مقدمه ای بر روانکاری و روانکارها

روانکاری

مقدمه ای بر روانکاری و روانکارها دانش آسان سازی حرکت نسبی سطوح درتماس بایکدیگراست. این علم ب عنوان یکی ازرشته های بسیار مهم در علوم مهندسی شناخته می شود، به طوری که موفقیت بسیاری ازطراح های صنعتی درگروآگاهی ازاین دانش فنی خواهدبود . به طورکلی به لایه های گازی، مایع یاجامد که میان دوسطح قرارمیگرند ویکنواختی حرکت یک سطح بروی دیگری را بهبود میبخشند واز ایجاد آسیب بروی سطوح جلوگیری می کنند روانکارگفته می شود. امروز،صنعت روانکاری تبدیل به یک بخش مهم ازتوسعه صنایع ماشینی وصنایع مربوط به آن شده است. علاوه براین، بامطرح شدن بحث های جدیدی چون بهینه سازی مصرف وحفظ منابع تجدیدناپذیر وهمچنین رعایت الزامات زیست محیطی، مطالعه برروی روانکارهاجایگاه خاصی دربین علوم پیداکرده است. برای جلوگیری از فرسایش واز کارافتادگی زودرس ماشین آلات صنعتی و همچنین دسترسی به بیشترین بازده مکانیکی در حداقل زمان،وجود یک برنامه روانکاری مناسب جز مهم ترین شرایگ مورد نیاز خواهد بود .درقرن حاضربرنامه روانکاری مناسب، یک برنامه روانکاری پایدار است که شاید کمی باتعاریف روانکاری قدیمی متفاوت باشد. نوع روانکار،مقدار،زمان و مکان مناسب روانکاری، چهارعامل تاثیرگذار در موفقیت یک عمل روانکاری هستند.امروزه،برای انجام یک روانکار موفق علاوه برموارد ذکرشده باید هزینه های نگهداری تعمیرات عملیات (هزینه سوخت،استهلاک و…)ورعایت قوانین و الزامات ریست محیطی رانیز درنظرگرفت.آمارنشان می دهدتنها بایک افزایش ۱تا۲درصدی در هزینه برای انجام یک روانکاری بهتر می توان حدود۱۵%ازهزینه های اضافی یک خودرو راکاهش داد.ضمن این ک استفاده ازیک روانکار مناسب فاصله زمانی تعویض روغن برای بک خودرو را زیاد میکند. این مسئله به حفظ محیط زیست ودر نهایت به حفظ منابع تجدیدناپذیرنیزکمک می کند. این نمونه خود بیانگر اهمیت دانش فنی روانکارهاست. درست است که درروانکاری علاوه بر کیفیت هزینه های مصرفی را نیز بایددر نظرگرفت،اما شعار شرکت های بزرگ تولید کننده روانکار، انتخاب بهترین به جای ارزان ترین است. در اکثر موارد هزینه ای که باید برای تعمیرات قطعات مستهلک که ناشی ازاستفاده روانکار نامناسب است بپردازیم،بسیار بیشترازهزینه ای هست که میتوانستیم برای یک روتنکار گران تر ولی بهتردرنظربگیریم.علاوه برکنترل وکاهش اصطکاک وسایش بین دوسطحکه جز وظایف اصلی یک روانکار است،یک روان کننده وضایف دیگری نیز دارد ک عبارتند از:

-جلوگیری ازخوردگی وزنگ زدگی سطح فلزات

-پاک کنندگی سطوح وتعلیق ذراات ناخالص وجلوگیری ازرسوب ان ها برروی قطعه های سیستم

-انتقال قدرت وانرژی هیدرولیکی

-آب بندی سیستم

تقسیم بندی انواع روانکارها

روانکارهارادریک نگاه کلی می توان به دودسته بزرگ روانکارهای خودرو و روانکارهای صنعتی تقسیم کرد. روانکارهای صنعتی نیز به دودسته عمده روغن صنعتی وروانکاری مخصوص دیگرمثل گریس ها،روانکارهای فلزکاری وروانکارهای جامدتقسیم میشود. البته می توان روانکارها راازنظر نوع حالت فیزیکی نیزظبقه بندی کرد. روانکارها ازنظرحالت به چهاردسته روان کننده های گازی،روان کنندهای مایع، گریس ها و روان کننده های جامد تقسیم میشود.

