جریان و خواص روانکارها

رئولوژی و خواص روانکارها

همانطور که می دانیم یک روانکار از مخلوط کردن روغن پایه و افزودنی های مختلف بدست می آید. برای رسیدن به خواص مطلوب و مورد نظر روانکار، باید عواملی چون نوع افزودنی ها و تأثیر آنها و همچنین خواص فیزیکی و شیمیایی روغن پایه را در نظر گرفت. میزان اطلاعات تولید کنندگان از خواص روغن پایه در فرمولاسیون نهایی روانکار نقش بسیار حیاتی دارد. خواص فیزیکی زیادی وجود دارد که می توان آنها را اندازه گیری کرد و تا حد زیادی قابلیت های یک روانکار را سنجید، برای اندازه گیری این خواص که در ادامه به توضیح آنها می پردازیم مراجع بین المللی استاندارد گذاری وجود دارند که چند مرجع مهم عبارتند از :

ASTMآمریکا

APIآمریکا

ISOسوئیس

DINآلمان

SAEآمریکا

بطور کلی خواصی که مربوط به جاری شدن و تغییر شکل سیال باشد، رئولوژی نامیده می شود. گرانوری مهمترین خاصیت رئولوژیک است و تنها خاصیتی از روغن است که در طراحی فرآیند روانکاری هیدرودینامیک و الاستوهیدرودینامیک نقش دارد.

گرانروی

مقاومتی که یک سیال در مقابل جاری شدن، به علت اصطکاک داخلی مولکول ها از خود نشان می دهد را ویسکوزیته یا گرانروی می گویند.

اگر سیال را از دید مولکولی نگاه کنیم، بهترین پارامتری که می تواند خاصیت لایه لایه بودن سیال را توجیه کند گرانروی است. بیان گرانروی وقتی معنی دارد که همراه با ذکر دما باشد زیرا در دماهای مختلف گرانروی مقادیر متفاوتی خواهد داشت و به همین دلیل هر جا رقمی برای مقدار گرانروی ذکر شود حتماً باید میزان دما مشخص باشد. بطور کلی گرانروی روغن ها دردمای پائین، زیاد و در دمای بالا، کم خواهد شد.

گرانروی دینامیک

گرانروی دینامیک فقط تابعی از اصطکاک داخلی مایغ است و یکی از عوامل اساسی در محاسبات طلاحی یاتاقان ها و جریان مایع می باشد و میزان آن با اندازه گیری مقدار نیروی لازم برای غلبه بر نیروی اصطکاک بین دو لایه، با ابعاد مشخص تعیین می شود.

گرانروی سینما تیک

تعریف دیگری که برای گرانروی به کار می رود گرانروی سینماتیک است. گرانروی سینماتیک از تقسیم گرانروی مطلق بر چگالی سیال بدست می آید. برای اندازه گیری این گرانروی در آزمایشگاه از لوله های موئین استفاده می شود. در این لوله ها زمانی را که سیال تحت تأثیر نیروی وزن، فاصله بین دو نقطه ی مشخص از لوله ی موئین را طی می کند اندازه گیری کرده و با استفاده از فاکتور لوله موئین (فاکتور لوله موئین بستگی به نوع آن دارد و توسط کارخانه سازنده مشخص و بر روی آن درج می شود) گرانروی سینماتیک بدست می آید. گرانروی سینماتیک را با kv نشان می دهند.

گرانروی سینماتیک در سیستم CGSبا واحد استوک بیان می شود. ۰۱/۰ استوک را سانتی استوک می نامند و معمولاً در آزمایشگاه ها گرانروی سینماتیک بر حسب سانتی استوک اندازهگیری و گزارش می شود.

عددی که بعنوان گرانروی در جداول مربوط به روغن ها ذکر می شود نیز معمولاً گرانروی سینماتیک آنهاست.

