آناتومی زبالههای ناشی از سایش
در این مقاله قصد داریم حالتهای مختلفی که توسط آنها زبالههای سایش ایجاد میشود، همراه با ویژگیهای فیزیکی هر نوع ذرات سایش را بررسی کنیم. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل میکروسکوپی و ابزار لازم برای نگاهی عمیق به ظاهر منحصر به فرد این ذرات و نحوه تشکیل آنها را نیز مرور خواهیم کرد.
ضایعات سایش چه هستند؟
تجهیزات مکانیکی با گذشت زمان خراب میشوند. بسته به نوع کار و شرایط محیطی که ماشین تحمل میکند، خرابی مکانیکی داخلی میتواند به صورت خستگی، مالش، لغزش، سایش و خوردگی رخ دهد. از منظر ماکروسکوپی، بقایای سایش حاصل از این فرآیندها ممکن است به عنوان لکههای جرم ناچیز ظاهر شوند که عمدتاً یکسان به نظر میرسند. با این حال، در سطح میکروسکوپی، این بقایای سایش دارای مورفولوژی (شکل و اندازه) و توپوگرافی سطحی (زبری، بافت و الگوی سطح) منحصر به فرد هستند. اگر به وضوح درک شود، مورفولوژی و توپوگرافی میتواند سرنخهایی ارائه دهد که میتواند برای جلوگیری از خرابی قریبالوقوع ماشین استفاده شود. ضایعات سایش را میتوان به عنوان ذرات تولید شده از تجزیه سطوح داخل ماشین تعریف کرد. این ذرات میتوانند از اندازه زیر میکرون تا تکههای فلزی بزرگ وجود داشته باشند. تجزیه و تحلیل ضایعاتی مانند سایش به طور کلی بر روی ذرات کوچک و مخرب تمرکز میکند، که بسیاری از آنها برای چشم انسان بسیار کوچک هستند. اندازه این ذرات ممکن است کمتر از 1 میکرون تا 200 میکرون باشد. اگر ذرات بزرگتر از 200 میکرون دارید، احتمالاً نیازی ندارید کسی به شما بگوید که مشکل جدی در دستگاه وجود دارد!
نمونهبرداری و تجزیه و تحلیل ضایعات سایش
تکنیکهای زیادی برای تجزیه و تحلیل زبالههای سایش وجود دارد. برخی از این روشها حتی میتوانند بقایای سایش را درست از نمونه روغن تجزیه و تحلیل کنند. فرووگرافی تحلیلی به عنوان یک روش نیاز به جداسازی زبالههای سایش از نمونه روغن جمعآوری شده دارد. سپس تصاویر فوتومیکروگراف فروگرام یا فیلترگرامها با استفاده از میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار میگیرند. مزیت اصلی فرووگرافی تحلیلی توانایی آن در تعیین شکل ذرات، اندازه، بافت و همچنین شناسایی عناصر است. فروگرافی از مغناطیس یا فیلتراسیون غشایی برای جمعآوری ذرات استفاده میکند (فیلتراسیون غشایی به جداسازی ترکیبات مایع به وسیله غشاهایی که اندازه منافذ آنها کنترل شده است گفته میشود). استانداردهای ISO مانند ISO 16232، ASTM D7670 و D7690 برای آمادهسازی مناسب این نمونهها و تجزیه و تحلیل ویژگیهای بصری ذرات استفاده میشود. این ویژگیهای مشاهده شده، مکان و نحوه تولید ذرات را روشن میکند.
فروگرامها
فروگرام اسلایدی است که برای نشان دادن ذرات معلق آهن در روانکننده ماشین تهیه میشود و یکی از اجزای مهم فرووگرافی است و فروگرافی نیز روشی برای تجزیه و تحلیل روغن است که برای بررسی شدت و مکانیسم سایش در ماشینآلات استفاده میشود. فروگرافی به عنوان یک ابزار تشخیصی قدرتمند برای تعمیر و نگهداری پیشگیری از خرابی عمل میکند.
