فصل اول :
روان کاری و هدف از آن
تریبولوژی:
واژه تریبولوژی از ریشه کلمه یونانی (تریبو) به معنی سایش و (لوژی) به معنی دانش است. کاربرد اولیه این علم در یونان باستان، شناخت عوامل حمل سنگهای بزرگ بر روی سطح زمین و بهبود آنها بوده است. امروزه این علم شامل مطالعه در مورد نیروی اصطکاک، فرسایش و استفاده از روانکارهای جدید برای کاهش این دو اثر است.
در قرن گذشته تحقیقات گسترده ای برای بدست آوردن روانکارهای بادوام انجام شده که در نهایت منجر به استفاده از مواد افزودنی به روغنها به منظور ارتقای کیفیت آنها شده است. هدف نهایی تحقیقات در این زمینه به دست آوردن روانکارهایی است که هیچگاه نیاز به تعویض و یا ترمیم نداشته باشند. حاصل این تلاش شناسایی روانکارهایی متشکل از ذرات بسیار مواد آلی غیر اورگانیکی است. تحقیقات در این زمینه نشان می دهد اگر اندازه این مواد از100 نانومتر کمتر شود، ساختار بسیار متفاوتی را پیدا خواهند کرد. محصول بدست آمده نانولوبها (Nanolubricants) نامیده می شوند. ذرات کروی یا نانوتیوبها که ساختار اصلی نانولوبها را تشکیل می دهند، در زمان فعالیت،مانند میلیونها ساچمه مینیاتوری بین سطوح متحرک لغزیده و منجر به کاهش نیروی اصطکاک، دما و ارتقای کارایی ماشین آلات می شوند. این ذرات می توانند به کوچکترین منافذ قطعات نفوذ کرده و عمل روانکاری را بهبود بخشند. کاربرد این نوع از روانکارها در سطوح ناصاف به مراتب بهتر از روانکارهای فعلی است به همین دلیل تولید کنندگان با استفاده از آنها نیاز کمتری به ماشین کاری، صرف وقت و هزینه برای ساخت قطعات ماشین آلات خواهند داشت که این عامل، منجر به صرفه جویی در مواد و هزینه می شود. نانو روانکارها که در دو گروه جامد و مایع به بازار عرضه خواهند شد باعث کاهش نیروی اصطکاک و در نتیجه نیروی مصرفی و سوخت ماشین آلات می شوند. همچنین این مواد به عنوان مواد افزودنی برای روانکارها یا بصورت ترکیب با مواد دیگر و یا به تنهایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند.
تطابق بهتر با محیط زیست در مقایسه با روانکارهای متداول امروزی یکی دیگر از مزایایی بسیار خوب نانو روانکارهاست. آزمایش های متعددی که توسط آزمایشگاههای مختلف فارماکولوژی در آمریکا و اروپا انجام شده سازگار بودن این گروه از روانکار را با محیط زیست تایید کرده است.
این مواد به هیچ عنوان سمی نیستند و موجب آلودگیِ آب، خاک وهوا نخواهند شد.
نانوتریبولوژی در فناوری های پیشرفته جدید مانند هموار ساختن سطوح دیسک های حافظه کامپیوتر برای افزایش کیفیت ذخیره اطلاعات و کاهش نیروی اصطکاک و انرژی مصرفی و جلوگیری از خوردگی قطعات نقش مهمی ایفا می کند. در صنایع سنتی مانند اتومبیل و هواپیما، هدف از جایگزین کردن نانو روانکارها بجای انواع مختلف روانکارهای در حال مصرف مانند روغن و یا گریس، بی نیازی به تعویض روغن، چسبندگی بهتر به قطعات به صورت فیلم های تک لایه ای، تحمل فشار مکانیکی بسیار زیاد و دمای کارکرد بیشتر است. حتی از آنها می توان در سطوح بیرونی کشتی و یا هواپیما برای کم کردن نیروی اصطکاک ایجاد شده توسط آب و یا هوا استفاده کرد.
