هسته علمي مكانيك

شناخت روغن هاي هيدروليك چند درجه اي
صرفه جويي در مصرف انرژي و كاهش هزينه ها

نويسنده: مهندس فرهاد بنويدي

كارايي و سهولت به كارگيري سيستم هاي هيدروليك سبب توسعه روز افزون سيستم ها در سراسر دنيا شده است. شناخت صحيح اين سيستم هاي هيدروليك به افزايش بهره وري, كاهش استهلاك و در نهايت افزايش طول عمر مفيد اين سيستم ها كمك مي كند. يكي از اجزاي مهم هر سيستم هيدروليك, سيال هيدروليك آن است كه نوع و گريد آن در كارايي اين سيستم ها بسيار موثر است. از جمله مواردي كه كاربران سيستم هاي هيدروليك (به ويژه در استان هاي جنوبي كشور) همواره از آن شكايت مي كنند, نشتي بيش از حد اين سيستم ها در فصل هاي گرم سال است. روغن هاي هيدروليك اتوماتيك (چند درجه) به دليل شاخص گرانروي بالا, مشكل نشتي را كاهش داده و موجب صرفه جويي در مصرف انرژي و كاهش هزينه مي شوند. با شناخت و انتخاب صحيح روغن هاي هيدروليك مي توان علاوه بر پايين آوردن هزينه ها, گام موثري در حفظ منابع ملي و محيط زيست برداشت.

صرفه جويي در سوخت با جايگزيني روغن هيدروليك
    بسياري از شركت هاي صنعتي در شمال امريكا و كانادا مانند شركت هاي راهسازي، كشاورزي، معدن و حمل و نقل، روغن هيدروليك ماشين آلات خود را با تغيير فصل در تابستان و زمستان تعويض مي كنند. تحقيقات و بررسي هاي اخير در اين زمينه نشان داده است كه استفاده از يك روغن چند درجه در تمامي طول سال علاوه بر عمل روانكاري بازدهي مصرف سوخت را بهبود بخشيده و هزينه هاي نگهداري را كاهش مي دهد. البته در ميان انواع گوناگون روغن هاي هيدروليك چند درجه، تعدادي از آنها نسبت به بقيه بهتر عمل مي كنند.
    به تازگي شركت پتروكانادا برنامه اي به منظور بررسي اثر گرانروي سيالات هيدروليك بر مصرف سوخت موتورهايي كه سيستم هاي هيدروليك را به حركت وا مي دارند اجرا كرده است. نتايج اين تحقيق نشان داده است كه انتخاب صحيح روغن هيدروليك، مصرف سوخت را به ميزان5 تا15 درصد كاهش مي دهد. اين وضعيت نشانگر وجود پتانسيل بسيار زياد در كاهش هزينه هاي سوخت ناوگان هزاران ماشين در طول سال است.
    
