Nehéz terhek kezelése – nagy terhelésű trapézmenetes hajtások emelőberendezésekhez
A nagy terhelésű trapézmenetes hajtások tervezése alapvető fontosságú az emelőberendezések biztonságos és zavartalan működése szempontjából, és magas követelményeket támaszt a tervezőkkel szemben.
A szakma körében jól ismert Bornemann Gewindetechnik cég több mint 25 éve gyárt menetes orsókat és anyákat számos iparág számára. A gyártás egyik fő területe a nehéz teherbírású emelőberendezésekhez szánt, beépítésre kész trapézmenetes hajtások gyártása, amelyek orsókból és anyakészletekből állnak. Néhány példa: emelőberendezések vasúti járművekhez, berendezések színházakhoz, illetve színpadépítéshez és speciális gépgyártáshoz. Ezen hajtások tervezése és konstrukciója elengedhetetlen a berendezések biztonságos és zavartalan működéséhez, és magas követelményeket támaszt a tervezőkkel szemben.
De mire kell figyelni a nagy terhelésű menetes orsók esetében? Azoknál a menetes emelőknél, amelyek terhelés alatt > 20 N/mm2 felületi nyomást érnek el, és emellett nagyon alacsony kerületi sebességgel működnek, elengedhetetlen a menetes profilok teherviselő felületeinek állandó kenése. A nem megfelelő kenés ugyanis fokozott kopáshoz, túlzott hőfejlődéshez és a hírhedt stick-slip hatáshoz vezethet.
A kenőanyagon múlik minden
A tapadás-csúszás hatás, más néven tapadási csúszás hatás, a egymáshoz képest mozgó szilárd testek rángatózó csúszását írja le. Az effektus akkor jelentkezik, ha a tapadási súrlódás nagyobb, mint a csúszási súrlódás. Ez a tribológiai rendszertől függően rezgések keletkezéséhez vezet, amelyeket a rezonáns felület zajként sugároz (visító és nyikorgó orsók).
A hatás általában megszűnik, amint a súrlódó feleket egy közbenső anyag vagy kenőanyag választja el egymástól. A stick-slip hatás műszaki alkalmazásokban gyakran nem kívánatos. A stick-slip hatás negatív hatásai többek között csapágyaknál, lineáris technika vezetéseinél vagy emelőtechnika menetes orsóinál figyelhetők meg. Az ajtó nyikorgása, a vasút kanyarokban való csikorgása, valamint az autó szélvédőjén kattogó ablaktörlők általánosan ismert következményei ennek a hatásnak.
Ha ez a hatás jelentkezik, az a kenőanyag (zsír) kiválasztásának is betudható lehet. Ralph Wuertele, a Klüber Lubrication alkalmazástechnikai menedzsere így magyarázza: „Különösen a nehéz teherbírású emelőberendezésekben a nem megfelelő kenőanyagok könnyen kenési hiányhoz vezethetnek, ami fokozott kopást okoz, és így a berendezés idő előtti meghibásodásához vezet.”
Gyakran ez a jelenség a csigák kivitelében is megmutatkozik. A menetes profil oldalsó felületén hiányzó kenőzsebek megakadályozzák, hogy a felvitt kenőanyag megmaradjon, amikor az anyaprofilok nagy felületi terheléssel csúsznak a csiga felületén. A kenőanyagot vagy az oldalsó felületről nyomják le, vagy az anya előtt tolják el. Minden esetben a kenőfilm megszakad, ami kezdetben hőmérséklet-emelkedést és stick-slip jelenséget okoz, részben fülsiketítő zajokkal, majd később a menetes hajtás megsemmisüléséhez vezet.
Néhány cm/s kerületi sebesség esetén a kenőanyag jelenléte vagy a kenőzsákok megléte a menetes orsókon elengedhetetlenül szükséges a tapadás-csúszás hatás megelőzéséhez. A kenőzsákok megakadályozzák, hogy a kenőanyagot a túl nagy élnyomás és általában a magas fajlagos felületi nyomás egyszerűen eltolja. A kenőanyag ideális esetben 0 vagy 00 konzisztenciájú zsírnak kell lennie, és gyakorlatilag be kell húzni a kenőrésbe.
