بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی

طراحی فشرده، تراکم بالای دندانه ها و انتقال گشتاورهای عظیم در حجم هندسی کوچک، گیربکس های خورشیدی را به یکی از ارکان اصلی اتوماسیون صنعتی و خطوط تولید سنگین تبدیل کرده است. با این حال، همین مزیت چگالی توان بالا، چالش های تریبولوژیکی شدیدی را نیز به همراه دارد. تمرکز حرارت در فضای بسته پوسته و فشارهای تماسی موضعی بسیار شدید در سطح درگیری دندانه ها، سیستم روانکاری را به یک جزء ساختاری حیاتی در این تجهیزات بدل می سازد. بدون درک عمیق از رفتار سیال روانکار، سیستم انتقال قدرت در مدت زمان کوتاهی با استهلاک زودرس، تغییر شکل پلاستیک و سایش مواجه خواهد شد. بنابراین، بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی نقشی تعیین کننده در جلوگیری از توقف های ناگهانی و پرهزینه در صنایع بازی می کند.

در مکانیزم های سیاره ای، چندین چرخ دنده پینتون به طور همزمان با چرخ دنده خورشیدی مرکزی و رینگ دنده داخلی درگیر می شوند. این پیکربندی باعث ایجاد چندین نقطه تماس پرفشار به صورت همزمان می گردد. در صورت بروز هرگونه اختلال در تشکیل فیلم روغن محافظ، تماس فلز با فلز رخ داده و مکانیزم های تخریب مانند پیتینگ، خراشیدگی سطحی و کنده شدن لایه های سطحی دندانه آغاز می شوند. در ادامه این نوشتار، جنبه های مکانیکی، شیمیایی و حرارتی این فرآیند را واکاوی می کنیم.

اصول تریبولوژی و تشکیل فیلم روغن الاستوهیدرودینامیک (EHL)

در درگیری چرخ دنده های فولادی تحت بارهای سنگین، روانکاری در ناحیه ای موسوم به رژیم الاستوهیدرودینامیک یا EHL رخ می دهد. در این ناحیه، فشارهای تماسی هرتزین می تواند به مقادیری بالاتر از یک تا دو گیگاپاسکال برسد. تحت چنین فشار فوق العاده ای، دو پدیده فیزیکی اساسی رخ می دهد: نخست این که سطوح فولادی دندانه ها دچار تغییر شکل الاستیک میکرومتری می شوند و دوم این که ویسکوزیته روغن روانکار به صورت موضعی تا چندین هزار برابر افزایش می یابد و سیال برای کسری از میلی ثانیه رفتاری مشابه با یک جسم جامد شیشه ای از خود نشان می دهد.

هنگام بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی باید به ضخامت این فیلم الاستوهیدرودینامیک نسبت به زبری سطحی دندانه ها توجه ویژه داشت. این نسبت با پارامتر لاندا یا ضریب ضخامت فیلم روغن تعریف می شود. اگر ضخامت فیلم روغن از مجموع ارتفاع زبری های میکروسکوپی سطوح درگیر بیشتر باشد، رژیم روانکاری کامل هیدرودینامیک برقرار است و سایش مستقیم به صفر نزدیک می شود. اما چنانچه سرعت دورانی کاهش یابد، بار مکانیکی به طور ناگهانی افزایش پیدا کند یا دمای کاری بیش از حد بالا برود، ضخامت فیلم کاهش یافته و سیستم وارد رژیم روانکاری مرزی یا مختلط می شود. در این وضعیت، مواد افزودنی موجود در روانکار باید مانع از جوش خوردگی سرد میکروسکوپی قله های زبری شوند.