واحدهای گرانروی

با توجه به سیستم های مختلف اندازه گیری CGS , SI) و …) و همینطور روش های گوناگون برای تعیین میزان گرانروی، واحد های گوناگونی برای گرانروی وجود دارد. همانطور که از فرمول های تعیین گرانروی دینامیک و سینماتیک مشخص است، این دو گرانروی دارای واحدهای مختلفی هستند که با اعمال ضریب مشخصی به دیگری تبدیل می شوند. برای تبدیل واحدهای مختلف گرانروی به هم میتوان از جداول موجود استفاده کرد.

گرانروی های بروکفیلد، انگلر، سی بولت و ردوود نیز جزء مقادیر گرانروی قرار دارند که هر کدام با ویسکومتر مخصوص به خود اندازه گیری می شوند. مقادیر این گرانروی ها با استفاده از جداول براحتی قابل تبدیل به یکدیگر هستند.

تغییرات گرانروی

گرانروی یک کمیت ثابت نبوده و به عوامل مختلفی از جمله دما، فشار، سرعت برشی و شرایط روانکاری بستگی دارد.

تغییرات گرانروی با دما

وقتی دمای سیال بالا می رود کشش میان مولکول های سیال کم شده و گرانروی آن کاهش می یابد. در برخی موارد گرانروی روغن باC°۲۵ افزایش تا ۸۰% کاهش می یابد.

شاخص گرانروی (VI)

در بحث های روانکاری هیچ یک از پارامتر هایی که برای بیان تغییرات گرانروی با دما مطرح شده اند به اندازه ی شاخص گرانروی جایگاه خود را پیدا نکرده اند. VI که برای اولین بار در سال ۱۹۲۸ در آمریکا معرفی شده است، امروزه بعنوان یک شاخص بین المللی برای یک روغن استفاده می شود.

تغییرات گرانروی نسبت به درجه حرارت را شاخص گرانروی می گویند که عددی بدون بعد است و از صفر تا مقادیر ۱۰۰، ۲۰۰، ۳۰۰ و حتی بالاتر هم تغییر می کند (مقادیر بیش تر از ۱۰۰ به VIEمعروفند).

تغییرات گرانروی با فشار

رابطه ی گرانروی با فشار برای کاربرد در بحث های روانکاری خیلی به وضوح بررسی نشده است. در واقع تغییرات گرانروی با فشار بیشتر مربوط به لایه های روانکار الاستوهیدرودینامیک است. وابستگی نمایی گرانروی به فشار نشان می دهد که گرانروی به سرعت با افزایش فشار، افزایش می یابد. در بیشتر روانکارها در فشارهای بسیار بالاتر از آتمسفر تأثیر فشار بر روی گرانروی قابل ملاحظه تر از سرعت و دما می باشد، که این ویژگی در روانکاری با فشار های بالا مثل چرخ دنده ها و بلبرینگ ها بسیار با اهمیت است. گرانروی بعضی روغن ها می تواند با افزایش فشار با توان ده افزایش یابد. روانکارهای فلزکاری مثال خوبی از این روغن ها هستند.

تغییرات گرانروی در شرایط عملکرد

بسیاری از تحولات فیزیکی و شیمیایی یک روغن در حین عملکرد آن میتواند منجر به تغییر گرانروی آن شود. بعضی اط این عوامل گرانروی را بیشتر و بعضی دیگر گرانروی را کمتر می کنند. مثلاً اکسید شدن (که در اثر بالا رفتن دما، ورود هوا داخل روغن و تأثیر اکسیژن و … ایجاد می شود)، نیتراسیون و یا آلودگی روغن با ذرات فلزی و گرد و غبار باعث افزایش گرانروی می شوند. مخلوط شدن روغن با مودی که گرانروی کمتری دارند (مثل روغن های سبک تر، سوخت و …) باعث می شود تا گرانروی آن کاهش یابد. بطور کلی پس از گذشت مدتی از زمان تعویض روغن گرانروی آن شروع به تغییر می کند. این تغییرات معیار مناسبی برای تشخیص نحوه ی عملکرد روغن نیز می باشد.

