Ciężkie ładunki pod kontrolą – śruby trapezowe o wysokiej nośności do urządzeń podnoszących
Konstrukcja wysoko obciążonych śrub trapezowych stanowi podstawę bezpiecznej i płynnej pracy urządzeń podnoszących – i stawia przed konstruktorami wysokie wymagania.
Znana w kręgach branżowych firma Bornemann Gewindetechnik od ponad 25 lat produkuje śruby i nakrętki gwintowane dla wielu gałęzi przemysłu. Jednym z głównych obszarów działalności firmy jest produkcja gotowych do montażu przekładni śrubowych trapezowych, składających się z śrub i nakrętek, przeznaczonych do ciężkich urządzeń podnoszących. Oto kilka przykładów: urządzenia podnoszące do pojazdów szynowych, urządzenia teatralne, sceniczne oraz do budowy maszyn specjalnych. Projektowanie i konstrukcja tych przekładni są warunkiem bezpiecznej i płynnej pracy urządzeń i stawiają wysokie wymagania konstruktorom.
Na co należy zwrócić uwagę w przypadku śrub gwintowanych do dużych obciążeń? W przypadku napędów śrubowych, które pod obciążeniem osiągają nacisk powierzchniowy > 20 N/mm2 i pracują przy bardzo niskich prędkościach obwodowych, konieczne jest stałe smarowanie powierzchni nośnych profili gwintowanych. Niedostateczne smarowanie może bowiem prowadzić do zwiększonego zużycia, nadmiernego wydzielania ciepła, a także do znanego efektu stick-slip.
Wszystko zależy od smaru
Efekt stick-slip, zwany również efektem przyczepności ślizgowej, opisuje gwałtowne ślizganie się ciał stałych poruszających się względem siebie. Efekt ten może wystąpić zawsze wtedy, gdy tarcie statyczne jest większe niż tarcie dynamiczne. W zależności od układu tribologicznego prowadzi to do wzbudzenia drgań, które są emitowane jako hałas przez powierzchnię rezonansową (piszczące i skrzypiące wrzeciona).
Efekt ten znika zazwyczaj, gdy elementy cierne zostaną oddzielone przez środek pośredniczący lub smar. Efekt stick-slip jest często niepożądany w zastosowaniach technicznych. Negatywny wpływ efektu stick-slip można zaobserwować między innymi w łożyskach, prowadnicach w technice liniowej lub w śrubach gwintowanych w technice podnoszenia. Odgłosy takie jak skrzypienie drzwi, piski wagonów kolejowych podczas pokonywania zakrętów oraz stukot wycieraczek na szybach samochodowych są powszechnie znanymi skutkami tego efektu.
Jeśli wystąpi ten efekt, może to wynikać z wyboru środka smarnego (smaru). Ralph Wuertele, kierownik ds. inżynierii zastosowań w firmie Klüber Lubrication, wyjaśnia: „Szczególnie w urządzeniach do podnoszenia ciężkich ładunków nieodpowiednie środki smarne mogą łatwo prowadzić do niedostatecznego smarowania, co powoduje zwiększone zużycie, a tym samym przedwczesną awarię urządzenia”.
Często zjawisko to wynika również z konstrukcji wrzecion. Brak kieszeni smarowych na powierzchni nośnej profilu gwintu uniemożliwia utrzymanie się nałożonego smaru, gdy profile nakrętek przesuwają się po wrzecionie z dużym obciążeniem powierzchniowym. Smar jest albo wyciskany z powierzchni, albo przesuwany przed nakrętką. W każdym przypadku dochodzi do zerwania warstwy smaru, co początkowo powoduje wzrost temperatury i zjawisko stick-slip, któremu towarzyszą czasami ogłuszające odgłosy, a później prowadzi do zniszczenia przekładni śrubowej.
Przy prędkościach obwodowych wynoszących kilka cm/s obecność smaru lub kieszeni smarowych na śrubach gwintowanych jest absolutnie konieczna, aby zapobiec efektowi stick-slip. Kieszenie smarowe zapobiegają wypychaniu smaru przez zbyt duże ciśnienie krawędziowe i ogólnie wysokie ciśnienie właściwe na powierzchnię. Smar powinien być idealnie smarem o konsystencji 0 lub 00 i musi być praktycznie wciągany do szczeliny smarowej.