در حال حاضر شرکت های متعددی مشغول تحقیقات در مورد نسل جدید روانکارها هستند. یک گروه محقق توانسته است محصول جدیدی با ساختار چندین شبکه از لایه های فیلم بر روی هم که دارای حفره های خالی (برای انعطاف پذیری بیشتر) است را بسازد. عملکرد محصول جدیدبه صورت حرکت قطعات بر روی تعداد بیشماری از لایه های ساخته شده از نانو بلبرینگ های سخت است. این شرکت محصول جدید خود را بنام نانو لوب، Nanolub نامیده است. مدیر این سازمان معتقد است که این روانکار می تواند جایگزین انواع روانکار های متداول امروزی با6 تا10 برابر بازدهی بهترباشد. ساختار این بلبرینگها از دی سولفید تنگستن، WS2 است. در این ساختار لایه های لغزنده بر روی یکدیگر باعث کم شدن اصطکاک و منافذ خالی باعث انعطاف پذیری بیشتر روانکار می شوند. با استفاده از این مواد، روانکار می تواند فشار و ضربات مکانیکی بسیار شدیدی را تحمل کرده و به صورت ذرات کروی سخت در سطوح ناصاف دندانه دار میان قطعات متحرک حرکت کند. علاوه بر آن، این مواد برخلاف روانکارهای معمولی می توانند در داخل خلل و فرج سطوح ناصاف نفوذ کرده و یک لایه نرم در حد یک مولکول را به وجود آورند. برخی از شرکت های تولیدی برای ساخت نانو روانکارها از ساختار نانو تیوب های کربنی استفاده کرده اند ولی مشخص شده که در طول زمان و با وجود نیروی اصطکاک، مواد بکار برد شده متلاشی و تجزیه می شوند. هم اکنون تحقیق در مورد بهینه سازی این مواد ادامه دارد. یکی از سازمان های تحقیقاتی بنام (NIST) در حال بررسی روش اختلاط مولکولهای مختلف به صورت یک فیلم تک لایه ای است. این تحقیق از روش ادغام مولکولها (حداکثر تا4 عدد)، که هر یک خاصیت ویژه ای مانند مقاومت در برابر سایش و خود ترمیمی دارند، استفاده کرده است که در مجموع، یک نانو روانکار دارای قابلیت های یکایک ساختارهای ملکولها خواهد شد. برای مثال در یک ترکیب ملکولی چهارتایی، گروه اول مولکولها دارای خاصیت چسبندگی بسیارعالی به سطوح، گروه دوم بوجود آورنده یک فیلم روانکار بسیار مقاوم، گروه سوم محافظ در مقابل ضربات سخت و گروه چهارم حرکت در کلیه سطوح برای از بین بردن نیروی اصطکاک است.
امروزه دستگاههای بسیاری برای اندازه گیری نیروی اصطکاک، کیفیت روانکار ها و میزان سایش قطعات به صورت سنتی وجود دارد. این دستگاهها که تریبومیتر نام دارند، دارای روشهای مختلفی در عملکرد خود هستند مانند حرکت یک میله،یک کره و یا یک صفحه برروی صفحه دیگر و نظایر آن. اندازه گیری پارامترهای فیزیکی و شیمیایی روانکارها در مقیاس نانو دارای پیچیدگی بسیار زیاد بوده و بسهولت انجام نمی گیرد. برای این منظور استفاده از وسایل جدیدی مانند میکروسکپهای نیروی اتمی، (Atomic force microscope) که به اختصار AFM نام دارند،ضروریست. این وسیله می تواند در مقیاس و ابعاد نانو، عملکردهای متفاوتی شامل مشاهده سه بعدی خوردگی، ترک خوردگی یک سطح، اندازه گیری قطر ذرات جامد و یا مایع روانکارها، سنجش ضخامت فیلم روانکارها در حد تک لایه، محاسبه نیروی اصطکاک، بدست آوردن اشکال سطوح و ناهمواری آنها، اندازه گیری سختی سطوح و قابلیت ارتجاع و تغییر در ابعاد نانو را داشته باشد. مزایای دیگر این دستگاه عبارتست از: قابلیت کاربرد آن برای کلیه مواد، شامل: سرامیک ها، فلزات، پولیمرها- نیمه هادی ها و مغناطیسها، نور، موارد بصری و عناصر بیولوژیکی در اتمسفر و خلاء.