اندازه گیری گرانروی

برای اندازه گیری گرانروی روش ها و وسایل گوناگونی ابداع شده است. وسیله ای که با آن گرانروی را اندازه گیری می کنند ویسکومتر نامیده می شود. مهمترین ویسکومتر های مورد استفاده عبارتند از:

– Capillary Viscometers

– Cone on Plate Viscometers

– Falling ball Viscometers

– Rotating Cylinder Viscometers

– Short tube Viscometers

معمولترین ویسکومترهای مورد استفاده در حال حاضر ویسکومتر های چرخشی و موئینه هستند. ویسکومتر های موئینه برای سیالاتی که دارای مشخصات غیر نیوئتنی ناچیز می باشند مناسب بوده و بر اساس این اصل ساخته شده اند که یک حجم سیال از یک لوله ی مویین جریان می یابد، زمان لازم برای عبور سیال اندازه گیری شده و سپس با استفاده از آن گرانروی سینماتیک محاسبه می شود (ASTM D445 , ASTM D2161).

ویسکومتر های انگلر، ردوود و سی بولت نیز بر این اساس کار می کنند. تفاوت آنها تنها در اندازه ی سوراخ و حجم سیال مصرفی است. ویسکومترهای ردوود در انگلستان، ویسکومترهای سی بولت در اروپا و ویسکومترهای انگلر در اروپای شرقی بیشتر استفاده می شوند.

ویسکومترهای چرخشی برای سیالاتی که دارای مشخصات غیر نیوتنی قابل ملاحظه ای هستند مناسب بوده و بر اساس آرایش سیال در میان دوسطح ساخته شده اند. در این ویسکومترها یکی از سطوح ساکن و دیگری در حال چرخش است . سیال نیز در فضای میان این دو قرار می گیرد.تعیین گرانروی در این ویسکومترها با استفاده از یک گشتاور ثابت و تعیین تغییرات سرعت و یا با استفاده از یک سرعت ثابت . تعیین تغییرات گشتاور صورت می گیرد(ASTM D2983).

ویسکومترهای چرخشی، خود به دو نوع کلی ویسکومترهای دوار استوانه ای و مخروطی صفحه ای تقسیم می شوند.

امروزه شرکت های بزرگی در زمینه ساخت انواع ویسکومترها فعالیت می کنند. این ویسکومترها بسیار متنوع بوده و کاربردهای گوناگونی دارند .بعضی ازاین ویسکومترها توانایی اندازه گیری گرانروی و کنترل آن بصورت پیوسته را دارند و می توانند براحتی گرانروی را در سرعت های برشی S-1 500-15% با دقت بسیار بالا اندازه گیری کنند.

محدوده ی توانایی اندازه گیری ویسکومترهای جدید بسیار گسترده و از ۵/. تا ۵۰۰۰۰۰ سانتی استوک متغییر است ویسکومترهای جدید قیمتی معادل ۱۰۰ تا ۳۰۰۰۰ دلار ( و یا حتی بیشتر) دارند و طراحی و ساخت آنها با توجه به نوع کاربرد آنها متفاوت است.

شرکت آمریکایی بروکفیلد و شرکت ژاپنی کنون جزو پیشرفته ترین سازندگان ویسکومترهای مختلف در سطح جهان هستند.

طبقه بندی گرانروی

اولین و مهمترین شرط در انتخاب یک روغن برای کاربردهای خاص گرانروی آن است. تغییرات گرانروی یک روغن در شرایط مختلف در نحوه عملکرد آن تاثیر مستقیم دارد. به دلیل اهمیت انتخاب درست درجه گرانروی، طبقه بندی های مختلف گرانروی برای انواع روغن موتورها و روغن های صنعتی صورت گرفته است. طبقه بندی گرانروی برای روغن موتور توسط انجمن مهندسین اتومبیل ((SAE ، طبقه بندی گرانروی برای روغن دنده ها توسط SAE ، طبقه بندی گرانروی ISO، برای روغن های صنعتی و طبقه بندی گرانروی توسط AGMA ، برای روغن دنده ها از مهمترین این طبقه بندی ها هستند.

طبقه بندی های SAE برای روغن موتور و روغن دنده به ترتیب در فصل های روغن موتورهای احتراق داخلی و روغن دنده ذکر شده اند.

