طیف‌سنجی گسیل اتمی (AES) یک تکنیک تحلیلی است که برای تعیین ترکیب عناصر یک نمونه با تجزیه و تحلیل طول موج نور ساطع شده توسط اتم‌ها یا یون‌های آن استفاده می‌شود. از این روش در بررسی اندازه ذرات در روغن دنده نیز استفاده می‌شود. اما محدودیت در طیف سنجی انتشار اتمی (Atomic Emission Spectroscopy) می‌تواند توانایی نظارت بر ذرات سایش بزرگ در گیربکس‌ها را مختل کند. این مقاله به بررسی راه‌های دیگر برای نظارت بر سایش غیرعادی گیربکس‌ها می‌پردازد. این روش‌های آزمایشی شامل فرووگرافی خواندن مستقیم (direct reading ferrography)، کمّی‌کننده ذرات (particle quantifier) ، شمارش ذرات و فرووگرافی تحلیلی (analytical ferrography) است. قبل از درک این روش‌ها، باید بر روی انواع مختلف گیربکس‌تمرکز و شباهت‌ها و تفاوت‌های آنها را مقایسه کرد.
انواع چرخ‌دنده
گیربکس به بدنه‌ای فلزی گفته می‌شود که شامل یک چرخ‌دنده است. آنها در طیف وسیعی از اندازه‌ها، ظرفیت‌ها و نسبت‌های سرعت موجود هستند. وظیفه آنها این است که ورودی ارائه شده توسط یک محرک اصلی را به خروجی با RPM کمتر و به تبع آن گشتاور بالاتر تبدیل کنند.
چندین پیکربندی چرخ‌دنده وجود دارد که بسته به کاربرد می‌توان از آنها استفاده کرد. برخی از پیکربندی‌های رایج شامل چرخ‌دنده‌های خار، مارپیچ، اریب، هیپووئید و حلزونی هستند. شرایط ذاتی عملکرد یک گیربکس به گونه‌ای است که می‌تواند منجر به افزایش سطح سایش شود. روغن‌های گیربکس در شرایط معمول بین 5 تا 15 ppm ذره آهن در خود دارند است، اما غیرمعمول نیست که گیربکس دارای مقدار آهن بیش از 100 ppm باشد. به همین دلیل است که درک گزینه‌های موجود برای نظارت بر ذرات سایش فاجعه‌بار مهم است.
نظارت بر ذرات بزرگ در گیربکس‌های صنعتی یک فرآیند دو بخشی است که شامل تشخیص و تجزیه و تحلیل است. ابتدا ابزارهای موجود در تشخیص ذرات بزرگ مورد بحث قرار خواهد گرفت. سپس شرح مختصری از هر یک ارائه خواهد شد زیرا برخی از این فناوری‌ها ممکن است به اندازه‌ای پیچیده باشند که به طور کلی در توضیح این مقاله نمی‌گنجد.
طیف‌سنجی انتشار اتمی
طیف‌سنجی انتشار اتمی (AES) سنگ بنای آزمایش‌های صنعتی است. تقریباً تمام تخته‌های آزمایشی مورد استفاده برای نظارت بر وضعیت ماشین‌آلات از نوعی آزمایش AES استفاده می‌کنند، خواه این آزمایش پلاسمای جفت شده القایی (ICP)، طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) یا الکترود دیسک دوار (RDE) باشد. دقت همه این روش‌ها به اندازه ذره‌ای محدود می‌شوند که هر کدام می‌توانند تشخیص دهند و در همه این روش‌ها ذره 10 میکرون (µm) بالاترین حد تشخیص است.
