ASTM D445 و ویسکوزیته سینماتیکی؛ چگونه در آزمایشگاه اندازه‌گیری می‌شود؟

ASTM D445 و ویسکوزیته سینماتیکی؛ نقش عددی که رفتار روغن را می‌سازد

وقتی درباره عملکرد روغن موتور و روغن صنعتی صحبت می‌کنیم، «ویسکوزیته سینماتیکی» اولین عددی است که نشان می‌دهد روغن با چه سرعتی در دمای مشخص جریان پیدا می‌کند. استاندارد ASTM D445 روش مرجع اندازه‌گیری همین ویژگی است. ویسکوزیته تعیین می‌کند فیلم روغن چقدر توان تحمل بار، کنترل سایش و کاهش اصطکاک را دارد؛ از استارت سرد صبح‌های زمستانی تا کارکرد داغ در ترافیک یا فرآیندهای صنعتی.

تفاوت ویسکوزیته دینامیکی و سینماتیکی در حضور یا عدم حضور چگالی است: ویسکوزیته دینامیکی μ مقاومت ذاتی سیال به برش است (Pa·s)، در حالی‌که ویسکوزیته سینماتیکی ν حاصل تقسیم μ بر چگالی ρ بوده و در واحد mm²/s یا cSt گزارش می‌شود. در گزارش‌های روغن، دو دمای 40°C و 100°C اهمیت ویژه دارند: 40 درجه دید به رفتار روغن در شرایط عمومی راه‌اندازی و سیستم‌های هیدرولیک می‌دهد و 100 درجه بازتاب رفتار در شرایط داغ موتور یا یاتاقان‌های صنعتی است. نسبت این دو مقدار، مبنای شاخص گرانروی (VI) و انتخاب عملی روغن در ایران از سردسیر تا گرمسیر است.

استاندارد ASTM D445؛ دامنه کاربرد و جایگاه در اکوسیستم آزمون

ASTM D445 «روش آزمون استاندارد برای ویسکوزیته سینماتیکی سیالات شفاف و کدر» را تعریف می‌کند. دامنه کاربرد آن گسترده است: روغن‌های موتور بنزینی و دیزلی، روانکارهای صنعتی (هیدرولیک، توربین، دنده)، روغن کمپرسور، روغن‌های فرایندی و حتی برخی سوخت‌ها. مزیت این روش، سادگی و تکرارپذیری با اتکا به جریان ثقلی در ویسکومتر مویین است.

در زنجیره استانداردها، D445 معمولاً همراه با ASTM D2270 برای محاسبه شاخص گرانروی (VI) و در کنار استانداردهای کیفیتی OEM/سازمانی به کار می‌رود. برای کنترل کیفیت، آزمایشگاه‌ها از روغن‌های مرجع گواهی‌شده (CRM) و مشارکت در آزمون‌های بین‌آزمایشگاهی استفاده می‌کنند تا «بیانیه دقت» استاندارد (شامل تکرارپذیری و بازتولیدپذیری) برآورده شود. برای صنعت ایران، این استاندارد پایه تصمیم‌گیری در سفارش، انبارش و پایش وضعیت روغن است؛ چه در اتوسرویس‌های شهری تهران و اصفهان، چه در صنایع فولاد، سیمان یا مناطق نفتی جنوب.

اصول فیزیکی جریان در لوله مویین؛ از زمان‌سنجی تا cSt

در D445، نمونه روغن به ویسکومتر مویین شیشه‌ای (مانند Ubbelohde یا Cannon-Fenske) کشیده می‌شود. روغن تحت اثر گرانش از بین دو علامتِ حجم ثابت عبور می‌کند و زمان عبور با کرونومتر ثبت می‌گردد. اساس کار این است: هر ویسکومتر یک «ثابت کالیبراسیون» K دارد که بر پایه ابعاد دقیق لوله تعیین شده است. ویسکوزیته سینماتیکی طبق رابطه ν = K × t به‌دست می‌آید؛ که در آن t زمان برحسب ثانیه و ν برحسب mm²/s (cSt) گزارش می‌شود.

