با پیشرفت تکنولوژی ماشین آلات و افزایش هزینه قطعات ماشین آلات، نیاز به نگهداری ماشین آلات روز به روز بیشتر شده که این نیاز مسبب بوجود آمدن تکنیک های متفاوت در حوزه آنالیز روغن شد. از جمله این تکنیک ها روش فروگرافی مشاهداتی می باشد. در این تکنیک کارشناس مربوطه با تهیه رسوب ذرات فرسایشی بر روی لام و مشاهده ذرات زیر میکروسکوپ، می تواند از طریق جنس، رنگ، ابعاد، شکل لبه ها و موارد دیگر وضعیت موتور، گیربکس، هیدرولیک و … را مورد مشاهده قرار دهد و با توجه به اطلاعات بدست آمده، توصیه هایی به جهت رفع آلودگی و پیری روغن و یا رفع خرابی تجهیز داشته باشد. این اقدامات  اگر به موقع انجام شود، سبب افزایش طول عمر قطعات ماشین آلات و کاهش هزینه های سرسام آور نگهداری می شود. یکی از آلودگی های مهم در موتور های دیزلی، آلودگی دوده است که به علت عدم تناسب در نسبت هوا به سوخت ایجاد و سبب سایش ( بعلت جنس کربنی آن که مانند سمباده عمل می کند)، خوردگی و تشکیل لجن در موتور و در نهایت موجب شکست قطعات می شود. در مطالعه حاضر به بررسی، تشخیص و رفع زود هنگام این آلودگی بحرانی پرداخته می شود.

مقدمه

آزمایشات ذرات فرسایشی در واقع اندازه گیری و آنالیز ذراتی است که در طی فرسایش دستگاه تولید می شوند. ذرات فرسایشی را می توان به عنوان محصول کنده شده مواد از سطوحی در نظر گرفت که نسبت به هم حرکت نسبی داشته و یا در اثر خوردگی تولید شده باشند. آنالیز ذرات فرسایشی اطلاعات مهمی را در مورد شرایط مکانیکی دستگاه تامین می کند. آنالیز ذرات به دو شاخه تقسیم می شود. آنالیز کمی و آنالیز شکل شناسی. آنالیز کمی یکی از روشهایی است که برای مراقبت ذرات فرسایشی و آلودگی ها از جمله دوده، سیلیس و آب مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از این روش گستردگی و سرعت فرسایش را می توان بدون نیاز به آزمایش ذرات فرسایشی از طریق میکروسکوپ تحت مراقبت قرار داد. در این روش با خواندن سریع کمیت ذرات می توان شدت فرسایش را تحت مراقبت قرار داد[1].

دوده

دوده و لجن، به عنوان بلای جان موتور شناخته شده اند. این ذرات هیدروکربنی که از بیش از۹۸ درصد کربن و کمتر از۲ درصد هیدروژن تشکیل شده اند، در شرایطی تولید می شوند که انژکتور موتور به درستی عمل نکند و نسبت سوخت به هوا تغییر کرده و هوا کافی برای سوختن کامل هیدروکربن ها وجود نداشته باشد. در چنین شرایطی ناکافی بودن هوا برای سوختن سوخت، موجب تولیدCO و دوده می شود.عامل مهم دیگر در ایجاد دوده، فیلتر هوا است. اگر فیلتر هوا، کثیف یا نامناسب باشد، تناسب هوا و سوخت بهم می خورد و موجب ورود هوای ناکافی می شود. به همین دلیل عمل تعویض فیلتر هوا در هنگام هر تعویض روغن در جلوگیری از ایجاد دوده، از اهمیت بالایی برخوردار است[2]. در جا کارکردن موتور یکی دیگر از عوامل مؤثر در بهم خوردن نسبت سوخت و هوا و در پی آن ایجاد دوده است. دوده، یکی از عوامل مؤثر در تولید لجن است که پس از عبور از جداره رینگ و پیستون وارد روغن شده و همراه با آب و بخارت آب (محصولات احتراق) و روغن و ذرات خارجی دیگر موجب تولید لجن می شود .