AES با سوپرگرم کردن نمونه روغن توسط پلاسما (ICP) یا از طریق جرقه (RDE) کار می‌کند که منجر به تولید نور در طول موج معین برای هر عنصر موجود می‌شود. اپتیک دستگاه (پلی کروماتور) انرژی نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این مرحله به ابزار اجازه می‌دهد تا خوانش‌های مناسب را انجام دهد. متأسفانه، اشکالی که رخ می‌دهد این است که با بزرگتر شدن اندازه ذرات، توانایی تبخیر کامل کاهش می‌یابد تا زمانی که ذرات بزرگتر از تقریباً 10 میکرومتر اصلاً شمارش نشوند. اگر روش‌های دیگر به کار گرفته نشود، برخی ذرات ممکن است به درستی شناسایی نشوند.
یک تکنیک امیدوارکننده در شناسایی سایش در ابعاد بزرگ، طیف‌سنجی فیلتر روترود یا Rotrode Filter Spectroscopy است که به اختصار (RFS) خوانده می‌شود. در RFS، یک دیسک کربن متخلخل، ذرات بزرگ باقی‌مانده سایش را برای ارائه بعدی به طیف‌سنج انتشار جرقه جمع‌آوری می‌کند.
فروگرافی خواندن مستقیم یا Direct Reading Ferrography
فرووگرافی قرائت مستقیم (DR) مقدار باقی‌مانده فرسایشی آهنی را در یک نمونه روغن اندازه‌گیری می‌کند. نتایج فرووگرافی DR عموماً بر حسب DL برای ذرات بزرگتر از 5 میکرومتر و DS برای ذرات با اندازه کمتر از 5 میکرومتر ارائه می‌شود.
فرووگرافی DR با عبور نمونه از طریق یک لوله پرکننده و روی یک آهنربای پرقدرت کار می‌کند. ذرات بزرگتر سریعتر به سمت آهنربا جذب می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهد در یک انتها جمع شوند در حالی که ذرات کوچکتر در انتهای خروجی جمع خواهند شد. سپس نور از طریق نمونه منتقل می‌شود. آشکارسازهای عکس مقدار نور عبوری از نمونه را اندازه‌گیری و در نتیجه مقادیر DL و DS را به دست می‌آورند. مزیت فروگرافی DR اطلاعاتی است که می‌توان از این نتایج بدست آورد.
انجام فروگرافی DR نیاز به استفاده از مواد شیمیایی خطرناک، رقت‌های دقیق و نرخ جریان دقیق روی آهنربا برای به دست آوردن نتایج با کیفیت دارد. در حالی که اپراتورهای ابزارهای DR به خوبی آموزش دیده و اهمیت تست نمونه مناسب را درک می‌کنند، با توجه به مقدار متغیرها و نمونه‌برداری، هنوز احتمال خطای اپراتور وجود دارد.
ما در مقاله "روغن دنده صنعتی: تعریف، نحوه انتخاب، زمان تعویض" به توضیح موارد پایه در مورد روغن دنده پرداخته‌ایم.
به عنوان یک قاعده، روغن‌های دنده صنعتی از یک سیال پایه که معمولاً به عنوان روغن پایه شناخته می‌شود و مواد شیمیایی که به عنوان افزودنی شناخته می‌شوند، تشکیل می‌شوند.
کمّی‌سازهای ذرات یا Particle Quantifier
کمّی‌سازهای ذرات از اثر هال (Hall effect) برای تعیین غلظت آهن یک نمونه روغن استفاده می‌کنند. اثر هال ولتاژ القایی و قابل اندازه‌گیری در یک نمونه تحت یک میدان مغناطیسی و جریان اعمال شده است. به طور کلی، هر چه غلظت سایش آهن موجود بیشتر باشد، ولتاژ هال مشاهده شده بیشتر می‌شود. مشابه فروگرافی DR، این روش نیز غلظت آهن اندازه‌گیری شده را به عنوان مقدار شاخص گزارش می‌کند. نتایج کمّی‌ساز ذرات تنها به عنوان یک مقدار شاخص در مقابل دو مقدار ارائه شده در فرووگرافی DR ارائه می‌شود. هیچ تفکیک اندازه ای در این روش وجود ندارد.