    تاثير دماي بالا و پايين بر گرانروي سيال هيدروليك
    هنگامي كه صحبت از سيالات هيدروليك به ميان مي آيد، بايد توجه داشت كه بازدهي كلي پمپ به تعادل بين راندمان هيدرومكانيكي و راندمان حجمي بستگي دارد. به بيان ساده تر، سيال هيدروليك بايد به اندازه كافي شل باشد تا پمپ هيدروليك (به ويژه در دماهاي پايين) به راحتي روشن شده و از كاركردن سخت پمپ جلوگيري كند (راندمان مكانيكي). از طرفي سيال هيدروليك مي بايست به اندازه كافي سفت بوده تا از نشت داخلي پمپ و افت فشار جلوگيري كرده و روانكاري مناسبي را انجام دهد (راندمان حجمي).
    گرانروي بيش از حد سيال هيدروليك در دماهاي بالا به كاهش راندمان مكانيكي سيستم هيدروليك و در حالات بحراني، به كمبود روانكار و كاويتاسيون منجر مي شود. هنگامي كه روانكار به اندازه كافي وجود نداشته باشد به دليل نبود لايه نازك روانكار( كه محافظ قطعات است)، دماي تماس بالا، سايش بيش از حد و در نهايت خرابي پمپ به وقوع مي پيوندد.
    كاويتاسيون به علت افت فشار بيش از حد در ورودي پمپ، به وجود مي آيد. اين پديده نه تنها به خستگي و خرد شدن فلز مي انجامد بلكه ذرات فلزي ناشي از خراشيدگي فلز در روغن توليد مي كند و بدين ترتيب عمر پمپ را كاهش مي دهد.
    هنگامي كه دما بالا مي رود اگر گرانروي روغن بسيار پايين باشد به دليل افزايش نشتي داخلي، راندمان حجمي افت پيدا مي كند. همچنين هنگامي كه سيال بيش از حد شل باشد نمي تواند قطعات متحرك را به طور كامل از يكديگر جدا كند و اين مسئله به تماس فلز به فلز، سايش قطعات و در نهايت خرابي پمپ مي انجامد.
    بنابر آنچه گفته شد در شرايطي كه گرانروي خيلي زياد يا خيلي كم باشد، راندمان حجمي، به دليل سايش قطعات، بيش از پيش افت مي كند. در نتيجه پمپ بايد بيشتر كار كند تا جريان مورد نياز عملگرهاي هيدروليك را تامين كند. بنابراين موتور بايد سوخت بيشتري بسوزاند تا كار مورد نياز سيستم هيدروليك را تامين كند، مصرف سوخت بالاتر به معناي هزينه بالاتر است. همچنين با سوزانده شدن سوخت بيشتر، دي اكسيد كربن بيشتري توليد مي شود و اين مسئله به محيط زيست آسيب مي رساند.
    يك سيال هيدروليك ايده آل، مي تواند با محدوده تغييرات دما هماهنگ شود.
    همچنين امكان روشن شدن راحت دستگاه را فراهم مي آورد و انجام عمليات را در بالاترين دما امكان پذير مي سازد.
    سيالات هيدروليك چند درجه، از مخلوط روغن پايه اي با شاخص گرانروي بالا با افزودني هاي بالا برنده شاخص گرانروي ساخته مي شوند. به همين علت نسبت به سيالات تك درجه، خود را با حداكثر محدوده دمايي هماهنگ مي سازند. گرانروي سيال چند درجه در دماهاي زير40 درجه سانتيگراد كمتر از گرانروي سيال تك درجه با گريد ISO مشابه است.
    در نتيجه سيال هيدروليك در دماهاي پايين سريعتر جريان پيدا كرده و اين امر هم بازدهي مكانيكي سيستم را افزايش مي دهد. از طرفي در دماهاي بالا، گرانروي سيال هيدروليك چند درجه، كندتر از گرانروي سيال هيدروليك تك درجه كاهش پيدا كرده و بدين ترتيب راندمان حجمي مورد نياز در دماهاي بالا را نيز تامين مي كند. بنابراين سيالات هيدروليك با روغن پايه اي با شاخص گرانروي بسيار بالا كه در اصطلاح با علامت اختصاري VHVI نمايش داده مي شوند، داراي بهترين بازدهي هستند.
    
    تعيين بازدهي انرژي
    شركت پتروكانادا به منظور ارزيابي بازدهي انرژي سيال هيدروليك، به بررسي يك پمپ تيغه اي متحرك دنيسون T6CM در فشار200 بار پرداخت. اين پمپ در بسياري از ماشين آلات كشاورزي، راهسازي، معدن و وسايط نقليه سنگين وجود دارد. در اين بررسي سيالات هيدروليك تك درجه مرسوم گريدهاي46،32،22 و68 ISO با سيال هيدروليك چند درجه چهارفصل HYDREX XV شركت پتروكانادا مقايسه شد. البته در اين مقايسه تنها به بررسي دو گريد مرسوم46،22 ISO كه به ترتيب براي زمستان و تابستان استفاده مي شوند، پرداخته ايم.
    در وهله اول لازم است تخميني از دماي متوسط روغن داخل كارتريج پمپي با سايز و دبي متوسطي كه در طول سال به طور پيوسته در حال كار است، داشته باشيم. براي اين منظور، لازم است كه مقادير يك مورد عملي اندازه گيري شده و همچنين گرم شدن داخل خود پمپ را در نظر داشته باشيم.
    نتايج اين آزمايش نشان مي دهد كه توان مصرفي يك پمپ هيدروليك با سيال هيدروليك مصرفي با گريد22 ISO در فصل زمستان با دبي 3/45 ليتر(12 گالن) در دقيقه، 8/23 kw است. در مقابل هنگامي كه از روغن HYDREX XV شركت پتروكانادا استفاده شد، توان مصرفي پمپ با دبي واقعي48/4 ليتر(12/8 گالن) در دقيقه معادل با 2/24 kw گزارش شد. البته اين نتايج در دماي عملياتي90 درجه سانتيگراد، فشار200 بار و سرعت2000 دور بر دقيقه محاسبه شده اند.
    انرژي مورد نياز براي انتقال حجم مشابه سيال تحت فشار مشخص و سرعت پمپ (صرفه جويي بازدهي انرژي) با استفاده از فرمول زير محاسبه مي شود:
    
