دورانی سیستم بود. در نهایت، با اندازه گیری لیزری وضعیت حرکتی دو تجهیز (چیلر و توربین) مشخص شد که این چیلر است که رفتار دورانی نامتقارنی از خود نشان می دهد و عیب از برینگ های توربین نیست. با توسل به آنالیز خرابی (روش Root Cause)، مشخص شد که سرد شدن یونیت در چیلر، حرکات انقباضی ناشی از سرمایش منجر به کشیده شدن شفت برینگ ها به سمت چیلر می گردد و همین باعث ایجاد خیز در شفت متصل به برینگ های توربین شده و موجب ناپایداری الگوی دورانی برینگ های توربین می گردد.

Case Study شماره 2: ارتعاش ناشی از شلاق روغن در یک توربین 500 مگاواتی

یک توربین نیروگاهی رفتار بسیار غریبی از خود نشان می داد. بدین ترتیب که عملکرد آن برای چند ماه کاملا نرمال و طبیعی بود. اما، پس از توقف بمنظور بازدید های دوره ای (که چند ساعت بیشتر طول نمی کشید)، راه اندازی مجدد آن عملا غیرممکن بود. با بازرسی های انجام شده مشخص شد که ارتعاشات بسیار شدید ناشی از شلاق روغن در برینگ های روتور LP مانع از راه اندازی مجدد توربین است. جالب اینجا بود که اگر توربین را بمدت یکی دو روز به حال خود رها می کردند، توربین براحتی Restart می شد! یک آزمایش نشان داد که با آفلاین کردن توربین، راه اندازی مجدد براحتی امکانپذیر بود! همه این نشانه ها دال بر یک مشکل حرارتی در همترازی این سیستم دورانی بود. از آنجا که امکان نصب و بکار گیری ابزار اندازه گیری همترازی روی یک توربین در حال کار فراهم نبود، از یک سیستم ابتکاری بمنظور پایش جابجایی های صورت گرفته در حین کار توربین استفاده شد. بدین ترتیب، امکان اندازه گیری و نظارت بر خیز عمودی برینگ ها فراهم شد. این اندازه گیری ها نشان داد که با اعمال بارگذاری خلا در کل سیستم، برینگ های روتور LP به میزان زیادی بسمت پایین حرکت کرده و اصطلاحا خود را می اندازند! و وقتی که بارگذاری ناشی از برقراری خلا برداشته شد و یونیت شروع به خنک شدن کرد (بخش LP سریعتر از بخش HP خنک می شد) انقباض نامتقارن بوجود آمده در سیستم دورانی باعث بار برداری زودتر از موعد از برینگ های LP شده و رفتار ارتعاشی ناشی از چرخش روغن را در آنها باعث می شد. در مرحله بعد، با سرعت گرفتن سیستم، فرکانس ارتعاشی حاصل از چرخش روغن با فرکانس طبیعی اول روتور منطبق شده و به رفتار ارتعاشی شلاق روغن بدل می شد. بدین ترتیب، و بمنظور جلوگیری از هات استارت آپ در روتور LP، برینگ های آن بطور کامل با نوع Tilting Pad عوض شدند.

انتخاب ویسکوزیته روانکار برای ژورنال برینگ ها

با درود بیکران

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

شرح سوال: لطفا اطلاعاتی در مورد ژورنال برینگ ها به اشتراک بگذارید

پاسخ: ژورنال برینگ ها یا پلین برینگ ها Journal Bearings / Plain Bearings از یک شفت یا ژورنال تشکیل شده اند که قرار است آزادانه در یک غلاف یا محفظه فلزی بچرخد. بدین ترتیب، در این نوع برینگ ها از ساچمه (بال) یا میله (رولر) خبری نیست و اینگونه اجزای چرخنده جای خود را به یک ژورنال یا شفت داده اند. این ساختار مکانیکی ساده، ژورنال برینگ ها را قادر می سازد تا در بار های محوری بسیار سنگین (حتی بیش از 25 تن بارگذاری در هر محور) نیز قابلیت سرویس دهی داشته باشند. در عین حال، در ژورنال برینگ، ژورنال می تواند بخشی از محور یا شفت اصلی باشد. این اتفاق بیشتر در صنایع ریلی یا تجهیزات دوار نفتی سنگین رخ می دهد (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: ساختار یک ژورنال برینگ و اجزای تشکیل دهنده آن