همانطور که یک نمونه روغن از یک لام شیشهای طراحی شده به نام فروگرام به سمت پایین جریان مییابد، یک آهنربا در زیر آن قرار میگیرد تا ذرات آهنی را به دام بیندازد. ذرات تمایل دارند به صورت رشتههایی در امتداد میدان مغناطیسی جمع شوند. در حالی که بسیاری از ذرات غیر آهنی گذشته، عبور میکنند و به دام نمیافتند، اما با این حال برخی از آنها توسط گرانش یا در اثر تماس با ذرات آهنی به دام افتاده و نگه داشته میشوند. از نورپردازی پایین و بالا میتوان برای کمک به توصیف ویژگیهای حیاتی ذرات استفاده کرد.
فیلترگرامها
فیلترگرام یک جزء حیاتی در فرووگرافی است، روشی که برای آنالیز روغن در ماشینآلات استفاده میشود. برخلاف فروگرام، فیلترگرام هیچ گونه تعصبی نسبت به ذرات آهنی ندارد. همانطور که نمونه روغن از طریق یک غشای فیلتر عبور میکند، هر ذرهای بزرگتر از اندازه منافذ به طور تصادفی روی سطح غشاء به دام میافتد.
حالتهای سایش
به عنوان رایجترین نوع سایش، سایش مالشی یا Rubbing Wear زمانی رخ میدهد که تماس لغزشی سطحی در دستگاه وجود داشته باشد. در طول تماس اولیه با سطح، باید انتظار این نوع سایش را داشت. معمولاً منجر به یک سطح صافتر و کم سایش میشود. ذرات تولید شده از این نوع ساییدگی معمولا دارای مورفولوژی پلاکتی (دو بعدی) و توپوگرافی صاف هستند. نوع دیگر سایش که با عنوان برشی (Abrasive Wear) شناخته میشود، نوعی سایش غیر طبیعی است و زمانی ایجاد میشود که دو سطح به یکدیگر نفوذ کنند. همانطور که از نام آن پیدا است، ذراتی که از یک سطح تولید میشوند سطح دیگر را میچرخاند و تکههای بلندی ایجاد میکند.
تماس سطح غلتشی باعث ایجاد خستگی سطحی یا سایش نورد (Rolling Wear) میشود. ذرات تولید شده از خستگی سطحی به شکل ذرات ریز، کروی یا لایهای ظاهر میشوند. تشکیل گودال و ریزشها در نتیجه بار زیاد و سطح کم تماس منجر به شکلگیری و اندازه این ذرات میشود زیرا آنها از حالت اولیه خود خارج میشوند. این نوع سایش معمولاً با اجزای تماس با حرکت غلتشی، مانند یاتاقانهای توپ رخ میدهد.
ترکیب ضایعات نورد و کشویی منجر به ایجاد ترکیب غیر عادی ناشی از خستگی و ساییدگی میشود که معادل انگلیسی آن Rolling and Sliding Wear Combined است. این نوع سایش معمولاً با سیستمهای چرخدنده، به ویژه در امتداد خط دندانههای چرخدنده و همچنین در شرایطی که بار یا سرعت بسیار زیاد است و تولید گرمای بیش از حد وجود دارد، مرتبط است. به عنوان مثال تماس سطحی دندانههای چرخدنده ترکیبی از حرکت غلتشی و لغزشی است. این حالت سایش ترکیبی، همراه با اثرات آلایندههای روانکننده، میتواند ترکیب پیچیدهای از زبالههای سایش را ایجاد کند.
سایش شدید کشویی نوع دیگری از سایش است که در بارهای بیش از حد و سرعت بالا بین سطوحی که در تماس هستند رخ میدهد. هنگامی که تنشهای سطحی به دلیل افزایش بار و یا سرعت در ناحیه تماس سطحی افزایش یابد، ناحیه ناپایدار میشود و ذرات بزرگ جدا شده و نرخ سایش را بیشتر افزایش میدهند.