    در اين فرمول، P نشانه توان (كيلووات) مورد نياز پمپ و Qa نشانه دبي واقعي (ليتر بر دقيقه) است.
    با استفاده از اين فرمول، مي توان ميزان صرفه جويي در مصرف انرژي در فصل زمستان را هنگامي كه از روغن چند درجه HYDREX XV به جاي سيال هيدروليك22 ISO استفاده مي شود، محاسبه كرد.
    
    ميزان صرفه جويي در مصرف انرژي، با جايگزيني سيال هيدروليك46 ISO با سيال چند درجه HYDREX XV در فصل تابستان با استفاده از فرمول زير محاسبه مي شود:
    
    با مشخص شدن ميزان صرفه جويي انرژي، مي توان ميزان صرفه جويي سالانه مصرف سوخت ديزل را هنگامي كه به جاي سيال هيدروليك22 ISO (مصرفي در زمستان) و سيال هيدروليك46 ISO (مصرفي در تابستان) از سيال هيدروليك چند درجه HYDREX XV (كه داراي شاخص گرانروي بالايي است) استفاده مي شود، محاسبه كرد. براي مثال ميزان صرفه جويي در مصرف سوخت ديزل براي يك ميزان مشخص كار به روش زير بدست مي آيد.
    
    با فرض اينكه قيمت يك ليتر سوخت ديزل 68/0 دلاركانادا باشد، ميزان صرفه جويي نهايي برابر خواهد بود با:
    
    در صورتي كه كارخانه اي داراي100 دستگاه ماشين(كه در مجموع داراي200 پمپ هستند) باشد، هنگامي كه همان ميزان كار انجام مي شود، كل صرفه جويي كه در هزينه ها به دست مي آيد برابر خواهد بود با:
    