طبقه بندی گرانروی برای روغن های صنعتی

برای طبقه بندی گرانروی روغن های صنعتی سیستم های مختلفی وجود داشته است ولی از سال ۱۹۷۲ به بعد یک سیستم جهانی واحد به نام ISO در صنعت استفاده می شود ISO 3488 که مربوط به طبقه بندی گرانروی روغن های صنعتی است بیانگر گرانروی حدی (حداقل و حداکثر) و متوسط دردمای ۴۰◦c است.

به این ترتیب بیان یک درجه گرانروی، تنها مشخص کننده یک گرانروی خاص نیست بلکه محدوده ای از گرانروی ها را در برمی گیرد.

جدول زیر طبقه بندی ISO برای گرانروی روغن های صنعتی را نشان می دهد.

انجمن تولید کنندگان دنده آمریکا AGMA نیز طبقه بندی خاصی را برای گرانروی روغن دنده های صنعتی انجام داده است. این طبقه بندی نیزمانند بقیه طبقه بندی ها بیانگر یک دامنه از گرانروی است و در فصل روغن دنده درمورد آن بیشتر توضیح داده شده است. جدول زیر میزان گستره ی گرانروی در درجه های مختلف طبقه بندی AGMA ,SAE , SUS , ISO را برای روغن های صنعتی، موتور، دنده و پایه در مقایسه با هم نشان می دهد.

خواص گرمایی روانکارها

مهمترین ویژگیهای گرمایی روانکارها عبارتند از : گرمای ویژه، رسانایی گرمایی و نفوذ گرمایی، این ویژگیها ضمن اینکه در طراحی یاتاق ها هم نقش مهمی ایفا می کنند، برای بررسی اثرات گرمایی روانکارها بسیارمهم هستند.

گرمای ویژه

مقدار گرمایی که لازم است تا دمای یک واحد جرم از جسم را یک درجه سانتی گراد بالا ببرد، گرمای ویژه نامیده می شود. گرمای ویژه روانکارها به صورت خطی با دما تغییر می کند و با افزایش قطیبیت یا پیوند هیدروژنی افزایش می یابد.

برای روغن پایه های معدنی و سنتزی مقدار گرمای ویژه در دمای صفر درجه ی سانتی گراد در حدود j/kg.k1800 و دمای c◦۴۰۰در حدود j/kg.k3300 می باشد.

رسانایی گرمایی

رسانایی گرمایی برای روانکارها نیز با دما به صورت خطی تغییر می کند و متاثر از قطبیت و پیوند هیدروژنی مولکول ها می باشد. رسانایی گرمایی بیشتر روغن پایه های معدنی و سنتزی در محدوده w/mk 14/. دردمای c◦۰ تا w/mk 11/. دردمای c◦ ۴۰۰ تغییر می کند.

نفوذ گرمایی

نفوذ گرمایی تعیین کننده نشر و توسعه گرما در جسم است و مقدار آن با استفاده از رسانایی گرمایی، گرمای ویژه و چگالی قابل محاسبه است.

خواص دمایی روانکارها

خصوصیات دمایی روانکارها در انتخاب روانکار مناسب برای یک کاربرد خاص تاثیر مستقیم دارند. در این میان گستره ی دمایی قابل استفاده ی روانکار بیشترین اهمیت را دارد. در دماهای بالا روغن ها ممکن است تجزیه شوند و در دمای پایین ممکن است به حالت جامد درآیند و حتی تا یخ زدن پیش روند که این عمل باعث خرابی روغن یا قطع جریان آن می شود. خرابی روغن و یا قطع جریان آن نیز باعث وارد آوردن صدمات جدی به قطعات ماشین آلات ونهایتا از کار انداختن آن می شود.

مهمترین ویژگیهای دمایی روانکارها عبارتند از:

نقطه ریزش، نقطه ابری شدن، نقطه قطره ای شدن، نقطه اشتعال، نقطه احتراق، نقطه آنیلین، قابلیت تبخیر، باقیمانده کربنی، پایداری در برابر حرارت، پایداری در برابر اکسیدشدن.