انواع روانکارها و مقایسه روغن های سنتتیک و معدنی

انتخاب پایه روغن، اولین گام در تضمین پایداری حرارتی و مکانیکی گیربکس خورشیدی است. روانکارهای صنعتی به طور کلی به دو دسته روغن های پایه معدنی و سنتتیک تقسیم می شوند که هر یک رفتار تریبولوژیکی متفاوتی را ارائه می دهند:

روغن های پایه معدنی (Mineral Oils)

روغن های معدنی تصفیه شده از نفت خام هنوز در برخی گیربکس های عمومی با شرایط کاری سبک تا متوسط استفاده می شوند. این روغن ها دارای شاخص ویسکوزیته متوسط (حدود ۹۰ تا ۱۰۰) هستند و هزینه اولیه کمتری دارند. با این حال، مقاومت حرارتی پایین در برابر اکسیداسیون، تمایل به تشکیل لجن و کاهش شدید ویسکوزیته در دماهای کاری بالاتر از ۸۰ درجه سانتی گراد، استفاده از آن ها را در گیربکس های خورشیدی صنعتی مدرن که تحت بار پیوسته کار می کنند، با محدودیت های فنی زیادی مواجه کرده است.

روغن های سنتتیک پلی آلفائولفین (PAO)

پلی آلفائولفین ها از متداول ترین هیدروکربن های سنتتیک برای کاربردهای مهندسی هستند. روغن های بر پایه پی ای او دارای شاخص ویسکوزیته بالا (معمولا بالای ۱۴۰)، نقطه ریزش بسیار پایین و پایداری اکسیداسیون فوق العاده هستند. این ویژگی ها باعث می شود تا در بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی تحت نوسانات دمایی فصول مختلف، ویسکوزیته پایدار بماند. همچنین مقاومت بالای این ترکیبات در برابر برش مکانیکی موجب می شود مولکول های روغن در اثر تنش های متوالی در لایه درگیری دندانه ها شکسته نشوند.

روغن های سنتتیک پلی آلکیلن گلیکول (PAG)

روغن های پی ای جی دارای ضریب اصطکاک بسیار پایینی هستند که راندمان مکانیکی گیربکس را به حداکثر می رساند و تولید حرارت داخلی را کاهش می دهد. همچنین مقاومت آن ها در برابر پدیده میکروپیتینگ عالی است. نقطه ضعف اصلی این روغن ها، عدم سازگاری شیمیایی با رنگ های اپوکسی استاندارد، برخی الاستومرهای آب بندی و ناسازگاری مطلق با روغن های معدنی است که نیازمند دقت بالا در فرآیند شستشو و تعویض می باشد.

تطبیق صحیح مشخصات شیمیایی روانکار با محیط عملکرد دستگاه، ستون فقرات طول عمر سیستم را شکل می دهد. در حقیقت، بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی نشان می دهد که استفاده از روغن های سنتتیک به رغم هزینه اولیه بالاتر، به دلیل کاهش اتلاف توان و تمدید دوره های تعویض، هزینه های چرخه عمر تجهیزات را به شکل ملموسی کاهش می دهد.

روغن کاری گیربکس خورشیدی

پدیده های تخریب تریبولوژیکی ناشی از نقص روانکاری

هنگامی که روانکار خواص ساختاری خود را از دست بدهد یا سطح آن در سیستم ناکافی باشد، اجزای فولادی گیربکس با آسیب های فیزیکی جدی روبرو می شوند:

۱. پیتینگ و خستگی سطحی (Pitting)

پیتینگ بر اثر تمرکز سیکل های تنش متناوب هرتزین در زیر سطح لایه تماس دندانه رخ می دهد. با گذشت زمان، ریزترک هایی در زیر سطح جوانه می زنند که در نهایت به کنده شدن حفره های کوچک فولادی از روی سطح دندانه می انجامد. یک روانکار با ویسکوزیته مناسب با پخش کردن متوازن فشار و کاهش اصطکاک مماسی، شروع این ترک ها را به تاخیر می اندازد.

۲. میکروپیتینگ (Micropitting)

میکروپیتینگ یک پدیده خستگی سطحی میکروسکوپی است که دندانه ها را به رنگ خاکستری مات در می آورد. این پدیده معمولا در گیربکس های دارای دندانه های سخت کاری شده سمانتاسیون و در شرایط روانکاری مرزی اتفاق می افتد. در بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی این عارضه به عنوان زنگ خطری جدی تلقی می شود، زیرا میکروپیتینگ پروفیل انولوت دندانه را مخدوش کرده و زمینه را برای شکست ناگهانی دندانه یا خرابی گسترده تر فراهم می کند. استفاده از پکیج افزودنی های ضد میکروپیتینگ استاندارد در روغن برای مهار این پدیده الزامی است.