اجزای تشکیل دهنده ژورنال برینگ ها عبارتند از غلاف (محفظه یا کپه)، لایه بابیت، و ژورنال یا شفت که در داخل اویل رینگ ها قرار می گیرد. در این میان، بمنظور اتصال کپه های بالا و پایین، از اتصالات پیچی استفاده می شود که معمولا از جنس خود کپه محسوب شده و شامل فولاد های کروم-مولیبدنی است. عبارت "بابیت" نیز به لایه ای نرم از فلز اشاره دارد که مخلوطی از سرب، قلع، و مس است که با آنتیموان به یکدیگر پیوند می خورند (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مراجعه به پست «نقش بابیت در ژورنال برینگ ها» در همین وبلاگ، توصیه می شود). این لایه نرم بصورت روکشی نازک روی سطح فولاد سخت کپه را پوشانده و مانع تماس فلز سخت ژورنال (شفت) و پوسته سخت محافظ آن می شود (شکل 2). گفتنی است که این لایه بابیت می تواند تا دمای 150 درجه سلسیوس را تحمل کند. پس از این نقطه دمایی، بابیت شروع به ذوب شدن می کند.

شکل 2: شماتیکی از لایه های مختلف محافظ سطح داخلی ژورنال برینگ

ژورنال برینگ ها بیشتر بمنظور تحمل بار های شعاعی، عمود بر محور شفت، و بیشتر حاصل نیروی وزنی بالا توصیه می شوند. البته این بدان معنی نیست که بار های محوری وارده به شفت توسط ژورنال برینگ ها قابل تحمل نیستند. در عین حال، لازم به توضیح می داند که حرکت شفت در محفظه ژورنال مرکزیت ندارد و چرخش آن هم وضعی (چرخش بدور خود) و هم انتقالی (دوران با الگوس غیر دایروی) است. شکل 3 در این خصوص حای اطلاعات بیشتری است. با توجه به شکل 3، می توان مشاهده کرد که طی عملکرد عادی ژورنال برینگ، فیلم روغن به حداقل ضخامت خود می رسد که در برینگ های سنگین بین 1 تا 300 میکرون و در انواع متوسط بین 5 تا 75 میکرون متغیر است. بر این اساس، ویسکوزیته روانکار نقش حیاتی در حفظ این بازه ضخامتی بر عهده دارد و انتخاب روانکار مناسب با توجه به سرعت چرخش (دور) ژورنال برینگ و بازه دمایی عملکرد آن از حساسیت ویژه ای برخوردار است. جدول 1 در این خصوص، راهنمایی عمومی ارائه می دهد. نمایه ای از تبدیل مشخصه ویسکوزیته روانکار در مقیاس های مختلف در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 1: انتخاب ویسکوزیته روانکار ژورنال برینگ برحسب سرعت چرخش و دمای عملکردی

سرعت چرخش (RPM)	دمای عملکردی روانکار/برینگ (درجه سلسیوس)
	0~50	60	75	90
300~1500	__	VG68	VG100~VG150	__
1501~1800	VG32	VG32~VG46	VG68~VG100	VG100
1801~3600	VG32	VG32	VG46~VG68	VG68~VG100
3601~10000	VG32	VG32	VG32	VG32~VG46

شکل 3: نحوه حرکت شفت در ژورنال برینگ

جدول 2: چارت تبدیل واحد های مختلف ویسکوزیته

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