فصل ۳: روغن هیدرولیک مبتنی بر نفت

علاوه بر انتقال انرژی، روغن مبتنی بر نفت کارکرد مهم دیگری نیز دارد: روان‌کاری. هر دو کارکرد — انتقال انرژی و روان‌کاری — تحت تأثیر شدید ویسکوزیته قرار دارند. این امر ویسکوزیته را مهم‌ترین ویژگی روغن هیدرولیک می‌سازد.

روانکاری

روان‌کاری فرآیند کاهش اصطکاک بین دو سطح در تماس با یکدیگر و در حال حرکت نسبی است.

روان‌کاری یکی از کارکردهای حیاتی روغن هیدرولیک است. بدون روان‌کاری، اصطکاک بین قطعات متحرک باعث سایش بیش از حد و تولید گرما می‌شود.

اصطکاکی

اصطکاک نیرویی است که بر حرکت مقاومت می‌کند. حتی سطوحی که از نظر ظاهری صاف به نظر می‌رسند، از نظر میکروسکوپی ناهموار هستند. وقتی دو سطح روی یکدیگر مالش می‌شوند، نقاط برجستهٔ میکروسکوپی آن‌ها با یکدیگر تماس پیدا کرده، تغییر شکل داده، به‌صورت موقت جوش خورده و سپس از هم جدا می‌شوند — این جدایی، اصطکاک را ایجاد می‌کند. هرچه سطح ناهموارتر باشد، نیروی لغزشی بیشتری برای حرکت آن لازم است و اصطکاک تولیدشده نیز بیشتر خواهد بود.

شکل ۳-۱: اصطکاک زمانی رخ می‌دهد که نقاط برجستهٔ میکروسکوپی دو سطح با یکدیگر تماس پیدا کرده، به‌صورت موقت جوش بخورند و سپس در هنگام لغزش سطوح از هم جدا شوند.

فیلم روغن

اگر لایه‌ای از روغن بین دو سطح فلزی وجود داشته باشد، تماس مستقیم فلز-به-فلز از بین می‌رود. در این حالت، سطوح نه روی یکدیگر، بلکه روی فیلم روغن لغزش می‌کنند که این امر اصطکاک را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

هر مایعی می‌تواند فیلم روغنی تشکیل دهد، اما برخی مایعات از دیگران عملکرد بهتری دارند. به‌عنوان مثال، آب اولین سیال هیدرولیکی بود که استفاده شد، اما فیلم آن ضعیف و به‌راحتی قابل شکستن است. روغن هیدرولیک مبتنی بر نفت، فیلمی بسیار محکم‌تر و مقاوم‌تر ایجاد می‌کند.

روان‌کنندگی

روان‌کاری توانایی یک مایع برای تشکیل لایه‌ای است که شکستن آن دشوار باشد. این ویژگی به عوامل زیر بستگی دارد:

1. ضخامت طبیعی لایه‌ی تشکیل‌شده توسط مایع.
2. توانایی مایع در چسبیدن (التصاق) به سطوح فلزی.

روغن هیدرولیک نفتی دارای روان‌کاری عالی است. اگر آن را روی یک صفحه فولادی بریزید، لایه‌ای ضخیم و گسترده از روغن سطح را پوشانده و در آنجا باقی می‌ماند. اما اگر آب را روی همین صفحه بریزید، لایه‌ای نازک تشکیل می‌شود که به‌راحتی می‌شکند. در مقابل، جیوه به‌صورت قطرات کروی جمع می‌شود — زیرا جیوه تقریباً هیچ التصاقی به فولاد ندارد؛ بنابراین روان‌کاری آن بسیار ضعیف است.

شکل ۳-۲ مقایسه روان‌کاری. روان‌کاری خوب نیازمند هر دو شرط زیر است: لایه‌ی طبیعی ضخیم و التصاق قوی به سطح فلزی. روغن در هر دو مورد پیروز است.

ویسکوزیته مناسب روغن هیدرولیک باید دو نیاز را متعادل کند: روغن باید به‌اندازه‌ای ضخیم باشد تا لایه‌ای مناسب ایجاد کند، اما همزمان باید به‌اندازه‌ای سیال باشد تا به‌راحتی جریان یابد. این تعادل در ادامه بررسی می‌شود.

تأثیر ویسکوزیته بر سیستم

روغن در یک سیستم هیدرولیک دو عملکرد مهم دارد:

3. به‌عنوان محیط انتقال انرژی (فصل ۲).
4. به‌عنوان روان‌کننده برای قطعات متحرک داخلی.

هر دو این عملکرد — و تأثیر نهایی آن‌ها بر سیستم — به‌طور قوی تحت تأثیر ویسکوزیته قرار دارند. ابتدا ویسکوزیته را تعریف می‌کنیم، سپس تأثیر آن را بر تولید گرما، روان‌کاری، روان‌کاری پویا، جریان در شکاف‌ها و سایر موارد بررسی می‌کنیم.

مولکول‌های مایع

مانند سایر مایعات، روغن هیدرولیک نفتی نیز از مولکول‌هایی تشکیل شده که به یکدیگر نیروی جذب وارد می‌کنند. نیروی جذب مولکولی در مایعات بسیار قوی‌تر از گازها و ضعیف‌تر از جامدات (که در آن‌ها مولکول‌ها در موقعیت‌های ثابت قفل شده‌اند) است. از آنجا که مولکول‌های مایع می‌توانند روی یکدیگر بلغزنند، مایع قادر به جریان پیوسته است.

چسبندگی

ویسکوزیته خاصیتی است که جریان مولکول‌های مایع را در برابر یکدیگر مقاومت می‌کند — یعنی نوعی اصطکاک داخلی. مایعی با ویسکوزیته بالا (مانند عسل یا شربت نشاسته) به‌آهستگی و با مقاومت زیادی جریان می‌یابد. مایعی با ویسکوزیته پایین (مانند آب یا روغن آشپزی) به‌راحتی جریان می‌یابد.

