Tunge laster under kontrol – højbelastede trapezgevindspindler til løfteanlæg
Konstruktionen af højt belastede trapezgevindskruer er grundlaget for sikker og problemfri drift af løfteanlæg – og stiller store krav til konstruktørerne.
Firmaet Bornemann Gewindetechnik, som er velkendt i fagkredse, har i mere end 25 år fremstillet gevindspindler og -møtrikker til mange industrigrene. Et af produktionshøjdepunkterne er fremstillingen af monteringsklare trapezgevindskruer, bestående af spindler og møtriksæt, til tunge løfteanlæg. For at nævne nogle eksempler: Løfteanlæg til skinnekøretøjer, anlæg i teatre, henholdsvis scenebygning og specialmaskinebyggeri. Udformningen og konstruktionen af disse drev er en forudsætning for sikker og problemfri drift af anlæggene og stiller høje krav til konstruktørerne.
Men hvad skal man være opmærksom på ved gevindspindler til tunge belastninger? For spindelhubdrev, der under belastning når en arealdruck på > 20 N/mm2 og desuden arbejder med meget lave omkretshastigheder, er det absolut nødvendigt at smøre bæreflankerne på gevindprofilerne konstant. Mangelfuld smøring kan nemlig føre til øget slid, overdreven varmeudvikling og også til den berygtede stick-slip-effekt.
Det afhænger af smøremidlet
Stick-slip-effekten, også kaldet friktionsglidning, beskriver den rykvise glidning af faste legemer, der bevæger sig mod hinanden. Effekten kan altid opstå, når friktionen er større end glidningsfriktionen. Afhængigt af det tribologiske system fører dette til excitation af svingninger, der udstråles som støj fra en resonansdygtig overflade (skrigende og knirkende spindler).
Effekten forsvinder som regel, så snart friktionspartnerne adskilles af et mellemliggende materiale eller smøremiddel. Stick-slip-effekten er ofte uønsket i tekniske anvendelser. Negative påvirkninger fra stick-slip-effekten kan blandt andet observeres i lejer, føringer i lineærteknik eller i gevindspindler i løfteteknik. Lyde som knirken fra en dør, skrig fra tog i kurver og raslende vinduesviskere på bilruder er de almindeligt kendte konsekvenser af denne effekt.
Hvis denne effekt opstår, kan det skyldes valget af smøremiddel (fedt). Ralph Wuertele, Manager Application Engineering hos Klüber Lubrication, forklarer: »Især i anlæg med tung løfteteknik kan uegnede smøremidler let føre til manglende smøring, hvilket medfører øget slitage og dermed fører til for tidligt udfald af anlægget.«
Ofte skyldes dette fænomen også spindlernes udformning. Manglende smøreposer på den bærende flanke af gevindprofilen forhindrer, at påført smøremiddel forbliver på plads, når møtrikprofilerne glider over spindlen med høj arealbelastning. Enten presses smøremidlet væk fra flanken, eller også skubbes det foran møtrikken. I begge tilfælde opstår der en brud på smørefilmen, hvilket i starten forårsager temperaturstigning og stick-slip med til tider øredøvende lyde og senere fører til ødelæggelse af gevinddrevet.
Ved omkretshastigheder på få cm/s er det absolut nødvendigt at anvende smøremiddel eller smøreposer på gevindspindlerne for at forhindre denne stick-slip-effekt. Smørelommerne forhindrer, at smøremidlet blot presses væk af for høj kanttryk og generelt højt specifikt arealtryk. Smøremidlet bør ideelt set være et fedt med konsistens 0 eller 00 og skal nærmest trækkes ind i smørespalten.
Hvordan kan man løse dette problem? Allerede ved konstruktørernes krav til udførelsen af gevindfremstillingen lægges grundstenen til at undgå smøreproblemer og dermed de deraf følgende problemer. Gevindskruer kan fremstilles ved hjælp af forskellige fremstillingsmetoder: Gevindskæring og gevindfræsning er metoder, der af økonomiske årsager næsten ikke længere anvendes til ovennævnte gevindskruer. Ved gevindvalsning (eller rullning) fremstilles gevindspindler ved hjælp af en spånfri koldformning. Denne fremstillingsmetode er ganske økonomisk, men på grund af de meget høje værktøjs- og indstillingsomkostninger kan den oftest kun anvendes i store serier.
Blødt snit med glat overflade
Desuden fremmer rullede gevindspindler smørefilmens brud på grund af den absolut blanke gevindflankeoverflade. Det rullede trapezgevind har på grund af deformationsprocessen i prægpolering/pressepolering en for høj flankeoverfladekvalitet, hvor smørelommerne mangler. Dette kan føre til den frygtede stick-slip eller til brud på smørefilmen mellem spindel og møtrik. Smøremidlet presses ud af gevindgangene på grund af for høj kanttryk og generelt højt specifikt fladetryk.
Denne udpresning er mulig, hvis materialerne i glideleje-parret ikke har smørelommer, hvor smøremidlet kan opbevares. Resultatet er alvorlige følgeskader i de berørte anlæg i form af skrigende spindler og fastklemte møtrikker og helt op til komplet termisk svejsning af hele løftesystemer.
Det ofte fremførte argument om længere levetid for rullede gevindspindler kan ikke bekræftes uden undtagelse. Virksomheden Wirths-Werres kunne bevise dette i en vedvarende belastningstest. »De hvirvlede gevindspindler viste kun minimale slidspor, selv efter mange timers drift«, understreger konstruktør Christian Zahn. Ifølge Zahn fører de spændinger, der opstår i materialet som følge af rulleprocessen, ofte til kostbar efterbearbejdning. I en direkte sammenligning har Wirths-Werres valgt højkvalitets spindler i rullet udførelse, da prisforskellen mellem rullede og rullede spindler for mange diametre nu er ubetydelig.
Bornemann Gewindetechnik fremstiller gevindspindler ved hjælp af hvirvelbearbejdning. Hvirvelværktøjet til fremstilling af spindelgevind består af en drevet hvirvelring med et sæt profilværktøjer og arbejder i den såkaldte hylerskæring, da emnet roterer inden for denne værktøjsring under bearbejdningen. Da hylerskæringen begynder ved den ydre diameter med spåntykkelse (og spåndybde) 0 og stiger kontinuerligt til den beregnede spåntykkelse (og spåndybde eller gevinddybde) for derefter at forlade emnet igen med 0, opnås et meget blødt snit med en meget glat overflade.
Da et værktøjssæt består af flere enkeltskær, der arbejder efter hinanden i afbrudt skæring, opstår der mellem de enkelte skæringer mikroskopisk små afbrydelser i emnets overflade, som danner polygonlignende, konkave facetter i μ-området (smørelommer). Disse smøreposer er hemmeligheden bag de gode smørefilmegenskaber ved de hvirvlende gevindspindler.
Sammenligningen af de forskellige gevindfremstillingsmetoder giver følgende konklusion: Valsning og slibning af gevindprofiler er moderne fremstillingsmetoder, der kan anbefales til mange anvendelsesformål, men til brug af trapezgevindskruer til spindelanlæg bør man foretrække den hvirvelmetode, der anvendes hos Bornemann Gewindetechnik.