نقش دوده در ایجاد لجن

در صورتی که آب و یا بخارات آب با روغن و ترکیبات اکسید شده از روغن مخلوط شود، شرایط ایجاد لجن فراهم می شود. همچنین اختلاط آب، روغن، دوده و ذرات خارجی دیگر، یکی دیگر از موارد ایجاد لجن در روغن موتور است. عواملی دیگری نظیر لاک روغن و وارنیش نیز زمینه ساز هستند که در اینجا مطرح نیست. وجود دوده سبب ایجاد رسوب در شیارهای پیستون، چسبندگی رینگ، سایش سطح رینگ و بدنه سیلندر، از بین بردن آب بندی داخل سیلندر، افزایش گازهای برگشتی به داخل موتور و کاهش قدرت موتور می شود. رینگ می بایست در پیستون به طور آزادانه حرکت کند و با حرکت در سیلندر تطابق یابد. زمانی که پیستون نتواند در سیلندر حرکت کند، باعث می شود بخشی از سطح رینگ و بدنه سیلندر سایش یابد که این مسئله موجب بالا آمدن روغن، روغنی سوزی موتور و ایجاد ورود گازهای حاصل از احتراق به درون موتور می شود.

نقش دوده در سایش قطعات

ذرات دوده مانند سمباده عمل می کنند و از آنجایی که بسیار ساینده هستند، باعث از بین رفتن دیواره حصیری سیلندر می شوند. زمانی که بافت حصیری از بین رفت بدنه سیلندر آیینه ای می شود. این مسئله باعث می شود که روغن به راحتی به بالای سر پیستون رفته و بسوزد. در چنین شرایطی با افزایش گازهای برگشتی به داخل موتور مواجه خواهید شد. دوده، CO و CO2 و اکسیدهای گوگردی که تولید می شود همگی وارد موتور شده و باعث می شود روغن کارایی لازم را نداشته باشد.

در اینجا مسئله ملموس این است که قدرت موتور کاهش می یابد. تمام گازهایی که در پیستون تولید می شود، صرف پایین راندن پیستون نمی شود بلکه مقداری از آنها از جداره بین رینگ و پیستون، داخل روغن می شوند و در نتیجه این اتلاف انرژی، قدرت موتور به طور محسوسی افت می کند و در صورت ادامه دار شدن موجب افزایش شدید ویسکوزیته روغن و گرفتگی و انسداد و در نهایت شکست قطعات می شود.

گاهی اوقات پیستون هایی را مشاهده می کنید که دچار ترک خوردگی شده اند. عامل اصلی این ترک خوردگی رسوب دوده و لجن روی جداره و شیارهای رینگ است. زمانی که رسوب دوده و لجن روی پیستون می نشیند، روغنی که از پایین پاشیده می شود موجب خنک شدن جداره داخلی پیستون می شود. در حالی که جداره خارجی به دلیل لایه های رسوبی خنک نمی شود و اختلاف حرارت جداره داخلی و خارجی باعث ترکیدگی پیستون می شود.

ساییدگی ها نیز به نو به خود موجب کاهش طول عمر موتورمی شود. اصطکاک حاصل از وجود این ساییدگی ها باعث می شود مصرف سوخت بالا رود. همانطور که می دانید در ساخت روغن موتور از مواد افزودنی استفاده می شود که از خوردگی و سایش جلوگیری کند. حال آنکه دوده ها با این مواد افزودنی وارد واکنش می شوند و این ماده به جای اینکه با سطوح فلزی واکنش دهد و آنها را از سایش محافظت کند، با دوده موجود وارد واکنش می شود و خاصیت مفید خود را از دست می دهد. به این ترتیب روغن موتور، دیگر خاصیت ضد ساییدگی نخواهد داشت.