نوع دیگری از سایش، سایش شیمیایی و خورنده است. ذرات حاصل از این سایش اغلب بسیار کوچک هستند و به صورت جداگانه قابل تشخیص نیستند و این ذرات معمولاً نتیجه خواص نامناسب سیال یا آلودگی شدید حاصل از آب، اسید، نمک یا باکتری هستند. گرما نیز نقش مهمی در این نوع از خوردگی دارد. اکثر روان کننده ها دارای مواد افزودنی ضدزنگ هستند که برای مبارزه با اثرات سایش شیمیایی ضروری به شمار میروند.
"آنچه باید در مورد آنالیز روغن بدانید" مبانی لازم در مورد آنالیز روغن را ارائه میدهد و به زباله سایش به عنوانی یکی از پارامترهای مهم میپردازد.
هدف یک برنامه تحلیل پیشگیرانه روغن، بررسی تغییرات تدریجی در خواص روانکار، آلایندهها و بقایای سایش است به طوری که اقدامات اصلاحی را بتوان به شیوهای برنامهریزی شده آغاز کرد.
"چگونه دادههای حاصل از آنالیز روغن را تفسیر کنیم؟" به توضیح روشهای پراهمیت در آنالیز روغن میپردازد.
طیفسنجی عنصری آزمایشی است برای تعیین غلظت فلزات سایش،آلاینده و افزودنی که در ساختار روانکننده استفاده میشود. غلظت فلزات سایش میتواند نشاندهنده سایش غیر طبیعی باشد.
مورفولوژی ذرات و توپوگرافی
دوباره اشاره می کنیم که مورفولوژی به شکل و اندازه و توپوگرافی سطحی به زبری، بافت و الگوی سطح اشاره دارد. از آنجایی که ذرات سایش به روشی متغیر از سطوح داخلی ماشین جدا میشوند، مورفولوژی و توپوگرافی آنها منحصر به فرد است. با این حال، آنها همچنین بر اساس برخی معیارها با الگوهای خاصی مطابقت دارند.
- ذرات پلاکتی شکل: این ذرات دو بعدی عموماً دارای محیطی ناهموار هستند. ضخامت آنها معمولاً حدود یک دهم تا یک سیام بعد جانبی آنها است. آنها را میتوان بیشتر با داشتن شکل گوه توصیف کرد. یکی از متداولترین راههایی که میتوانند ذرات پلاکتی شکل را ایجاد کنند، نیروهای عادی و مماسی است.
- ذرات کروی: همانطور که از نام آنها پیدا است، این ذرات اساسا کروی هستند. به طور معمول کمتر از 10 میکرون ضحامت دارند و به تعداد کمی ظاهر میشوند و گاهی اوقات با هم ذوب میشوند. ذرات کروی بهعنوان زبالههای سایش، با یاتاقانهای عناصر غلتشی مرتبط هستند. لازم به ذکر است که ذرات کروی غالباً بهعنوان آلاینده یافت میشوند تا بقایای سایش. آلاینده کروی شکل احتمالاً بزرگتر از 10 میکرون خواهد بود و اغلب محصول فرعی فرآیندهای جوشکاری و سنگزنی است.
- ذرات سیمی یا حلقهای شکل: این ذرات معمولا بلند و لاغر هستند، ممکن است شبیه سیم، ترکش یا روبان باشند. در حالی که آنها میتوانند کنارهها و لبههای صاف داشته باشند، معمولا ظاهر خشنتری خواهند داشت. ممکن است ذره از یک طرف خشن و از طرف دیگر صاف باشد. این نوع ذرات به سایش برشی مرتبط هستند، جایی که یکی از سطوح در تماس دارای ذرهای نرم یا چسبیده است که در مقایسه با سطح دیگری که ذره نواری شکل از آن خارج میشود، سفت و سخت است.
