روغنی که به عنوان یک پایه برای روانکار به حساب می آید و پس از اضافه کردن مواد افزودنی به آن، روانکار نهایی به دست می آید روغن پایه نامیده می شود. روغن پایه ها از لحاظ حجمی مهمترین جزء تشکیل دهنده روانکارها می باشند و از لحاظ وزنی به طور متوسط بیش از 95% ساختار یک روانکار را تشکیل می دهند. در برخی از روانکارها (روغن های کمپرسور و هیدرولیک) 99% روغن را روغن پایه و 1% آن را مواد افزودنی تشکیل می دهند. از طرفی، برخی دیگر از روانکارها مانند سیالات فلزکاری، گریس ها یا روغن دنده های صنعتی شامل حدوداُ 30% مواد افزودنی هستند.

nروغن پایه را می توان از منابع نفتی یا غیر نفتی به دست آورد. بیشتر روغن پایه مصرفی در جهان امروزه از پالایش نفت خام به دست می آید. از آنجا که بخش عمده ای از روغن پایه های مورد استفاده در تولید روانکارها از منابع نفتی به دست می آید، صنعت روغن پایه به عنوان قسمتی از صنایع نفت به شمار می رود. nویژگی های روغن های پایه به دست آمده از نفت وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های پایه نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نامطلوب از نفت خامی که از آن طی فرآیند پالایش به دست آمده اند، به ارث می برند. از آنجا که نفت خام حاوی ترکیبات مختلفی از قبیل هیدروکربن های پارافینیک، نفتنیک و آروماتیک و همچنین ترکیبات گوگرددار می باشد، روغن پایه ها نیز متشکل از این ترکیبات هستند. چگونگی تاثیر ویژگی های روغن پایه بر خواص و کارآِیی نهایی در شکل زیر داده شده است.

nروغن پایه را می توان از منابع نفتی یا غیر نفتی به دست آورد. بیشتر روغن پایه مصرفی در جهان امروزه از پالایش نفت خام به دست می آید. از آنجا که بخش عمده ای از روغن پایه های مورد استفاده در تولید روانکارها از منابع نفتی به دست می آید، صنعت روغن پایه به عنوان قسمتی از صنایع نفت به شمار می رود. nویژگی های روغن های پایه به دست آمده از نفت وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های پایه نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نامطلوب از نفت خامی که از آن طی فرآیند پالایش به دست آمده اند، به ارث می برند. از آنجا که نفت خام حاوی ترکیبات مختلفی از قبیل هیدروکربن های پارافینیک، نفتنیک و آروماتیک و همچنین ترکیبات گوگرددار می باشد، روغن پایه ها نیز متشکل از این ترکیبات هستند. چگونگی تاثیر ویژگی های روغن پایه بر خواص و کارآِیی نهایی در شکل زیر داده شده است.

فناوری روانکاری از زمان بسیار دور پیدایش آن، بیش از سه هزار سال پیش، تا کنون دستخوش مراحل تکامل زیادی بوده است. هرچه این فناوری تکامل بیشتری می یابد، تاثیر کیفیت روغن پایه ها بر کیفیت و کارآیی روانکار نهایی بیشتر می شود. با گذشت زمان و پیشرفت صنایع روانکاری، صنعت روغن پایه ها از سایر صنایع تولید محصولات عمده ی نفتی جدا شده است.

1-1 وظایف روانکار⁽¹⁾ و انواع آن

هر گاه بین دو سطح در تماس ، حرکت نسبی رخ دهد مقاومتی در برابر حرکت ایجاد خواهد شد این مقاومت نیروی اصطکاکی یا به بیان ساده تر اصطکاک نامیده می شود در صورت بروز این حالت مطلوب آن است که از اصطحکاک بکاهیم آن را کنترل یا اصلاح نماییم .