تأثیر دما بر ویسکوزیته

همان‌طور که در بالا اشاره شد، مایعات از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که به‌صورت مداوم در حال حرکت بوده و به یکدیگر نیروی جذب وارد می‌کنند. وقتی مولکول‌ها به‌آهستگی حرکت می‌کنند، نیروی جذب بین آن‌ها قوی‌تر بوده و مقاومت در برابر جریان بیشتر می‌شود — یعنی ویسکوزیته (گران‌روی) بالاست. اما هنگامی که مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند (مثلاً با افزایش دما)، نیروی جذب بین آن‌ها ضعیف‌تر شده و ویسکوزیته کاهش می‌یابد.

شربت سرد شدهٔ مُلاس از یخچال ویسکوزیتهٔ بسیار بالایی دارد — بنابراین به‌آهستگی و با زحمت ریخته می‌شود. اگر آن را روی اجاق گرم کنید، مولکول‌ها سریع‌تر حرکت کرده، نیروی جذب بین آن‌ها کاهش یافته، ویسکوزیته کم می‌شود و مایع به‌راحتی از طریق یک قیف عبور می‌کند.

ثانیه‌های جهانی سیبولت (SUS/SSU)

یکی از روش‌های اندازه‌گیری ویسکوزیتهٔ روغن، استفاده از واحد «ثانیه‌های جهانی سیبولت» (SUS، که گاهی SSU نیز نامیده می‌شود) است. واحد SI برای ویسکوزیته، سانتی‌استوکس (cSt) است. این واحد به‌نام جرج سیبولت نام‌گذاری شده است که در سال ۱۹۱۹ دستگاه ویسکوزیته‌سنج سیبولت را به اداره استانداردهای ایالات متحده ارائه داد.

روش: مایع را در یک ظرف بریزید و آن را تا دمای آزمایش گرم کنید. سپس پلاگین پایینی را بیرون بکشید و همزمان با این کار، شمارنده زمان را روشن کنید. زمان‌سنج را در لحظه‌ای که دقیقاً ۶۰ میلی‌لیتر از مایع در فلاسک جمع‌آوری شد، متوقف کنید. زمان سپری‌شده (بر حسب ثانیه) ویسکوزیتهٔ SUS در آن دما را نشان می‌دهد.

مثال: اگر روغنی که تا دمای ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C) گرم شده است، ۱۴۳ ثانیه طول بکشد تا خالی شود، ویسکوزیتهٔ آن ۱۴۳ SUS در دمای ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C) است. اگر همین روغن در دمای ۱۳۰°F (۵۴٫۴°C) ۸۲ ثانیه طول بکشد: ویسکوزیته = ۸۲ SUS (۱۷٫۷ cSt) در دمای ۱۳۰°F (۵۴٫۴°C). ویسکوزیته همواره به دما وابسته است؛ بنابراین همواره باید هم مقدار ویسکوزیته و هم دمای مربوطه را ذکر کرد. عبارت «۱۵۰ SUS (۳۲ cSt)» بدون ذکر دما، مخفف عبارت «۱۵۰ SUS (۳۲ cSt) در دمای ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C)» است.

شکل ۳-۵: ویسکوزیته‌سنج سایبولت. روغن تا دمای تنظیم‌شده‌ای گرم می‌شود و سپس زمان تخلیهٔ دقیقاً ۶۰ میلی‌لیتر آن در فلاسک اندازه‌گیری می‌شود. زمان سپری‌شده (بر حسب ثانیه) برابر با ویسکوزیتهٔ SUS است.

تأثیر فشار بر ویسکوزیته

ویسکوزیته نیز با افزایش فشار سیستم تغییر می‌کند. با افزایش فشار، ویسکوزیته نیز افزایش می‌یابد (که در منحنی نمودار نشان داده شده است). افزایش فشار از ۰ تا ۳۰۰۰ psi (۲۰۷ بار) می‌تواند ویسکوزیته روغن هیدرولیک صنعتی معمولی را حدود ۴۰٪ افزایش دهد.

شکل ۳-۶: ویسکوزیته با افزایش فشار افزایش می‌یابد. در فشار ۳۰۰۰ psi (۲۰۷ بار)، ویسکوزیته می‌تواند ۴۰٪ بیشتر از ویسکوزیته در فشار جو باشد.

تأثیر ویسکوزیته بر تولید گرما

ویسکوزیته به‌طور مستقیم بر تولید گرما تأثیر می‌گذارد. روغن با ویسکوزیته بالا (مانند ۵۰۰ SUS / ۱۰۷٫۹ cSt) مقاومت بیشتری در برابر جریان داخلی ایجاد می‌کند نسبت به روغن با ویسکوزیته پایین (مانند ۱۵۰ SUS / ۳۲ cSt) و در نتیجه گرمای بیشتری در سیستم تولید می‌کند.

در اکثر سیستم‌های هیدرولیک، محدوده ویسکوزیته کاری بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ SUS (۳۲ تا ۵۳٫۹ cSt) در دمای ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C) است.

تأثیر ویسکوزیته بر روان‌کاری

ویسکوزیته مقاومت در برابر جریان است، بنابراین ممکن است نامطلوب به نظر برسد. اما تأثیر عمده‌ای بر روی روان‌کاری دارد — و تشکیل لایه‌ای خوب از روغن از اهمیت فراوانی برخوردار است. ویسکوزیته بالاتر به معنای لایه‌ای ضخیم‌تر و محکم‌تر است. با این حال، روغن باید به‌صورت آزاد جریان یابد؛ بنابراین ویسکوزیته مناسب باید تعادلی بین این دو نیاز ایجاد کند.

شکل ۳-۷: ضخامت لایه روغن با ویسکوزیته تغییر می‌کند. ویسکوزیته بالا لایه‌ای ضخیم‌تر ایجاد می‌کند اما مقاومت جریان را افزایش می‌دهد. ویسکوزیته پایین جریان آسان‌تری دارد اما لایه نازک ممکن است تحت بار شکسته شود.

تأثیر ویسکوزیته بر روان‌کاری پویا (هیدرو دینامیکی)

توانایی تشکیل لایه‌ای محکم از روغن، یکی از خواص مهم روغن هیدرولیک نفتی است. این توانایی را «روان‌کاری» می‌نامیم. ممکن است به نظر برسد که قطعات متحرک با سرعت بالا را به دلیل اینکه سرعت لایه روغن را از سطح می‌کند، روان‌کاری کردن آن‌ها دشوار است — اما در واقع، ویسکوزیته مایع معمولاً از این اتفاق جلوگیری می‌کند.