شرکت (ApNano Material ) ، تولید کننده انواع محصولات نانو و اولین سازنده نانولوبها (یک نوع روغن سنتتیک غیرآلی) است. نانولوبهای ساخته شده کنونی که در حال حاضر در مقیاس آزمایشگاهی تولید می شوند، غیرسمی و سازگار با محیط زیست هستند که کیفیت و عملکرد بسیار خوب آنها توسط کارخانه های اتومبیل سازی جهان به تایید رسیده است. همچنین این مواد می توانند بجای ادتیوها برای بهبود کیفیت روغن های موتور، دنده و هیدرولیک استفاده شوند. مهمترین مزیت این محصولات کاهش مصرف سوخت و گازهای زیان آور موتور است. استفاده از نانولوبها در آزمایشگاههای تحقیقاتی علوم پزشکی نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به تازگی شرکت اتومبیل سازی فولکس واگن برای ساخت روانکارهایی با کیفیت بالا که در صنایع هوایی و صنایع برودتی کاربرد دارند، توانسته است با شرکت ApNano Material و یک شرکت دیگر
آمریکایی با نام Hatco Corporation یک قرارداد مشارکتی منعقد کند.
تولید انبوه تا سه سال آینده با درآمد سالیانه بیش از100 میلیون دلار شروع خواهد شد. درآمد حاصل از فروش ادتیوها سالانه در حدود یک میلیارد دلار برای تمامی تولیدکنندگان بوده و با استفاده از مواد نانو می توانند آن را به37 میلیارد دلار افزایش دهند.
با توجه به موارد اشاره شده، ساخت نانو روانکار ها نیازمند هماهنگی بسیاری از صنایع تولید کننده، سازندگان مواد افزودنی و مصرف کنندگان است. شرکت هایی که بخواهند این نوع روانکار را تولید کنند با مشکل عمده ای روبرو هستند و آن صرفه اقتصادی در سرمایه گذاری اولیه است. اگر این روانکارها در ماشین آلات ریخته شوند دیگر تعویض نشده و خرید آنها فقط یکبار بیشتر نیست و پس از اشباع بازار دیگر خریداری برایش وجود نخواهد داشت. این نوع روانکارها برای مصرف کنندگان بسیار ایده ال است ولی آیا برای تولید کنندگان روانکار نیز همین گونه است؟
توقع دیدن این محصولات را به این زودی در مغازه ها نداشته باشید زیرا برای ساخت750 گرم آن در یک واحد بزرگ تولیدی، یک روز کامل فرایند مورد نیاز است.
روانکاری
عوامل زیر را در هنگام برنامه ریزی روانکاری تجهیزات لحاظ کنید : - تعداد و محلهای
عوامل زیر را در هنگام برنامه ریزی روانکاری تجهیزات لحاظ کنید : - تعداد و محلهای روانکاری هر دستگاه.
- دوره تناوب روانکاری.
- نحوه و روش روانکاری ( استفاده از پمپ، گریس پمپ، قیف ، برس موئی و( ...
- حجم و میزان روانکار.
- نوع روانکار.
- معادل و جایگزین روانکار.
- وضعیت دستگاه حین روانکاری
قبل از برنامه ریزی در خصوص روانکاری تجهیرات و ماشین آلات مطالب زیر مطالعه نمایید :
وظایف عمده روغن عبارتند از :
• ایجاد فیلم روغن بین سطوحی که روی هم می لغزند.
نظیر رینگ و پیستون روی سطح سیلندر و یا میل لنگ روی سطح یاتاقان.
فیلم روغن عبارت است از یک لایه نازک روغنی که بین سطوح قرار گرفته و از تماس دو سطح با یکدیگر جلوگیری می نماید.برای مثال دو قطعه شیشه را اگر بخواهیم روی هم حرکت دهیم ، این کار به سختی صورت می گیرد و دو سطح روی هم اثر تخریبی و خش خواهند گذاشت ولی با استفاده از فیلم روغن بین دو سطح می توان از تماس آنها جلوگیری کرد.