به بیان کلی ، هر فرآیندی را که طی آن اصطکاک بین دوجسم متحرک در تماس کاهش یابد روانکاری می نامند به طور سنتی در این تعریف هیچ ابهامی وجود ندارد کاهش اصطکاک با وارد کردن یک ماده جامد یا مایع به نام روانکار درمحل تماس حاصل می شود به موجب آن ، سطوح دارای حرکت نسبی ، با فیلمی از روانکار از یکدیگر جدا می شوند روانکارها ازانواع نسبتا ً کمی از مواد تشکیل شده اند مانند روغنهای طبیعی یا معدنی ، گرافیت ، دی سولفید مولیبدنیوم⁽²⁾ ، و طلق⁽³⁾ ،رابطه بین مواد و فرآیند روانکاری ، کاملا ً واضح و روشن است .

پیشرفتهای تکنولوژیکی اخیر ، تصویر واضح گذشته را قدری مبهم نموده است کاهش اصطکاک ، در حال حاضر به وسیله مایعات ، جامدات ، گازها یا با اصلاح فیزیکی یا شیمیایی خود سطوح ایجاد می شود به اختیار ، اجزای لغزان را می توان از موادی ساخت که برای کاهش اصطکاک طراحی شده اند و روانکار به طور یکنواخت یا غیر یکنواخت در آنها توزیع شده است این سیستمها روانکاری نشده⁽⁴⁾ می نامند که البته این فقط یک اصطلاح است سیستم ممکن است به روشی غیرمعمول روانکاری شده باشد ولی مطمئنا ً روانکاری نشده نیست .

از طرف دیگر روانکاری ممکن است برای اصلاح میزان اصطکاک باشد و نه به طور خاص برای کاهش آن .(مواد مرکب عایق و مخصوص ممکن است از گرافیت یا دی سولفید مولیبدنیوم تشکیل شده باشند درصد این مواد طوری طراحی می شود که بتوان از یکنواختی یا پیوستگی سطوح⁽⁵⁾ اصطکاک اطمینان یافت ) این افزودنیها مشخصا ً روانکار هستند و غیر واقعی خواهد بود اگر ادعا شود که کاربر این مواد عایق ، روانکاری نیست .

این مقدمه ارائه شده تا یک آمادگی ذهنی را در مورد فرآیندهای روانکاری و انتخاب روانکارها ایجاد کند در عمل ، محدوده وسیعی از سیستمها موجودند که هنوز با روغنها یا گریسهای⁽⁶⁾ مرسوم یا با جامدات نسبتا ً قدیمی و غیر مرسوم روانکاری می شوند ولی وقتی به علت برخی ویژگیهای سیستم ، استفاده از روانکارهای ساده ، مشکل باشد یا رضایت بخش نباشد ، باید از روانکارهای ترکیبی استفاده کرد علاوه بر کاربرد اولیه که عبارت است از کنترل یا کاهش اصطکاک ، روانکارها برای کاهش ساییدگی⁽⁷⁾ یا احتمالا ً کاهش حرارت یا خوردگی ⁽⁸⁾ نیز بکار می روند .

در محدوده های وسیع ، مهمترین نوع روانکارها ، مایعات (روغنها) و شبه مایعات (گریسها) هستند از حدود سال 1950 روز به روز بر اهمیت روانکارهای جامد افزوده شده است بویژه در آن شرایط محیطی که کار برای روغنها و گریسها سخت است گازها نیز در موارد مشابهی مثل مایعات کاربرد دارند اما همانطور که در ادامه خواهد آمد لزجت پایین گازها طراحی و ساخت یاتاقانها را مشکل می سازد .

2-1 انتخاب نوع روانکار

اولین اصل مفید در انتخاب طریقه روانکاری انتخاب ساده ترین روشی است که با رضایت کامل کار کند در بسیاری از موارد این موضوع ، شامل وارد کردن مقدار کمی روغن یا گریس در داخل قطعه های مونتاژ شده می باشد بیشتر این روانکارها نه تعویض می شوند ونه سرریز .