وقتی یک بلوک فلزی ساکن روی سطحی از فلز که با روغن پوشانده شده است قرار دارد و نیرویی آن را به حرکت درمی‌آورد، لبهٔ پیش‌روی بلوک کمی بلند می‌شود. روغن به دلیل ویسکوزیته‌اش مقاومت می‌کند تا از بین برود و در نتیجه یک «شیار روغنی» زیر بلوک تشکیل می‌شود. این شیار روغنی همچون یک قایق روی آب، بلوک را در حین حرکت نگه می‌دارد. تا زمانی که فشار واردبر بلوک متحرک در محدودهٔ معینی باقی بماند، شیار روغنی از تماس مستقیم سطوح فلزی با یکدیگر جلوگیری می‌کند. این پدیده، روان‌کاری پویا (هیدرودینامیکی) نام دارد.

مایعات کم‌ویسکوز مانند آب در شرایط سرعت پایین و بار بالا به‌راحتی از بین می‌روند — بنابراین شیار روغنی نمی‌تواند به‌طور کامل تشکیل شود و لایهٔ روغنی به‌سرعت از بین می‌رود.

هنگامی که اجزای سیستم در حال حرکت هستند، فرآیند هیدرودینامیکی روان‌کاری مناسبی فراهم می‌کند. اما در لحظهٔ راه‌اندازی یا هنگامی که فشار واردبر اجزای سیستم بیش‌ازحد باشد، توانایی روغن در تشکیل لایه‌ای محکم (روان‌کاری) از اهمیت حیاتی برخوردار می‌شود.

شکل ۳-۸: روان‌کاری هیدرودینامیکی. هنگامی که بلوک حرکت می‌کند، یک پایهٔ روغنی تشکیل می‌شود که بار را تحمل کرده و از تماس فلزی سطوح با یکدیگر جلوگیری می‌کند.

تأثیر فشار بر ویسکوزیته

ویسکوزیته همچنین بر اینکه روغن تا چه حد در آب‌بندی شکاف‌های بسیار نزدیک بین قطعات متحرک مؤثر است، تأثیر می‌گذارد. بسیاری از اجزای هیدرولیکی (پمپ‌ها، موتورها، شیرها) به آب‌بندی فلزی-فلزی متکی هستند — یعنی مثلاً در یک پمپ پیستونی هیچ آب‌بند لاستیکی بین پیستون و سیلندر وجود ندارد. تنها لایه‌ای نازک از روغن در شکاف بین این قطعات قرار دارد.

شکاف‌های بین این قطعات مانند اُریفیس‌های ثابت عمل می‌کنند — یعنی به‌طور مداوم جریان نشت کوچکی را کنترل می‌کنند. این نشت هم برای روان‌کاری و هم برای آب‌بندی ضروری است. نشت بسیار کم به معنای روان‌کاری ناکافی است؛ و نشت بیش از حد منجر به افت جریان سیستم، کاهش بازده و تولید گرمای اضافی می‌شود.

برای بهترین درزبندی، شکاف‌ها باید تا حد امکان کوچک باشند — اما آن‌قدر کوچک نباشند که روغن قادر به روان‌کاری نباشد و همچنین آن‌قدر بزرگ نباشند که نشتی بیش از حد رخ دهد. شکاف بهینه تعادلی بین درزبندی و روان‌کاری ایجاد می‌کند.

وقتی ویسکوزیته روغن بیش از حد کم باشد (روغن بیش از حد رقیق باشد)، نشتی از طریق شکاف‌ها بیش از حد افزایش می‌یابد. این امر جریان رسیده به عملگرها را کاهش داده و گرمای اضافی تولید می‌کند. اگر ویسکوزیته بیش از حد زیاد باشد، لایه روغن همچنان تشکیل می‌شود، اما مقاومت جریان افزایش یافته و بازده سیستم کاهش می‌یابد.

شکل ۳-۹: تأثیر ویسکوزیته پایین بر نشتی داخلی. با روغن رقیق، نشتی از طریق شکاف‌های فلزی به فلز افزایش یافته و جریان رسیده به عملگر را کاهش می‌دهد.

شاخص ویسکوزیته

ویسکوزیته روغن هیدرولیک پارامتری مهم در سیستم‌های هیدرولیک است. اما ویسکوزیته با تغییر دما تغییر می‌کند؛ بنابراین اگر سیستم نتواند دمای کار ثابتی را حفظ کند، ویسکوزیته روغن باید در محدوده دمای کار نسبتاً پایدار باقی بماند.

شاخص ویسکوزیته (VI) میزان تغییر ویسکوزیته با دما را توصیف می‌کند. این رابطه از نمودار استاندارد ویسکوزیته-دمای ASTM (انجمن آزمون و مواد آمریکا) استفاده می‌کند: هنگامی که ویسکوزیته روغن در دو دمای مختلف روی این نمودار رسم می‌شود، نتیجه یک خط مستقیم خواهد بود. سپس ویسکوزیته در هر دمای دیگری را می‌توان از آن خط خواند (این روش برای روغن پایه بدون افزودنی‌های شیمیایی معتبر است؛ افزودنی‌ها می‌توانند رابطه طبیعی ویسکوزیته/دمای روغن را تحت تأثیر قرار دهند).

اگر دو منحنی روغن روی یک نمودار مشترک رسم شوند، خط افقی‌تر مربوط به روغن با شاخص ویسکوزیته بالاتر است. به عنوان مثال:

• روغن A: ۱۵۳ SUS (۳۳ cSt) در ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C) و ۴۴ SUS (۹٫۵ cSt) در ۲۱۰°F (۹۸٫۹°C).
• روغن B: ۱۶۵ SUS (۳۵٫۶ cSt) در ۱۰۰°F (۳۷٫۷°C) و ۴۲ SUS (۹٫۱ cSt) در ۲۱۰°F (۹۸٫۹°C).

روغن A خطی مسطح‌تر دارد — یعنی ویسکوزیته آن با تغییر دما کمتر تغییر می‌کند — بنابراین روغن A شاخص ویسکوزیته بالاتری دارد.

