کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک

میترا مهدوی، امیر خرمی – آسانسورهای هیدرولیکی بیش از پنجاه سال است که ساخته شده‌اند و در ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. اولین نوع آسانسورهای هیدرولیکی که با آب کار می‌کرد، کارایی کم و مشکلات فراوانی داشت، اما با گذشت زمان و پیشرفت فناوری، بشر به نسل سوم آسانسور که آسانسور‌های هیدرولیکی امروزی است، رسید. کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک نیز نقش مهمی در بهبود کارایی و کاهش مشکلات این آسانسورها داشته است.

هنگامی که از نظر فضا در نمایشگاه‌ها یا تالار‌ها یا کارخانجات در تنگنا قرار گیریم، آسانسور‌های هیدرولیکی پرقدرت به کمک ما می‌آیند و مشکل فضا و جابه‌جایی اجسام سنگین و چندین‌تنی را به‌آسانی حل می‌کنند.

آسانسور‌های کوچک‌تر و بدون سرنشین نیز موارد استفاده فراوانی دارند و قادرند اجسام سنگین را از طبقات زیر زمین به سطح خیابان برسانند. طراحان آسانسور فراتر از استانداردها عمل کرده و آسانسورهایی بسیار زیبا و حتی پانورمیک را ارائه داده‌اند. این آسانسورها مناظر بدیع طبیعی یا بخش‌های مختلف فروشگاهی را حین حرکت به مشتریان نشان می‌دهند.

کاربرد‌های وسیع آسانسور هنوز هم به پایان نرسیده است و از آن جمله می‌توان آسانسورهای مخصوص معلولان یا آسانسورهای پله‌ای را نام برد.

محدودیت‌های آسانسورهای هیدرولیکی

برخی از مهمترین محدودیت‌های آسانسورهای هیدرولیکی شامل موارد زیر است:

• باتوجه‌به نیاز آسانسورهای هیدرولیکی به قدرت و کنترل،‌ به‌ندرت می‌توان از آن برای سرعت‌های بیشتر از 0/76 متر بر ثانیه استفاده کرد.
• آسانسورهای هیدرولیکی،‌ دستگاه‌هایی هستند که حرارت فراوانی را ایجاد می‌کنند، زیرا همه انرژی‌ای که هنگام پایین‌آمدن آسانسور به کار می‌رود، به حرارت تبدیل می‌شود که در نتیجه روغن آن حرارت را جذب می‌کند و درجه حرارت آن بالا می‌رود.

روغن هیدرولیک

عملکرد صحیح آسانسورهای هیدرولیکی مستلزم استفاده از روغن‌هایی با مشخصات ویژه است. مهم‌ترین خصوصیات این روغن‌ها، غلظت مناسب آن‌هاست. روغن هیدرولیک نه‌تنها سبب عملکرد صحیح پیستون‌ها می‌شود، بلکه بخش‌های مختلف پمپ، شیرها، دریچه‌ها و جک را نیز روغن‌کاری می‌کند.

غلظت روغن باید به‌قدری کم باشد که به‌سادگی جاری شود و حتی در سرمای زیاد موجب سروصدا نشود. از طرفی، چنانچه غلظت آن زیاد باشد، ممکن است موجب کندی حرکت شیرها و دریچه‌ها شود.

درجه حرارت و ویسکوزیته استاندارد روغن هیدرولیک

اندازه‌گیری و کنترل صحیح دما بسیار مهم است، زیرا افزایش دمای روغن‌های هیدرولیک به بیش از 60 درجه سانتی‌گراد به کاهش زودهنگام عمر روغن هیدرولیک که به آن اصطلاحا ageing می‌گویند، منجر می‌شود.

بهترین درجه حرارت روغن در محدوده‌ 20 تا 25 درجه‌ سانتی‌گراد است و در صورتی که درجه حرارت آن به حدود 50 درجه سانتی‌گراد برسد، باعث اختلالاتی در کارکرد سیستم می‌شود.

