منوی سایت
مطالعه و بررسي گرانروي در سيالات (روانكارها)
ASTM D567, D2270
مقاومتي كه يك سيال در مقابل جاري‌شدن، به علت اصطكاك داخلي مولكول‌ها از خود نشان مي‌دهد را ويسکوزيته يا گرانروي مي‌گويند.
اگر سيال را از ديد مولكولي نگاه كنيم، بهترين پارامتري كه مي‌تواند خاصيت لايه‌لايه بودن سيال را توجيه كند گرانروي است. بيان گرانروي وقتي معني دارد كه همراه با ذكر دما باشد زيرا در دماهاي مختلف گرانروي مقادير متفاوتي خواهد داشت و به همين دليل هر جا رقمي براي مقدار گرانروي ذكر شود حتماً بايد ميزان دما مشخص باشد. بطور کلي گرانروي روغن‌ها در دماي پايين، افزايش و در دماي بالا، كاهش خواهد يافت.
گرانروي ديناميك
گرانروي ديناميک فقط تابعي از اصطكاك داخلي مايع است و يكي از عوامل اساسي در محاسبات طراحي ياتاقان‌ها و جريان مايع مي‌باشد و ميزان آن با اندازه‌گيري مقدار نيروي لازم براي غلبه بر نيروي اصطكاك بين دو لايه، با ابعاد مشخص تعيين مي‌شود.
تفاوت سرعت بين دو لايه‌ی سيال (كه بستگي به جابجايي خطي آنها دارد) با سرعت برشي (S) شناخته مي‌شود. اين گراديان سرعت به تنش برشي (t) نيز مربوط می‌شود.
گرانروي سينماتيك
تعريف ديگري که براي گرانروي به کار مي‌رود گرانروي سينماتيک است. گرانروي سينماتيک از تقسيم گرانروي مطلق بر چگالي سيال بدست مي‌آيد. براي اندازه‌گيري اين گرانروي در آزمايشگاه از لوله‌هاي موئين استفاده مي‌شود. در اين لوله‌ها زماني را که سيال تحت تأثير نيروي وزن، فاصله‌ی بين دو نقطه‌ی مشخص از لوله‌ی موئين را طي مي‌کند اندازه‌گيري کرده و با استفاده از فاکتور لوله موئين (فاکتور لوله موئين بستگي به نوع آن دارد و توسط کارخانه سازنده مشخص و بر روي آن درج مي‌شود) گرانروي سينماتيک بدست مي‌آيد.
گرانروي سينماتيک در سيستم CGS با واحد استوک بيان مي‌شود. 01/0 استوک را سانتي‌استوک مي‌نامند و معمولاً در آزمايشگاه‌ها، گرانروي سينماتيک برحسب سانتي‌استوک اندازه‌گيري و گزارش مي‌شود.
100cSt 1 = St 100 = mm2/s
عددي‌که بعنوان گرانروي در جداول مربوط به روغن‌ها ذکر مي‌شود نيز معمولاً گرانروي سينماتيک آنهاست.
واحدهاي گرانروي
با توجه به سيستم‌هاي مختلف اندازه‌گيري (SI، CGS و...) و همينطور روش‌هاي گوناگون براي تعيين ميزان گرانروي، واحدهاي گوناگوني براي گرانروي وجود دارد. همانطور که از فرمول‌هاي تعيين گرانروي ديناميک و سينماتيک مشخص است، اين دو گرانروي داراي واحدهاي مختلفی هستند که با اعمال ضريب مشخصي به ديگري تبديل مي‌شوند. براي تبديل واحدهای مختلف گرانروی به يكديگر مي‌توان از جداول موجود استفاده کرد.
جدول1: واحدهاي موجود براي بيان گرانروي ديناميک و سينماتيک
گرانروي‌هاي بروکفيلد، انگلر، سِي‌بولت و رد وود، نيز جزء مقادير گرانروي قرار دارند که هر کدام با ويسکومتر مخصوص به خود اندازه‌گيري مي‌شوند. مقادير اين گرانروي‌ها با استفاده از جداول براحتي قابل تبديل به يکديگر هستند. برای تبديل اين گرانروی‌ها همچنين می‌توان از نمودار 1 استفاده کرد.
برای مثال:
[Engler] 510 = 10* [Engler] 51 » [SUS] 18500 = 10* [SUS] 1850 » 10* [cS] 400 = [cS] 4000
نمودار 1: نمودار تبديل گرانروی‌های مختلف به يکديگر
تغييرات گرانروي
گرانروي يك كميت ثابت نبوده و به عوامل مختلفي از جمله دما، فشار، سرعت برشي و شرايط روانكاري بستگي دارد. وقتي دماي سيال بالا می‌رود كشش ميان مولكول‌هاي سيال كم‌شده و گرانروي آن کاهش مي‌يابد. در برخي موارد گرانروي روغن با °C 25 افزايش تا 80% كاهش مي‌يابد.
