Określanie żywotności gwintu: Szybciej, dokładniej i oszczędniej – nawet w przypadku rozwiązań niestandardowych

Wrzeciona gwintowane i nakrętki stanowią centralną część współczesnego życia od zarania industrializacji. Zaskakujący fakt: obecnie praktycznie niemożliwe jest przewidzenie ich trwałości i zużycia, co ma kluczowe znaczenie dla zabezpieczenia inwestycji. Przedstawiamy nowy system testowania gwintów TriboLife: może on szybko odtworzyć zużycie poprzez testy eksperymentalne, czyniąc drogie stanowiska do testów wytrzymałościowych w dużej mierze zbędnymi.

Tarcie wytwarza ciepło. Nawet osoby niebędące inżynierami mogą z łatwością zrozumieć to stwierdzenie. Tarcie to jednak znacznie więcej. Mówiąc dokładniej, tarcie to opór, który pojawia się, gdy dwa stykające się ciała poruszają się. Tarcie zapewnia przyczepność. Tarcie pozwala nam zatrzymać się na wilgotnej podłodze wyłożonej kafelkami po wzięciu prysznica.

Starożytne prawa tarcia z 1699 roku – i wiele pytań bez odpowiedzi

Istnieje wiele przykładów pozytywnego wpływu tarcia. Ale tarcie powoduje również wiele konsternacji dla inżynierów i zastosowań technicznych, co można łatwo zaobserwować na przykładzie wrzecion gwintowanych. Jeśli wrzeciona gwintowane są instalowane w maszynach i systemach, są one zwykle narażone na duże obciążenia. Niezawodność i maksymalna trwałość mają zatem szczególne znaczenie, zwłaszcza w przypadku urządzeń podnoszących. Problem: nawet dzisiaj nauka nadal ma trudności z dokładnym obliczeniem sił tarcia. Prawa tarcia, których używamy dzisiaj, można prześledzić wstecz do Guillaume Amontons w roku 1699.

W gwintach i maszynach: Tarcie prowadzi do wibracji

Efekty tarcia statycznego i tarcia ślizgowego mają bezpośredni wpływ na drgania obrabianego przedmiotu, a zatem utrudniają wiarygodne przewidywanie żywotności gwintów. Jednak obecnie naukowcy ponownie skupiają się na tym temacie. Jeśli spojrzymy na powierzchnie dwóch stykających się powierzchni na poziomie atomowym, pomiary pokazują, że powierzchnie doświadczają ekstremalnych wibracji powyżej pewnej amplitudy. Wibracje te są kontynuowane jako wibracje w nici i są całkowicie nieuporządkowane i chaotyczne na poziomie atomowym. Innymi słowy: tarcie jest i pozostaje trudne do obliczenia w dokładnych liczbach. W praktyce uzyskanie wiarygodnych informacji na temat trwałości i żywotności gwintów często wymaga długich, wielotygodniowych testów obciążeniowych. Symulacja starzenia pochłania zasoby, kosztuje dużo pieniędzy i wywiera presję na produktywność.

„Oczywiście, jako specjaliści od gwintów, jesteśmy stale pytani o żywotność naszych produktów” – mówi Moritz von Soden, dyrektor zarządzający Bornemann Gewindetechnik. „Nasi inżynierowie muszą wtedy wyjaśnić złożoność tarcia fizycznego. Szczególnie w przypadku gwintów trapezowych nie ma prawie żadnych wiarygodnych metod obliczeniowych. Jednak we współpracy z SincoTec Test & Engineering GmbH udało nam się opracować procedurę testową, która pozwala nam bardzo precyzyjnie i znacznie szybciej określić żywotność układu wrzeciono/nakrętka”.

Innowacyjny, szybki, precyzyjny: system testowania gwintów TriboLife

Uszkodzenia zmęczeniowe są zwykle używane do obliczania żywotności komponentów w inżynierii mechanicznej (na przykład pęknięcie materiału). W przypadku gwintów „całkowita awaria” jest jednak mniej ważnym czynnikiem niż obliczanie zużycia. W szczególności w przypadku gwintów trapezowych projektowanie nie jest zatem równoznaczne z obliczaniem żywotności.

Dzięki TriboLife procesy starzenia można eksperymentalnie odtworzyć szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Sprawia to, że długoterminowe testy na specjalnie zaprojektowanych stanowiskach testowych stają się w dużej mierze zbędne. Można stosować obciążenia wstępne rzędu kilku ton. Możliwe jest zastosowanie szerokiej gamy różnych smarów. Interakcja między nakrętką a gwintem jest zapewniona dzięki swobodnie regulowanemu kątowi. Ponadto gwinty mogą być poddawane szerokiemu zakresowi temperatur podczas testowania. TriboLife osiąga częstotliwość testową 25 Hz, co oznacza, że zużycie występujące przez 10 lat można odtworzyć w ciągu jednego tygodnia. Dla wielu projektantów, szczególnie tych pracujących nad nowymi rozwiązaniami, ten rodzaj wiarygodnych danych dotyczących zużycia jest ważny, szczególnie jeśli chodzi o porównywanie materiałów i metod produkcji w kilku seriach testowych.

Eksperymentalne obliczanie żywotności złożonych elementów gwintowanych

„Dokładne przewidywanie żywotności gwintów jest nadal wyzwaniem, nawet z TriboLife. Jednak zakres jego zastosowania jest szeroki. Szybki system testowania jest naprawdę korzystny, szczególnie w przypadku prawidłowego projektowania gwintów trapezowych” – wyjaśnia Dipl.-Ing. Steffen Krause, Head of Development w SincoTec Test & Engineering GmbH. „Pozwala to naszemu partnerowi Bornemann pomagać wymagającym klientom na zupełnie nowym poziomie. Przypomnijmy: do tej pory intensywne testy wytrzymałościowe były po prostu zbyt drogie dla większości zastosowań. TriboLife pozwala nam zrobić więcej – w przyszłości będziemy w stanie wydawać dokładne oświadczenia dotyczące zużycia i żywotności, nawet w przypadku gwintów specjalnych”.

Więcej informacji na temat TriboLife można również znaleźć w serwisie YouTube:

O Bornemann

Bornemann Gewindetechnik (www.bornemann-gewindetechnik.de) produkuje gwinty o wszystkich specjalnych kształtach i rozmiarach. Produkujemy niestandardowe rozwiązania dla technologii podnoszenia i hydraulicznych konstrukcji stalowych, a także urządzenia platformowe i zasuwy do zapór, by wymienić tylko kilka z nich. Oprócz wymagających, wysoce precyzyjnych prac związanych z gwintami doczołowymi, śrubami pociągowymi i gwintami wielostopniowymi, koncentrujemy się również na produkcji dużych, gotowych do montażu wrzecion z gwintem trapezowym i zestawów nakrętek. Jako materiału wyjściowego można użyć dowolnego materiału nadającego się do obróbki. Standardowe rozmiary wrzecion gwintowanych wynoszą od 10 do 300 mm średnicy i do 10 m długości. Dłuższe długości do 100 m mogą być produkowane w wieloczęściowych konstrukcjach. Zoptymalizowany proces produkcyjny firmy Bornemann pozwala uzyskać powierzchnie gwintów o jakości odpowiadającej gwintom szlifowanym.