وقتی مفهوم شاخص ویسکوزیته (VI) برای اولین بار معرفی شد، مقیاس آن از ۰ (بدترین حالت، حساسیت بیشترین به دما) تا ۱۰۰ (بهترین حالت، کمترین حساسیت به دما) بود. روش‌های نوین تصفیه قادرند روغن‌هایی با شاخص ویسکوزیته (VI) بالاتر از ۱۰۰ تولید کنند. در سیستم‌های هیدرولیک مدرن، معمولاً شاخص ویسکوزیته (VI) ≥ ۹۰ مورد نیاز است، هرچند در سیستم‌هایی که در دمای نسبتاً ثابتی کار می‌کنند، اهمیت شاخص ویسکوزیته (VI) کمتر است.

شکل ۳-۱۰: نمودار ویسکوزیته–دمای استاندارد ASTM. هرچه خط افقی‌تر باشد، شاخص ویسکوزیته (VI) بالاتر است — یعنی روغن در برابر تغییرات دما کمتر حساس است.

محدوده کاری روغن هیدرولیک

روغن هیدرولیک نفتی یک روان‌کننده مناسب برای سیستم‌های هیدرولیک است، اما دارای محدوده ویسکوزیته‌ای است که در آن بهترین عملکرد را دارد. اگر ویسکوزیته روغن بسیار پایین باشد، لایه روغن بسیار نازک می‌شود (مانند آب) و قطعات دچار سایش می‌گردند. اگر ویسکوزیته بسیار بالا باشد، روغن نمی‌تواند به‌اندازه کافی سریع وارد یاتاقان‌ها شود و قطعات دچار کمبود روغن می‌شوند.

اجزای چرخان — شامل پمپ‌ها و موتورهای هیدرولیک — به‌ویژه نیازمند روان‌کاری مناسب یاتاقان‌ها هستند. سازندگان پمپ، محدوده ویسکوزیته مناسب برای محصولات خود را مشخص می‌کنند. اگر این اجزا به‌درستی روان‌کاری شوند، سایر اجزای سیستم نیز به‌طور کافی روان‌کاری می‌شوند.

پس از اینکه محدوده ویسکوزیته مورد نیاز مشخص شد، محدوده دمای کاری سیستم تعیین‌کننده انتخاب روغن هیدرولیک خاصی است. به‌عنوان مثال، اگر سیستم ویسکوزیته‌ای بین ۷۰ تا ۲۵۰ SUS (۱۵ تا ۵۴ cSt) را مورد نیاز داشته باشد و دمای کاری آن بین ۸۰ تا ۱۴۰ درجه فارنهایت (۲۶٫۷ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد) باشد، روغن Y را انتخاب کنید. اگر محدوده دمایی بین ۱۱۰ تا ۱۷۰ درجه فارنهایت (۴۳٫۳ تا ۷۶٫۷ درجه سانتی‌گراد) باشد، روغن Z را انتخاب کنید.

حتی در محیط‌های صنعتی نیز دما می‌تواند بسیار پایین بیاید. برای اطمینان از اینکه پمپ در زمان راه‌اندازی بتواند روغن را به‌طور عادی مکش کند، سازندگان پمپ حداکثر ویسکوزیته مجاز راه‌اندازی را مشخص می‌کنند: معمولاً ۱۰۰۰ SUS (۲۱۶ cSt) برای پمپ‌های پیستونی و ۷۵۰۰ SUS (۱۶۱۸ cSt) برای پمپ‌های پره‌ای و دنده‌ای.

شکل ۳-۱۱: انتخاب درجه روغن بر اساس دمای کاری. نوار سایه‌دار محدوده ویسکوزیته قابل استفاده را نشان می‌دهد. روغنی را انتخاب کنید که نوار ویسکوزیته آن، محدوده دمای کاری شما را پوشش دهد.

نقطه جریان

نمودار ویسکوزیته ASTM نقطه ریزش (Pour Point) را نشان نمی‌دهد. در دماهای بسیار پایین، روغن نفتی کاملاً جریان نمی‌یابد — بلکه بلورهای پارافینی مومی از روغن جدا شده و جریان آن را مسدود می‌کنند. نقطه ریزش، پایین‌ترین دمایی است که در آن یک روغن هیدرولیکی هنوز قادر به جریان است و تحت شرایط آزمایشگاهی ASTM اندازه‌گیری می‌شود.

در یک سیستم واقعی، اگر نیاز حداکثر ویسکوزیته در زمان راه‌اندازی برآورده شود، معمولاً نیازی به بررسی جداگانه نقطه ریزش نیست. با این حال، اگر سیستم ممکن است در دماهای بسیار پایین کار کند، نقطه ریزش روغن باید حداقل ۲۰ درجه فارنهایت پایین‌تر از حداقل دمای عملیاتی پیش‌بینی‌شده باشد.

داده‌های مربوط به نقطه ریزش هر روغن خاصی در برگه اطلاعات فنی محصول آن قابل یافتن است.

مشکلات روغن و افزودنی‌ها

هنگامی که یک سیستم هیدرولیک روزانه و به‌صورت مداوم کار می‌کند، روغن نفتی در معرض شرایط سختی قرار می‌گیرد. چندین مشکل ممکن است پیش آید که هم روغن و هم سیستم را تحت تأثیر قرار دهد: روان‌کاری تحت فشار بالا، اکسیداسیون روغن، آلودگی آب، جذب هوا و آلودگی ذرات جامد. افزودنی‌های شیمیایی موجود در روغن بسیاری از این مسائل را برطرف می‌کنند.

روان‌کاری تحت فشار بالا

روغن هیدرولیک نفتی با کیفیت خوب لزوماً در فشار بالا روان‌کار مناسبی نیست. هنگام افزایش فشار، لایه روغنی («کلین» یا «وِدژ» روغنی) بین قطعات متحرک به‌راحتی تخریب می‌شود و لایه چسبنده (روان‌کاری) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌گردد. افزودنی‌های شیمیایی می‌توانند روان‌کاری تحت فشار بالا یا روان‌کاری مرزی را بهبود بخشند.