برای نمونه می توان از قفلهای در ، لولاها⁽⁹⁾ ، شیشه بالابر اتومبیل ، فیلم پیچ⁽¹⁰⁾ ، ساعتهای دیواری و انواع ساعتهای مچی نام برد .

این سیستم ساده وقتی بارگذاریها یا سرعتها بالا باشد یا طول مدت کار زیاد و پیوسته باشد دیگر رضایت بخش نیست بنابراین لازم است انتخاب روانکار با دقت صورت گیرد یک سیستم پرکردن مجدد⁽¹¹⁾ بکار گرفته شود د وعامل اصلی در انتخاب نوع روانکار عبارتند از سرعت و بار در سرعت بالا انتظار داریم میزان گرمای ناشی از اصطکاک زیاد باشد و در نتیجه ، روانکارهای با لزجت پایین ، اصطکاک لزجی کمتر و انتقال حرارت بهتری را موجب می شوند در بارگذاری زیاد ، روانکارهای با لزجت پایین از محل تماس بیرون رانده می شوند این وضعیت در شکل (1-1) خلاصه شده است .

ارائه راهنمایی دقیق در مورد محدودیتهای بار و سرعت برای انواع مختلف روانکارها مشکل است زیرا تأثیرات شکل ، محیط و تغییرات در هر نوع روانکار ، قابل ملاحظه است شکل (2-1) تا حدی این محدودیتهای تقریبی را مشخص می سازد .

برخی از ویژگی های دیگر یک سیستم نیز گاهی انتخاب نوع روانکار را محدود می سازد برای مثال در ساعتها یا مکانیزمهای ابزار دقیق ، هر روانکاری ، تاب تحمل سرعت و بار را ندارد ولی به دلیل نیاز به اصطکاک کم ، روش معمول انتخاب روغنی با لزجت بسیار کم می باشد برای چرخدنده های باز ، سیم بکسلها یا زنجیرها ، مسأله اصلی ، جلوگیری از خروج روانکار از محل تماس قطعه های متحرک است و استفاده از یک روغن چسبناک قیر مانند⁽¹²⁾ یا گریسی با خواص چسبندگی ویژه ضرورت دارد .

در یک سیستم ، ممکن است شکل سیستم انتخاب نوع روانکار را محدود سازد بدین ترتیب مثلا ً یک یاتاقان غلتشی آب بندی نشده ^{(13 )} باید با گریس روانکاری شود چرا که روغن در درون یاتاقان باقی نخواهد ماند در جایی که نیازمندی روانکاری است یا مسأله اهمیت خاصی دارد لازم است ابتدا نوع روانکار را برگزینیم و سپس یک سیستم مناسب برای آن روانکار طراحی نماییم یکی از اشتباهاتی که بسیار گران تمام می شود حتی در تکنولوژیهای پیشرفته ای مانند مهندسی هوا – فضا این است که سیستمی طراحی و ساخته می شود ولی قابلیت روانکاری ندارد .

3-1 اصول و نیازمندیهای روانکارهای مایع

مهمترین ویژگی یک روانکار مایع ، لزجت آن است شکل (3-1) نشان می دهد که چگونه لزجت یک روانکار ، طبیعت و کیفیت روانکاری را تحت تأثیر قرار می دهد این شکل را معمولا ً منحنی استریبک ⁽¹⁴⁾ می نامند اگر چه تردیدهایی در مورد استفاده استریبک از منحنی به همین شکل وجود دارد .

پارامتر N/P را به عنوان عدد سامرفیلد می شناسند که در آن : لزجت روانکار ، N سرعت نسبی بین قطعه های یاتاقان و P فشار متوسطی یا بار خاصی است که باید توسط یاتاقان تحمل شود از میان این سه پارامتر فقط لزجت ، خاصیت مربوطه به روانکار است و اگر N و P ثابت نگه داشته شوند شکل ، مستقیما ، بیانگر رابطه بین ضریف اصطحکاک و لزجت روانکار می باشد .