این روش به اندازه ذرات حساس نیست و هنگامی که در ارتباط با AES استفاده می‌شود، می‌توان چندین ارزیابی را انجام داد. اگر نتیجه کمیّت‌کننده ذرات همراه با افزایش AES افزایش یابد، این احتمال وجود دارد که مقادیر زیادی ذرات کوچک وجود دارند. با این حال، اگر نتایج کمیّت‌کننده ذرات افزایش یابد و هیچ تغییری یا حتی کاهشی در زباله‌های آهنی AES وجود نداشته باشد، این نشان‌دهنده حضور ذرات بزرگ است، در نتیجه سطح غیر طبیعی سایش به این شکل نشان داده می‌شود.
فروگرافی تحلیلی
فرووگرافی تحلیلی اجازه می‌دهد تا ذرات سایش توسط تحلیلگر از طریق تجزیه و تحلیل میکروسکوپی مشاهده شود. در این ارزیابی، سایش فعال ماشین و همچنین چندین حالت مختلف سایش را می‌توان تعیین کرد. این روش حساسیت فوق‌العاده‌ای برای ذرات بزرگتر دارد.
در طول فرآیند آماده‌سازی، نمونه روی یک لام قرار می‌گیرد که با زاویه تنظیم شده روی یک منبع مغناطیسی قرار گرفته است. همانطور که نمونه بررسی می‌شود، ذرات آهنی بر روی اسلاید در یک الگوی مشخص مرتبط با اندازه ذرات مرتب می‌شوند. ذرات بزرگتر در نقطه ورود اسلاید باقی می‌مانند در حالی که ذرات کوچکتر و زیر میکرون در انتهای خروجی اسلاید رسوب می‌کنند. پس از خشک شدن، لام برای ارزیابی تحلیلگر در یک میکروسکوپ پرقدرت قرار می‌گیرد. این ارزیابی بیش از تعیین مقدار سایش امکان شناسایی ذرات (تعیین سایش) را فراهم می‌کند.
اگرچه این روش به دلیل جذب مغناطیسی ذرات، حساس به زباله‌های آهنی است، شناسایی برخی زباله‌های غیر آهنی نیز امکان‌پذیر است. این مورد معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات غیرآهنی بزرگ هنگام عبور از روی لام از روغن خارج می‌شوند، یا زمانی که ذرات غیرآهنی توسط ذرات آهنی که قبلاً ته‌نشین شده‌اند و از طریق میدان مغناطیسی در جای خود نگه داشته می‌شوند، به دام می‌افتند.
فرووگرافی تحلیلی به آموزش گسترده برای تفسیر صحیح نتایج نیاز دارد. ارزیابی فروگرام می‌تواند بین تحلیلگران به دلیل ذهنی بودن تحلیل متفاوت باشد. سطح آموزش و تجربه نیز بر دقت ارزیابی فرووگرافی تأثیر می‌گذارد.
هزینه کلی فرووگرافی تحلیلی استفاده از آن را به عنوان یک تست معمولی ممنوع می‌کند. هزینه بالا به دلیل عدم اتوماسیون و مدت زمان طولانی برای آماده‌سازی و معاینه است. انجام این آزمایش از ابتدا تا انتها می‌تواند بین 25 تا 45 دقیقه طول بکشد. این زمان علاوه بر زمان انجام بقیه آزمایشاتی است که باید انجام شود.
میکروپچ
میکروپچ که به عنوان فیلترگرام نیز شناخته می‌شود، مطالعه ذرات سایش رسوب شده بر روی فیلتر است. مشابه فروگرام، میکروپچ در جذب ذرات بزرگ (بسته به اندازه منافذ فیلتر) کارآمد است. فیلترهای استاندارد صنعتی مورد استفاده برای این آزمایش 0.8 میکرومتر هستند که این فیلترها را برای مشاهده سایش در همه اندازه‌ها موثر می‌سازد. میکروپچ برای کاربردهایی استفاده می‌شود که در آن سایش غیر آهنی به عنوان شاخص اصلی در نظر گرفته می‌شود. نمونه‌هایی از این موقعیت‌ها عبارتند از چرخ‌دنده‌های حلزونی، ماشین‌آلات توربو (با یاتاقان‌های برنزی یا بابیتی)، فولاد ضد‌زنگ و یاتاقان‌های سرامیکی.
