چرخدنده باز چیست و روانکار مناسب آن کدام است؟
درایوهای چرخدنده باز یا نیمه بسته که به عنوان درایوهای چرخدنده سنگین نیز شناخته میشوند، یکی از روشهای رایج انتقال نیرو از ابتدای انقلاب صنعتی بوده است. به طور کلی، درایوهای دنده باز مقرون به صرفهترین نوع جایگزین درایو دنده برای استفاده در کاربردهایی هستند که ظرفیت حمل بار بالا و عمر طولانی در شرایط بار شدید مورد نیاز است. این ویژگیها علاوه بر انعطافپذیری در طراحی دستگاهT باعث شده درایوهای دنده باز رایجترین نوع درایو مورد استفاده برای آسیابهای گلولهای، کورهها، خشککنها، دراگلینها و بیلها باشد. در این مقاله به پاسخ این پرسشها میپردازیم: چرخ دنده باز چیست و چه کاربردی دارد؟ و در مورد روانکاری آنها باید به چه نکاتی توجه کنیم.
تعریف و انواع درایوهای دنده باز
درایوهای دنده باز دو نوع هستند. نوع 1 شامل یک محرک و یک سیستم رک (rack system) است که برای انتقال نیرو استفاده میشود. این نوع چرخدنده باز عمدتاً بر روی درام های بالابر کابل، درایوهای حرکتی نوسانی، بالابرهای مکانیکی، واحدهای انتقال شاتل و در بالابر و دراگ درایوهای بیلهای معدن، دراگلینها و بیل مکانیکی استفاده میشود. این چرخدندههای باز میتوانند در حرکت دو طرفه باشند و در بیشتر کاربردها، هندسه دندان، پرداخت سطح، خط گام و بارهای متناوب باعث میشود که در فیلم روانکاری نازک یا شرایط روانکاری مرزی کار کنند. چرخدندههای نوع 1 معمولاً دندههای خاردار هستند.
عملکرد اصلی یک روانکننده مورد استفاده در درایو دنده باز نوع 1 این است که به عنوان یک رابط کاهش اصطکاک، بین سطوح دندانه و به عنوان یک بالشتک در برابر بارهای ضربهای عمل کند. اگر روانکننده دنده باز بتواند این ویژگیها را ارائه دهد و آلایندهها و زبالههای سایش از سطوح متوسط تجاوز نکند، روانکننده دنده باز میتواند عمر چرخدنده باز را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
درایوهای دنده باز نوع 2 معمولاً شامل یک محرک، پینیون و یک چرخدنده یا یک سری چرخدندههای اتصال هستند که برای انتقال بارهای پیوسته استفاده میشوند. آنها معمولاً برای نیرو دادن به تجهیزات ثابت یا نیمه ثابت مانند کورهها، کورههای دوّار، خشککنها، آسیابهای لاستیک و آسیابهای کاغذ (paper mills) استفاده میشوند. درایوهای دنده باز نوع 2 معمولاً در معرض آلایندههای ساینده و زبالههای سایش قرار میگیرند. آنها معمولاً از چرخدندههای مارپیچی تک و دوتایی تشکیل شدهاند.
برای اطلاعات بیشتر درباره "روغن دنده صنعتی: تعریف، نحوه انتخاب، زمان تعویض" مقاله فوق را بخوانید.
روغن دنده صنعتی به عنوان رگ حیات بسیاری از فرآیندهای صنعتی عمل میکنند و از اثرات نامطلوب اصطکاک، گرما و سایش محافظت به عمل میآورند. اهمیت آنها نه تنها در افزایش کارایی ماشینآلات بلکه در کمک به صرفهجویی در هزینه از طریق کاهش زمان خرابی، تعمیر، نگهداری و هزینههای ناشی از جایگزین کردن تجهیزات است.