روانکاری گازی

روانکارهای گازی مثل هوا،هلیوم،بخار مایعات و…. در دماهای خیلی بالا یا پایین،سرعت بسیارزیاد و بارکم یادر مواردی که پرتوهای هسته ای درمحیط وجود دارد،استفاده می شود.یکی ازخصوصیات بسیار مهم روانکارهای گازی این است که گرانروی آن هابا تغییر دما تغییرچندانی نمی کند. به همین دلیل این روانکارها قادرند در گستره وسیعی از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرارگیرند. علاوه براین ،گازه سبکتراز مایعات هستند ومی تواند وزن ان هارا نادیده گرفت و این موضوع باعث میشود درسرعت های خیلی بالا،هم چنان جریان گا ها آرام ویکنواخت باقی بماند.به همین جهت کارکرد روانکاری های گازی دریاتاقان های باسرعت بالا خیلی زیاد بهتراز روانکاری مایع است.روانکارهای گازی اصطکاک درونی کمی دارند،عاری از ناخالصی اند وخاصیت سرریزی که درمورد روانکارهای مایع وگریس ها پیش می آید راندارد.علاوه بر این این نوع روانکارها به دلیل سرریز نکردن می توانند مواد مطمئنی درصنایع غذایی،داروئی و شیمایی نیز باشند.روانکاری اولترسانتریفیوژها،ماشین ابزار سنگ زنی ذقیق که ببسرعت زیاد کارمی کنند.

روانکارهای مایع

روغن ها مهم ترین روانکاری های مایع هستند،که خود به دو دسته بزرگ روغن های معدنی و روغن های سنتزی تقسیم بندی می شود.این نوع روانکارها رایج ترین و پرمصرف ترین نوع روانکارها هستند.هردودسته از مشتقات نفت خام به حساب می آیند،بااین تفاوت که روغن های معدنی ازانجام یک سری ازعملیات تفکیک برروی نفت خام حداکثر یک واکنش شیمیایی کنترل شده به دست می آیند؛درصورتی که برای تولید روغن های سنتزی بیشتر مورد نیاز و به همین دلیل قیمت تمام شده روغن های سنتزی بیشتراز روغن های معدنی خواهد بود.به طور کلی روغن های معدنی به دلیل کاربردفراوانی که در تولید روانکارها دارند نسبت به روغن های سنتزی،بیشتر تولید می شود.البته قابلیت های یک روغن سنتزی به دلیل تواکنش های مخصوصی که روی ان انجام شده بیشتر از یک روغن معدنی است.البته به جز روغن سنتزی وروغن های منبع اصلی آن ها نفت خام است،روغن های دیگری نیزوحود دارد که ازجانوران ،ماهی و گیاهان به دست می آیند که روغن های طبیعی نام دارند.استفاده ازاین روغن ها به عنوان روانکار در گذشته بسیار مرسوم بوده است ولی امروزه نفت خام منبع اصلی تولید روانکارها است.

گریس ها

گریس ها جزو معرف ترین روانکارها هستند که نه مایع نه مایع و نه جامدند.گریس هاازیک روغن پایه معدنی یا سنتزی ویک پرکننده یایک سفت کننده به دست می آید.درمواردی که انجام روانکاری باروانکارها مایع مشکل است،روانکاری مجدد محل مورد نظر محدودیت دارد یااینکه یکبار روانکاری برای مدت زمان طولانی کفایت می کند،این نوع روانکارها کاربردی فروانی خواهند داشت.درفصل گریس،به صورت کامل به ساختار وکاربرد انواع گریس ها پرداخته شده است.