آسانسورهای هیدرولیکی دستگاه‌هایی هستند که حرارت زیادی تولید می‌کنند، به‌طوری که کل انرژی هنگام پایین‌آمدن به حرارت تبدیل می‌شود که این امر موجب گرم‌شدن روغن هیدرولیک می‌شود.

مقدار ویسکوزیته روغن در حال کار عادی آسانسور باید بین 90 تا 100 سانتی‌استوک باشد.

تأثیر شرایط محیطی بر روغن آسانسور

تغییرات وسیع در غلظت روغن که حاصل درجه حرارت باشد، ممکن است در عملکرد آسانسور در زمان حرکت تأثیر بگذارد. روغن استفاده‌شده باید توانایی روغن‌کاری تجهیزات را داشته باشد، به‌گونه‌ای که اصطکاک قطعات را به حداقل ممکن برساند.

روغن هیدرولیک باید از قطعات برابر خوردگی حفاظت کند. بر اثر نوسانات حرارتی و نیز مجاورت با هوا، روغن به‌تدریج رطوبت را به خودش جذب می‌کند. عموما برای اجتناب از این امر توصیه می‌شود همه روغن‌های استفاده‌شده برای آسانسورهای هیدرولیک دارای ضدزنگ و ضداکسیداسیون باشند.

بر اثر شرایط محیطی، هوا با روغن مخلوط و به تولید کف منجر می‌شود. این مشکل با افزودن مواد ضدکف تا حدودی برطرف می‌شود. مواد یادشده باعث کاهش کشش سطحی روغن و به جداشدن ذرات هوا از روغن منجر می‌شوند. بنابراین باتوجه‌به آنچه اشاره شد، تمیزنگه‌داشتن روغن و حفاظت از آن در قبال ذرات گردوغبار و بخار آب بسیار مهم است و بر عملکرد آسانسور اثر مستقیم می‌گذارد.

بیشتر بخوانید:

• افق‌های نوین در بازار خدمات داخلی آسانسور تا 2031 | پیش بینی پتانسیل رشد عملکرد
• بلبرینگ آسانسور: کارکرد، مزایا و خرید
• بررسی تخصصی قطعات الکتریکال آسانسور

نانوروغن‌ها

نانوتکنولوژی یا آرایش اتم‌ها در مقیاس نانومتری، همان کنار هم قرارگرفتن صدها اتم در ابعاد چند نانومتر است که خصوصیات جدید و ممتازی را نتیجه می‌دهد. این فناوری به زمینه‌های مختلف علم وارد شده و صنایع مختلف محصولاتی بر این اساس تولید کرده‌اند. افزودنی‌های روغن نیز تحت‌تأثیر نانوتکنولوژی قرار گرفته‌اند.

نانوذرات در فاصله بین دو سطح درگیر می‌شوند و در منافذ بسیار ریز سطوح قرار می‌گیرند و خواص ضداصطکاک و ضدسایش نسبتا زیادی در سطوح ایجاد می‌کنند. به همین دلیل می‌توان از آن‌ها در فرمولاسیون روغن استفاده کرد.

توانایی نانوذرات به کروی‌بودن آن‌ها مربوط است که بین دو سطح (مانند ساچمه یا بولبرینگ) قرار می‌گیرند و ضریب اصطکاک را کاهش می‌دهند. کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های نگهداری این سیستم‌ها کمک شایانی کند.

مواد و روش‌ها

برای ساخت یک نانو روغن هیدرولیکی به روغن هیدرولیک به‌عنوان سیال پایه و نیز نانوذرات مدنظر برای افزودن به روغن نیاز است.

برای این منظور، ما از روغن هیدرولیک بهران T68 به‌عنوان سیال پایه استفاده کردیم. در این تحقیق، نانوذرات دی‌سولفید مولیبدن که در سه مرحله تحت تابش لیزر با انرژی‌های مختلف قرار گرفته‌اند، برای ساخت نانوروغن هیدرولیک به‌کار بردیم.