الزامات روانکار دنده باز و استانداردهای صنعت
کاربردهای چرخ دنده باز، به ویژه آنهایی که با آسیاب گلولهای مرتبط هستند، از سختترین کاربردهایی هستند که یک روانکننده میتواند با آن مواجه شود. به طور کلی، این نوع چرخدندههای باز در سرعتهای پایین و یا تحت بارهای سنگین کار میکنند. با این حال، طراحیهای جدیدتر روی تجهیزات، برای انتقال بارهای بیشتر به چرخدندههای باز نیاز دارند. به دلیل این ملاحظات، یک روانکننده دندهباز باید دارای ویژگیها و خواص زیر باشد:
- چسبندگی به منظور چسبندگی عالی به چرخدندهها
- مقاومت در برابر شستشو و پاشش آب
- قابلیت حمل بار برای محافظت در برابر اصطکاک و سایش
- محافظت از چرخدندهها در برابر سایش و خوردگی
- قابلیت بالشتک شدن جهت کاهش لرزش
- قابلیت اسپری شدن و یا سهولت در مصرف
- عدم تجمع در ریشه دندانههای چرخدنده
- قابلیت تخلیه آسان برای سهولت در برداشتن از محافظها
انواع روانکنندههای دنده باز
در حال حاضر روانکنندههای مورد استفاده در دندههای باز نوع 1 و 2 شامل موارد زیر است:
- نوع آسفالتی (روانکنندههای آسفالتی یک دسته تخصصی را در طیف وسیعتری از محلولهای روانکاری نشان میدهند. این روانکنندهها که از آسفالت یا قیر – شکل چسبناک، سیاه و نیمه جامد نفتی – به دست میآیند، دارای خواص منحصر به فردی هستند که آنها را برای کاربردهای صنعتی خاص مناسب میکند)
- گریسهای نیمه سیال (همچنین به عنوان خمیر شناخته میشوند)
- انواع ژل/پلیمر ضخیم شده
- مواد مصنوعی با ویسکوزیته بالا
هر یک از این روانکنندههای دنده باز دارای ویژگیهای عملکردی و ترکیبی هستند که قابلیت آنها را مشخص میکند و در ادامه آنها را بررسی خواهیم کرد.
نوع آسفالتی
روانکنندههای دنده باز از نوع آسفالتی به عنوان ترکیبات باقیمانده یا روغنهای سیاه شناخته میشوند. این نوع روانکننده دنده باز سالها است که مورد استفاده قرار میگیرد و در بین اپراتورها گزینهای قابل اعتماد هستند. آنها از روغنهای معدنی با ویسکوزیته بالا یا ترکیبات باقیمانده که حاوی سطح بالایی از آسفالت یا قیر و یک رقیقکننده حلال فرار است فرموله میشوند. معمولاً روغنهای سیاه باقیمانده مورد استفاده در فرمولاسیون دارای ویسکوزیته 643 cSt یا بالاتر در 100 درجه سانتیگراد هستند. روانکنندههای دنده باز آسفالتی بر اساس اصل یک فیلم روغنی عمل میکنند که سطوح جفت پینیون و چرخدنده را از هم جدا میکند. آنها معمولاً از طریق یک سیستم اسپری خودکار اعمال میشوند. هنگامی که روی چرخدندهها اعمال میشود، عمل مشبندی سبب میشود رقیقکننده حلال تبخیر شود و یک پوشش چسبناک از روانکننده باقی بماند.
در گذشته حلالهای کلردار مانند تری کلرواتان، پرکلرواتان، پرکلرواتیلن و تری کلرواتیلن به دلیل غیر قابل اشتعال بودن، سرعت تبخیر سریع، قابلیت بهبود پمپاژ در سیستمهای روانکاری خودکار، به عنوان رقیقکننده فرار استفاده میشدند. در ضمن هزینه نسبتا پایین، آنها را به گزینهای مطلوب تبدیل کرده است. اگرچه حلالهای کلردار عملکرد بسیار خوبی داشتند، اما نگرانیهایی از دیدگاه محیطی و بهداشتی به دلیل پتانسیل آنها در تخریب لایه ازن و احتمال سرطانزا بودن ایجاد شد که منجر به ممنوعیت استفاده از آنها میشود. این نگرانیها باعث شد که تولیدکنندگان روانکنندههای دنده باز از نوع آسفالتی یا از حلالهای هیدروکربنی یا حلالهای هیدروکربنی فلوئوردار استفاده کنند.
استفاده از این حلالها نگرانیهایی را در مورد آتشسوزی در ماشینآلات و تجهیزات معدن به دلیل نقاط اشتعال پایینتر، مسمومیت با هیدروکربنهای فلوئوردار، انتشار ترکیبات آلی فرار (VOC) و سرعت پایین تبخیر افزایش داد. روانکنندههای دنده باز از نوع آسفالتی به دلیل ویسکوزیته بالا مانع از تماس چرخدندههای مشبک میشود. ویسکوزیته بالا نیز چسبندگی محصول را افزایش میدهد. با این حال، ویسکوزیته بالای روانکنندههای آسفالتی برای روانکاری مناسب و به حداقل رساندن سایش دندههای باز ضروری نیست. روانکنندههای دنده باز آسفالتی برای استفاده در روانکاری چرخ دندههای باز به شرط ثابت ماندن سرعت دنده و دمای عملیاتی یا محیطی مناسب هستند.