روانکارهای جامد

این نوع روانکارها برای کار در شرایط به خصوص مثل خلا،بارزیادیا حرارت بالاو کاربرد هایی مثل راکتورهای هسته ای که روانکار در برابر اشعه ها رادیو اکتیو قراردارد استفاده می شود.پایداری در برابرخلا،فراریت کم در دماهای بالا وهم چنین مقاومت در برابر انرژی ناشی از تابش های رادیواکتیو از مهم ترین خواص یک روانکار جامد است.گرافیت،مولیبدنیوم دی سولفید،بورنیترید ،تنگستن دی سولفیدوبرخی ترکیبات آلی جامد مثل فتالوسیانین وتترفلوئورواتیلن،میکا،تالک و…از انواع روانکاری های جامد هستند.در این بین،گرافیت ومولیبدنیوم دی سولفید، بیشترین کاربرد را دارند.

اصطکاک وسایش

تریبولوژی دانشی است که پدیده های حاصل از حرکت دو سطح روی یکدیگررا مورد بررسی قرار می دهد.یک سیستم تربیولوژی متشکل از چهارعنصر است. دوقطعه که باهم در تماسند،فضای میان قطعه ها ومحیط اطراف آن ها به علاوه ماده روانکار،این چهار عنصر راتشکیل می دهند.متغیرهای مهم در یک سیستم تریبولوژی عبارتنداز: نوع حرکت،نیروهای درگیری ،دما،سرعت،میزان قشارو… .فراینده های تربیولوژی که بین دوسطح که دارای حرکت نسبی نسبت به یکدیگر هستند اتفاق می افتند،می توانند فیزیکی،شیمیایی یا فیزیکی –شیمیایی باشند. برای درک بیشتر یک سیستم تربیولوژی به بررسی مهم ترین پارامترها در این سیستم ازجمله اصطکاک و سایش می پردازیم .

اصطکاک وانواع آن

اصطکاک نیرویی مکانیکی است که دربرابر حرکت ،مقاومت یااز آن جلوگیری می کنند. در حالت اول اصطکاک رادینامیکی یا سینتیکی ودر حالت دوم آن رااصطکاک ایستایی می نامند .البته دریک تقسیم بندی دیگر،اصطکاک به دوبخش خارجی و داخلی نیز تقسیم می شود.اصطکاک داخلی مربوط به اصطکاک بین مولکول های روان کننده واصطکاک خارجی مربوط به سطوحی است که باهم درتماسند. تماس این سطوح می توانند در هریک از حالت های غلتش ،لغزش یاهردوصورت بگیرد. ضریب اصطکاک به صورت نسبت نیروی اصطکاک (f)نیروی عمود برسطح(n)تعریف می شود .این تعریف معمولا درشرایط اصطکاک مرزی واصکاک خشک استفاده می شود وبرای شرایگ اصطکاک سیال قابل استفاده نیست.
اصطکاک لغزشی

زمانی که دوسطح تخت روی یکدیگر بلغزند،اصطکاک ازنوع لغزشی خواهد بود .انرژی تلف شده در این اصطکاک زیادی است و حرارت زیادی نیز تولید می کند.
اصطکاک غلتشی

زمانی که یک جسم کروی یااستوانه ای شکل روی یک جسم تخت یا منحنی می غلتد،اصطکاک بین آن ها رااصطکاک غلتشی می نامند.
اصطکاک سینتیکی

این اصطکاک درشرایط حرکت نسبی دوسطح نسبت به یکدیگر اتفاق می افتد.این اصطکاک را گاهی اصطکاک دینامیک هم می نامند.
اصطکاک استاتیک

این اصطکاک مربوط به قبل از حرکت جسم درحالت سکون می باشد طبق تعریف ASTMاین اصطکاک مربوط به بیشترین نیرویی می شود که لازم است برآن غلبه شود تایک سطح نسبت به سطح دیگردارای حرکت نسبی شود
اصطکاک لغزشی-ارتعاشی

نوع خاصی ازاصطکاک است ودرشرایطی که یک حرکت لغزشی آرام همراه باارتعاش صورت گیرد،به وجود می اید.
اصطکاک وشرایط روانکاری

دریک سیستم روانکاری حالات مختلفی ازتماس بین دوسطح ودر نتیجه حالات مختلفی ازاصطکاک وجود خواهد داشت:
اصطکاک جامد (اصطکاک خشک)