• جلوگیری از زنگ زدن قطعات داخلی.
• جذب حرارت از قطعات داخلی و انتقال آن به جداره های بیرونی.
• آب بندی محفظه بمنظور جلوگیری از خروج گازهای متصاعد شده در موتورها.
• شناورسازی براده ها و ذرات ریز داخلی و انتقال انها به داخل فیلترها.
واضح است که روغنی دارای کیفیت بالاتر است که بتواند پنج وظیفه فوق را بهتر انجام دهد.
یکی از خصوصیات مهم در شناسایی روغن گرانروی یا ویسکوزیته (viscosity) آن می‌باشد.
گرانروی :
عبارت است از مقاوت روغن در مقابل جاری شدن.
روغن بایستی نه آنقدر غلیظ باشد که نتواند داخل شیارهای نفوذ کند و نه آنقدر دارای غلظت کمی باشد که همواره بین قطعات نشست نموده و فیلم روغن را تشکیل ندهد.
روغنها در بازار معمولاً با اعدادی مانند 30،40، 50 معرفی می شوند و این اعداد نشان دهنده زمانی هستند که حجم ثابتی از روغن در دمای 40 درجه سانتی گراد از یک قیف استاندارد جاری می شود.
در تهیه برنامه روانکاری می توان از سرویسهای خدماتی و مشاوره ای که توسط تولید کنندگان روغن های صنعتی ارائه می گردد استفاده نمود.داشتن لیست روغن های مشابه و مرغوب با مارک های متفاوت می تواند بخش نت را در انتخاب انواع روغنهای مناسب و قابل استفاده یاری نماید.بدیهی است که باید تا حد ممکن از بکارگیری تنوع زیاد روغن های صنعتی خوداری شود.
عوامل زیر را در هنگام برنامه ریزی روانکاری تجهیزات لحاظ کنید :
- تعداد و محلهای روانکاری هر دستگاه.
- دوره تناوب روانکاری.
- نحوه و روش روانکاری ( استفاده از پمپ، گریس پمپ، قیف ، برس موئی... )
- حجم و میزان روانکار.
- نوع روانکار.
- معادل و جایگزین روانکار.
- وضعیت دستگاه حین روانکاری
کلیات
روانکاری " مناسب " یکی از مهمترین قسمتهای هر برنامه نگهدای می باشد . کلمه کلیدی در اینجا کلمه مناسب است . یک روانکاری مناسب زمانی انجام می شود که موارد زیر در آن رعایت شود :
1. استفاده از روانکار مناسب
2. استفاده صحیح و به کار بردن مقدار مناسب روانکار
3. چک کردن و کنترل کردن در بازده های زمانی تعیین شده اگر از روانکار نامناسب استفاده شود و یا به صورت نا صحیح از روانکار استفاده گردد ، نتایج اغلب ، بسیار نامطلوبتر از زمانی است که شما هیچگونه روانکاری انجام نداده باشید . هیچ نوع روانکار جادوئی وجود ندارد که تمامی نیازهای روانکاری را پوشش دهد و باعث صرفه جوئی های غیرمعمول نظیر افزایش عمر روانسازها و یا کاهش ضررهای ناشی از اصطحکاک گردد .
مانند همه محصولات دیگر ، افرادی که در کار فروش روانکار هستند ادعاهائی در مورد قابلیت های محصول خود مطرح می کنند که تاکنون توسط تست ها و آزمایشهای فنی تأئید نشده است .
خصوصیات یک روانکار :
روغن ها :
روغن معدنی یکی از معمولترین روانکارها می باشد و به غیر از چند استثناء برای روانکاری اغلب آسانسورها و پله برقی ها به کار برده می شود . از انواع دیگر روانکارها می توان به روغن های گیاهی ، سیلیکونی ، فسفات استر ، فلوروکربنها اشاره کرد . از روغنهای ذکر شده تنها نوع سیلیکونی کاربرد زیادی در صنعت آسانسور دارد . سایر روانکارها در موارد خاص کاربرد دارند و از آنها ممکن است تنها در شرایط خاصی استفاده شود .