این روانکارها در دمای عملیاتی و محیطی بالا چسبندگی کمتری پیدا میکنند و در نتیجه میزان مصرف روانکار بیشتر میشود. دمای بالای محیط و عملکرد نیز میتواند باعث شود که روانکنندههای دنده باز آسفالتی به آسانی اکسید و سخت شده و در ناحیه ریشه تجمع پیدا کنند. در دماهای پایین، به دلیل دشواری در توزیع و تمایل به سفت شدن، ترک خوردن و کنده شدن بدون روغنکاری چرخدندهها، عملکردی کمتر از سطح رضایت بخش دارند. به دلیل ماهیت چسبنده آسفالت و روغنهای حاوی قیر، روانکنندههای دنده باز از نوع آسفالتی گرد و غبار، کثیفی و سایر آلایندهها را جذب میکنند که می تواند در حین عمل مشبندی چرخدندهها به ذرات سایش ساینده تبدیل شوند.
گریسهای نیمه سیال
گریسهای نیمه سیال برای اولین بار حدود 50 سال پیش در اروپا معرفی شدند. این نوع روانکنندههای دنده باز به طور گسترده در اروپا برای چرخدندههای باز آسیاب و در تجهیزات ساخت اروپا استفاده و مشخص می شوند. این نوع روانکننده قبل از توری چرخ دنده در قسمت بارگذاری شده دندان در مقادیر کم اعمال میشود. این روانکنندههای دنده باز معمولاً حاوی روغن پایه نفتی با ویسکوزیته متوسط تا بالا هستند که ممکن است حاوی مقداری آسفالت یا قیر باشد. آنها همچنین ممکن است حاوی روغن مصنوعی، عامل ژلکننده یا سیستم تغلیظکننده مانند کمپلکس آلومینیوم یا کمپلکس لیتیوم، روانکنندههای جامد مانند دیسولفید مولیبدن و گرافیت، بازدارندههای زنگ و عوامل فشار شدید (EP) باشند.
از آنجایی که این نوع روانکنندههای دنده باز دارای سیستم تغلیظکننده هستند، معمولاً به آنها روانکننده دنده باز نوع خمیری میگویند. قوام آنها از درجه NLGI 0 تا 1 متغیر است. نسخههای کات بک حاوی یک حلال فرار هستند تا توانایی محصول را برای استفاده با اسپری و سیستمهای روانکاری خودکار، به ویژه در هنگام مواجهه با دماهای پایین، افزایش دهند.
روانکنندههای دنده باز خمیری به سطوح چرخ دنده و پینیون اجازه میدهند تحت شرایط روغنکاری مرزی کار کنند. عوامل EP از نوع خمیری به همراه روانکنندههای جامد مانند دی سولفید مولیبدن، گرافیت، استیلن سیاه و سایر مواد با هم کار میکنند تا به نتیجه دلخواه دست یابند که به حداقل رساندن سایش تحت شرایط روانکاری مرزی است. در این مجموعه هر عنصر نقشی دارد. ابتدا سیستم تغلیظکننده روغنهای پایه را در جای خود نگه میدارد. در مرحله دوم، افزودنیهای EP از فلز پایه چرخدندهها محافظت میکنند. روغن پایه ضخامت کاملی را که برای جدا کردن چرخدندهها حتی با سطوح صاف لازم است، ارائه نمیکند. در عوض روانکنندههای جامد با حفظ یک لایه جامد که سطوح دنده در تماس را از هم جدا میکند، روان کنندگی را تکمیل میکنند.
روانکنندههای دنده باز نوع خمیری، زمانی که روی چرخدندههای باز اعمال میشوند، یک فیلم ضخیم، مستحکم و نیمهخشک تولید میکنند که چرخدندهها را در طول توری جدا میکند. این فیلم نیمه خشک در ریشه چرخدندهها جمع نمیشود مگر اینکه بیش از حد استفاده شود یا با شرایط دمای عملیاتی بالا مواجه شود. تشکیل این فیلم نیمه خشک امکان استفاده از روانکنندههای دنده باز نوع خمیری را در محیطهای نسبتاً کثیف بدون تشکیل ترکیبات ساینده افزایش میدهد.