این پدیده به افزایش شدید ویسکوزیته روغن موتور نیز منجر می شود. هر روغن موتوری در زمان استارت دستگاه باید بتواند در کمترین زمان ممکن به تمامی قطعات دستگاه برسد. به طور تقریبی می توان گفت حدود۷۰ درصد از ساییدگی قطعات دستگاه در هنگام استارت زدن ایجاد می شود بنابراین زمانی که روغن دیرتر از زمان معمول به قطعات برسد، قطعات دچار ساییدگی بیشتری می شوند. زمانی که روغن خاصیت ضد ساییدگی را از دست می دهد، اولین قطعه ای که دچار آسیب می شود، یاتاقانها هستند. یاتاقانها از ظریف ترین و حساس ترین قطعات موتور هستند که به راحتی آسیب می بینند. شکل 1 مکانیزم سایش مکانیزم سایش ناشی از وجود ذرات خارجی نظیر سیلیس و یا دوده در روغن در اثر برخورد با فشار پمپاژ و همچنین خراشیدگی بین سطوح مثل ناحیه بین سیلندر و پیستون را نشان می دهد.

شکل1- مکانیزم سایش ناشی از وجود ذرات خارجی نظیر سیلیس و یا دوده در روغن در اثر برخورد با فشار پمپاژ و همچنین خراشیدگی بین سطوح (که البته در این حالت Adhesive  یا Abrasive هست)

اثر لجن برکارکرد موتور

سفت شدن روغن (افزایش ویسکوزیته)، کاهش جریان روغن در موتور و نرسیدن روغن به تمام سطوح، گرفتگی مسیرهای باریک روغن کاری و در نتیجه نرسیدن روغن به نقاط حساسی مانند یاتاقانها از آثار منفی لجن بر موتور است. لجن باعث می شود مسیر روغن کاری یاتاقان از داخل میل لنگ (به دلیل با باریک بودن مسیر) بسته شود و روغن کافی به یاتاقان نرسد. فیلتر روغن هم به دلیل ظرفیت محدودی که در جذب آلودگی دارد، در آلودگی های بالایی که با ایجاد لجن به وجود می آید دیگر قادر به جذب آلودگی نبوده و دچار گرفتگی می شود. در چنین شرایطی زمان رسیدن روغن به قطعات افزایش می یابد.

هم اکنون در ماشین های جدید به ویژه در ماشین های سنگین یک مسیر فرعی، تعبیه شده است که در صورت گرفتگی فیلتر روغن این مسیر فرعی بتواند روغن را به قطعات برساند. اما این راه حل هم مشکلات خود را دارد و باعث می شود روغن آلوده و فیلتر نشده، وارد موتور شود که مشکلات متعددی را به وجود می آورد.

مسئله دیگر بهم زدن زمان باز و بسته شدن سوپاپ ها توسط ایجاد لجن است. باز و بسته شدن سوپاپ توسط میل سوپاپ انجام می شود و در صورتی که بادامک های سوپاپ خورده شود، فاصله ها کم و زیاد شود و یا روی آنها لجن رسوب کند، سوپاپ به موقع باز و بسته نخواهد شد و به این ترتیب دوباره، دوده تولید شده و موتور دچار افت مجدد خواهد شد.

حال این سؤال پیش می آید که چگونه می توان با این موارد مقابله کرد.

اولین مسئله ای که در اینجا می بایست مورد توجه قرار گیرد این است که برای روغن کاری از روغنی با کیفیت خوب استفاده کنیم. روغن با کیفیت خوب، روغنی است که بتواند مانع بهم چسبیدن ذرات دوده و لجن شده و بتواند آنها را متفرق کند.

روغن برای داشتن این توانایی می بایست دو خاصیت داشته باشد.

اول آنکه ذراتی را که به تدریج روی موتور رسوب می کند را در همان زمان پاک کند

دوم بتواند اطراف یک یک ذرات پاک شده را احاطه کرده و از چسبیدن آنها به یکدیگر جلوگیری کند و آنها را متفرق سازد.

چنین روغنی برای جلوگیری از تشکیل لجن و دوده برای قطعات دستگاه بسیار مناسب است. زمانی که روغن دارای کیفیت مناسب بوده و میزان ماده افزودنی آن به اندازه کافی باشد، تمامی ذرات آلودگی به وسیله این مواد احاطه شده و دیگر قادر به چسبیدن به یکدیگر نیستند. در نتیجه رنگ روغن سیاه می شود اما موتور از هر آلودگی، پاکیزه می ماند.

مطالعه موردی

پس از اینکه اهمیت تشخیص و رفع آلودگی دوده مشخص شد در این قسمت به نحوه تشخیص آلودگی دوده با تکنیک آنالیز روغن و رفع عیب آن پرداخته  می شود و نتایج آنالیز روغن یک مدل دیزل ژنراتور ولوو پنتا 500 kva مورد بررسی قرار می گیرد.