یکی از دلایل مهم برای انتخاب این ذرات، ساختار کروی آن‌هاست، زیرا نانوذرات با ساختار کروی خواص روان‌سازی بهتری از خود نشان می‌دهند. برای بررسی شکل و اندازه ذرات کربن نانوبال از میکروسکوپ الکترونی SEM و برای بررسی ساختار آن‌ها از TEM استفاده شده است.

غلظت نانوذرات تأثیر زیادی در عملکرد نانوروان‌کارها دارد، به‌گونه‌ای که غلظت‌های بالا (بیشتر از 0.5 درصد وزنی) موجب رسوب ذرات روی قطعات می‌شود و ذرات بزرگ‌تر همانند ناخالصی‌ها موجب ایجاد خراش روی سطوح می‌شود و اصطکاک افزایش می‌یابد. همچنین در غلظت‌های خیلی پایین (کمتر از  0.05 درصد وزنی) نانوذرات نمی‌توانند سطوح اصطکاکی را به‌طور کامل پوشش دهند، در نتیجه عملکرد خوبی ندارند. بنابراین باید غلظت استفاده‌شده در حد بهینه باشد.

سنتز و پردازش نانوذرات

در این پژوهش نیز برای بررسی میزان تأثیر نانوذرات بر خواص روغن پایه، ابتدا نانوکریستال‌های دی‌سولفید مولیبدنیوم در این آزمایش به روش هیدروترمال سنتز می‌شود.

برای سنتز نانوکریستال‌های MoS2، ما ابتدا 1/4 گرم آمونیوم هپتامولیبدات را در 100 میلی‌لیتر اتانول حل کرده و 5 سی‌سی دی‌متیل فرم‌آمید به آن اضافه کردیم و 20 دقیقه با هم‌زن مغناطیسی هم زدیم. سپس 4/3 گرم تیواوره به آن اضافه می‌کنیم و فرایند هم‌زدن 40 دقیقه دیگر نیز ادامه پیدا می‌کند تا رنگ محلول شیری شود. سپس محلول به یک اتوکلاو منتقل می‌شود و به‌مدت 16 ساعت در دمای 180 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. پودر حاصل دو بار با آب‌مقطر شست‌وشو داده، سپس در دمای oC 400 به‌مدت 2 ساعت بازپخت می‌شود.

برای کاهش تعداد لایه‌ها نانوذرات و در نتیجه جلوگیری از تجمع و آگلومره‌شدن آن‌ها در روغن، در 3 مرحله با انرژی‌های 40 و 60 و 80 میلی‌ژول از پرتو لیزر به این مواد تابیده شده است.

برای این منظور 1/2 گرم از نانوکریستال‌های سنتزشده در بخش قبل را در 50 میلی‌لیتر اتانول دیسپرس می‌کنیم و به‌مدت 3 ساعت در حمام اولتراسونیک قرار می‌دهیم. سپس نمونه را به 3 قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم و هر قسمت را جداگانه به‌مدت 15 دقیقه در معرض پرتو لیزر با انرژی‌های متفاوت (40-80 میلی‌ژول) قرار می‌دهیم.

لیزر استفاده‌شده از نوع Nd:YAG با طول موج 532 نانومتر و قطر بیم 7 میلی‌متر با پالس 5 نانوثانیه است. پس از تمام‌شدن نانو صفحات شست‌وشو و به‌صورت سوسپانسیون در اتانول نگهداری می‌شوند.

سپس در هر 500 سی‌سی از روغن 0.1 گرم با احتساب 2.5 درصد وزنی روغن از هر نمونه نانوذرات دی‌سولفید مولیبدن به روغن پایه افزوده شده است. کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک می‌تواند عمر و کارایی سیستم‌های هیدرولیکی را بهبود بخشد.