خصوصیات روغن ها :
گرانروی یکی از مهمترین خصوصیات یک روغن بوده و نیز یکی از معیارهای سنجش غلظت روغن است . هر چه این عدد بیشتر باشد نشان دهنده غلظت بیشتر روغن است . گرانروی یک روغن بر اساس زمانی که مقدار 60 میلی لیتر از آن در دمای تعیین شده از یک منفذ استاندارد عبور می کند برحسب ثانیه تعیین می گردد . واحدهای گرانروی Saybolt Second Universal ) SSU ) می باشند . از گرانروی مطلق و گرانروی کینماتیک نیز ممکن است استفاده شود . گرانروی کینماتیک با واحد سانتی استوک به صورت وسیعی در مهندسی و آزمایشگان به کار می رود و نشان دهنده استحکام برشی روغن است . در سیستم SAE ، درجه بندی روغن موتور به صورت حداکثر و حداقل گرانروی در یک دامنه تغییر دما تعیین می گردد . به طور مثال ، SAE 5W-20 دارای گرانروی بالاتری در دمای 200 درجه فارنهایت بوده و معمولاً به عنوان روانکار برای سیم بکسل ها به کار برده می شود . روغن های با گرانروی کمتر معمولاً به " روغنهای سبک " معروف هستند .
هنگام استفاده از سیستم SSU برای نشان دادن میزان گرانروی حتماً باید دمائی که در آن اندازه گیری انجام شده ذکر شود . از آنجائی که گرانروی با دما تغییر می کند ، بی معنا خواهد بود اگر که گرانروی را بدون مشخص کردن دمای مربوطه استفاده کنیم .
شاخص گرانروی ، بیانگر عددی تغییر در گرانروی متناسب با تغییرات دما می باشد . هرچه که مقدار این شاخص بیشتر باشد ، گرانروی به میزان کمتری با دما تغییر می کند . کمترین میزان شاخص گرانروی صفر و بالاترین میزان آن 100 می باشد . هنگامی که این شاخص پایه گذاری شد ، مقیاس طوری تعیین شده بود که 100 حداکثر مقدار شاخص قابل دسترسی بود . با این وجود بعضی از روغن های جدید ، به خصوص روغن های مصنوعی ممکن است دارای شاخص گرانروی بالای 150 باشند .
نقطه ریزش ، دمائی است که در آن روغن در شرایط از پیش تعیین شده ، جاری می‌شود .
نقطه اشتغال ، دمائی است که در آن دما در حضور اکسیژن ، احتراق اتفاق می افتد .
نقطه آنیلین ، معیار و مقیاسی است برای نمایش قابلیت حلالیت یک محصول نفتی .
افزودنی ها :
به تمامی روانکارها افزودنی های مختلفی برای بالا بردن و بهبود عملکرد و خواص افزوده می شود .
بهبود دهنده شاخص گرانروی : این افزودنی میزان تغییر گرانروی را نسبت به دما کاهش می دهد. روغن های چند درجه دارای چنین افزودنی هائی هستند .
زداینده ها : از این افزودنی برای کاهش رسوب در اطراف قطعات متحرک ، استفاده می شود .
پراکنده ها : برای معلق نگاه داشتن آلودگی ها در داخل روغن و جلوگیری از جمع شدن آنها بر روی سطوح جدا کننده ها لغزش روی آن انجام می شود کاربرد دارند . این افزودنی همچنین باعث می شود تا بتوان آلودگیهای بزرگ را به راحتی فیلتر و تصفیه کرد .
عاملهای ضد سائیدگی : این افزودنی ها برای کاهش اصطحکاک در مواردی که فشار بالاست کاربرد دارد .
آنتی اکسیدان ها : این گونه افزودنی ها برای کاهش میل به ترکیب شیمیائی روغن با اکسیژن به کارگرفته می شود .
کاهنده های زنگ و خوردگی : این افزودنی ها را برای خنثی کردن اسید هائی که در اثر استفاده دراز مدت از روغن تولید شده ، استفاده می شود .