    از نقطه نظر زيست محيطي، با اين روش در100 دستگاه ماشين ياد شده به ميزان314740 ليتر سوخت صرفه جويي شده كه در نتيجه، توليد و انتشار گاز دي اكسيد كربن Co2 به ميزان830 تُن كاهش خواهد يافت.
    نتايج بالا، نشان دهنده اين است كه با انتخاب سيال هيدروليك چند درجه مناسب، مصرف سوخت پمپ هاي هيدروليك به ميزان قابل توجهي كاهش يافته و در نتيجه هزينه هاي عملياتي نيز كاهش مي يابند. براي شركت هايي با حجم توليد متوسط، اين ميزان صرفه جويي در حدود214 هزار دلار(معادل143 هزار دلار امريكا در زمان انجام اين تحقيق) بوده و به طور قطع براي شركت هاي بزرگتر، مقادير صرفه جويي بزرگتر خواهد بود.
    قبل از برنامه ريزي، براي مصرف سيال هيدروليك چند درجه به جاي سيال هيدروليك تك درجه، مي بايست حداكثر فشار عملياتي، حداقل و حداكثر دماي عملياتي و گرانروي توصيه شده توسط سازنده پمپ را مورد بررسي قرار داد. با در نظر گرفتن اين موارد، حداكثر گرانروي لحظه راه اندازي، محدوده بهينه گرانروي بهينه گرانروي عملياتي و حداقل و حداكثر گرانروي عملياتي به دست مي آيد.
    قابل از انتخاب يك سيال چند درجه بايد كارايي نسبي سيالات چند درجه موجود مقايسه شود. سيالات هيدروليك به طور كامل شبيه يكديگر نيستند. سيال هيدروليك HYDREXTM XV شركت پتروكانادا، نه تنها موجب صرفه جويي بيشتري در مصرف انرژي مي شود، بلك مزيت هاي ديگري نيز نسبت به ساير سيالات هيدروليك چند درجه با شاخص گرانروي بالا دارد.
    سيال هيدروليك HYDREXTM XV داراي شاخص گرانروي بالا، كارايي عالي، عمر بالا و خاصيت ضد سايش بوده و براي استفاده تمامي فصول در سيستم هاي هيدروليك سنگين طراحي شده است. در توليد اين سيال از روغن پايه اي با خلوص99/9 درصد (كه با فرايند HT به دست مي آيد) استفاده مي شود. با خارج كردن ناخالصي هايي كه كارايي روغن هاي متداول را تحت تاثير قرار مي دهد و اضافه كردن افزودني هاي خاص HYDREXTM XV نسبت به سيالات مشابه، بيشتر عمر مي كند. با استفاده از اين سيال سيستم هاي هيدروليك در دماهاي پايين تا حد40- درجه سانتيگراد بدون اينكه تحت بار باشند، شروع به كار مي كنند.
    سيال HYDREX در دو آزمايش كارايي مهم، نسبت به ساير محصولات شركت هاي رقيب، كارايي بهتري دارد. نتايج آزمايش ASTM D943 در مورد پايداري اكسيداسيون نشان دهنده اين است كه سيال HYDREXTM XV سه برابر بيشتر از محصولات ساير توليد كنندگان آمريكاي شمالي عمر مي كند و كاهش تعداد دفعات تعويض و هزينه هاي تعميراتي را در پي خواهد داشت.
    آزمايش سايش پمپ هيدروليك Vickers 35 VQ25 نشان داد كه محافظت HYDREX در برابر سايش، دو برابر روغن هاي مشابه است. همچنين محافظت HYDREX XV در برابر سايش و عمر قطعات، به نسبت ساير محصولات مشابه، بيشتر برآورد شده است.
    در صنايع امروز كه هدف، بيشترين ميزان بهره وري از قطعات است، روي آوردن به سيال هيدروليكِ چند درجه، گام مهمي در كاهش هزينه هاست. با استفاده از اين سيالات براي ميزان مشخص كار داده شده كاهش يافته، تغييرات فصلي روغن حذف شده مصرف سوخت و زمان تعميرات نيز كاهش مي يابد. علاوه بر اين، انتشار گازهاي گلخانه اي نيز كاهش مي يابد. روي آوردن به سيال چند درجه VHVI ميزان محافظت از قطعات را افزايش مي دهد، كه اين مسئله نيز به نوبه خود موجب صرفه جويي بيشتر در هزينه ها مي شود.

انواع کابل جوشکاری

كابل جوشكاري قسمتي از سيستم جوشكاري با روش قوس الكترونيكي (Arc Weding) مي‌باشد. اين كابل ولتاژ را از دستگاه جوش به الكترود و قطعه مورد جوشكاري انتقال و قوس الكتريكي را ايجاد مي‌نمايد. كابل متصل به الكترود را كابل الكترود و كابل متصل به قطعه را كابل برگتش يا كال زمين مي‌ناميم.

اين نوع كابلها عموماً از يك هادي كه رساناي جريان الكتري مي‌باشد و يك روكش كه عمل عايقكاري و حافظت را انجام مي‌دهد، تشكيل شده است. جهت حفاظت بيشتر از هادي و همچنين عدم چسبندگي روكش به هادي از يك نوار محافظ (كه معمولاً پلي‌استر مي‌باشد) استفاده مي‌شود.

پارامترهايي را كه بايد در انتخاب كابل جوشكاري در نظر داشت، عدمتاً به شرح زير است:

1. اندازه هادي كه براساس جريان جوشكاري و طول كاب (مجموع كابل الكترود و برگشت) انتخاب مي‌شود.

2. انعطاف‌پذيري (در درجه حرارتهاي مختلف)

3. مقاومت روكش در مقابل قطعات داغ (محل جوشكاري، جرقه جوشكاري، الكترود داغ)

4. مقاومت در مقابل شرايط محيطي (نور ماوراء بنفش، ازون و…)

5. عدم رفرمگي واكنش پس از استفاده از كابل و گرم شدن آن و بخصوص در مواقع اتصال كوتاه پارامترهاي ديگري نيز وجود دارند كه در درجه دوم اهميت مي‌باشند.