افزودنی‌های ضد سایش (AW) و کاهنده سایش (WR)

سه نوع افزودنی ضد سایش وجود دارد:

5. افزودنی‌های اُیلی‌بودن/روان‌کاری (WR) — مولکول‌هایی که مانند نخ‌های فرش روی سطح فلزی قائم می‌شوند و لایه‌ای شیمیایی ایجاد می‌کنند. هنگامی که لایه روغن از بین برود، این لایه شیمیایی بار را تحمل می‌کند. با این حال، این لایه بسیار قوی نیست و به‌راحتی تحت فشار بالا تخریب می‌شود.
6. افزودنی‌های کاهنده سایش (WR) — به‌صورت شیمیایی به سطح فلزی پیوند می‌خورند و لایه‌ای محافظ ایجاد می‌کنند. هنگامی که قطعات متحرک به‌طور کوتاهی با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، این افزودنی‌ها مقداری گرما تولید کرده، سطوح تماس را صیقلی و صاف می‌کنند و اصطکاک را کاهش می‌دهند.
7. افزودنی‌های فشار فوق‌العاده (EP) — در فشارهای تماس بالا، اگر سطوح فلزی به‌قدری گرم شوند که به یکدیگر جوش بخورند، افزودنی‌های EP با سطح فلز واکنش نشان داده و از تشکیل جوش جلوگیری می‌کنند. این افزودنی‌ها راه‌حلی برای شرایطی فراهم می‌کنند که در آن افزودنی‌های معمولی ضد سایش (AW) عملکرد مناسبی ندارند.

این سه نوع افزودنی نمی‌توانند همگی در یک روغن استفاده شوند — زیرا کاربردهای متفاوتی دارند. افزودنی‌های «روان‌کنندگی/کاهش سایش» (Oiliness/WR) برای سیستم‌های فشار پایین (زیر ۱۰۰۰ psi یا ۶۸٫۹۷ بار) به کار می‌روند. افزودنی‌های «فشار بسیار بالا» (EP) عمدتاً برای سیستم‌هایی با فشار بالاتر از ۳۰۰۰ psi (۲۰۷ بار) یا برای روغن‌های روان‌کاری دنده‌ها و ماشین‌آلات کاربرد دارند. افزودنی‌های «ضد سایش» (AW) در محدوده میانی (۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ psi یا ۶۸٫۹۷ تا ۲۰۷ بار) کاربرد دارند.

بررسی روان‌کاری فشار بالا

برای بررسی وجود افزودنی‌های ضد سایش در یک روغن، نام روغن را بررسی کنید یا برگه اطلاعات فنی تأمین‌کننده را مطالعه نمایید. مثال: «همونی ۴۸ AW» (شرکت گلف اویل) — «AW» نشان‌دهنده خاصیت ضد سایش است؛ «سنویس ۸۱۶ WR» (شرکت سن اویل) — «WR» نشان‌دهنده کاهش سایش است.

بسیاری از تولیدکنندگان روغن‌های تصفیه‌شده، محتوای ضد سایش را در نام محصول مشخص نمی‌کنند؛ بنابراین برای روغن‌های خاص، همیشه باید به برگه اطلاعات فنی مراجعه کرد. اگر در یک سیستم مشکل سایش بیش از حدی وجود داشته باشد و روغن مورد استفاده فاقد افزودنی‌های ضد سایش باشد، تغییر به روغنی با افزودنی AW ممکن است مفید باشد — اما ابتدا باید اطمینان حاصل شود که سایش ناشی از آلودگی روغن نیست.

اکسیداسیون روغن

اکسیداسیون واکنش شیمیایی یک ماده با اکسیژن است — فرآیندی رایج. وقتی سیبی را گاز می‌زنید و گوشت آن قهوه‌ای می‌شود، این پدیده اکسیداسیون است. دیگر مثال، زمانی است که نردبان خودرویی خراشیده شده و سطح آن در معرض هوا قرار گرفته، با اکسیژن واکنش داده و زنگ می‌زند. بخش عمده‌ای از جهان، از جمله روغن، به این روش اکسید می‌شوند.

اکسیداسیون روغن در یک سیستم هیدرولیک عمدتاً در دو مکان رخ می‌دهد: مخزن و خروجی پمپ. هر دو مورد شامل تماس روغن با اکسیژن هستند، اما فرآیند اکسیداسیون در هر یک متفاوت است.

اکسیداسیون در مخزن

در مخزن، سطح آزاد روغن با اکسیژن موجود در هوا واکنش می‌دهد. محصولات این واکنش شامل اسیدهای ضعیف و موادی شبیه صابون هستند. این اسیدها سطوح قطعات را خورده و لکه‌های تیره ایجاد می‌کنند. این مواد صابون‌مانند روی سطوح قطعات رسوب کرده و منافذ ریز دریچه‌های حس‌گر فشار و مسیرهای روان‌کاری را مسدود می‌کنند.

گرما اکسیداسیون روغن را تسریع می‌کند. هر افزایش ۱۸–۲۰ درجه فارنهایت (۱۰–۱۱ درجه سانتی‌گراد) نسبت به دمای متوسط مخزن (۱۳۰ درجه فارنهایت / ۵۴٫۴ درجه سانتی‌گراد) تقریباً نرخ اکسیداسیون را دو برابر می‌کند. ذرات آهن، مس و قطرات آب موجود در روغن نیز اکسیداسیون را تسریع می‌کنند.

اکسیداسیون در خروجی پمپ

دومین محل اکسیداسیون روغن، خروجی پمپ است. اگر خط مکش هوا نشت کند یا روغن بازگشتی باعث اختلال در مخزن شود و حباب‌های هوا را به ورودی پمپ بکشاند، این حباب‌ها به خروجی پمپ فشار بالا می‌رسند و تحت فشار بالا به‌صورت ناگهانی منفجر (فرو می‌ریزند) می‌شوند. این فرآیند گرمای بسیار شدید محلی تولید می‌کند. محاسبات نشان می‌دهد که هنگامی که یک حباب از فشار تقریباً صفر تا ۳۰۰۰ psi (۲۰۷ بار) فشرده می‌شود، دما می‌تواند به ۲۱۰۰ درجه فارنهایت (۱۱۴۹ درجه سانتی‌گراد) برسد. در این دما روغن اشتعال می‌یابد و رسین‌هایی را ایجاد می‌کند و بوی تلخ و سوزان‌کننده‌ای منتشر می‌کند.