نمودار 2 تغييرات گرانروي بر حسب دما را براي سه نوع روغن‌پايه‌ی پارافينيك، نفتنيك و روغن کُلزا (Rape Seed) نشان مي‌دهد.
نمودار 2: تغييرات گرانروی بر حسب دما (1- روغن‌پايه‌ی پارافينيک 2- روغن‌پايه‌ی نفتنيک 3- روغن کُلزا)
رابطه‌ی گرانروي با فشار براي كاربرد در بحث‌هاي روانكاري خيلي به وضوح بررسي نشده است. در واقع تغييرات گرانروی با فشار بيشتر مربوط به لايه‌های روانكار الاستو‌هيدرو‌ديناميك است. وابستگي نمايي گرانروي به فشار نشان مي‌دهد كه گرانروي به سرعت با افزايش فشار، افزايش مي‌يابد. در بيشتر روانكارها در فشارهاي بسيار بالاتر از اتمسفر تاثير فشار بر روي گرانروي قابل ملاحظه‌تر از سرعت و دما مي‌باشد، كه اين ويژگي در روانكاري با فشارهاي بالا مثل چرخ‌دنده‌ها و بلبرينگ‌ها بسيار با اهميت است. گرانروی بعضي روغن‌ها مي‌تواند با افزايش فشار با توان ده افزايش يابد. روانكارهاي فلزكاري مثال خوبي از اين روغن‌ها هستند.
بطور كلي رفتار گرانروی- فشار به ساختمان شيميايي ماده و همينطور هندسه مولكول‌هاي آن بستگي دارد. نمودار 3 تغييرات گرانروي ديناميك بر حسب فشار را براي روغن‌هاي مختلف نشان مي‌دهند.
نمودار 2 تغييرات گرانروي بر حسب دما را براي سه نوع روغن‌پايه‌ی پارافينيك، نفتنيك و روغن کُلزا (Rape Seed) نشان مي‌دهد.
نمودار 3: تغييرات گرانروي ديناميك بر حسب فشار براي روغن‌هاي 1: آروماتيك 2: نفتنيك 3: پارافينيك 4: پلي استرهاي زيست‌تخريب‌پذير
گرانروي سيال با تغيير سرعت برشي دچار تغيير مي شود، اگر گرانروي ديناميك يك سيال در صورت تغيير سرعت برشي ثابت بماند سيال را نيوتني و در غير اين صورت آنرا غير‌نيوتني مي‌گويند. اگر يك سيال را بصورت لايه‌لايه در نظر بگيريم، تفاوت سرعت ميان دو لايه‌ی سيال بستگي به جابجايي خطي آنها دارد. همانطور که گفته شد اين تفاوت، سرعت برشي نام دارد که باS نمايش داده مي‌شود.
بسپارها و روغن‌هاي معدني که داراي مواد افزودني بسپاري هستند (مثل بهبود دهنده‌هاي شاخص گرانروي) نمونه‌هايي از سيالات غير‌نيوتني به‌حساب مي‌آيند. در دماهاي كاربرد معمولي، بيشتر روغن‌پايه‌های هيدروكربني و استرهاي سنتزي رفتاري همانند سيالات نيوتني خواهند داشت. براي تنظيم گرانروي و در نتيجه شاخص گرانروي بعضي از روغن‌ها، به آنها مواد افزودني بسپاري اضافه مي‌کنند. اگر اين بسپارها داراي مقاومت لازم در برابر تنش‌هاي برشي نباشند، مولکول‌هاي بسپار شکسته شده و به مولکول‌هاي کوچکتر تبديل مي‌شوند. اين مسئله باعث کاهش گرانروي روغن مي‌شود. در رابطه با روغن‌هاي موتور چند درجه‌ای، دنده و هيدروليک که از مواد افزودني بسپاري استفاده مي‌شود بايد از بسپارهايي با پايداري خوب در برابر تنش‌هاي برشي استفاده کرد.
بسياري از تحولات فيزيکی و شيميايي يک روغن در حين عملکرد آن مي‌تواند منجر به تغيير گرانروي آن شود. بعضي از اين عوامل گرانروي را بيشتر و بعضي ديگر گرانروي را کمتر مي‌کنند. مثلاً اکسيدشدن (که در اثر بالا رفتن دما، ورود هوا داخل روغن و تاثير اکسيژن و ... ايجاد مي‌شود)، نيتراسيون و يا آلودگي روغن با ذرات فلزي و گرد و غبار باعث افزايش گرانروي مي‌شوند. مخلوط شدن روغن با موادي که گرانروي کمتري دارند (مثل روغن‌هاي سبک‌تر، سوخت و ...) باعث مي‌شود تا گرانروي آن کاهش يابد. بطور کلی پس از گذشت مدتی از زمان تعويض روغن گرانروی آن شروع به تغيير می‌کند. اين تغييرات معيار مناسبی برای تشخيص نحوه‌ی عملکرد روغن نيز می‌باشد.
