طبق گفته انجمن تریبولوژیست ها و مهندسان روغن کاری (STLE)، ویسکوزیته یکی از مهمترین خواص فیزیکی روغن است. این ویژگی اغلب یکی از اولین پارامترهایی است که توسط اکثر آزمایشگاه‌های آنالیز روغن اندازه‌گیری می‌شود، زیرا اهمیت آن برای شرایط روغن و روانکاری بسیار اهمیت دارد. اما وقتی از ویسکوزیته روغن صحبت می‌کنیم واقعاً منظورمان چیست؟ در این مقاله قصد داریم به پاسخ این پرسش بپردازیم.
ویسکوزیته روغن روان‌کننده چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
ویسکوزیته به عنوان مقاومت سیال در برابر جریان تعریف می‌شود. هنگامی که یک سیال در جریان است، مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن به دلیل برهمکنش مولکولی که بین آن‌ها وجود دارد، نوعی اصطکاک را تجربه می‌کنند. اگر بخواهیم یک مثال ساده بزنیم می‌توانید شربت عسل و آب را با هم مقایسه کنیم. ویسکوزیته شربت عسل در محدوده 2000-3000 cP (سانتی پویز) است، در حالی که آب فقط حدود 1 cP است. بنابراین واضح است که آب راحت‌تر جریان می‌یابد، زیرا ویسکوزیته بسیار کمتری دارد.
ویسکوزیته روغن روانکار معمولاً به دو روش اندازه گیری و تعریف می شود، یا بر اساس ویسکوزیته سینماتیک یا ویسکوزیته مطلق (دینامیک) آن. در حالی که ممکن است این دو مشابه به نظر برسند، اما تفاوت‌های مهمی بین آن‌ها وجود دارد.
برای سیالات نیوتنی، ویسکوزیته مطلق و سینماتیکی با وزن مخصوص روغن مرتبط هستند. با این حال، برای روغن‌های دیگر مانند روغن‌هایی که حاوی بهبود‌دهنده‌های شاخص ویسکوزیته پلیمری (VI) هستند و یا برای سیالات شدیداً آلوده، این رابطه صادق نیست و اگر از تفاوت‌های بین ویسکوزیته مطلق و سینماتیکی آگاه نباشیم، می‌تواند منجر به خطا شود. سیالات نیوتنی نوعی سیال هستند که از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی می‌کنند. به عبارت دیگر، ویسکوزیته سیال نیوتنی بدون توجه به سرعت برش یا نیروی اعمالی ثابت باقی می‌ماند.
روش تست ویسکومتر لوله مویرگی
رایج‌ترین روش تعیین ویسکوزیته سینماتیکی استفاده از ویسکومتر لوله مویرگی در آزمایشگاه است. در این روش نمونه روغن در یک لوله شیشه‌ای مویین U-شکل قرار داده می‌شود و نمونه با استفاده از مکش از داخل لوله کشیده شده تا به موقعیت شروع نشان داده شده برسد. سپس مکش آزاد و به نمونه اجازه میدهند از طریق لوله و تحت نیروی گرانش به عقب برگردد. بخش مویرگی باریک لوله سرعت جریان روغن را کنترل می‌کند. روغن‌های چسبناک‌تر نسبت به روغن‌های نازک‌تر زمان بیشتری برای جریان دارند. از این روش اندازه‌گیری در استانداردهایی مانند ASTM D445 و ISO 3104 استفاده می‌شود.
از آنجایی که نرخ جریان توسط مقاومت روغنی که تحت گرانش از طریق لوله مویین جریان می‌یابد کنترل می‌شود، این آزمایش در واقع ویسکوزیته سینماتیکی روغن را اندازه‌گیری می‌کند. ویسکوزیته معمولاً بر حسب سنتیستوک (cSt) در واحدهای SI گزارش می‌شود و از زمانی که طول می‌کشد روغن از نقطه شروع به نقطه توقف جریان یابد، با استفاده از ثابت کالیبراسیون ارائه شده برای هر لوله محاسبه می‌شود.
بیان ویسکوزیته روغن بی معنی است مگر اینکه دمایی که ویسکوزیته در آن اندازه‌گیری شده تعریف شود. به طور معمول، ویسکوزیته در یکی از دو دمای 40 درجه سانتی‌گراد (100 درجه فارنهایت) یا 100 درجه سانتی‌گراد (212 درجه فارنهایت) گزارش می‌شود. برای اکثر روغن‌های صنعتی اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سانتی‌گراد معمول است زیرا این اساس سیستم درجه‌بندی ویسکوزیته (ISO 344) است.
به همین ترتیب، بیشتر روغن‌های موتور معمولاً در دمای 100 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شوند، زیرا سیستم طبقه‌بندی روغن موتور (SAE J300) به ویسکوزیته سینماتیکی در 100 درجه سانتی‌گراد اشاره دارد. علاوه بر این، 100 درجه سانتی‌گراد احتمال تداخل در اندازه‌گیری ناشی از آلودگی دوده روغن موتور را کاهش می‌دهد.