یکی از اشکالات آنالیز میکروپچ این است که توانایی استفاده از آن در عملیات حرارتی بسیار محدود است. علاوه بر این، تمایز بین انواع مختلف فلزات در این روش سخت‌تر و وضوح نور عبوری ضعیف‌تر است. سطح آموزش مورد نیاز برای انجام مطالعه میکروپچ مشابه فروگرافی تحلیلی است زیرا باید درک کاملی از حالت‌ها و اثرات سایش وجود داشته باشد.
شمارش ذرات
شمارش ذرات در گیربکس‌های صنعتی همان داستان شمارش ذرات در یک سیستم هیدرولیک یا کاربرد پمپ را بیان می‌کند، یعنی پاکیزگی. هنگام ایجاد یک برنامه تجزیه و تحلیل روغن فعال در کنترل آلودگی، شمارش ذرات یک جزء حیاتی است. دو نوع شمارش ذرات وجود دارد که به طور کلی انجام می‌شود: نوری و انسداد منافذ. شمارشگر ذرات نوری توسط حسگری کار می‌کند که میزان نور از دست رفته یا میزان نور پراکنده شده هنگام عبور از یک ذره را اندازه‌گیری می‌کند که به اندازه خاصی از ذره مربوط می‌شود. شمارشگر انسداد منافذ توسط مبدلی کار می‌کند که میزان افزایش فشار یا فروپاشی جریان هنگام عبور نمونه روغن از یک حسگر حاوی تعدادی منافذ با اندازه خاص رخ می‌دهد را اندازه‌گیری می‌کند. در این روش، ذرات بزرگ‌تری که نمی‌توانند از حسگر عبور کنند به دام می‌افتند در حالی که ذرات کوچکتر در شکاف‌های باز ذرات بزرگتر گیر می‌کنند.
سپس از نتایج شمارش ذرات برای استخراج سطح پاکیزگی ISO استفاده می‌شود. ساختار گزارش ISO 4406:99 تمیزی را به عنوان یک مقدار سه رقمی می‌دهد. همچنین گاهی اوقات قابل قبول است که تمیزی را به عنوان یک مقدار دو رقمی گزارش کند. این ارقام مربوط به تعداد ذرات شناسایی شده در سطوح > 4، > 6، > 14 میکرون برای کد سه رقمی و سطوح > 6، > 14 میکرون برای کدهای دو رقمی است.
یک شکل اضافی از شمارش ذرات که می‌تواند در ارتباط با انسداد منافذ انجام شود، شمارش ذرات آهنی است. این روش امکان تعیین درصد ذرات آهنی را فراهم می‌کند. استفاده از داده‌های شمارش ذرات همراه با سایر آزمایش‌های معمول نیز می‌تواند به تمایز بین گیربکس کثیف و جعبه دنده دارای آلودگی بیش از حد کمک کند.
روش‌های دیگر
روش‌های دیگری برای اندازه‌گیری ذرات بزرگ موجود است. با این حال، به دلیل زمان و هزینه، این روش‌ها به آسانی به عنوان بخشی از یک صفحه آزمایش معمولی استاندارد به کار گرفته نمی‌شوند. این روش‌ها شامل میکروسکوپ الکترونی (Scanning Electron Microscopy) و طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (X-ray Fluorescence Spectroscopy) می‌باشد.