با توجه به موارد فوق ابتدا به بررسي ساختمان كابلهاي جوشكاري مي‌پردازيم.

 

الف ـ هادي

هادي معمولاً از مسل آنيل شده تشكيل شده است. جهت بالا بردن انعطاف‌پذيري هادي قطر تشكيل رشته‌هاي تشكيل‌دهنده هادي را كوچك در نظر مي‌گيرند. با كوچكتر شدن قطر رشته‌ها جهت رسيدن به سطح مقطع موردنظر مي‌بايستي تعداد رشته‌ها را افزايش داد و در اين صورت هزينه ساخت هادي افزايش پيدا مي‌كند.

در ساخت هاديهاي جوشكاري با توجه به سايز هادي از رشته سيمهايي به قطره 20/0 الي 60/0 ميلمتر استفاده مي‌شود. واضح است كه هر چقدر قطر رشته‌ها كمتر (تعداد آنها بيشتر) هادي داراي انعطاف‌پذيري بيشتر مي‌باشد.

ب ـ جداكننده هادي

معمولاً به صورت نوار و از جنس پلي‌استر مي‌باشد.

 ج ـ روكش

از روكش جهت عايق نمودن هادي و محافظت آن استفاده مي‌شود. جهت اين قسمت از كابل معمولاً از پليمرها استفاده مي‌شود. تمامي استانداردهاي موجود جهت كابل جوشكاري روكش لاستيك را پيشنهاد مي‌كنند. ولي به علت عدم توليد كابل لاستيكي در سالهاي گذشته در ايران كابلهايي با روكش PVC نيز استفاده مي‌شود.

اصولاً مواد پليمري به دو دسته ترموست و توموپلاستيك تقسيم مي‌شوند. در موقع قالبگيري يا اكستروژن بر روي مواد ترموپلاستيك عمليات شيميايي انجام نشده و محصول توليدي مجدداً قابل ذوب شدن و قالب‌گيري مي‌باشد. از پرمصرف‌ترين اين دسته پليمرها ماده PVC مي‌باشد. با توجه به اينكه اين مواد مجدداً قابل ذوب شدن هستند، در مقابل قطعات داغ (محل جوشكاري و يا جرقه‌هاي آن) مقاوم نبوده، ذوب يا سوراخ مي‌شوند.

مواد ترموست پليمرهايي هستند كه در موقع قالب‌گيري يا اكستروژن عمليات شيمايي بر روي آنها انجام شده و بين زنجيره‌هاي پليمر اتصالات عرضي اضافي بوجود مي‌آيد (عمل ولكانيزاسيون). اين مواد پس از انجام عمل ولكانيزاسيون قابل ذوب شدن و قالب‌گيري مجدد نمي‌باشند. از اين دسته مي‌توان به لاستيكها، XLPE و باكليت و… اشاره نمود.

در بين اين نوع پليمرها، لاستيك‌ها قابليت انعطاف زيادي دارند و با توجه به اينكه مواد ترموست پس از انجام عمل ولكانيزاسيون قابل ذوب شده نمي‌باشند در مقابل قطعات داغ تحمل داشته و ذوب نمي‌شوند.

با توجه به نكات فوق مي‌توان تفاوتهاي مواد ترموپلاست (PVC) و مواد ترموست (لاستيكها) را به صورت زير بيان نمود.

ـ لاستيكها در مقابل قطعات داغ مقاوم هستند.

ـ لاستيكها در صورت گرم شدن تغيير شكل نداده و دفرمه نمي‌شوند.

ـ لاستيكها  انعطاف بيشتري داشته و در درجه حرارتهاي پايين اين انعطاف را حفظ نموده و ترك نمي‌خوردند.

ـ لاستيكها در مقابل عوامل طبيعي پايداري بيشتري دارند.

ـ لاستيكي در مقابل سايش مقاومتر هستند.

بعضي از انواع لاستيكها در مقابل مواد نفتي و روغنهاي صنعتي مقاومت زيادي داشته و ترد و شكننده نمي‌شوند.