روش تست ویسکومتر چرخشی
برای تعیین ویسکوزیته روغن از ویسکومتر چرخشی استفاده می‌کنند که البته استفاده از آن کمتر متداول است. در این روش، روغن در یک لوله شیشه‌ای قرار می‌گیرد که لوله در یک بلوک عایق در دمای ثابت قرار دارد. سپس یک دوک فلزی در روغن با دور ثابت می‌چرخد و گشتاور مورد نیاز برای چرخش دوک اندازه‌گیری می‌شود. بر اساس مقاومت داخلی در برابر چرخش حاصل از تنش برشی روغن، ویسکوزیته مطلق روغن را می‌توان تعیین کرد. ویسکوزیته مطلق بر حسب سانتیپویز (cP) در واحدهای SI گزارش می‌شود. این روش معمولاً به عنوان روش بروکفیلد (Brookfield method) نیز شناخته می‌شود و در روش استاندارد ASTM D2983 نیز وجود دارد. ویسکوزیته مطلق و ویسکومتر بروکفیلد در فرمولاسیون روغن موتور استفاده می‌شوند.
شاخص ویسکوزیته روغن روان‌کننده چیست؟
شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index) یا VI یک عامل مهم در انتخاب روان‌کننده برای یک کاربرد خاص است. شاخص ویسکوزیته یک عدد بدون واحد است که برای نشان دادن وابستگی دمایی ویسکوزیته سینماتیکی روغن استفاده می‌شود. محاسبه آن مبتنی بر مقایسه ویسکوزیته سینماتیکی روغن آزمایش در 40 درجه سانتی‌گراد با ویسکوزیته سینماتیکی دو روغن مرجع است که یکی از آن‌ها دارای VI 0، دیگری با VI 100 است و ویسکوزیته هر کدام در 100 درجه سانتی‌گراد مشابه با روغن تحت آزمایش است. جداول محاسبه VI بر اساس ویسکوزیته سینماتیکی اندازه‌گیری شده روغن در دمای 40 درجه سانتی‌گراد و 100 درجه سانتی‌گراد در استاندارد ASTM D2270 توضیح داده شده است.
این شکل در اصل نشان می‌دهد روغنی که دارای تغییر کمتری در ویسکوزیته سینماتیکی نسبت به دما است در مقایسه با روغنی با تغییر ویسکوزیته بیشتر در همان محدوده دمایی، دارای VI یا شاخص ویسکوزیته بالاتری خواهد بود.
در موارد زیر احتمال اینکه روان‌کننده شاخص ویسکوزیته بالاتر داشته باشد بیشتر است:
ویسکوزیته بهینه مشخص نیست
بارها و سرعت‌های مختلف وجود دارد
دمای محیط متفاوت است
برای افزایش بهره‌وری انرژی
برای افزایش عمر مفید روغن
برای افزایش عمر دستگاه
در موارد زیر در نظر گرفتن شاخص ویسکوزیته پایین در مورد یک روانکار منطقی است:
سرعت و بار ثابت است
دما ثابت است (دمای محیط ثابت است یا از مبدل حرارتی استفاده می‌شود)
ویسکوزیته بهینه در دمای عملیاتی شناخته شده است و به طور مداوم به دست می‌آید
شاخص ویسکوزیته روغن همچنین می‌تواند اطلاعات مفیدی در مورد فرمول یک روان‌کننده از جمله نوع و کیفیت روغن‌های پایه در اختیار شما قرار دهد. به عنوان مثال، روغن‌های معدنی بسیار تصفیه شده و خالص دارای VI بالاتری هستند. برخی از افزودنی‌ها، مانند بهبود‌دهنده‌های شاخص ویسکوزیته و کاهش دهنده‌های نقطه ریزش، بر VI نیز تاثیر می‌گذارند. به یاد داشته باشید، روغن‌های مملو از بهبود دهنده‌های VI در طول زمان مستعد از دست دادن دائمی VI و ویسکوزیته هستند. تست‌های ASTM برای اندازه‌گیری پایداری VI روان‌کننده‌هایی که در معرض برش زیاد قرار دارند تعریف شده است. مقادیر شاخص ویسکوزیته تقریباً در تمام برگه‌های اطلاعات محصول برای روان‌کارهای تجاری موجود است و باید هنگام نوشتن مشخصات روان‌کارها در تقریباً همه کاربردهای ماشینی به شدت مورد توجه قرار گیرد.