اگر محصولات اکسیداسیون در خروجی پمپ تشکیل شوند، رزین در روغن حل می‌شود. هنگامی که این رزین با سطوح داغ (مانند روتور پمپ، شیر اطمینان، و غیره) تماس پیدا می‌کند، از روغن خارج شده و به‌صورت رسوبات ورنیش روی این سطوح ته‌نشین می‌شود و باعث می‌شود قطعات متحرک چسبیده و قفل شوند.

رزین موجود در روغن همچنین با گرد و غبار و ذرات ترکیب شده و گِل ایجاد می‌کند که منافذ کوچک شیرها و فیلترها را مسدود کرده و انتقال حرارت از طریق دیواره‌های مخزن را مختل می‌سازد. انفجار حباب‌ها در خروجی پمپ یکی از عوامل اصلی اکسیداسیون سریع روغن است.

شکل ۳-۱۴: انفجار حباب هوا در خروجی پمپ. هنگامی که حباب‌ها از فشار پایین به فشار بالا متراکم می‌شوند، دماهای محلی می‌تواند از ۲۰۰۰°F بیشتر شود — دمایی کافی برای اشتعال روغن و تشکیل رسوبات ورنیش.

بررسی اکسیداسیون روغن

نمونه‌ای از روغن موجود در سیستم (که احتمالاً اکسید شده است) را با نمونه‌ای تازه از بشکه، در دمای یکسان مقایسه کنید. روغن تازه هنگام مالش بین انگشت شست و انگشت اشاره به‌وضوح چسبنده احساس می‌شود و روی انگشتان باقی می‌ماند. در مقابل، روغن اکسیدشده حس آب‌گونه‌ای دارد — یعنی مانند آب از انگشتان می‌ریزد و چسبندگی و چسبندگی ضعیفی دارد.

روغنی که توسط انفجار حباب‌ها اکسید شده است، بوی تند و تیره‌ای نیز دارد. اگر نمونه نشانه‌های اکسیداسیون را نشان دهد، آن را برای تحلیل به آزمایشگاه ارسال کنید. در صورتی که قابل بازیابی نباشد، سیستم را شستشو داده و با روغن تازه پر کنید.

آب در روغن هیدرولیک

هر روغن هیدرولیکی مقداری رطوبت دارد. در مقادیر کم، آب به ذرات ریزی تبدیل می‌شود و توسط روغن حمل می‌گردد. آب و روغن با هم مخلوط نمی‌شوند (به جز روغن‌های محلول در آب)؛ و در مقادیر زیاد، آب در ته مخزن ته‌نشین می‌شود.

اگر روغن از قبل حاوی اسیدها و رزین‌های تولیدشده توسط اکسیداسیون باشد، این مواد نگهداری آب را تسریع می‌کنند.

بررسی آلودگی آب

مقایسه نمونه مشکوک با یک نمونه تازه روغن، بررسی اولیه است. روغن تازه را در یک فلاسک شیشه‌ای قرار دهید و آن را مقابل نور نگه دارید — این روغن شفاف بوده و حباب‌های جزئی دارد. اگر نمونه حاوی ۰٫۵ درصد آب باشد، کدر یا مه‌آلود به نظر می‌رسد. در صورتی که میزان آب به ۱ درصد برسد، ظاهر روغن شیری خواهد شد.

روش دیگر: نمونه شیری یا مه‌آلود را گرم کنید — اگر پس از مدتی شفاف شد، احتمالاً آب در آن وجود داشته است. اگر روغن حاوی مقدار زیادی آب باشد، بیشتر آن در نهایت ته‌نشین می‌شود؛ جداسازی سانتریفیوژی می‌تواند این فرآیند را در صورت اهمیت زمان تسریع کند.

اگر روغن تنها مقدار کمی آب داشته باشد (< ۰٫۵ درصد) و الزامات سیستم بسیار دقیق نباشند، لزوماً نیازی به تعویض فوری آن نیست. حضور آب در روغن، اکسیداسیون را تسریع کرده و قابلیت روان‌کاری را کاهش می‌دهد؛ خود آب در نهایت تبخیر می‌شود، اما محصولات اکسیداسیون ایجادشده توسط آن باقی می‌مانند و به طور مداوم آسیب‌زا هستند. اگر وضعیت روغن در مرز قابل قبول بودن باشد، آن را به آزمایشگاه ارسال کنید.

شکل ۳-۱۶: بررسی بصری آب. میزان آب موجود در روغن را می‌توان با درجه کدری نمونه هنگام قرار دادن آن مقابل نور تخمین زد.

خوردگی و زنگ زدگی

از دیدگاه سیستم هیدرولیک، خوردگی حمله‌ی شیمیایی به سطوح قطعات است که توسط اسیدهای تشکیل‌شده در طی اکسیداسیون روغن ایجاد می‌شود. زنگ‌زدگی، اکسیداسیون سطوح مبتنی بر آهن است که توسط آب موجود در روغن ایجاد می‌شود.

خوردگی فلز را حل می‌کند و آن را از بین می‌برد — که منجر به کاهش اندازه و وزن قطعات دقیق می‌شود. زنگ‌زدگی موادی را به سطوح آهنی اضافه می‌کند — که باعث افزایش اندازه و وزن آن‌ها می‌شود. هنگامی که ابعاد قطعات دقیق تغییر می‌کند، کارایی و عملکرد آن‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرد. هیچ‌یک از خوردگی و زنگ‌زدگی در یک سیستم هیدرولیک قابل قبول نیستند.

موارد مهارکننده‌ی زنگ‌زدگی و اکسیداسیون (R&O)

حتی مقادیر بسیار اندک آب در روغن می‌تواند باعث زنگ‌زدگی سطوح قطعات آهنی شود. در شرایط طبیعی، روغن به تنهایی محافظت کافی در برابر خوردگی ارائه نمی‌دهد و عملاً غیرممکن است که تمام آب از یک سیستم هیدرولیک خارج شود؛ بنابراین اکثر روغن‌های هیدرولیک حاوی مهارکننده‌های زنگ‌زدگی هستند که لایه‌ای شیمیایی محافظ بر روی سطوح فلزی ایجاد می‌کنند.