منحنی مورد بحث را اصولا ً می توان به سه بخش تقسیم کرد در ناحیه 3 سطوح یاتاقان به وسیله فیلم ضخیمی از روانکار مایع ، کاملا ً از یکدیگر جدا شده اند بنابراین، ناحیه فیلم ضخیم یا روانکاری هیدرودینامیکی نامیده می شود و اصطکاک ، کاملا ً اصطکاک لزجی ناشی از برش مکانیکی فیلم مایع است در این حالت هیچ تماس مستقیمی بین سطوح در حال کار وجود ندارد ودر نتیجه هیچ ساییدگی هم بوجود نمی آید .

با کاهش لزجت در ناحیه 3 ، ضخامت فیلم مایع نیز کاهش می یابد تا در نقطه C که این ضخامت فقط برای اطمینان از جدایش کامل سطوح کافی است کاهش بیشتر در لزجت و بنابراین در ضخامت فیلم ، تماسهای اتفاقی بین زبریهای سطوح یاتاقان را به دنبال دارد اصطکاک نسبتا ً زیاد در تماسهای زبر⁽¹⁵⁾ ، کاهش پیوسته اصطحکاک لزجی را جبران می کند ، بطوری که اصطکاک در نقطه B ، کاملا ً با اصطکاک در نقطه C برابر است .

نقطه C ، نقطه ایده آل برای روانکاری است که تقریبا ً کمترین اصطکاک را بدون ساییدگی ایجاد می کند درعمل ، هدف طراحی ، در مجاورت سمت راست نقطه C می باشد تا یک محدوده مطمئن ایجاد شود .

با کاهش بیشتر لزجت از نقطه B افزایش متناسب بار حمل شده به وسیله تماسهای زبر و افزایش سریع اصطکاک تا نقطه A را شاهد خواهیم بود در این نقطه ، تمام بار یاتاقان بوسیله تماسهای زبرتحمل می شود و کاهش بیشتر در لزجت فقط تأثیر کمی بر اصطکاک دارد .

ناحیه 1، قسمت چپ نقطه A ، ناحیه روانکاری مرزی می باشد در این ناحیه خواص فیزیکی و شیمیایی روانکار علاوه بر لزجت حجمی ⁽¹⁶⁾ آن ، وظیفه کنترل کیفیت روانکاری را نیز بر عهده دارند این خواص در بخش (5-1) شرح داده شده اند .

ناحیه 2، بین نقاط A و B ، ناحیه روانکاری مرکب است که در آن بار بطور مشترک هم توسط فیلم روانکار مایع و هم توسط زبریهای یاتاقان تحمل می شود نسبت بار حمل شده بوسیله تماس زبریها ، از 100 درصد در نقطه A تا صفر درصد در نقطه C کاهش می یابد .

شکل (3-1) مربوط به یک یاتاقان لغزشی است که در آن N معمولا ً دور است سایر شکلهای یاتاقان که در آنها برخی صورتهای فیلم روغن هیدرودینامیک بوجود می آید نیز به طریق مشابه قابل توصیف می باشند .

رابطه بین لزجت و ضخامت فیلم روغن ، بوسیله معادله رینولدز داده شده که می توان آن را مطابق رابطه زیر نوشت :

که در آن :

h = ضخامت فیلم روانکار

P = فشار

x,z = مختصات

V,U = سرعت در راستاهای z,x

اطلاعات تکمیلی در مورد تأثیر لزجت روانکار بر یاتاقان لغزشی ساده ⁽¹⁷⁾ در بخش 4 خواهد آمد .

در سیستم های با روانکاری غیریکنواخت ⁽¹⁸⁾ مثل یاتاقانهای غلتشی و چرخدنده ها رابطه بین لزجت روانکار و ضخامت فیلم با دو اثر تکمیل می شود :

1- تغییر شکل کشسان سطوح دیگر

2- افزایش لزجت روانکار در نتیجه فشار بالا .بنابراین رژیم روانکاری ، تحت نام الاستوهیدرودینامیک ⁽¹⁹⁾ شناخته می شود و با معادلات مختلف ریاضی می توان آن را بیان نمود .