۳. پدیده گیرپاژ و خراشیدگی (Scuffing / Galling)

اگر سرعت لغزش سطحی و بار وارد بر چرخ دنده ها به حدی بالا برود که فیلم روغن تبخیر یا منهدم شود، تماس فلز با فلز باعث بالا رفتن آنی دما تا نقطه ذوب موضعی می شود. در این لحظه، نوک دندانه ها به یکدیگر جوش خورده و بلافاصله با حرکت چرخ دنده ها از هم کنده می شوند که شیارهای عمیقی بر سطح کار باقی می گذارد.

روغن های صنعتی برای مقابله با این عارضه باید حاوی ادتیوهای ضد سایش و مواد شیمیایی ضد فشار شدید موسوم به ادتیوهای ای پی باشند که با سطح فولاد واکنش داده و یک لایه فداشونده با مقاومت برشی پایین تشکیل می دهند. در نتیجه، بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی باید همواره ظرفیت باربری روغن و رتبه آزمون تست ساییدگی چهار ساچمه یا آزمون استاندارد FZG را مد نظر قرار دهد.

روش ها و مکانیزم های اعمال روانکار در گیربکس های سیاره ای

نحوه رساندن فیزیکی روغن به سطوح تماس، به سرعت دورانی و توان عبوری گیربکس بستگی مستقیم دارد. به طور کلی دو روش اصلی برای این منظور پیاده سازی می شود:

روانکاری حمام روغنی و غوطه وری (Splash Lubrication)

در سرعت های خطی پایین تا متوسط (سرعت خطی دایره گام کمتر از ده تا دوازده متر بر ثانیه)، متداول ترین شیوه، غوطه ور کردن بخشی از چرخ دنده ها در استخر روغن کف گیربکس است. با چرخش دندانه ها، روغن به اطراف پرتاب شده و دیواره های داخلی، دندانه های رینگ و بیرینگ های سیاره را مرطوب می کند.

در تحلیل اجزای سیستم، بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی با این روش نشان می دهد که تعیین سطح دقیق روغن بسیار حساس است. اگر سطح روغن بیش از حد پایین باشد، چرخ دنده های بالایی خشک کار خواهند کرد؛ و چنانچه سطح روغن بیش از حد بالا باشد، پدیده هم زدن آشفته مایع رخ می دهد. این پدیده باعث افزایش مقاومت هیدرودینامیکی، اتلاف شدید انرژی به صورت حرارت، کف کردن روغن و ورود حباب های هوا به نقاط تماس دندانه ها می شود که ضخامت فیلم روغن را به شدت تضعیف می کند.

روانکاری تحت فشار و تزریق اجباری (Forced Feed / Pressure Circulation)

در گیربکس های توان بالا، گیربکس های توربین های بادی یا تجهیزات صنعتی با دور ورودی بالا، پاشش طبیعی جوابگوی نیازهای خنک کاری و روانکاری نیست. در این تجهیزات از یک پمپ هیدرولیک کمکی استفاده می شود تا روغن تصفیه شده از فیلترهای میکرونی عبور کرده و از طریق نازل های اختصاصی مستقیما به محل ورود دندانه ها به ناحیه درگیری اسپری شود.

همچنین کانال های روغن کاری در داخل حامل سیاره تعبیه می شوند تا روغن تحت فشار را به بیرینگ های نیدل رولر واقع در داخل پینتون ها برسانند. این بیرینگ ها به دلیل موقعیت چرخان و نیروهای گریز از مرکز شدید، در روش حمام روغنی به سختی روغن کاری می شوند و تامین روغن آن ها بدون پمپ تحت فشار بسیار دشوار خواهد بود.