تعامل هوا و روغن در مخزن نیز محصولات اکسیداسیونی تولید می‌کند که در نهایت سطوح فلزی را تحت حمله قرار داده و اکسیداسیون بیشتر روغن را تسریع می‌کنند. بنابراین، مهارکننده‌های اکسیداسیون نیز اضافه می‌شوند — این مواد شیمیایی واکنش زنجیره‌ای اکسیداسیون را مختل می‌کنند.

اکسیداسیون دمای بالا ناشی از انفجار حباب‌ها در خروجی پمپ نمی‌تواند صرفاً با استفاده از روش‌های شیمیایی جلوگیری شود؛ بلکه تنها با حذف هوا از جریان ورودی پمپ قابل کنترل است. افزودنی‌های مقاوم در برابر اکسیداسیون و زنگ‌زدگی (R&O) بسته افزودنی اصلی در اکثر روغن‌های هیدرولیک صنعتی هستند. روغن‌هایی که حاوی این افزودنی‌ها هستند، گاهی «روغن‌های R&O» نامیده می‌شوند. روغن‌های R&O شفاف (پاک) درجه پремیوم بالاترین کیفیت را دارند؛ در حالی که درجات پایین‌تر روغن‌های توربینی ممکن است برای بسیاری از کاربردهای هیدرولیکی نیز مناسب باشند و با برچسب «روغن‌های R&O با کیفیت پایین‌تر از توربینی» مشخص می‌شوند.

پشم‌زدگی و آمیختگی هوا

بازگشت روغن به مخزن باید هرگونه هواي محبوس‌شده در سیستم را آزاد کند. در برخی سیستم‌ها، نشتی‌های هوا از سمت مکش بسیار شدید است و هنگامی که روغن بازگشتی به صورت پاشیدنی وارد مخزن می‌شود، باعث ایجاد کف می‌گردد؛ این کف در نهایت منجر به جذب مجدد هواي محبوس‌شده توسط پمپ می‌شود که باعث ناپایداری سیستم، تسریع اکسیداسیون روغن، ایجاد صدا و در مواردی سرریز شدن روغن از مخزن و ایجاد خطری زیست‌محیطی می‌گردد.

بهترین راه‌حل، رفع نشتی‌ها و بازطراحی مدار بازگشتی است؛ برای مثال: استفاده از دیواره‌بند (بافل) در مخزن یا استفاده از لوله بازگشتی با قطر بزرگ‌تر جهت کاهش سرعت ورود روغن به مخزن. با این حال، به دلایل اقتصادی، عملی یا آموزشی، ممکن است از افزودنی‌های شیمیایی به جای آن استفاده شود.

افزودنی‌های ضدکف

افزونه هاي ضد فوم مانع از فوم شدن روغن مي شوند. بعضی ها با ترکیب حباب های کوچک به حباب های بزرگ که به سطح بالا می آیند و شکسته می شوند کار می کنند. نوع دیگری با مداخله در انتشار هوا برای کاهش فوم کار می کند اما تعداد حباب های کوچک را در سیستم افزایش می دهد. هنگام انتخاب یک افزودنی ضد کف، مطمئن شوید که نوع را انتخاب کنید که اجازه می دهد هوا فرار کند نه نوعی که هوا بیشتری را گیر می کند.

بررسی وجود فوم

با گرفتن نمونه از مخزن، کف روغن را بررسی کنید. بازرسی بصری به سرعت به شما می گوید که آیا روغن هوا دارد. نمونه ها باید تا حد ممکن در نزدیکی ورودی پمپ گرفته شوند تا نمونه نشان دهنده روغن وارد شده به سیستم باشد.

سایر نشانه های هوا در سیستم: صدای بلند و نامنظم پمپ؛ پمپ ممکن است به طور دوره ای صدای بلند چکش را به صدا درآورد، مانند اینکه کسی از داخل اسلحه شلیک می کند. حرکت نامنظم سیلندر و آمپول فشار ناپایدار نیز نشانه هایی از هوا هستند.

شکل ۳-۱۸: وجود هوا در سیستم هیدرولیک. حباب‌های روی سطح مخزن (سمت چپ) یا صدای نامعمول پمپ (سمت راست)، هر دو نشان‌دهندهٔ ورود هوا به سیستم هستند.

آلاینده‌ها در روغن هیدرولیک

بزرگ‌ترین مشکل روغن هیدرولیک در حین استفاده، آلودگی آن است. آلاینده‌ها می‌توانند شامل آب، هوا یا ذرات جامد باشند؛ که ذرات جامد شایع‌ترین و مخرب‌ترین نوع آلاینده‌ها هستند.

آلاینده‌های جامد می‌توانند سوراخ‌های شیرهای کنترلی را مسدود کنند، باعث قفل‌شدن قطعات متحرک شوند، سایش را تسریع نمایند و اکسیداسیون روغن را تسریع کنند.

هر مادهٔ نامحلولی که در روغن وجود داشته باشد، به عنوان یک آلاینده تلقی می‌شود. آلاینده‌ها از راه‌های مختلفی وارد سیستم می‌شوند: در طول فرآیند ساخت، مونتاژ، انبارداری و حمل‌ونقل قطعات سیستم؛ از محیط خارجی از طریق آب‌بندی‌های ساییده‌شدهٔ میلهٔ سیلندر یا تنفس‌کنندهٔ معیوب مخزن؛ و از خود سیستم — زیرا قطعات داخلی ساییده‌شده به‌طور مداوم ذرات فلزی تولید می‌کنند. آلودگی هرگز متوقف نمی‌شود.

هیچ افزودنی شیمیایی‌ای نمی‌تواند آلاینده‌ها را از روغن حذف کند یا از ورود آن‌ها جلوگیری کند. هدف طراحی مناسب سیستم و نگهداری آن، جلوگیری از ورود آلاینده‌ها به سیستم است و حذف آلاینده‌ها از روغن مسئولیت فیلترها و تیم نگهداری است.

بررسی آلودگی

چشم غیرمسلح نمی‌تواند سطح آلودگی را به‌طور قابل اعتمادی تعیین کند. مشاهده روغن در ظرف شیشه‌ای تحت نور، روش دقیقی برای بررسی آلودگی نیست — بسیاری از ذرات مضر برای سیستم‌های هیدرولیک به‌قدری ریز هستند که قابل مشاهده نیستند. ارزیابی دقیق آلودگی نیازمند تحلیل آزمایشگاهی است.