یک معادله متداول برای رولربیرینگها ^{(20 )} معادله " داوسون هینگسون " است :

که در آن

= لزجت روغن در ناحیه ورودی

R = شعاع موثر

a = ضریب فشار لزجت

در ایجا U سرعت ، p پارامتر بار و E پارامتر ماده بر مبنای مدول و نسبت پواسون می باشند برای بلبرینگها ⁽²¹⁾ رابطه معادل " آرچارد و کوکینگ ^{(22 )} می باشد :

برای چنین سیستمهای غیریکنواختی ، نموداری مشابه با شکل (3-1) ارائه شده که در آن ناحیه 2 بیانگر روانکای الاستوهیدرودینامیک است یافتن سیستم خاصی که رابطه در آن بطور دقیق بکار رود کار دشواری است اما یک مطلب مهم این است که ضخامت فیلم روانکار و اصطکاک در روانکاری الاستوهیدرودینامیک ، فاصله بین روانکاری هیدرودینامیک با فیلم ضخیم و روانکاری مرزی را پر می کند .

نمونه ای از روانکاری میکروالاستوهیدرودینامیک ^{(23 )} به عنوان مکانیزمی برای روانکاری زبر⁽²⁴⁾ تحت شرایط مرزی پیشنهاد شده است ( بخش (5-1) را ببینید ) اگر این پیشنهاد معتبر باشد فرآیند احتمالا ً د رناحیه روانکاری مرکب ^{(25 )} انجام می شود .

در جایی که روانکاری فیلم کامل سیال ^{(26 )} نیاز است ولی لزجت ، بار ، سرعت و شکل برای ایجاد جدایی هیدرودینامیکی فیلم کامل سیال مناسب نیست روش اعمال فشار خارجی ^{(27 )} می تواند مفید باشد به بیان ساده : وارد کردن سیال پر فشار به درون یاتاقان تا فشار هیدرواستاتیک حاصل ، برای جدایش سطوح درگیر یاتاقان کافی باشد .

یاتاقانهای تحت فشار خارجی ، محدوده سیستمهایی را که فواید جدایی فیلم کامل سیال در آنها قابل دستیابی است را وسعت بخشیده اند و سیالات زیادی را قادر ساخته اند تا با موفقیت تمام ، به عنوان روانکار بکار روند سیالاتی که در شرایطی غیر از این مناسب نبوده اند این سیالات ، شامل سیالات آبی ^{( 28)} و دیگر سیالات کم لزجت می باشند به خاطر داشته باشید که لزجت روانکار که در شکل (3-1) و در معادلات مختلف ضخامت فیلم آمده است لزجتی تحت شرایط مربوط به آن سیستمها و بویژه دما می باشد لزجت تمام سیالات با افزایش دما ، کاهش می یابد این عامل و عوامل دیگر مؤثر بر لزجت در بخش (4-1) بیان شده اند .

لزجت و روانکاری مرزی یک روانکار بطور کامل عملکرد آن روانکار را تعریف می کند اما خواص بسیار دیگری نیز در این مورد مهم اند بیشتر این خواص ، با فساد⁽²⁹⁾ فزاینده روانکار در ارتباطند و در بخش (6-1) بحث خواهند شد .

4-1 لزجت روانکار

لزجت روانکارها به دو صورت تعریف می شود و هر دو تعریف به شکل وسیعی کاربرد دارند .

1-4-1 لزجت دینامیکی 14 لزجت مطلق ^{(30 )}

لزجت دینامیکی یا لزجت مطلق ، عبارت است از : نسبت تنش برشی به نرخ برش ناشی از جریان سیال در سیستم SI لزجت با واحد پاسکال – ثانیه یا نیوتن – ثانیه بر مترمربع اندازه گیری می شود اما در سیستم سانتیمتر ، گرم ، ثانیه ،(cgs) واحد " سانتی پویز " پذیرفته تر می باشد :

1 centipoise (cP) = 10 Pa.s = 10 N.s/m

سانتی پویز واحد کاربردی لزجت برای محاسباتی است که بر پایه معادلات رینولدز^{(31 )} و معادلات مختلف روانکاری الاستوهیدرودینامیک انجام می شود .