روانکنندههای دنده باز نوع خمیری را میتوان به صورت تیکسوتروپیک (رقیق کننده برشی) یا گشادکننده (ضخیم شدن برشی) فرموله کرد. این ویژگیها را میتوان از طریق مقدار تغلیظکننده مورد استفاده در فرمولاسیون روانکننده یا از طریق استفاده از حلالهای فرار به دست آورد. هنگامی که از حلالها استفاده میشود، حلال پس از استفاده تبخیر شده و یک لایه ضخیم گریس باقی میماند که به سطوح دندان دنده میچسبد.
برای اطلاعات بیشتر درباره "پلیآلفائولفینها: ساختاری بهینه در فرمولاسیون روانکار" مقاله فوق را بخوانید.
پلیآلفائولفین تا حد زیادی رایجترین روغن پایه مصنوعی اصلی به شمار میروند که در کاربردهای صنعتی و خودرو استفاده میشود. این ترکیبات در اصل یک هیدروکربن مصنوعی یا synthetic hydrocarbon هستند که از بهترین ساختار هیدروکربنی (شاخهای) موجود در روغنهای معدنی تقلید میکند.
برای اطلاعات بیشتر درباره "روش صحیح روانکاری چرخدندههای حلزونی" مقاله فوق را بخوانید.
از بین انواع مختلف پیکربندی چرخدنده، سیستمهای چرخدنده حلزونی (Worm drive) یکی از مشکلسازترینها در نظر گرفته میشود زیرا به دلیل طراحی متمایز خود چالشهای روانکاری منحصر به فردی به دنبال دارد.
روانکارهایی که با ژل یا پلیمر ضخیم شدهاند
روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل و پلیمر برای اولین بار در دهه 1980 وارد بازار شدند. این نوع روانکنندهها شبیه روانکنندههای دنده باز نوع خمیری هستند زیرا حاوی روغنهای پایه نفتی یا مصنوعی با ویسکوزیته متوسط تا بالا هستند که با یک تغلیظکننده پلیمری، عوامل EP و روانکنندههای جامد ضخیم میشوند تا عملکرد لایه نازک و فیلم مرزی آنها افزایش یابد. برخی از محصولاتی که در این طبقهبندی قرار میگیرند حاوی حلالهای فرار برای سهولت در کاربرد هستند. این نوع روانکنندههای دنده باز معمولاً دارای قوام NLGI 00 تا 0 یا قوام نیمه سیال هستند. روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر ماهیت تیکسوتروپیک دارند. خاصیت تیکسوتروپیک اجازه میدهد تا اصطکاک را به حداقل ممکن کاهش دهد و به توانایی آنها در اعمال سیستمهای اسپری متناوب یا استفاده در سیستمهای غوطهوری کمک میکند.
روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر، پس از اعمال روی سطح چرخدنده باز، یک لایه فیلم ضخیم، مستحکم، مات و نیمه شفاف روی چرخدندهها تشکیل میدهند که در هنگام استفاده و در حین کار کردن تجهیزات، میتوان آن را در مشاهده کرد.
روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر در نواحی ریشه چرخدنده جمع نمیشوند. فیلم روانکننده به ویژه در شرایط بارگذاری شوک بالا پاره نمیشود. به طور معمول، پایداری روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر خوب است در حالی که پایداری طولانی مدت آنها عالی است، زیرا روغنهای پایه تمایل کمی به جدا شدن از ژل نشان میدهند و در برخی موارد اصلاً تمایلی به جدا شدن ندارند.
به هنگام استفاده از این نوع روانکار کمتر احتمال دارد که نازل اسپری به دلیل خشک شدن روانکننده، که اغلب هنگام استفاده از روانکنندههای دنده باز نوع آسفالتی یا محصول حاوی حلال رخ میدهد، آلوده شود. هنگامی که اسپری متناوب به درستی کار میکند، روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر میتوانند نرخ مصرف کمتری را ایجاد کنند. این نوع روانکنندههای دنده باز میتوانند حتی با نرخ کاربرد کمتر، دمای پینیون را تا 30 درجه فارنهایت کاهش دهند. روانکنندههای دنده باز ضخیم شده با ژل یا پلیمر از محافظهای دنده تخلیه میشوند و به راحتی آلودگیها را از سطوح فرسوده چرخدنده شستشو و پاک میکنند. آنها به گرد و غبار یا آلودگی نمیچسبند و هیچ مشکلی به جز موارد مرتبط با استفاده بیش از حد محصول روی چرخ دنده ایجاد نمیکنند.