Hogyan lehet megoldani ezt a problémát? Már a tervezők által a menetek gyártására vonatkozó követelményekben lefektetik az alapokat a kenési problémák és az azokból eredő következmények megelőzésére. A menetes hajtások különböző gyártási eljárásokkal készülhetnek: A menetvágás és a menetmarás olyan eljárások, amelyeket gazdasági okokból már alig alkalmaznak a fent említett menetes hajtások gyártásában. A menetvágás (vagy hengerlés) során a menetorsókat forgácsolás nélküli hidegformázással állítják elő. Ez a gyártási eljárás nagyon gazdaságos, de a nagyon magas szerszám- és beállítási költségek miatt általában csak nagy sorozatgyártásban alkalmazható.
Lágy vágás sima felülettel
Ezenkívül a hengerelt menetes orsók az abszolút sima menetes felületüknek köszönhetően elősegítik a kenőfilm szakadását. A hengerelt trapézmenetes orsó a sajtolásos/préseléssel történő polírozás során túl nagy felületi minőséget kap, amelyben hiányoznak a kenőzsebek. Ennek következtében a rettegett tapadás-csúszás, illetve a kenőfilm szakadása léphet fel a csiga és az anya között. A kenőanyagot a túl magas élnyomás és az általában magas fajlagos felületi nyomás nyomja ki a menetekből.
Ez a kinyomás akkor lehetséges, ha a csúszócsapágypár anyagában nincsenek kenőzsákok, amelyekben a kenőanyag tárolható. Ennek eredményeként súlyos következményi károk keletkeznek az érintett berendezésekben, például visító orsók és beragadt anyák, vagy akár teljes emelőrendszerek teljes hőhegesztése.
A hengerelt menetes orsók hosszabb élettartamára vonatkozóan gyakran hangoztatott érv nem minden esetben igazolható. A Wirths-Werres vállalat ezt egy tartós terheléses teszt során bizonyította. „A hengerelt menetes orsók még sok órányi üzemeltetés után is csak minimális kopásnyomokat mutattak” – hangsúlyozza Christian Zahn tervezőmérnök. Zahn szerint a hengerléssel keletkező feszültségek az anyagban gyakran költséges utómunkálatokhoz vezetnek. Közvetlen összehasonlításban a Wirths-Werres a kiváló minőségű, hengerelt orsók mellett döntött, mivel a hengerelt és hengerelt orsók közötti árkülönbség sok átmérő esetében mára elhanyagolhatóvá vált.
A Bornemann Gewindetechnik szálcsavarokat gyárt örvénylési eljárással. A szálcsavarok gyártásához használt örvénylő szerszám egy hajtott örvénylő gyűrűből és egy profilszerszám-készletből áll, és úgynevezett burkolóvágással működik, mivel a munkadarab a megmunkálás során e szerszámgyűrű belsejében forog. Mivel a burkoló vágás a külső átmérőn 0 forgácssávvastagsággal (és forgácsmélységgel) kezdődik, és folyamatosan emelkedik a számított forgácssávvastagságig (és forgácsmélységig, illetve menetmélységig), majd ismét 0-val lép ki a munkadarabból, így nagyon sima vágás és nagyon sima felület jön létre.
Mivel egy szerszámkészlet több egyedi vágóélből áll, amelyek egymás után szakaszos vágással működnek, az egyes vágások között mikroszkopikus méretű szakadások keletkeznek a munkadarab felületén, amelyek μ-tartományban sokszögszerű, konkáv csiszolási felületeket (kenőzsebeket) hoznak létre. Ezek a kenőzsebek a forgácsoló menetes orsók jó kenőfilm-tulajdonságainak titka.
A különböző menetgyártási eljárások összehasonlítása alapján a következő következtetés vonható le: a menetprofilok hengerlése és csiszolása modern és sok alkalmazási területen ajánlott gyártási eljárás, azonban trapézmenetes hajtások emelőorsó-berendezésekben történő alkalmazása esetén a Bornemann Gewindetechnik által alkalmazott örvényeljárás előnyösebb.