مشخصه‌یابی

برای بررسی نوع فازهای تشکیل‌شده از آنالیز پراش اشعه ایکس استفاده شده است. برای این کار از دستگاه فیلیپس مدل PW3710 با لامپ Kα-u بهره‌برداری و برای کاهش اثر جذب و خطا از تکفام‌ساز استفاده شده است. همچنین برای بررسی ساختار ملکولی نمونه‌ها از آنالیز طیف‌سنجی رامان با دستگاه طیف‌سنج رامان پرتابل مدل پرتینو ساخت ایران با طول لیزر 488 نانومتر استفاده شد. بررسی‌های ریزساختاری با استفاده از روش میکروسکوپ الکترونی روبشی (مدل فیلیپس 200 CM/FE) و عبوری (مدل زایس SYT302) انجام شده است. در این راستا، کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک به عنوان یکی از جنبه‌های مهم در بهبود عملکرد و دوام سیستم‌ها نیز مورد توجه قرار گرفته است.

آنالیز پرتوپراش  اشعه ایکس

شکل 1 آنالیز پراش پرتو ایکس را برای نمونه‌ها قبل و پس از تابش لیزر با انرژی‌های به‌ترتیب 40، 60 و 80 میلی‌ژول نشان می‌دهد. همان‌طور که مشخص است، نانوذرات و نانوصفحات سنتزشده همگی در فاز هگزاگونال دی‌سولفید مولیبدنیوم منطبق با کارت مرجع شماره 37-1492 هستند و دسته صفحات (002)، (100)، (103)، (006)، (105) و (110) که در زوایای به‌ترتیب 14/2، 32/6، 39/5، 44/9، 49/8 و 58/3 مشاهده می‌شوند، گواه این موضوع است.

همان‌طور که مشاهده می‌شود، با افزایش توان پرتو فرودی لیزر از شدت پیک‌ها کاسته می‌شود. این امر به‌طور عمومی می‌تواند ناشی از کاهش سایز ذرات در همه جهات باشد، اما کاهش شدت پیک مربوط به دسته صفحه (002) به‌طور دقیق بر کاهش لایه‌های نانوصفحات MoS2 دلالت دارد. به عبارت دیگر، با کاهش ضخامت MoS2 و شروع تغییر از شکل توده‌ای به‌سمت تک‌لایه‌ای، شدت این پیک کاهش می‌یابد. ‌ازاین‌رو می‌توان نتیجه گرفت که تابش لیزر موجب کاهش در تعداد لایه‌های نانوذرات شده است.

در این زمینه، بررسی کاربرد نانو روغن‌ ها در آسانسور‌های هیدرولیک نیز می‌تواند جالب توجه باشد. نانو روغن‌ها به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود می‌توانند عملکرد و طول عمر سیستم‌های هیدرولیک را بهبود بخشند، که این موضوع ممکن است با استفاده از نانوذرات مشابه به مورد بررسی در این تحقیق ارتباط داشته باشد.

شکل 1: طیف پراش پرتو ایکس برای نمونه‌ها قبل و پس از تابش لیزر با انرژی‌های متفاوت.

آنالیز طیف سنجی رامان

شکل 2 آنالیز طیف‌سنجی رامان را برای نمونه‌ها قبل و پس از تابش لیزر با انرژی‌های به‌ترتیب 40، 60 و 80 میلی‌ژول نشان می‌دهد. همه نمونه‌ها با پرتو لیزر 488 نانومتری تحریک شده بودند و طیف‌سنجی در شرایط محیطی صورت گرفت.