نشانگر انسداد فیلتر سیستم روش دیگری برای بررسی آلودگی فراهم می‌کند. اگر فیلتر به‌درستی برای سیستم انتخاب شده باشد و نشانگر به‌درستی کار کند: نشانگر «تمیز» به این معناست که روغن برای سیستم به‌اندازه کافی تمیز است؛ نشانگر «نیاز به سرویس‌دهی» به این معناست که فیلتر نیاز به نگهداری یا تعویض دارد؛ و اگر نشانگر وضعیت «عبور از فیلتر» (Bypass) را نشان دهد، یعنی روغن بسیار آلوده است و فیلتر نیاز به سرویس‌دهی فوری دارد.

شکل ۳-۱۹: نشانگر شرایط فیلتر. «تمیز» (بالا): روغن در وضعیت قابل قبول است. «نیاز به سرویس‌دهی» (وسط): باید سرویس‌دهی انجام شود یا عنصر جایگزین گردد. «دور زده‌شده» (پایین): روغن بسیار کثیف است — بلافاصله سرویس‌دهی مورد نیاز است.

نگهداری روغن هیدرولیک

همان‌طور که اشاره شد، روغن هیدرولیک عملکردهای متعددی در سیستم دارد و حاوی افزودنی‌های مختلفی برای پشتیبانی از این عملکردها است. این روغن نیازمند توجه ویژه‌ای در طول ذخیره‌سازی، حمل و نقل به مخزن و در تمام مدت کارکرد سیستم است.

نگهداری

در طول ذخیره‌سازی، مهم‌ترین نکته حفظ روغن در بهترین شرایط ممکن است. آلودگی روغن در بشکه‌های ذخیره‌سازی نه‌تنها اتلاف منابع محسوب می‌شود، بلکه ممکن است روغن تخریب‌شده را به سیستم تزریق کند و قابلیت اطمینان سیستم را تحت تأثیر قرار دهد.

بشکه‌ها باید در مکانی تمیز و خشک نگهداری شوند. در صورت نگهداری بشکه‌ها در فضای باز، باید به‌صورت افقی روی سطح قرار گیرند تا از تجمع آب روی سطح بالایی و نفوذ آن از طریق درز مهر و موم سر بشکه جلوگیری شود.

انتقال روغن از بشکه به مخزن

پیش از شروع انتقال روغن، درب بشکه را تمیز کنید، سپس تمام ابزار و تجهیزات لازم را آماده نمایید: لوله انعطاف‌پذیر، پمپ انتقال، قیف، فیلتر پرکنی مخزن و دست‌های تمیز. بررسی کنید که نام برند و ویسکوزیته درج‌شده روی بشکه با آنچه مورد نیاز است مطابقت داشته باشد. تمام روغن‌های هیدرولیکی حاوی افزودنی‌های یکسانی نیستند؛ بنابراین توصیه می‌شود روغن‌های تأمین‌شده از تأمین‌کنندگان مختلف را مگر اینکه تأمین‌کننده مجاز به این کار باشد، با یکدیگر مخلوط نکنید.

پس از ورود روغن به سیستم، آن را در بازه‌های زمانی مشخص‌شده نگهداری و پایش کنید. نگهداری روغن شامل موارد زیر است: تکمیل روغن تا حداقل سطح (با استفاده از همان روغن یا روغنی که با روغن موجود سازگان‌پذیر است)، رفع نشتی‌ها و تعویض عنصر فیلتر.

تعویض منظم عنصر فیلتر بسیار مفید است. آلودگی برای روغن بسیار مضر است، زیرا اکسیداسیون را تسریع می‌کند؛ به‌ویژه زمانی که ذرات آلاینده از جنس آهن، سرب یا مس باشند. فیلترها اکثر آلودگی‌ها را از جریان حذف می‌کنند، اما نمی‌توانند به‌طور کامل آلودگی را از سیستم خارج سازند — بلکه صرفاً روغن را حفظ می‌کنند. اگر نشانگر فیلتر هشدار دهد اما به‌موقع تعمیر یا تعویض نشود، مقادیر زیادی از آلودگی‌های غیرفیلترشده از قسمت پایین‌دست عبور کرده و بر اجزای سیستم تأثیر می‌گذارند؛ همچنین آلاینده‌هایی که در عنصر کثیف فیلتر به‌دام افتاده‌اند، در سیستم باقی می‌مانند و ادامهٔ فرآیند تسریع اکسیداسیون را موجب می‌شوند.

پاک‌سازی عناصر فیلتر مش

عناصر فیلتر نوع مشبک قابل پاک‌سازی و استفاده مجدد هستند. میزان کامل‌بودن پاک‌سازی به دقت انجام عملیات پاک‌سازی بستگی دارد، نه به خود روش پاک‌سازی.

روش رایج: غوطه‌ور کردن در حلال تمیز یا آب گرم صابونی، سپس پاک‌سازی با هوای فشرده. استفاده از یک برس نرم (مثل برس رنگ‌آمیزی تازه) به پاک‌سازی مشبک کمک می‌کند. هرگز از برس‌های سیمی یا مواد ساینده استفاده نکنید. پس از پاک‌سازی، عنصر فیلتر را مقابل نور بلند کنید و بررسی کنید — نواحی خاکستری یا سیاه نشان‌دهندهٔ نیاز به پاک‌سازی بیشتر است.

پاک‌سازی اولتراسونیک گران‌تر است اما راحت‌تر: عنصر کثیف را در دستگاه پاک‌کنندهٔ اولتراسونیک به مدت مشخصی قرار دهید، سپس آن را خارج کنید؛ عنصری کاملاً پاک و آمادهٔ استفادهٔ مجدد.

شکل ۳-۲۰: پاک‌سازی عنصر فیلتر مشبک. (چپ) دستگاه پاک‌کنندهٔ اولتراسونیک برای عناصر ریز. (راست) نگه‌داشتن عنصر پاک‌شده در مقابل نور برای بررسی نواحی مسدود باقی‌مانده.