تفاوت با ویسکوزیته دینامیکی اینجاست که μ = ν × ρ. بنابراین اگر چگالی ρ معلوم باشد، می‌توان μ را نیز تخمین زد. کنترل دقیق دما حیاتی است؛ زیرا ویسکوزیته به شدت تابع دماست. در حمام‌های دمایی استاندارد، پایداری ±0.02°C هدف‌گذاری می‌شود تا تغییرات کوچک دما، سبب خطای بزرگ در نتیجه نشود. برای زمان‌های خیلی کوتاه (روغن‌های بسیار رقیق)، تصحیحات انرژی جنبشی طبق پیوست استاندارد اعمال می‌شود.

روش آزمون گام‌به‌گام در آزمایشگاه (بر مبنای ASTM D445)

آماده‌سازی نمونه

– نمونه را یکنواخت کنید؛ از تکان‌دادن شدید که منجر به کف می‌شود بپرهیزید. در صورت نیاز، هواربایی (degassing) ملایم انجام دهید.
– فیلتر کردن با مش مناسب برای حذف ذرات معلق مفید است، اما افزودن هرگونه حلال یا تغییر ترکیب ممنوع است. تمیزی شیشه‌آلات و خشک‌بودن آن‌ها ضروری است.

تنظیم حمام و انتخاب ویسکومتر

– حمام دما را روی 40°C یا 100°C تثبیت کنید و اجازه دهید به پایداری برسد.
– ویسکومتر مناسب با محدوده مورد انتظار انتخاب کنید تا زمان عبور در «پنجره قابل‌قبول» (معمولاً چند ده ثانیه) قرار گیرد. زاویه نصب باید دقیقاً عمودی باشد.

کالیبراسیون و اجرای آزمون

– ثابت K ویسکومتر را از گواهی سازنده یا کالیبراسیون دوره‌ای معتبر دریافت کنید. دستگاه و حمام را با روغن مرجع چک کنید.
– نمونه را تا شاخص مشخص به داخل لوله مویین بکشید، سپس رها کنید تا جریان آغاز شود. وقتی منیسک به علامت اول رسید، زمان‌سنج را شروع و هنگام عبور از علامت دوم، متوقف کنید. حداقل دو قرائت معتبر با تطابق قابل‌قبول بگیرید.

محاسبه و گزارش

– ویسکوزیته سینماتیکی: ν (cSt) = K × t (s). در صورت نیاز، تصحیح انرژی جنبشی را اعمال کنید.
– نتیجه را با ذکر دما، نوع ویسکومتر، تعداد تکرار، زمان‌های ثبت‌شده و عدم‌قطعیت اندازه‌گیری گزارش دهید. اگر هر دو دمای 40 و 100 درجه آزمون شوند، محاسبه VI طبق ASTM D2270 نیز اضافه می‌شود.

دقت، تکرارپذیری و کنترل کیفیت در آزمون ویسکوزیته

کیفیت نتیجه D445 به چهار عامل کلیدی وابسته است: دما، زمان‌سنجی، تمیزی و کالیبراسیون. نوسان دما حتی در حد صدم درجه، ویسکوزیته را قابل‌توجه تغییر می‌دهد. خطای اپراتور در شروع/توقف زمان‌سنجی، وجود حباب یا ذرات، و ویسکومتر خارج از کالیبراسیون از منابع خطای متداول هستند.

برای کنترل کیفیت، استفاده از روغن‌های مرجع با مقادیر گواهی‌شده، رسم چارت‌های کنترلی و انجام آزمون‌های تکراری در فواصل زمانی تعریف‌شده توصیه می‌شود. «تکرارپذیری (r)» به تفاوت قابل‌قبول دو نتیجه در یک آزمایشگاه و «بازتولیدپذیری (R)» به اختلاف بین آزمایشگاه‌ها اشاره دارد. پایبندی به بیانیه دقت استاندارد و مستندسازی شرایط آزمون، ریسک تصمیم‌های اشتباه در خرید یا تعویض روغن را کاهش می‌دهد.