روغنهای مصنوعی با ویسکوزیته بالا
روغنهای مصنوعی با ویسکوزیته بالا در اوایل دهه 1990 در بازار ظاهر شدند. اینها از سیالات پایه سنتزی متوسط تا بسیار بالا، مانند پلیآلفائولفین (PAO) و استرهای پلی ال، یا ترکیبی از هر دو، فرموله میشوند و حاوی عوامل EP و سیستمهای افزودنی ضد زنگزدگی و خوردگی هستند. برخی از محصولات همچنین ممکن است حاوی روانکنندههای جامد مانند دیسولفید مولیبدن باشند که در یک سوسپانسیون کلوئیدی در روانکننده پراکنده میشوند، یا حاوی بهبوددهندههای شاخص ویسکوزیته برای افزایش خواص ویسکومتری سیالات پایه مصنوعی باشند.
انواع مختلف سیالات پایه مصنوعی مانند PAO ها ذاتاً خاصیت کشش پایینی دارند که منجر به اصطکاک کم در ناحیه بار چرخدندههای جفت میشود. این کاهش اصطکاک سیال باعث کاهش دمای کارکرد پینیون و دنده و بهبود بازده دنده میشود. مانند ترکیبات دنده باز نوع آسفالتی، آنها بر اساس اصل یک لایه روغن کار میکنند که سطوح دنده و پینیون را از هم جدا میکند و به همان روش روانکنندههای دنده باز نوع آسفالتی اعمال میشوند.
روانکنندههای مصنوعی با ویسکوزیته بالا به دلیل ویسکوزیته بالا چسبندگی محصول را افزایش میدهد. با این حال، ویسکوزیته بالای این روانکنندهها برای روانکاری مناسب و به حداقل رساندن سایش در دندههای باز ضروری نیست. این روانکنندهها برای استفاده در روانکاری دندههای باز قابل قبول هستند به شرطی که سرعت چرخدنده و دمای عملیاتی یا محیطی در سطوح بهینه باشد.
آنها عمدتاً به دلیل پایداری اکسیداتیو و حرارتی ذاتی در جاهایی استفاده میشوند که با دمای عملیاتی بالا مواجه میشوند. به خاطر داشته باشید روانکنندههای مصنوعی با ویسکوزیته بالا هزینه خرید اولیه بسیار بالاتری نسبت به روانکنندههای دنده باز سنتی دارند. توجیه اقتصادی آنها از طریق کاهش مصرف روانکار در سیستمهای تلفات کلی، عمر مفید طولانی در سیستمهای اسپلش، پینیون انتقال و سیستمهای گردشی و کاهش هزینههای دفع روانکار است.
منبع
Ludwig, L.G. (2019) Practical lubrication of open gearing. https://www.machinerylubrication.com/Read/910/open-gearing-lubrication.
سوالات متداول
انتخاب روانکار به عوامل مختلفی از جمله نوع دنده، شرایط محیطی، بار، سرعت کار و دما بستگی دارد. تولید کنندگان اغلب مشخصات و توصیه هایی را ارائه می دهند. همچنین عاقلانه است که عواملی مانند سهولت کاربرد و پتانسیل تأثیرات محیطی را در نظر بگیرید.
فرکانس روغنکاری بر اساس شرایط عملیاتی مانند بار، سرعت و عوامل محیطی متفاوت است. برنامههای نظارت و نگهداری منظم میتواند به تعیین نیاز به روغنکاری مجدد کمک کند. برخی از سیستمها مجهز به سیستمهای روانکاری خودکار هستند که کاربرد مداوم و به موقع را تضمین میکند.
روان کننده را می توان به صورت دستی یا با سیستم اتوماتیک اعمال کرد. روشهای رایج کاربرد عبارتند از اسپری، غوطهور کردن، مسواک زدن دستی و روانکنندههای خودکار که مقادیر ثابتی را در فواصل زمانی تعیینشده برای اطمینان از پوشش و محافظت بهینه ارائه میکنند.
علائم هشدار دهنده شامل افزایش صدا، افزایش دما، ساییدگی قابل مشاهده یا نمره گذاری روی دندانها و لرزش بیش از حد است. بازرسیهای منظم میتواند به رفع این مسائل قبل از اینکه منجر به آسیب یا خرابی جدیتر شود کمک کند.
