Těžké břemena pod kontrolou – vysoce zatížitelné trapézové šrouby pro zvedací zařízení
Koncepce vysoce zatížených trapézových šroubových převodů je základem pro bezpečný a bezproblémový provoz zvedacích zařízení – a klade vysoké nároky na konstruktéry.
Společnost Bornemann Gewindetechnik, známá v odborných kruzích, vyrábí již více než 25 let závitové šrouby a matice pro mnoho průmyslových odvětví. Jedním z hlavních zaměření výroby je výroba trapézových závitových převodů připravených k montáži, skládajících se ze šroubů a maticových sad, pro těžká zvedací zařízení. Uvedeme několik příkladů: zvedací zařízení pro kolejová vozidla, zařízení v divadlech, respektive při stavbě jevišť a při výrobě speciálních strojů. Návrh a konstrukce těchto převodů jsou předpokladem pro bezpečný a bezproblémový provoz zařízení a kladou vysoké nároky na konstruktéry.
Na co je však třeba dbát u závitových šneků pro těžká břemena? U šroubových zdvihových pohonů, které pod zátěží dosahují povrchového tlaku > 20 N/mm2 a navíc pracují s velmi nízkými obvodovými rychlostmi, je nezbytné zajistit konstantní mazání nosných ploch závitových profilů. Nedostatečné mazání může totiž vést ke zvýšenému opotřebení, nadměrnému vývoji tepla a také k notoricky známému efektu stick-slip.
Záleží na mazivu
Efekt stick-slip, nazývaný také efektem adhezního klouzání, popisuje trhavé klouzání pevných těles pohybujících se proti sobě. K tomuto efektu může docházet vždy, když je adhezní tření větší než kluzné tření. V závislosti na tribologickém systému to vede k vybuzení kmitů, které jsou vyzařovány jako hluk z rezonančního povrchu (vrzající a skřípající vřetena).
Tento jev většinou zmizí, jakmile jsou třecí partnery odděleny mezivrstvou nebo mazivem. Efekt stick-slip je v technických aplikacích často nežádoucí. Negativní vlivy způsobené efektem stick-slip lze pozorovat mimo jiné u ložisek, vedení v lineární technice nebo u závitových šneků v zvedací technice. Zvuky jako vrzání dveří, skřípání kolejnic při projíždění zatáčkami nebo klepání stěračů na sklech automobilů jsou obecně známými důsledky tohoto efektu.
Pokud k tomuto jevu dochází, může to být způsobeno výběrem maziva (tuku). Ralph Wuertele, manažer aplikovaného inženýrství ve společnosti Klüber Lubrication, vysvětluje: „Zejména v zařízeních pro zvedání těžkých břemen mohou nevhodná maziva snadno vést k nedostatečnému mazání, které způsobuje zvýšené opotřebení a tím i předčasné selhání zařízení.“
Tento jev je často způsoben také konstrukcí šroubů. Chybějící mazací kapsy na nosné straně profilu závitu brání tomu, aby nanesené mazivo zůstalo na místě, když profily matic kloužou po šroubu s vysokým zatížením plochy. Mazivo je buď vytlačeno z boku, nebo je posunuto před maticí. V každém případě dojde k přetržení mazacího filmu, což zpočátku způsobí zvýšení teploty a stick-slip s částečně ohlušujícím hlukem a později vede k destrukci závitového pohonu.
Při obvodových rychlostech několika cm/s je přítomnost maziva nebo mazacích kapes na závitových šroubech naprosto nezbytná, aby se zabránilo tomuto efektu stick-slip. Mazací kapsy zabraňují tomu, aby mazivo bylo jednoduše vytlačeno příliš vysokým tlakem na hrany a obecně vysokým specifickým tlakem na plochu. Mazivo by mělo být ideálně tukem s konzistencí 0 nebo 00 a musí být vtaženo do mazací mezery.
Jak lze tomuto problému čelit? Již při stanovení požadavků konstruktérů na provedení výroby závitů se klade základ pro odstranění problémů s mazáním a tím i následných problémů. Závitové hřídele mohou být vyráběny různými výrobními postupy: Soustružení závitů a frézování závitů jsou postupy, které se z ekonomických důvodů pro výše uvedené závitové hřídele již téměř nepoužívají. Při válcování závitů (nebo válcování) se závitové šrouby vyrábějí bezobráběcím tvářením za studena. Tento výrobní postup jeice ekonomický, ale vzhledem k velmi vysokým nákladům na nástroje a zařízení je většinou použitelný pouze ve velkosériové výrobě.
Jemný řez s hladkým povrchem
Kromě toho válcované závitové šrouby díky absolutně hladkému povrchu závitových boků napomáhají odtržení mazacího filmu. Válcovaný trapézový závit má v důsledku deformačního procesu při lisování/tlakovém leštění příliš vysokou kvalitu povrchu boků, ve kterém chybí mazací kapsy. V důsledku toho může dojít k obávanému stick-slip efektu, resp. k přetržení mazacího filmu mezi šroubem a maticí. Mazivo je vytlačováno ze závitů příliš vysokým tlakem na hrany a obecně vysokým specifickým tlakem na plochu.
Toto vytlačování je možné, pokud materiály páru kluzných ložisek nemají mazací kapsy, ve kterých by bylo možné mazivo uchovávat. Výsledkem jsou závažné následné škody v dotčených zařízeních v podobě skřípajících vřeten a zadírajících se matic až po kompletní tepelné svaření celých zdvihových systémů.
Často uváděný argument delší životnosti válcovaných závitových šneků nelze potvrdit bez výjimky. Společnost Wirths-Werres to dokázala v testu trvalého namáhání. „Válcované závitové šneky vykazovaly i po mnoha hodinách provozu pouze minimální známky opotřebení,“ zdůrazňuje konstruktér Christian Zahn. Podle Zahna také napětí v materiálu vzniklé válcovacím procesem často vede k nákladným dodatečným úpravám. V přímém srovnání se společnost Wirths-Werres rozhodla pro vysoce kvalitní šrouby ve válcované provedení, protože cenový rozdíl mezi válcovanými a válcovanými šrouby je u mnoha průměrů již zanedbatelný.
Společnost Bornemann Gewindetechnik vyrábí závitové šrouby vířivým procesem. Vířivý nástroj pro výrobu závitů šroubů se skládá z poháněného vířivého prstence se sadou profilových nástrojů a pracuje v takzvaném obalovém řezu, protože obrobek se během obrábění otáčí uvnitř tohoto nástrojového prstence. Vzhledem k tomu, že obalový řez začíná na vnějším průměru s tloušťkou (a hloubkou) třísky 0 a plynule stoupá na vypočtenou tloušťku (a hloubku třísky, resp. hloubku závitu), aby pak opět vystoupil z obrobku s hodnotou 0, vzniká velmi jemný řez s velmi hladkým povrchem.
Jelikož sada nástrojů sestává z několika jednotlivých řezných hran, které pracují postupně v přerušovaném řezu, vznikají mezi jednotlivými řezy mikroskopicky malé přerušení v povrchu obrobku, které vytvářejí polygonální konkávní fazety v řádu μ (mazací kapsy). Tyto mazací kapsy jsou tajemstvím dobrých mazacích vlastností závitových šneků.
Porovnání různých výrobních postupů závitů vede k následujícímu závěru: Válcování a broušení závitových profilů jsou moderní výrobní postupy, které lze doporučit pro mnoho případů použití, pro použití trapézových závitových hřídelí pro zdvihové šroubové systémy by však měl být upřednostněn vířivý postup, který používá společnost Bornemann Gewindetechnik.