برطبق تصاویر شکل 2، مدهای . با افزایش انرژی پرتو لیزر فرودی و به‌تبع آن کاهش در تعداد لایه‌های MoS2، هر دو پیک افزایش می‌یابد. این امر به‌دلیل افزایش ارتعاشات شبکه و در نتیجه افزایش شدت پیک طیف رامان است. به عبارت دیگر، هنگامی که تعداد لایه‌ها زیاد و ذرات به فرم بالک هستند، نیروی واندروالسی بین لایه‌ها، ارتعاشات مولکولی را جذب می‌کند و شدت پیک را کاهش می‌دهد.

علاوه بر این، با کاهش تعداد لایه‌ها جابه‌جایی پیک برای هر دو مد مشاهده می‌شود. برای مد  این تغییر می‌تواند ناشی از کاهش نیروی کولنی بین لایه‌ای باشد که بر اثر کاهش تعداد لایه‌ها اتفاق می‌افتد. درحالی‌که برای مد  این تغییر بر اثر خم‌شدن لایه‌ها هنگام ازدست‌دادن لایه‌های زیرین است.

شکل 2: آنالیز طیف‌سنجی رامان برای نمونه‌ها قبل و پس از تابش لیزر با انرژی‌های متفاوت.

آنالیز طیف سنجی فوریه

در روش طیف‌سنجی مادون قرمز (. شکل 3 طیف FTIR)) برای نانو صفحات دی‌سولفید مولیبدن را قبل از تابش لیزر و بعد از تابش لیزر با انرژی 40 و 60 و 80 میلی‌ژول نشان می‌دهد. پیک‌های کمتر از cm^-1700 نشان‌دهنده تغییرات مدهای (Mo-O) است که می‌تواند به‌علت حرکات ناشی از گوگرد در محدوده cm^-1750 تا cm^-11000 باشد که اطلاعات قطعی درباره پیوند Mo-O را به ما می‌دهد.

باندهای جذبی مشاهده‌شده در محدوده cm^-11100 تا cm^-11650 مربوط به امتداد لرزش ناشی از گروه هگزاگونال و Mo-O است. پیک لرزشی ناشی از Mo-S در محدوده cm^-1600 مشاهده می‌شود. پیوندهای متقارن و نامتقارن دوگانه کربن (C=C) در cm^-12890 و cm^-12970 است. بعد از تابش لیزر پیک واقع در cm^-11600شدیدتر شده و نشان‌دهنده آن است که پیوند در گروه Mo-S قوی‌تر شده است؛ پس نانو صفحات MoS₂ به‌صورت تک‌لایه درآمده‌اند.

شکل3: آنالیز FTIR برای نمونه‌­های MoS₂ قبل و پس از تابش لیزر با انرژی­‌های متفاوت.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری

شکل 4 تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) را نشان می‌دهد. این تصاویر شامل نمونه‌های قبل و پس از تابش لیزر با انرژی‌های به‌ترتیب 40، 60 و 80 میلی‌ژول هستند. همان‌طور که در تصاویر مشخص است، قبل تابش لیزر نانوکریستال‌ها دارای شکل ظاهری کپه‌ای با اندازه جانبی در حدود 200 نانومتر هستند. پس از تابش لیزر، کاهش تعداد لایه‌ها متناسب با انرژی فرودی در تصاویر مشهود است.

شکل 4: تصاویر TEM برای نمونه‌ها الف) قبل و پس از تابش لیزر با انرژی ب) 40 ج) 60 و د) 80 میلی‌ژول

نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

ساختار و مورفولوژی هر چهار نمونه ساخته‌شده به‌وسیله میکروسکوپ الکترونی بررسی شد. همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می‌شود، بعد از تابش لیزر فرم کلوخه‌ای نانوصفحات کمتر می‌شود. پس از تابش لیزر با انرژی 80 میلی‌ژول اندازه کلوخه‌ها نیز به‌شدت کوچک‌تر می‌شود.

شکل 6 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM): الف) قبل از تابش لیزر ب) تابش با انرژی40 میلی‌ژول ج) 60 میلی‌ژول د)80 میلی‌ژول را نشان می‌دهد.