نقطه ریزش

کمترین دمایی که روغن می تواند در آن دما جریان داشته باشد را نقطه ریزش می گوییم. وقتی روغن را سرد می کنیم کریستال ها ی واکس شروع به تشکیل و تجمع کرده و این مسئله مانع جریان یافتن روغن می شود. این دما در روانکاری سیستم هایی که با دماهای کم سرو کار دارند بسیار مهم است. گرانروی روغن دراین دما معمولا بسیار زیاد است. البته ممکن است بعضی از روغن ها قبل از رسیدن به نقطه ی انجماد دارای جریان کافی نباشند و در نتیجه در انتخاب روغن مناسب نباید تنها نقطه ریزش در نظر گرفته شود. آزمون های استاندارد اندازه گیری نقطه ریزش ASTM D2500 . D97 میباشند.

نقطه ابری شدن

دمایی که در آن واکس ها شروع به تشکیل کریستال می کنند، نقطه ابری شدن نام دارد. ته نشینی واکس ها منجر به کاهش شفافیت روغن می شود، به همین خاطر این دما را دمای تیرگی هم می گویند.

اگر ابری شدن در دمایی بیشتر از دمای نقطه ریزش اتفاق بیفتد اصطلاحا می گویند روغن نقطه ریزش واکس دارد. دمای بحرانی دیگری به نام نقطه فلاک نیزوجود دارد که بیشتر برای روغن های یخچال کاربرد دارد. در این دما روغن از ترکیب خود جداشده و دو فازی می شود.

نقطه قطره ای شدن

نقطه قطره ای شدن برای گریس ها تعریف می شود. دمایی که در آن گریس از حالت نیمه جامد به مایع تبدیل می شود، نقطه قطره ای شدن گریس نام دارد. در فصل گریس توضیحات بیشتری درباره ی این نقطه و روش اندازه گیری آن آمده است.

(ASTM D92, D93)

نقطه اشتعال

پایین ترین دمایی که در آن دما روغن آن قدر تبخیر شود که بتواند با هوا یک ماده ی قابل اشتعال تشکیل دهد و در اثر نزدیک شدن شعله در یک لحظه مشتعل و خاموش شود را نقطه اشتعال می گویند. این دما برای اندازه گیری میزان آتشگیری روغن صورت می گیرد و اندازه گیری آن یک تست برای ایمنی روغن است. ساده ترین روش برای تشخیص مخلوط نشدن سوخت و روغن آزمایش نقطه اشتعال است . روغن های کارکرده معمولا نقطه اشتعال بالایی دارند مگر اینکه با سوخت مخلوط شده باشند. آزمایش نقطه اشتعال ممکن است به صورت باز یا بسته انجام گیرد. دمای اشتعال بسته همیشه کمتر از دمای اشتعال باز بدست می آید.

((ASTM D92, D93

نقطه احتراق

کمترین دمایی که در آن روغن آن قدر تبخیر شود که در اثر نزدیک و دور کردن شعله، آتش بگیرد و احتراق ادامه پیدا کند را نقطه احتراق می گویند. معمولا این دما c◦ ۱۵ بالاتر آز دمای اشتعال است. دماهای احتراق و اشتعال با افزایش جرم مولکولی افزایش می یابند. برای یک روغن معمولی نقطه اشتعال حدود c◦ ۲۱۰ و نقطه احتراق حدود c◦۲۳۰ است. نقاط اشتعال و احتراق دو عامل مهم برای کنترل عملیات پالایش و رعایت مسائل ایمنی می باشند.آزمون های استاندارد برای اندازه گیری نقطه احتراق آزمون های ASTM D56, D1310 هستند.

نقطه آنیلین

به کمترین دمایی که در آن مخلوط روغن و آنیلین تشکیل یک فاز را می دهند نقطه آنیلین می گویند. نقطه آنیلیین برای مشخص کردن تقریبی هیدروکربن های آروماتیک در روغن استفاده می شود. نقطه آنیلین کمتر نشان دهنده وجود ترکیبات آروماتیک بیشتر در روغن است.