Jak można rozwiązać ten problem? Już na etapie stawiania wymagań dotyczących wykonania gwintów przez konstruktorów kładzie się podwaliny pod wyeliminowanie problemów związanych ze smarowaniem, a tym samym problemów wynikających z tego tytułu. Przekładnie śrubowe mogą być wytwarzane różnymi metodami: Gwintowanie i frezowanie gwintów to metody, które ze względów ekonomicznych są obecnie rzadko stosowane w przypadku wyżej wymienionych przekładni śrubowych. W przypadku walcowania gwintów (lub walcowania) śruby gwintowane są wytwarzane poprzez bezwiórowe formowanie na zimno. Ta metoda produkcji jest dość ekonomiczna, ale ze względu na bardzo wysokie koszty narzędzi i wyposażenia stosowana jest zazwyczaj tylko w przypadku produkcji wielkoseryjnej.
Miękkie cięcie z gładką powierzchnią
Ponadto walcowane śruby gwintowane sprzyjają zrywaniu się warstwy smaru dzięki całkowicie gładkiej powierzchni boków gwintu. Walcowany gwint trapezowy ma zbyt wysoką jakość powierzchni boków w wyniku procesu odkształcania podczas polerowania tłocznego/prasowego, w którym brakuje kieszeni smarowych. W rezultacie może dojść do niepożądanego zjawiska stick-slip lub zerwania warstwy smaru między śrubą a nakrętką. Smar jest wyciskane z gwintów przez zbyt duży nacisk krawędziowy i ogólnie wysokie ciśnienie właściwe na powierzchnię.
Wyciskanie to jest możliwe, gdy materiały pary łożysk ślizgowych nie mają kieszeni smarowych, w których można przechowywać smar. Skutkuje to poważnymi uszkodzeniami w dotkniętych tym problemem urządzeniach, od piszczących wrzecion i zacinających się nakrętek po całkowite zgrzanie termiczne całych systemów podnoszących.
Często przytaczany argument dotyczący dłuższej żywotności walcowanych śrub gwintowanych nie zawsze znajduje potwierdzenie. Firma Wirths-Werres udowodniła to w teście wytrzymałościowym. „Śruby gwintowane walcowane wykazywały minimalne ślady zużycia nawet po wielu godzinach pracy” – podkreśla konstruktor Christian Zahn. Według Zahna, naprężenia powstałe w materiale w wyniku procesu walcowania często prowadzą do kosztownych poprawek. W bezpośrednim porównaniu firma Wirths-Werres zdecydowała się na wysokiej jakości śruby w wersji wirkowej, ponieważ różnica cenowa między śrubami walcowanymi i wirkowymi jest obecnie nieistotna w przypadku wielu średnic.
Firma Bornemann Gewindetechnik produkuje śruby gwintowane metodą wirówkowania. Narzędzie wirówkowe do produkcji gwintów śrubowych składa się z napędzanego pierścienia wirówkowego z zestawem narzędzi profilowych i działa w tak zwanym cięciu powłokowym, ponieważ podczas obróbki obrabiany element obraca się wewnątrz tego pierścienia narzędziowego. Ponieważ cięcie obwodowe na średnicy zewnętrznej rozpoczyna się od grubości (i głębokości) wióra 0 i stale wzrasta do obliczonej grubości (i głębokości wióra lub głębokości gwintu), a następnie ponownie wychodzi z elementu obrabianego z wartością 0, uzyskuje się bardzo miękkie cięcie z bardzo gładką powierzchnią.
Ponieważ zestaw narzędzi składa się z kilku pojedynczych ostrzy, które pracują kolejno w trybie przerywanym, między poszczególnymi cięciami powstają mikroskopijne przerwy w powierzchni obrabianego przedmiotu, które tworzą wielokątne, wklęsłe fasetki w zakresie μ (kieszenie smarowe). Te kieszenie smarowe są sekretem dobrych właściwości filmu smarowego wrzecion gwintowanych.
Porównanie różnych metod produkcji gwintów pozwala stwierdzić, że walcowanie i szlifowanie profili gwintów to nowoczesne metody produkcji, które można polecić w wielu przypadkach, ale do napędów śrubowych z gwintem trapezowym w urządzeniach z wrzecionem podnoszącym lepiej wybrać metodę wirówkowania, którą stosuje firma Bornemann Gewindetechnik.