پس از نمونه گیری از روغن موتور دستگاه و بررسی آزمایش نتایج نشان از افزایش ویسکوزیته روغن به میزان 60 درصد می دهد به طوری که ویسکوزیته روغن از 110 سانتی استوک (روغن نو) به 175 سانتی استوک رسیده است. سپس  عدد قلیایی روغن بررسی شد که نتایج حاکی از کاهش شدید عدد قلیایی به عدد 3 بود. در نهایت جهت بررسی دقیق، تست فروگرافی تحلیلی صورت گرفت. نتایج این تست شکل 2 تا 5 نشان از آلودگی شدید دوده و سیلیس، فرسایش برشی ذرات آهنی، مسی و آلومینیومی بود.

شکل 2- ذرات سیلیس موجود در نمونه روغن ناشی از فیلتراسیون نامناسب

شکل 3- ذرات دوده و ایجاد سایش

شکل 4 – ذرات فرسایشی مسی در نمونه روغن

شکل 5- ذرات فرسایشی آلومینیومی در نمونه روغن

شکل 6 – خوشه های ذرات کربنی دوده و ایجاد ذرات درشت تر و شرایط وخیم تر در موتور

پس از بررسی ها دستور سریع به تعویض روغن، بررسی کامل فیلتر هوا و در صورت لزوم تعویض آن، چک کردن کارتر، چک کردن انژکتورها و در نهایت چک کردن کامل شفت و نافذ توربو شارژر صادر گردید.

پس از بررسی ها مشاهده شد که فیلتر هوا کاملا سرشار از گرد و خاک و سیلیس است و مدتهاست تعویض نشده که این عامل موجب ورود سیلیس به روغن و ایجاد سایش در قطعات و همچنین بر هم زدن تناسب هوا به سوخت و تشکیل دوده و سایش و مشکلات دیگر ناشی از دوده شده است.

همچنین شفت توربو شارژر دچار خوردگی جزیی شده و همین عوامل نیز سبب ورود مقداری از دود خروجی توربین توربوشارژر از طریق لوله روغن متصل به کارتل به روغن می شود. در نهایت پس از رفع این عیبها و فلاشینگ کارتل نمونه مجدد پس از 30 ساعت کارکرد فرستاده شده که همه نتایج روغن از جمله خواص مکانیکی و شیمیایی روغن و همچنین شرایط سایش مطابق شکل 7 عادی بودند.

شکل 7- نتایج تست فروگرافی تحلیلی نمونه روغن پس از رفع عیوب و کارکرد 30 ساعت تجهیز

نتیجه گیری

یکی از آلودگی های مهم در موتور های دیزلی، آلودگی دوده است که به علت عدم تناسب در نسبت هوا به سوخت ایجاد و سبب سایش ( بعلت جنس کربنی آن که مانند سمباده عمل می کند)، خوردگی و تشکیل لجن در موتور و در نهایت موجب شکست قطعات می شود. در مطالعه حاضر مشاهده شد با نمونه گیری صحیح و با برنامه ریزی دقیق از روغن موتور می توان به تشخیص سریع و صحیح آلودگی دوده و سایش در موتور کمک شایانی کرد.

منابع

[1] Hammami, M., Rodrigues, N., Fernandes, C., Martins, R., Seabra, J., Abbes, M.S. and Haddar, M., 2017. Axle gear oils: friction, wear and tribofilm generation under boundary lubrication regime. Tribology International, 114, pp.88-108.

[2] Wu, T., Wang, J., Peng, Y. and Zhang, Y., 2012. Description of wear debris from on-line ferrograph images by their statistical color. Tribology Transactions, 55(5), pp.606-614.

[3] داوود بیرانوند، بررسی اثرات دوده در موتور های دیزلی با تکنیک آنالیز روغن، دوماهنامه نگهدای و تعمیرات در صنایع معدن، سیمان و فولاد، سال سیزدهم، شماره شصت و سوم، صفحات 51 الی 56، بهمن و اسفند ماه 1401