Stick-slip-effect
Het bedrijf Bornemann Gewindetechnik produceert al meer dan 25 jaar schroefspindels en moeren voor vrijwel alle mogelijke toepassingen in alle industrietakken. Een belangrijk onderdeel van de productie is de fabricage van inbouwklare trapeziumschroefdraadtransmissies, bestaande uit spindels en moersets voor zware hijsinrichtingen, zoals die worden gebruikt in de sector van hijsinrichtingen voor spoorvoertuigen, in de theater- en podiumbouw en in de bouw van speciale machines.
Voor de betrouwbare werking van hijswerktuigen zijn de oppervlakken van de schroefspindels en de keuze van het geschikte smeermiddel van groot belang. Het beruchte stick-slip-effect moet worden vermeden. Hans Gereke-Bornemann (Bornemann-Gewindetechnik, directie): „Wanneer er bij ons melding wordt gemaakt van problemen met spindelhefinstallaties, kan men er in het algemeen van uitgaan dat een van de volgende factoren deel uitmaakt van de oorzaak: de oppervlaktekwaliteit van de spindels, verontreinigingen, de inbouwpositie van het systeem of ook in bijzondere mate de keuze van het smeermiddel. In veel gevallen is het probleem echter een complexe combinatie van meerdere van deze factoren. Het is daarom belangrijk om bij het ontwerp voldoende rekening te houden met elk van deze factoren.”
Het stick-slip-effect
Het stick-slip-effect (van het Engelse ‘stick’ = ‘hechten’ en ‘slip’ = ‘glijden’), ook wel het hecht-glij-effect genoemd, beschrijft het schokkerig glijden van vaste lichamen die ten opzichte van elkaar bewegen. Dit effect kan zich voordoen wanneer de statische wrijving groter is dan de dynamische wrijving.
Afhankelijk van het tribologische systeem leidt dit tot het opwekken van trillingen, die door een resonant oppervlak als geluid worden uitgestraald (‘krakende’ en ‘piepende’ spindels). Het effect verdwijnt meestal zodra de wrijvingspartners worden gescheiden door een tussenlaag of smeermiddel. Het stick-slip-effect is in technische toepassingen vaak ongewenst. Negatieve invloeden door het stick-slip-effect kunnen onder andere worden waargenomen bij lagers, geleidingen in de lineaire techniek of bij schroefspindels in de hijstechniek.
Ralph Wuertele (Klüber Lubrication, Manager Application Engineering): “Juist in installaties voor zware hijstechniek kunnen ongeschikte smeermiddelen gemakkelijk leiden tot onvoldoende smering, wat verhoogde slijtage veroorzaakt en daarmee tot voortijdig uitvallen van de installatie leidt.” Als direct waarneembaar neveneffect van deze onvoldoende smering treden dan doorgaans de genoemde schreeuwende en piepende geluiden op.
In het ergste geval kunnen dergelijke situaties van onvoldoende smering zelfs leiden tot micro- of koudlassen van complete hefsystemen, het zogenaamde „vastlopen“ van de moeren, met ernstige gevolgschade tot en met uitval van de betreffende installaties.
Hier speelt de materiaalcombinatie van het spindel-moersysteem een doorslaggevende rol. Bij materiaalcombinaties van grijs gietijzer en staal kan het ijzergehalte in de materialen koudlassen bevorderen. Bij een combinatie van brons en staal kan koudlassen in het algemeen worden uitgesloten. Waar moet dus op worden gelet om deze gevreesde situaties van onvoldoende smering of het zogenaamde stick-slip-effect te voorkomen?
Materiaalcompatibiliteit
Het smeermiddel moet aantoonbaar compatibel zijn met de materialen van de balg en de afdichting. Als dit niet het geval is, kan het smeermiddel deze materialen aantasten en bijvoorbeeld leiden tot porositeit, scheuren of uitstulpingen. Het gevolg zou lekkage zijn met smeermiddelverlies of het binnendringen van vuil. In beide gevallen kan de balg of het afdichtingssysteem zijn functie niet langer naar behoren vervullen. Om hier zekerheid over te verkrijgen, moeten compatibiliteitstests tussen het smeermiddel en de balg- en afdichtingsmaterialen worden uitgevoerd bij de toegestane maximale gebruikstemperatuur gedurende ten minste 168 uur.
Volgens de balgfabrikant MFB-Technik zijn de juiste keuze van het balgmateriaal en het rekening houden met externe omgevingsinvloeden belangrijke criteria die de levensduur van de balgen beïnvloeden, maar die vaak door klanten over het hoofd worden gezien.
Oppervlak van de schroefdraadspindels
Verschillende factoren zorgen ervoor dat het smeermiddel blijft zitten waar het nodig is. Een daarvan is de oppervlaktetopografie van de schroefdraadspindels en moeren, die door het bedrijf Bornemann-Gewindetechnik via het wervelproces wordt vervaardigd. Hierdoor ontstaan er microscopisch kleine smeerholtes op het schroefdraadoppervlak. Deze smeerholtes zorgen ervoor dat het smeermiddel bij hoge oppervlaktebelasting niet wordt weggedrukt, maar in de “dalen” van het oppervlak blijft, omdat het niet in contact komt met de draagflanken van de schroefdraadprofielen.