چالش ها، تخلیه حرارتی و نحوه پایش وضعیت روغن

گیربکس خورشیدی به دلیل حجم بدنه کوچک نسبت به توان انتقالی، سطح مقطع کمتری برای تبادل حرارتی با هوای محیط دارد. این ویژگی باعث می شود توان حرارتی دفع نشده به سرعت دمای بدنه و روغن را افزایش دهد. بالارفتن دما از ۹۰ درجه سانتی گراد نرخ تخریب حرارتی روغن را به صورت تصاعدی بالا می برد. به ازای هر ۱۰ درجه سانتی گراد افزایش دما فراتر از محدوده استاندارد، طول عمر روغن به نصف کاهش می یابد. بنابراین استفاده از مبدل های حرارتی آب خنک یا هوا خنک در مسیر گردش روغن برای تثبیت دمای کاری بسیار ضروری است.

از منظر نگهداری پیشگیرانه، آنالیز دوره ای روغن یکی از کارآمدترین روش ها برای بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی به شمار می رود. پایش وضعیت روغن شامل آزمون های زیر است:

– سنجش ویسکوزیته کینماتیک در دمای ۴۰ و ۱۰۰ درجه سانتی گراد برای تایید عدم تخریب پلیمرها

– طیف سنجی نشری برای شمارش ذرات فرسایشی شامل آهن، مس و کروم جهت تشخیص زودهنگام سایش بیرینگ ها یا دندانه ها

– اندازه گیری عدد اسیدی کل جهت ارزیابی فرآیند اکسیداسیون و ترشیدگی روغن

– سنجش میزان آلودگی با آب و ذرات جامد از طریق آزمون های شمارش ذرات بر اساس استاندارد ایزو ۴۴۰۶

اجرای منظم این بازرسی ها مانع از خرابی های غافلگیرکننده در خطوط تولید پیوسته می شود و هزینه های ناشی از توقف را به حداقل ممکن می رساند.

مطالعه دقیق رفتارهای سایشی و بررسی روغن کاری در گیربکس خورشیدی نشان می دهد که کارایی این تجهیزات پیشرفته مکانیکی بدون تطبیق دقیق نوع روانکار با شرایط دینامیکی سیستم غیرممکن خواهد بود.

جهت دسترسی به محاسبات تریبولوژیکی دقیق تر، نقشه های روانکاری و استانداردهای پایش صنعتی، سئوکار آماده ارائه مشاوره فنی و مهندسی است.

سوالات متداول

۱. چرا گیربکس های خورشیدی نسبت به کمبود روغن حساس تر از گیربکس های ساده هستند؟

به این دلیل که به جای یک نقطه تماس، چندین چرخ دنده سیاره ای به طور همزمان با چرخ دنده خورشیدی و رینگ دنده درگیر هستند. همچنین بیرینگ های متحرک سیاره ها درون حامل با سرعت بالایی دوران می کنند و کوچک ترین تاخیر در روانکاری آن ها باعث بالا رفتن سریع دما و گریپاژ قطعات می شود.

۲. چه گریدی از ویسکوزیته معمولا برای گیربکس های خورشیدی صنعتی توصیه می شود؟

در اغلب کاربردهای استاندارد صنعتی، روغن های دنده با گرید ویسکوزیته ایزو VG 150، VG 220 یا VG 320 بر اساس استاندارد ISO 3448 به کار گرفته می شوند. در بارهای فوق سنگین و دمای محیطی بالا ممکن است از VG 460 نیز استفاده شود.

۳. پدیده هم زدن آشفته روغن در اثر پر کردن بیش از حد گیربکس چه خطراتی به همراه دارد؟

پر کردن بیش از حد روغن نه تنها خنک کاری را بهبود نمی دهد، بلکه به دلیل غوطه وری کامل دندانه ها باعث مقاومت چرخشی شدید، افزایش دمای روغن تا مرز تخریب، افزایش مصرف انرژی موتور و تولید کف می شود که چگالی فیلم روانکار را به شدت کاهش می دهد.

۴. در چه مواقعی استفاده از روانکاری گریس به جای روغن در گیربکس های خورشیدی مجاز است؟

گریس معمولا در گیربکس های خورشیدی مینیاتوری، سروو گیربکس های موقعیت یاب با سرعت های دورانی کنترل شده، یا مواردی که گیربکس در موقعیت های نصب غیرمعمول عمودی قرار دارد و امکان آب بندی کامل روغن مایع وجود ندارد، استفاده می شود. برای این منظور معمولا از گریس های نیمه روان با گرید NLGI 00 یا 000 استفاده می گردد.