نتیجه‌گیری
با توجه به تمایل برای افزایش اطمینان از عملکرد و کاهش هزینه، درک نحوه استفاده صحیح از فناوری‌های موجود مهم است. با تجزیه و تحلیل روغن، چندین جنبه مختلف سایش در ماشین‌آلات را می‌توان نظارت کرد. اما بسیاری از آزمایشات منفرد انجام شده در آنالیز روغن دارای محدودیت‌هایی هستند. با این حال، استفاده از ترکیب صحیح آزمایش‌ها با آنالیز روغن یک ابزار تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده قدرتمند در دست خواهید داشت.
منبع
Spurlock, M. (2019) Monitoring large particles in gear oils. https://www.machinerylubrication.com/Read/1308/large-particles-gear-oil
سوالات متداول
ذرات بزرگ می‌توانند در روغن دنده ظاهر شوند به دلیل:
- فرسودگی و پارگی چرخ‌دنده‌ها و یاتاقان‌ها که باعث ایجاد تکه‌های فلزی یا براده می‌شود.
- آلودگی از منابع خارجی، مانند خاک یا زباله‌های وارد شده به سیستم.
- خرابی‌های مکانیکی، مانند شکستن دندانه‌های چرخ‌دنده یا یاتاقان.
- نصب یا نگهداری نادرست، منجر به سایش غیرعادی می‌شود.
ذرات بزرگ در روغن دنده را می‌توان از طریق موارد زیر تشخیص داد:
- بازرسی بصری روغن.
- تکنیک‌های آنالیز روغن، مانند طیف‌سنجی، فرووگرافی، یا شمارش ذرات.
- فیلترهای مغناطیسی که برای جذب ذرات فلزی طراحی شده‌اند.
نادیده گرفتن ذرات بزرگ می‌تواند منجر به موارد زیر شود:
- فرسودگی و فرسودگی سریع چرخ‌دنده و یاتاقان.
- افزایش اصطکاک و گرما، به طور بالقوه باعث آسیب بیشتر می‌شود.
- خرابی چرخ‌دنده یا بلبرینگ منجر به خرابی و تعمیرات پرهزینه می‌شود.
- کاهش راندمان و عملکرد ماشین‌آلات.
پرداختن به این موضوع شامل موارد زیر است:
- طبق توصیه سازنده، روغن دنده را به طور منظم بررسی و تعویض کنید.
- استفاده از سیستم‌های فیلتراسیون مناسب برای حذف ذرات از روغن.
- بررسی منبع ذرات از طریق تجزیه و تحلیل دقیق روغن و بازرسی سیستم دنده برای سایش یا آسیب.
- رسیدگی به هر گونه مشکل مکانیکی که در طول بازرسی برای جلوگیری از آلودگی بیشتر یافت می‌شود.
در حالی که جلوگیری کامل از سایش و پارگی دشوار است، اقدامات زیر می‌تواند آلودگی را به حداقل برساند:
- اطمینان از نصب و تنظیم صحیح چرخ‌دنده و یاتاقان.
- استفاده از روغن دنده مناسب و باکیفیت با مواد افزودنی مناسب.
- اجرای برنامه منظم نگهداری و بازرسی.
- تمیز نگه داشتن سیستم دنده و محکم نگه داشتن آن در برابر آلاینده‌های خارجی.
فیلتراسیون روغن برای موارد زیر ضروری است:
- حذف آلاینده و ذرات موجود از روغن و در نتیجه افزایش عمر آن.
- جلوگیری از چرخش مجدد این ذرات در داخل سیستم چرخ‌دنده که می‌تواند باعث سایش اضافی شود.
- نظارت بر وضعیت روغن و سیستم دنده در طول زمان برای رفع پیشگیرانه مشکلات.
در حالی که هیچ روغن دنده‌ای نمی‌تواند از تولید ذرات بزرگ به دلیل سایش یا خرابی مکانیکی جلوگیری کند، برخی از روغن‌ها با مواد افزودنی فرموله می‌شوند که توانایی روغن را برای حمل و تعلیق ذرات تا زمانی که بتوان آنها را فیلتر کرد افزایش می‌دهد.