تفسیر نتایج: از 40/100°C و VI تا انتخاب روغن در ایران

با داشتن ν40 و ν100، می‌توان رفتار روغن را در سرد و گرم مقایسه کرد. اختلاف زیاد بین دو دما نشان‌دهنده حساسیت بالاتر به دماست. شاخص گرانروی (VI)، با استفاده از ASTM D2270 از همین دو عدد محاسبه می‌شود: VI بالاتر یعنی پایداری بهتر در تغییرات دما. در موتورهای توربوشارژ شهری که از استارت‌های سرد تا ترافیک سنگین را تجربه می‌کنند، روغن با VI بالاتر و کنترل برشی بهتر، فیلم روغن پایدارتر فراهم می‌کند.

سناریوهای رایج ایران

• اقلیم سرد (ارومیه، اردبیل): روغن موتور 5W-30 یا 0W-30 با ν40 پایین‌تر برای جریان‌پذیری بهتر و راه‌اندازی آسان؛ برای هیدرولیک، HVLP با VI بالا.
• اقلیم گرم (اهواز، بندرعباس): 10W-40 یا 15W-40 با ν100 مناسب و پایداری برشی؛ در صنایع، ISO 68 یا 100 با کنترل اکسیداسیون.
• شهری-ترافیکی (تهران، اصفهان): تمرکز بر VI بالا و پاکیزگی سیستم؛ انتخاب برند معتبر با داده‌برگ شفاف.
• صنعتی سنگین (فولاد، سیمان): انتخاب بر اساس دمای باثبات کارکرد، بار و تلرانس‌ها؛ پایش دوره‌ای و پایش وضعیت روغن طبق برنامه نگهداری.

چک‌لیست عملیاتی برای تفسیر گزارش

• همواره دمای گزارش‌شده را کنار مقدار ویسکوزیته ببینید (40 و 100°C).
• VI را با نیاز کارکردی تطبیق دهید؛ برای نوسان دمایی زیاد، VI بالاتر برتری دارد.
• با راهنمای انتخاب محصول و توصیه OEM تطبیق دهید.
• اگر آنالیز روندی دارید، تغییرات ν40/ν100 را در طول زمان رصد کنید؛ افزایش می‌تواند نشانه اکسیداسیون/آلودگی، کاهش می‌تواند نشانه برشی‌بودن پلیمرها باشد.
• برای خرید از گستره خدمات شهرها در موتورازین کمک بگیرید.

چگونه از جدول مقایسه برای انتخاب روغن استفاده کنیم؟

برای تطبیق نیاز عملیاتی با داده‌های فنی، ابتدا بازه دمای کاری و نوع بارگذاری را مشخص کنید. سپس به ویسکوزیته در 40°C جهت راه‌اندازی و در 100°C برای شرایط داغ نگاه کنید. VI شاخص پایداری دمایی است؛ هرچه بالاتر، تغییر ویسکوزیته کمتر. در نهایت، کاربرد معمول هر گرید (موتور، هیدرولیک، کمپرسور، دنده) را با توصیه سازنده تجهیز و شرایط اقلیمی ایران تطبیق دهید.

مقادیر زیر نمونه‌های «رایج و تقریبی بازار» هستند. در انتخاب نهایی، حتماً به داده‌برگ سازنده مراجعه کنید.

نکته: در خانواده HVLP (هیدرولیک با VI بالا) ممکن است VI به >140 برسد که برای نوسان دمایی زیاد مناسب‌تر است.

چالش‌ها و خطاهای رایج؛ راه‌حل‌های عملی

• نوسان دما: حمام کم‌ظرفیت یا گردش ناکافی باعث گرادیان دمایی می‌شود. راه‌حل: حمام با همزن مؤثر، انتظار برای پایداری و چک با ترمومتر مرجع.
• حباب و آلودگی: هوای محبوس و ذرات مسیر را مختل می‌کنند. راه‌حل: یکنواخت‌سازی ملایم، فیلتر مناسب، تمیزکاری دقیق ویسکومتر.
• انتخاب نامناسب ویسکومتر: اگر زمان خیلی کوتاه/طولانی باشد، عدم‌قطعیت افزایش می‌یابد. راه‌حل: انتخاب اندازه مویین مطابق محدوده مورد انتظار.
• عدم کالیبراسیون: ثابت K قدیمی یا ثبت‌نشده باعث خطای سیستماتیک می‌شود. راه‌حل: کالیبراسیون دوره‌ای و مقایسه با روغن مرجع گواهی‌شده.
• تفسیر نادرست گزارش: مقایسه ν40 بدون توجه به ν100 یا VI. راه‌حل: نگاه همزمان به هر دو دما و محاسبه VI؛ ارجاع به روغن موتور و روغن صنعتی متناسب.