Bij schroefspindels die met het rolproces zijn vervaardigd, verhinderen de ontbrekende smeerholtes aan de draagflank van het schroefdraadprofiel vaak dat het aangebrachte smeermiddel achterblijft wanneer de moerprofielen met een hoge oppervlaktebelasting over de spindel glijden. Ofwel wordt het smeermiddel van de flank gedrukt, ofwel wordt het voor de moer uitgeschoven. In beide gevallen treedt er een afscheuring van de smeerfilm op, wat in eerste instantie leidt tot temperatuurstijging en stick-slip met deels oorverdovende geluiden, en later tot de vernietiging van de schroefdraadaandrijving. Moritz von Soden (verkoopmanager, Bornemann-Gewindetechnik): „Veel van onze klanten zijn actief in de sector van de zware hijstechniek. Hier worden consequent schroefspindels in gewirbelde uitvoering gebruikt om de bekende problemen bij onvoldoende smering te voorkomen”.
Verder speelt de hechting van het smeermiddel zelf een belangrijke rol. Deze wordt bepaald door de samenstelling van het smeermiddel, met name het type en de hoeveelheid verdikkingsmiddel. Daarnaast is het reinigen van het oppervlak vóór het aanbrengen van het smeermiddel van cruciaal belang. Resten van metaalbewerkingsvloeistoffen zijn bijvoorbeeld niet bevorderlijk voor de hechting.
Vloeigedrag
De juiste schroefdraadgeometrie van de moer zorgt ervoor dat deze het smeermiddel niet voor zich uit duwt, maar als het ware in de smeeropening trekt. Toch kan het smeermiddel snel van het wrijvingspunt worden weggevoerd of weggeslingerd – het moet echter zo snel mogelijk weer terugvloeien. Om deze reden adviseert Klüber Lubrication hier smeervetten van consistentieklasse NLGI 0, of beter nog 00, te gebruiken. De spindelsystemen moeten uiteraard goed afgedicht zijn. De hoeveelheid vet moet ten minste 30% van het volume tussen spindel en balg vullen.
Olieafgifte
Vanwege de relatief lage glijsnelheden en hoge oppervlaktedrukken in het tribosysteem van spindelmoer bij spindelhefinstallaties kan er geen hydrodynamisch opgebouwde smeerfilm ontstaan – wat tot onvoldoende smering zou kunnen leiden. In deze bedrijfssituatie zijn de additieven bepalend voor de prestaties van het smeermiddel. Aangezien de additieven zijn opgelost in het oliegedeelte van het smeervet, moet het smeervet onder belasting voldoende olie afgeven. Dankzij zijn goede vloeibaarheid bereikt de olie, inclusief de additieven, gemakkelijk de eigenlijke wrijvingsplaats en zorgt zo voor een betrouwbare smering.
Corrosiebescherming
Een andere eis die aan het smeermiddel wordt gesteld, vloeit voort uit de dichtheid van het systeem: aangezien de balg doorgaans niet luchtdicht is afgesloten, kan condensvorming aan de binnenkant in principe niet worden uitgesloten. Om deze reden moet het smeermiddel een hoge waterbestendigheid hebben en zeer goede corrosiebescherming bieden.
Marc Schillig (directeur van MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG): „Ook wij worden regelmatig geconfronteerd met het probleem van „condenswater“. In principe geldt: „Luchtdicht werkt niet“. De luchtverversing moet bij bewegingen gewaarborgd zijn, omdat de balg anders zeker beschadigd raakt. Voor dit probleem worden hoogwaardige zeven of kleppen gebruikt. Condenswater wordt via een afscheider door de overdruk bij het samentrekken van de balg naar buiten afgevoerd. We hebben al diverse oplossingen met onze klanten geïmplementeerd.”
Het bedrijf Bornemann-Gewindetechnik GmbH in Delligsen bij Hildesheim produceert al 25 jaar met 40 medewerkers op een bedrijfsoppervlakte van 3800 m² schroefdraad in alle speciale vormen, evenals draai- en freesonderdelen. Als uitgangsmateriaal worden alle verspaanbare materialen gebruikt. Daarnaast biedt het bedrijf reparaties aan voor defecte spindels. De standaardafmetingen voor schroefspindels liggen in het diameterbereik van 10 tot 180 millimeter en reiken tot een lengte van 6 meter. In moderne bewerkingscentra kunnen maattoleranties van h6 worden aangehouden. Bij een spindeldiameter van 100 millimeter komt h6 overeen met een tolerantie van 99,978 tot 100 millimeter, zodat kogellagers er op de juiste manier op gemonteerd kunnen worden. Met behulp van het wervelproces worden schroefdraadoppervlakken met slijpkwaliteit verkregen. De levertijd bedraagt 2 tot 3 weken na ontvangst van de bestelling.