Effetto stick-slip
Da oltre 25 anni, l’azienda Bornemann Gewindetechnik produce viti filettate e dadi per quasi tutte le applicazioni esistenti in tutti i settori industriali. Uno dei punti di forza della produzione è la realizzazione di trasmissioni a filettatura trapezoidale pronte per il montaggio, costituite da viti e set di dadi per impianti di sollevamento per carichi pesanti, come quelli utilizzati nel settore degli impianti di sollevamento per veicoli ferroviari, nella costruzione di teatri e palcoscenici e nella costruzione di macchine speciali.
Per il funzionamento affidabile dei dispositivi di sollevamento, le superfici delle viti filettate e la scelta del lubrificante adeguato sono di grande importanza. È necessario evitare il famigerato effetto stick-slip. Hans Gereke-Bornemann (Bornemann-Gewindetechnik, Amministratore Delegato): «Quando ci vengono segnalati problemi con i sistemi di sollevamento a vite, in genere si può presumere che uno dei seguenti fattori sia parte della causa: qualità superficiale delle viti, impurità, posizione di montaggio del sistema o, in misura particolare, la scelta del lubrificante. In molti casi, tuttavia, il problema è una complessa combinazione di diversi di questi fattori. È quindi necessario tenere in debita considerazione ciascuno di essi in fase di progettazione”.
L’effetto stick-slip
L’effetto stick-slip (dall’inglese stick, «aderire», e slip, «scivolare»), noto anche come effetto di aderenza-scorrimento, descrive lo scorrimento a scatti di corpi solidi che si muovono l’uno contro l’altro. L’effetto può verificarsi ogni volta che l’attrito statico è maggiore dell’attrito dinamico.
A seconda del sistema tribologico, ciò porta all’eccitazione di vibrazioni che vengono irradiate come rumore da una superficie in grado di risuonare (mandrini che “stridono” e “scricchiolano”). L’effetto scompare solitamente non appena i partner di attrito vengono separati da un lubrificante o da un materiale intermedio. L’effetto stick-slip è spesso indesiderato nelle applicazioni tecniche. Gli effetti negativi causati dall’effetto stick-slip possono essere osservati, tra l’altro, nei cuscinetti, nelle guide della tecnologia lineare o nelle viti filettate della tecnologia di sollevamento.
Ralph Wuertele (Klüber Lubrication, Manager Application Engineering): “Soprattutto negli impianti di sollevamento per carichi pesanti, lubrificanti inadeguati possono facilmente portare a condizioni di lubrificazione insufficiente, che causano un’usura maggiore e quindi un guasto prematuro dell’impianto.” Come effetto collaterale direttamente percepibile di questa lubrificazione insufficiente, di solito si verificano i rumori striduli e cigolanti menzionati.
Nel peggiore dei casi, tali condizioni di lubrificazione insufficiente possono addirittura causare micro-saldature o saldature a freddo di interi sistemi di sollevamento, il cosiddetto «grippaggio» dei dadi, con gravi danni conseguenti che possono arrivare fino al guasto degli impianti interessati.
In questo contesto, la combinazione dei materiali del sistema mandrino-dado gioca un ruolo decisivo. Nelle combinazioni di ghisa grigia e acciaio, la percentuale di ferro nei materiali può favorire la saldatura a freddo. In una combinazione di bronzo e acciaio, la saldatura a freddo può essere generalmente esclusa. Cosa occorre quindi tenere presente per evitare queste temute condizioni di lubrificazione insufficiente o il cosiddetto effetto stick-slip?
Compatibilità dei materiali
È necessario dimostrare che il lubrificante sia compatibile con i materiali del soffietto e delle guarnizioni. In caso contrario, il lubrificante potrebbe alterare tali materiali e causare, ad esempio, porosità, crepe o rigonfiamenti. La conseguenza sarebbero perdite con dispersione di lubrificante o infiltrazione di sporco. In entrambi i casi, il soffietto o il sistema di tenuta non sarebbero più in grado di svolgere la loro funzione come previsto. Per garantire la sicurezza, è necessario eseguire prove di compatibilità tra il lubrificante e i materiali del soffietto e delle guarnizioni alla temperatura massima di esercizio consentita per almeno 168 ore.
Secondo il produttore di soffietti MFB-Technik, la scelta corretta del materiale del soffietto e la considerazione delle influenze ambientali esterne sono criteri importanti che influenzano la durata dei soffietti, ma che spesso vengono trascurati dai clienti.
Superficie delle viti filettate
Diversi fattori contribuiscono a garantire che il lubrificante rimanga dove serve. Tra questi vi è la topografia superficiale delle viti filettate e dei dadi, che l’azienda Bornemann-Gewindetechnik realizza mediante il processo di vorticazione. In questo modo si creano delle cavità di lubrificazione microscopiche sulla superficie filettata. Queste cavità assicurano che il lubrificante, in caso di elevato carico superficiale, non venga espulso ma rimanga nelle “valli” della superficie, poiché non viene a contatto con i fianchi portanti dei profili filettati.