وقتی که دوجسم جامد به طور مستقیم و بدون هیچ لایه جداکننده ای بایکدیگر در تماس اند باشند،اصطلاک بین آن ها رااصطکاک بین آن هارا اصطکاک جامد(خشک)می گویند.
اصطکاک سیال

دراین حالت دو سطح توسط یک فیلم روانکاراز یکدیگر کاملا جداهستند. نیروی اصطکاک در این حالت، ناشی از مقاومت اصطکاکی درون سیال (روانکار) است که بخصوصیات آن برمیگردد.
اصطکاک مرزی

زمانی که یک لایه مولکولی از روانکار بین سطوح موجود باشد وخاصیت های ویژاین لایه شرایط اصطکاک وسایش راتغییر دهد اصطکاک ازنوع مرزی خواهد بود .بخش مهمی ازتوسعه روانکارها مربوط به تولید چنین لایه های مولکولی در شرایط مختلف دمایی،دینامیکی و هندسی می شود.چنین لایه های به خصوصی درشرایطی که استفاده ازلایه های ضخیم وطولانی مدت روانکارها مقدور نیست، بسیار اهمیت دارد.
اصطکاک مخلوط

این نیرو مربوط حالتی است که اصطکاک سیال و اصطکاک مرزی باهم وجود داشته باشند. این اصطکاک هنگام شروع وایست قطعاتی از ماشین که به صورت هیدرودینامیکی روغنکاری شده اند وجود دارد.
اصطکاک روانکار جامد

زمانی که از یک روانکار جامد استفاده می کنیم اصطکاک موجود در سیستم، اصطکاک روانکار جامد نام دارد. این اصطکاک رانمی توان در گروه های بالا طبقه بندی کرد،زیرانوع ،اندازه،تحریک وخصوصیات کریستالوگرافی ذرات روانکار جامد متفاوت هستند.

سایش و انواع آنها

فرایند تخریب و جداشدن ذرات ماده از سطوح تماس، به دلیل عوامل مکانیکی را سایش می گویند (طبق تعریف استاندارد المانی DIN50 320).سایش در اجسام به شیوه های متفاوت اتفاق می افتد. این مکانیسم ها ذیلا شرح داده شده اند:
سایش ناشی از چسبندگی

درگیری یاجوش خوردگی میان سگوح می تواندمنجر به درآمدگی های ناهموار دران ها گردد. این مرحله اولین مرحله مکانیزم سایش است مستقیما به اتلاف ماده منجر نمی شود پس از تشکیل جوش خوردگی احتمال دارد که قسمت های بهم چسبیده مقاوم شوند ودر آن ها شکست رخ ندهد ودر نتیجه ،شکست درقسمت های داخلی تر فلز رخ دهد وتکه هایی از سطوح تماس جدا شوند. معمولا این نوع سایش ها از تماس فلزهای نرم با فلز سخت به وجود می آید (آلومینیوم، روی، آهن وسرب برفلزاتی مانند فولاد وو…). به وسیله عوامل زیر می توان این سایش راکنترل کرد:

– استفاده از ترکیبات فلزی که به سادگی با یکدیگر ترکیب نشوند وتمایلی به جوش خوردگی با یکدیگر نداشته باشند بهبود مواد افزودنی در روانکارهای مورد استفاده در سطوح تماس افزایش ضخامت لایه روغن
سایش ناشی از خراشیدگی

این نوع سایش براثر خراشیدگی و خط انداختن سطوح تماس به وسیله ذرات سخت جداشده ازسطوح یاذرات گرد و غبار که در روغن وجود دارند ایجاد می شود و معمولا درسیستم های روانکاری با روغن های هیدرولیک بیشتر دیده می شود.
این نوع سایش نیز به وسیله عوامل زیر کنترل می شود:

– افزایش سختی سطوح درحال تماس

– استفاده از یک نوع روکش نرم برای جایگزینی ذرات جدا شده از فلزات

– بهبود فیلتراسیون روغن

– افزایش ضخامت لایه روغن

– کاهش زبری سطوح
سایش براثر خستگی ناشی از تماس

مکانیزم های خستگی در اغلب موارد درحالت غلتش که در آن تنش بسیار بالا و لغزش کم است، رخ می دهد . این نوع خستگی سبب صیقلی وخرد شدن سطوح می شود . در این سایش براثر تنش های نوسانی، ترک هایی در سطوح ایجاد می شود که این ترک ها به سمت قطعه رشد کرده وهنگامی که به یکدیگر متصل می شوند ذرات ازسطوح قطعات جدا و خرابی ایجاد می شود عوامل موثر در کنترل این سایش عبارتند از:

– افزایش ضخامت لایه روغن

– کاهش میزان آب موجود در روغن

– کاهش حرکت لغزشی نسبت به حرکت غلتشی به هنگام تماس

– اضافه کردن افزودنی های کاهش دهنده خستگی به روغن
سایش بر اثر خوردگی

این نوع از سایش به علت واکنش شیمیایی سطوح با مواد مختلف (آب،اسیدها،اکسیژن و…)ایجاد می شود.

یک سیستم روانکار شامل مواد خورنده گوناگونی مثل اکسیژن، آب، دی اکسیدکربن، ترکیبات گودگر، اکسیدهای اسیدی، مواد افزودنی ضد سایش و…است و وجود این مواد باعث خوردگی سطوح فلزی، برای مثال خوردگی دیواره سیلندر می شود.

عواملی که در کنترل خوردگی موثرند عبارتند از:

– از بین بردن فرآیندهای خوردگی

– کنترل مقدار آب

– خنثی سازی با پاک کننده ها

– استفاده از افزودنی ها و بازدارندهای مناسب

سایش حفره ای

ترکیدن حباب های گاز یا بخار در روغن ها و سیالات هیدرولیک باعث آسیب رساندن به مواد موجود در سطوح روانکاری می شود. ترکیدن حباب های گاز موجب شکل گیری ریزجت هایی با فشار زیاد می شود. این فشار به حدی زیاد است که می تواند به آسانی ذره هایی را از سطح فلز بکند سطوحی که به وسیله حفره های موجود در روغن تحت تاثیر قرار گرفته اند یک سیستم روانکاری با از بین بردن هوای محبوس در سیستم ، پایین آوردن نقطه جوش یا به کاری گیری مواد فعال سطحی می توان اندازه حباب های گاز را کوچک ودر نهایت آن رااز بین برد. بدین ترتیب حفره ای کاهش می باید .

سایش فرسایشی

این سایش نرم به علت چسبندگی سطوح خصوصا تحت تاثیر نوسان های با دامنه کوتاه به وجود می آیند و منجر به اکسیدشدن ودر نهایت ایجاد خوردگی می شوند. ذره های حاصل از این سایش بسیار ریزهستند و به آسانی با آب یا اکسیژن موجود در روانکار واکنش می دهند و مواد خورنده ای را تولید می کنند. به همین دلیل این سایش گاهی اوقات خوردگی فرسایشی هم نامنده می شود.

یاتاقان های ماشین هایی که باریل جابه جا می شود،در معرض این نوع سایش هستند.

سایش در اثر خوردگی الکتریکی

این سایش،یک سایش الکتروشیمیایی است که در اثر برقراری اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی حاصل از جریان روانکار از روی سطح جامد رخ می دهد. وجود اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی باعث شتاب گیری واکنش های شیمیایی ودر نتیجه خوردگی می شود.

سایش در اثر تخلیه الکتریکی

چنین سایشی به علت حرارت های موضعی ناشی از قوس یا تخلیه الکتریکی هنگام حرکت یک یا دو سطح روی یکدیگرایجاد و باعث کنده شدن مواد از روی یک یا هر دو سطح می شود. تخلیه الکتریکی به علت وجود اختلاف پتانسیل وپاره شدن لایه روغن بین دوسطح ایجاد می شود . درماشین های گردنده این موضوع یک مشکل اساسی خواهد بود.اتصال به زمین از ایجاد اختلاف پتانسیل ودر نتیجه ،ازایجاد این گونه سایش پیش گیری خواهد کرد.