همچنین می‌توانید با جستجوی اینترنتی میزان شاخص ویسکوزیته را در مورد روان‌کننده خود محاسبه کنید. برای این کار باید عبارت انگلیسی “viscosity index calculator” را سرچ کنید. با سرچ این واژه کلیدی به چندین صفحه وب هدایت می‌شوید که می‌توانید یکی از آن‌ها را انتخاب کنید. شما می‌توانید از این ماشین‌حساب‌ها به روش‌های مختلف استفاده کنید. به عنوان مثال، اگر ویسکوزیته یک روان‌کننده را در دو دمای مختلف می‌دانید، می‌توانید از این ماشین‌حساب برای تخمین VI بهره برید. همچنین می‌توانید یک ویسکوزیته (و دما) و VI (که معمولاً در برگه اطلاعات محصول روانکار یافت می‌شود) را وارد کنید تا ویسکوزیته همان روان‌کننده را در هر دمای دیگری (مثلاً دمای کار ماشین) محاسبه کنید.
نظارت بر ویسکوزیته
نظارت بر ویسکوزیته شاید یکی از مهمترین اجزای هر برنامه آنالیز روغن باشد. حتی تغییرات کوچک در ویسکوزیته در دمای عملیاتی می‌تواند به حدی پراهمیت باشد که روغن دیگر قادر به روانکاری کافی نباشد. محدودیت‌های معمول روغن صنعتی در 5± درصد برای احتیاط و 10 ± درصد برای موارد بحرانی تعیین شده‌اند، اگرچه کاربردهای سخت و سیستم‌های بسیار بحرانی باید حتی اهداف سخت‌تری داشته باشند. کاهش قابل توجه ویسکوزیته می تواند منجر به موارد زیر شود:
از بین رفتن لایه روغن باعث سایش بیش از حد می‌شود
افزایش اصطکاک مکانیکی که باعث مصرف بیش از حد انرژی می‌شود
تولید گرما به دلیل اصطکاک مکانیکی، نشتی داخلی یا خارجی
افزایش حساسیت به آلودگی به دلیل کاهش لایه روغن
خرابی فیلم روغن در دماهای بالا، بارهای بالا یا در هنگام راه‌اندازی
به همین ترتیب، ویسکوزیته بیش از حد بالا می‌تواند باعث مشکلات زیر شود:
تولید گرمای بیش از حد منجر به اکسیداسیون روغن، تجمع لجن و لاک می‌شود
کاویتاسیون گازی ناشی از جریان ناکافی روغن به پمپ و یاتاقان (حُفره‌زایی یا حباب‌زایی، به انگلیسی cavitation پدیده‌ای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حباب می‌شود)
عدم روانکاری کافی
مصرف بیش از حد انرژی برای غلبه بر اصطکاک سیال
امولسیون‌پذیری ضعیف
پمپاژ ضعیف
هر زمان که تغییر قابل توجهی در ویسکوزیته مشاهده شد، همیشه باید علت اصلی مشکل بررسی و اصلاح شود. تغییرات در ویسکوزیته می‌تواند نتیجه تغییر در شیمی روغن پایه (تغییر در ساختار مولکولی روغن) یا به دلیل ورود یک آلاینده باشد.
تعیین تغییرات ویسکوزیته ممکن است به آزمایش‌های اضافی مانند عدد اسید (AN) یا روش مبتنی بر طیف‌سنجی فروسرخ (FTIR) نیاز داشته باشد تا اکسیداسیون اولیه تایید شود. آزمایش آلاینده برای شناسایی علائمی مانند ورود آب، دوده یا گلیکول ضروری است. همچنین آزمایشاتی مانند اولتراسانتریفیوژ یا کروماتوگرافی گازی (GC) ممکن است برای شناسایی تغییر در شیمی روغن پایه استفاده شود که البته استفاده از آن‌ها کمتر متداول است.
نتیجه‌گیری
ویسکوزیته یک ویژگی فیزیکی مهم است که به دلیل تأثیر آن بر روغن و تأثیر روغن بر عمر تجهیزات، باید به دقت نظارت و کنترل شود. چه اندازه‌گیری ویسکوزیته در محل با استفاده از ابزارهای آنالیز روغن که قادر به تعیین دقیق تغییرات ویسکوزیته هستند، انجام شود و یا اینکه نمونه‌ها به یک آزمایشگاه بیرونی ارسال شوند، مهم است که بدانید ویسکوزیته چگونه تعیین می‌شود و چگونه تغییرات در آن می‌تواند بر اطمینان از عملکرد تجهیزات تأثیر بگذارد. همواره بخاطر داشته باشید برای تعیین وضعیت روانکار در تجهیزات خود باید یک رویکرد فعالانه‌ای را اتخاذ کنید.
منابع :
Fitch, J. (2012). Don’t Ignore Viscosity Index When Selecting a Lubricant. Machinery Lubrication. https://www.machinerylubrication.com/Read/28956/lubricant-viscosity-index
Corporation, N. (2019a). Oil Viscosity – How It’s Measured and Reported. Machinery Lubrication.