Nel caso di viti filettate prodotte con il processo di rullatura, la mancanza di cavità di lubrificazione sul fianco portante del profilo filettato spesso impedisce al lubrificante applicato di rimanere in posizione quando i profili dei dadi scorrono sulla vite con un elevato carico superficiale. Il lubrificante viene quindi spinto via dal fianco o spostato davanti al dado. In ogni caso si verifica una rottura del film lubrificante che inizialmente provoca un aumento della temperatura e stick-slip con rumori a volte assordanti, e successivamente porta alla distruzione della trasmissione filettata. Moritz von Soden (Direttore Vendite, Bornemann-Gewindetechnik): “Molti dei nostri clienti provengono dal settore della tecnica di sollevamento per carichi pesanti. In questo ambito vengono sistematicamente impiegati mandrini filettati in versione vorticata per evitare i noti problemi legati alla lubrificazione insufficiente”.
Inoltre, anche l’adesività del lubrificante stesso riveste un ruolo importante. Essa è determinata dalla composizione del lubrificante, in particolare dal tipo e dalla quantità di addensante. Inoltre, la pulizia della superficie prima dell’applicazione del lubrificante è fondamentale. I residui dei fluidi per la lavorazione dei metalli, ad esempio, non favoriscono l’adesione.
Comportamento di scorrimento
La geometria adeguata della filettatura del dado garantisce che il lubrificante non venga spinto in avanti, ma praticamente aspirato nella fessura di lubrificazione. Tuttavia, il lubrificante può essere rapidamente allontanato o espulso dal punto di attrito; dovrebbe però rifluire il più rapidamente possibile. Per questo motivo, Klüber Lubrication raccomanda l’uso di grassi fluidi della classe di consistenza NLGI 0, o meglio ancora 00. I sistemi a vite devono naturalmente essere adeguatamente sigillati. La quantità di grasso dovrebbe riempire almeno il 30% del volume tra la vite e il soffietto.
Rilascio di olio
A causa delle velocità di scorrimento piuttosto ridotte e delle elevate pressioni di contatto nel sistema tribologico mandrino-madre dei sistemi di sollevamento a mandrino, non è possibile la formazione di un film lubrificante idrodinamico, il che potrebbe causare una lubrificazione insufficiente. In questa situazione operativa, gli additivi determinano in modo decisivo le prestazioni del lubrificante. Poiché gli additivi sono disciolti nella frazione oleosa del grasso lubrificante, quest’ultimo deve rilasciare una quantità sufficiente di olio sotto carico. Grazie alla sua buona fluidità, l’olio, compresi gli additivi, raggiunge facilmente il punto di attrito vero e proprio, garantendo così una lubrificazione affidabile.
Protezione dalla corrosione
Un altro requisito richiesto al lubrificante deriva dalla tenuta del sistema: poiché il soffietto non è solitamente a tenuta d’aria, non è possibile escludere a priori la formazione di condensa all’interno. Per questo motivo, il lubrificante deve presentare un’elevata resistenza all’acqua e garantire un’ottima protezione dalla corrosione.
Marc Schillig (amministratore delegato di MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG): «Anche noi ci troviamo regolarmente di fronte al problema della “condensa”. In linea di principio, “l’ermeticità non funziona”. Il ricambio d’aria deve essere garantito durante i movimenti, altrimenti il soffietto subirà sicuramente dei danni. Per risolvere questo problema vengono utilizzati filtri o valvole di alta qualità. L’acqua di condensa viene convogliata verso l’esterno tramite un separatore grazie alla sovrapressione che si crea quando il soffietto si comprime. Abbiamo già implementato diverse soluzioni con i nostri clienti”.
L’azienda Bornemann-Gewindetechnik GmbH di Delligsen, nei pressi di Hildesheim, produce da 25 anni, con 40 dipendenti e una superficie aziendale di 3800 m², filettature in tutte le forme speciali, nonché pezzi torniti e fresati. Come materiale di partenza vengono utilizzati tutti i materiali lavorabili. Inoltre, l’azienda offre un servizio di riparazione di mandrini difettosi. Le dimensioni standard per le viti filettate vanno da un diametro di 10 a 180 millimetri e raggiungono una lunghezza massima di 6 metri. Nei moderni centri di lavorazione è possibile mantenere tolleranze dimensionali di h6. h6 corrisponderebbe, con un diametro del mandrino di 100 millimetri, a una tolleranza compresa tra 99,978 e 100 millimetri, in modo che i cuscinetti a sfere possano essere montati correttamente. Con l’ausilio del processo di tornitura, si ottengono superfici filettate con qualità di rettifica. Il tempo di consegna è di 2-3 settimane dal ricevimento dell’ordine.