- تکهها یا ذرات نامنظم: در طول چسبندگی سطحی، ناهمواری دو سطحی که با هم در تماس هستند یکدیگر را صاف میکنند و منجر به ایجاد شکستگی روی یکی از سطوح میشود. این فرایند میتواند منجر به تشکیل ذراتی با اشکال غیر عادی شود که مخلوطی از عناصر را شامل میشود. تعریف اشکال اغلب دشوار است، زیرا ممکن است چندین حالت سایش همزمان در سیستم کار کنند. از آنجایی که این ذرات سایش به عنوان آلایندههای ساینده بین سطوحی که دائماً در تماس هستند عمل میکنند، به شکلهای غیر معمول تبدیل میشوند.
- ذرات خوردگی غیر آهنی: ذرات خوردگی معمولاً بسیار کوچک هستند (ابعادی کمتر از میکرون دارند). تکنیکهای جمعآوری مغناطیسی میتواند در جمعآوری این ذرات، که دارای جزییات بسیار کوچک هستند، مؤثر باشد.
- ذرات اکسید آهن: ذرات اکسید که اکسید آهن قرمز یا سیاه هستند از واکنش شیمیایی بین آهن و اکسیژن تولید میشوند. اکسید قرمز نشاندهنده رطوبت در سیستم است، در حالی که اکسید سیاه نشاندهنده روانکاری ناکافی و تولید گرمای بیش از حد در سیستم خواهد بود.
- سایر ذرات: ذراتی که قبلاً توضیح داده شد فقط شامل آنهایی هستند که از علل ناشی از سایش ایجاد میشوند، اما یک سیستم مکانیکی میتواند مجموعه ای از ذرات ناشی از آلایندههای محیطی مانند آب، گرد، غبار و غیره تا آلایندههای انسانی مانند محصولات جانبی ماشینکاری را شامل شود. حتی برخی از افزودنیهای روانکننده را میتوان با ذرات سایش در هنگام تجزیه و تحلیل اشتباه گرفت. با این وجود، تجزیه و تحلیل ضایعات سایش برای کشف اینکه کدام اقدامات تخریبی در یک ماشین رخ میدهد یا چگونه یک ماشین از کار افتاده است بسیار مفید است.
اگرچه تکنیک های تجزیه و تحلیل مانند مشاهدات حاصل از عملیات حرارتی یا افزودن مواد شیمیایی خاص میتواند در تعیین ترکیب عنصری ذرات کمک کند، اما تجزیه و تحلیل طیفسنجی به طور کلی در ارائه ترکیب عنصری آلایندهها در یک نمونه روغن موثرتر است. فرووگرافی تحلیلی بهترین روش برای تعیین مورفولوژی و توپوگرافی بقایای سایش است که در شناسایی علت اصلی ذرات ضروری است.
منبع
Fitch, B. (2013) Anatomy of wear debris. https://www.machinerylubrication.com/Read/29537/wear-debris-anatomy
سوالات متداول
زبالههای سایش میتوانند از منابع مختلفی از جمله اجزای ماشینآلات، قطعات خودرو، تجهیزات صنعتی، ایمپلنتهای پزشکی و حتی فرآیندهای طبیعی مانند فرسایش سرچشمه بگیرند.
بقایای سایش را میتوان با استفاده از تکنیکهای مختلفی از جمله میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیفسنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS)، طیفسنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تجزیه و تحلیل کرد.
در صنایعی مانند تولید، خودروسازی، هوافضا و مراقبتهای بهداشتی، زبالههای فرسوده میتوانند منجر به خرابی تجهیزات، کاهش عملکرد، افزایش هزینه تعمیر و نگهداری و خطرات ایمنی شوند. بنابراین، نظارت و کنترل زبالههای سایش برای اطمینان از کارایی عملیاتی و ایمنی ضروری است.
زبالههای سایش را میتوان از طریق روشهای مختلف از جمله روانکاری مناسب، پوششهای سطحی، انتخاب مواد، بهینهسازی طراحی، تعمیر و نگهداری منظم و تکنیکهای نظارت بر وضعیت مانند آنالیز ارتعاش و تجزیه و تحلیل روغن به حداقل رساند یا کنترل کرد.