پیراینده های اصطکاک : از این افزودنی ها برای بهبود خاصیت کاهندگی اصطحکاک روغن استفاده می شود .
کند کننده های نقطه ریزش : این افزودنی ها باعث کاهش تشکیل کریستالهای مومی در دماهای پائین می شوند و به همین سبب دمای ریزش کاهش پیدا می کند .
کاهنده های کف ( ضد کف ) : روغنی که دارای کف باشد روانکار بسیار ضعیفی است.
این افزودنی ها باعث از بین رفتن حباب های هوا شده و میزان کف موجود در روغن را کاهش می دهند. برای شرایط و نیازهای خاص ، افزودنی های دیگری نیز وجود دارند . ترکیب دقیق شیمیائی افزودنی ها برای تولید کنندگان آنها جزء رازهای تجاری محسوب می گردد . به طور معمول ، یک تولید کننده ، روانکار خود را با یک نام و نشان تجاری خاص عرضه می کند .
معمولاً بهتر است از روانکارهائی که کارخانه تولید کننده مشخص می کند استفاده شود . حتی اگر بهای آن از سایر روانکارهای موجود گرانتر باشد . از تولید کنندگانی که ادعا می کنند با دو یا سه نوع روانکار تمامی نیازهای روانکاری را پوشش می دهند برحذر باشید . استفاده از روغن و روانکار نامناسب می تواند عواقب بسیار جبران ناپذیری را در پی داشته باشد .
کاهش تشکیل آلاینده ها و رسوبات در تجهیزات، موجب بهبود کارآیی و افزایش طول عمر آنها می گردد:
در جعبه دنده ها، دستگاههای هیدرولیک و موتورها پس از مدت کوتاهی کار، آلودگی هایی ناشی از اکسید شدن روغن در حین کار بروز می کند که علت اصلی آن وجود آب و ذرات ناشی از اصطکاک است. در نتیجه اکسید شدن روغن رسوبات صمغی و لجن در روغن تولید می گردد که خود باعث آلودگی روغن می شود در نهایت این آلودگی ها سبب تخریب روغن، افزایش دمای کارکرد، مصرف بیشتر انرژی، سایش اجزاء دستگاه و ... می شود. حتی ممکن است در دستگاه های جدید نیز این گونه آلودگی ها که موجب بروز مشکلات فوق می گردند مشاهده شود.
امروزه به کمک تکنولوژی های جدید می توان آلودگی ها را در دستگاه های در حال کار کاهش داد مثلا سطوح فلزی به گونه ای طراحی شده اند تا عوامل فعال کننده سطحی آنها مانع از تشکیل رسوبات صمغی بر روی سطوح فلزی شود. این فرآیند موجب افزایش عمر دستگاه و کاهش فرسودگی فلزات، کاهش دمای عملیات و مصرف انرژی می شود.
تخریب روانکار
درک اساسی چگونگی تشکیل رسوبات به منظور هدایت سیستم به سمت بهبود قابل اطمینان وضعیت، ضروری است. تشکیل رسوبات هنگامی که روانکار تخریب و به ترکیبات دیگر تبدیل می گردد، بیشتر می شود. روش های مشخصی برای کاهش سرعت تشکیل رسوبات وجود دارد. روانکارها می توانند به دلایل مختلف (جدول 1) تخریب شده و تولید لجن، لاک و رسوبات کنند. هنگامی که روانکار اکسید می شود، مواد فعالی را تشکیل می دهد که با تغییر ساختار به رسوبات مختلف تبدیل می شوند.
جدول 2 انواع رسوبات تشکیل شده و مشکلات ایجاد شده به هنگام تخریب روغن روانکار را نشان می دهد.
رسوبات با پایه هیدروکربنی نظیر مواد صمغی، مواد چسبناک و لجن، ناشی از روغن اکسید شده هستند. این مواد معمولا دارای اندازه مولکولی بزرگ در مقایسه با سایر ترکیبات موجود در روانکار (به غیر از روغن پایه) هستند.