2-4-1 لزجت سینماتیکی ^{(32 )}

لزجت سینماتیکی برابر است با لزجت دینامیکی تقسیم بر چگالی ، در سیستم SI ، واحد آن مترمربع بر ثانیه S/m می باشد اما در سیستم cgs واحد سانتی استوک پذیرفته تر است :

1 cetistoke (cSt) = 1 mm/s

سانتی استوک واحدی است که بیشتر توسط تهیه کنندگان ومصرف کنندگان روانکار بیان می شود .

در عمل ، تفاوت بین لزجتهای سینماتیکی و دینامیکی برای روغنهای روانکاری اهمیت چندانی ندارد زیرا چگالی روغنها در دمای کار بیشتر بین 8/0 و 2/1 می باشد اما برای بعضی روغنهای ترکیبی فلوئوردار با چگالیهای بالا و نیز برای گازها این اختلاف می تواند مهم باشد .

در دمای کار ، لزجتهای بیشتر روغنهای روانکاری بین 10 تا حدود cSt 600 می باشد که بطور متوسط عدد آن حدود cSt 90 می باشد لزجتهای کمتر بیشتر برای یاتاقانها به کار می رود تا برای چرخدنده ها مانند مواقعی که میزان بارها پایین و سرعتها زیادند یا سیستم کاملا ً بسته می باشد برعکس لزجتهای بالاتر برای چرخدنده ها و محلهایی انتخاب می شوند که سرعتها پایین و بارها زیادند یا سیستم ، کاملا ً تمیز است برخی محدوده های متداول لزجت چند نوع روانکار در دمای کار در جدول (1-1) آمده است .

تغییرات لزجت روغن بر حسب دما ، در بعضی سیستمها بسیار با اهمیت است مثل

سیستمی که در آن ، دمای کارکرد در محدوده وسیعی تغییر کند یا با دماهای مرجع بیان شده برای لزجت روغن متفاوت باشد .

لزجت هر مایع ، با افزایش دما کاهش می یابد اما نرخ کاهش از یک سیال تا سیال دیگر می تواند به طور قابل ملاحظه ای متفاوت باشد شکل (4-1) تغییر لزجت بر حسب دما را برای

جدول (1-1) محدوده لزجت برای موارد معمول مصرف

چند نوع روغن روانکاری نمایش می دهد نمایش ترسیمی از این نوع ، مفیدترین راه برای ارائه این اطلاعات می باشد آنچه بیشتر مرسوم است بیان شاخص لزجت ⁽³³⁾ (VI) می باشد .

شاخص لزجت ، معرف رابطه دما – لزجت برای یک روغن بر روی یک مقیاس اختیاری و در قیاس با دو روغن استاندارد می باشد یکی از این روغنهای استاندارد ، شاخص لزجت صفر دارد که بیانگر سریعترین تغییرات لزجت با دمایی است که معمولا ً برای روغنهای معدنی یافت می شود دومین روغن استاندارد ، شاخص لزجت صد دارد که که مبین کمترین تغییر لزجت با دمایی می باشد که برای روغنهای معدنی بدون افزودنیهای مناسب یافت می شود .

معادله محاسبه شاخص لزجت برای یک نمونه روغن به شکل زیر است :

VI =

که در آن :

U = لزجت روغن نمونه در دمای C40 بر حسب سانتی استوک است .

L = لزجت روغنی با شاخص لزجت صفر در C40 که لزجتش در C100 مشابه لزجت نمونه آزمایشی است و بر حسب سانتی استوک محاسبه می شود .

H = لزجت روغنی با شاخص لزجت 100 در C40 که لزجت آن در C100 مثل لزجت روغن تحت آزمایش است .