قاعده طلایی موتورازین: همیشه عدد ویسکوزیته را با «دمای آزمون + VI + کاربرد تجهیز» بخوانید؛ سه‌گانه‌ای که از انتخاب تا پایش، ریسک خرابی را به‌طور معنادار کم می‌کند.

از عدد تا تصمیم؛ چگونه درک ASTM D445 ریسک خرابی را کم می‌کند

وقتی می‌دانید عدد ویسکوزیته سینماتیکی چگونه و با چه دقتی به‌دست آمده، می‌توانید آن را با شرایط واقعی تجهیز تطبیق دهید: راه‌اندازی سرد در تبریز، داغ‌کاری در اهواز، یا بارگذاری متناوب در خطوط تولید. استاندارد ASTM D445 با یک روش شفاف و کنترل‌پذیر، زبان مشترکی میان سازندگان روغن، آزمایشگاه و مصرف‌کننده صنعتی ایجاد می‌کند. تکیه بر این استاندارد—همراه با محاسبه VI، مقایسه 40/100°C و پایش روندی—به شما امکان می‌دهد روغن را نه فقط «بخرید»، بلکه «مدیریت» کنید: تعویض به‌موقع، کاهش سایش، صرفه‌جویی انرژی و افزایش عمر تجهیز. اگر نیاز به همراهی در انتخاب و پایش دارید، تیم موتورازین با گستره خدمات سراسری و شبکه آزمایشگاهی، کنار شماست.

پرسش‌های متداول

آیا ویسکوزیته سینماتیکی و دینامیکی قابل تبدیل مستقیم هستند؟

بله، در صورت دانستن چگالی در همان دما: μ = ν × ρ. توجه کنید که چگالی نیز تابع دماست. بنابراین اگر ν40 را به μ تبدیل می‌کنید، چگالی 40°C را به‌کار ببرید. در بسیاری از تصمیم‌های فنی، ν در 40 و 100°C به‌همراه VI کفایت دارد، مگر در تحلیل‌های هیدرودینامیک دقیق که μ لازم است.

چرا نتایج دو آزمایشگاه برای یک نمونه کمی متفاوت است؟

عوامل متعددی از جمله نوع ویسکومتر، کنترل دما، روش زمان‌سنجی و تصحیحات انرژی جنبشی مؤثرند. ASTM D445 «بیانیه دقت» دارد که حدود تکرارپذیری و بازتولیدپذیری را تعریف می‌کند. اگر اختلاف در همان حدود باشد، طبیعی است. برای اطمینان، از روغن مرجع مشترک و مستندسازی شرایط آزمون استفاده کنید.

برای انتخاب بین 10W-40 و 15W-40 به کدام عدد نگاه کنم؟

به هر دو مقدار ν40 و ν100 و نیز VI توجه کنید. 10W-40 معمولاً در استارت سرد عملکرد بهتری دارد (ν40 پایین‌تر)، در حالی‌که 15W-40 در برخی موتورهای دیزلی سنگین مطابق توصیه OEM انتخاب می‌شود. اقلیم، نوع کارکرد و استاندارد سازنده تعیین‌کننده‌اند. داده‌برگ محصول و راهنمای انتخاب محصول موتورازین کمک‌کننده است.

آیا می‌توان فقط با ویسکوزیته تصمیم به تعویض روغن گرفت؟

خیر. ویسکوزیته یکی از شاخص‌های کلیدی است، اما برای تصمیم دقیق، باید شاخص‌های دیگری مانند اکسیداسیون، آلودگی سوخت/آب، فلزات سایش و کد پاکیزگی را نیز در نظر گرفت. رویکرد درست، پایش روندی ویسکوزیته به‌همراه سایر پارامترها در چارچوب برنامه نگهداری پیشگیرانه است.