Przeciwdziałanie zjawisku poślizgu i przywierania: Profile gwintowane z mikroskopijnymi zbiornikami smaru

Profile gwintów w podnośnikach ślimakowych, które są poddawane naciskowi powierzchniowemu > 20 N/mm2 pod obciążeniem i które działają przy niskich prędkościach obwodowych, wymagają stałego smarowania. Precyzyjne gwinty Bornemann stanowią część rozwiązania.

Gwinty, które nagle piszczą, wywołują alarm u doświadczonych operatorów maszyn. Doświadczenie pokazuje, że awaria systemu nie potrwa długo. Piszczenie jest oznaką zużycia i jest szczególnie prawdopodobne w przypadku łożysk, prowadnic i wrzecion gwintowanych w dziedzinie technologii podnoszenia ciężkich ładunków. Powód: brak smarowania. Rezultat: poślizg. Dwa ciała stałe – w przypadku gwintu, wrzeciono i nakrętka – stykają się ze sobą w szarpiącym ruchu. W najgorszych przypadkach może to skutkować mikrospawaniem lub spawaniem na zimno. Czy winę za to ponosi producent smaru?

„Nie”, mówi Moritz von Soden, dyrektor zarządzający w Bornemann Gewindetechnik. „To nie jest takie proste. Przyczyn zjawiska stick-slip jest wiele. Często jest to połączenie wielu różnych czynników. Jednak moim zdaniem podstawą do zapewnienia optymalnej żywotności gwintu jest jego konstrukcja. Jakość powierzchni gwintu jest głównym czynnikiem”.

Optymalne smarowanie boków gwintu – kieszenie smarowe przeciwdziałające zjawisku stick-slip

Zjawisko stick-slip lub po prostu stick-slip zwykle zanika, gdy tylko materiał pośredni lub środek smarny oddzieli stykające się powierzchnie. Jego efekt zależy również od kompatybilności środka smarnego z materiałami elastomerowymi, zachowania przepływu wstecznego, dostarczania oleju i poziomu ochrony antykorozyjnej.

Innym decydującym czynnikiem jest kombinacja materiałów w układzie wrzeciono/nakrętka. Na przykład, w przypadku połączenia żeliwa sferoidalnego i stali, zawartość żelaza w obu materiałach może sprzyjać spawaniu na zimno.

Zamiast koncentrować się na dostarczaniu smaru, kompatybilności smaru i kombinacji materiałów, Bornemann Gewindetechnik kładzie nacisk na precyzję w rozwoju topografii powierzchni gwintowanych wrzecion i nakrętek. Precyzja na poziomie mikroskopowym: mikroskopijne kieszenie smarowe – wgłębienia na powierzchni gwintowanej – pomagają zatrzymać smar tam, gdzie jest potrzebny (rysunki 1a i b), nawet przy największych obciążeniach powierzchni.

Gwinty produkowane przez firmę Bornemann niezawodnie wykazują te ważne kieszenie smarowe. Metoda walcowania gwintów nie może wytworzyć wgłębień na powierzchni gwintu i dlatego nie oferuje takiej alternatywy. W rezultacie wrzeciona gwintowane Bornemann są szczególnie popularne w dziedzinie technologii podnoszenia ciężkich ładunków. Narzędzie do produkcji wrzecion gwintowanych składa się z napędzanego pierścienia z zestawem matryc profilujących. Podczas obróbki wykonuje cięcia profilowe, gdy obrabiany przedmiot obraca się w pierścieniu matrycy.

Zestaw matryc składa się z kilku pojedynczych krawędzi tnących, które działają jedna po drugiej, aby wykonać cięcie przerywane. Podczas tego procesu na powierzchni przedmiotu obrabianego powstają mikroskopijne wgłębienia między poszczególnymi cięciami, które tworzą wielokątne, wklęsłe fazy o wielkości zaledwie mikrometrów. Na pierwszy rzut oka wgłębienia te wydają się wadami produkcyjnymi. W rzeczywistości te ślady obróbki poprawiają zachowanie operacyjne wrzecion gwintowanych. Mikroskopijne wgłębienia mogą działać jako mikrokieszenie smarne podczas smarowanego kontaktu ciernego. Kieszenie te wypełniają się smarem i w ten sposób przeciwdziałają wszelkim przerwom w filmie smarnym. Jak widać na rysunku 2a, mikrokieszenie smarne powodują hydrodynamiczny wzrost ciśnienia podczas smarowanego kontaktu ślizgowego między dwoma ciałami stałymi. Ten wzrost ciśnienia działa prostopadle do powierzchni i zapobiega tarciu w stanie stałym.

Testy przeprowadzone na tarczach trybometrycznych wyposażonych w mikrokieszenie smarowe wykazały potencjał mikrokieszeni smarowych do zmniejszenia współczynnika tarcia, a tym samym strat tarcia przy niskich prędkościach względnych poniżej 1,5 m/s poprzez poprawę dostarczania smaru podczas kontaktu ciernego (rysunek 2b).

Te mikrowgłębienia smarne są już przedmiotem różnych projektów badawczych w innych dziedzinach (na przykład w styku ciernym między tulejami cylindrowymi a tłokami). W silnikach spalinowych wgłębienia te są stosowane w celu zapobiegania ucieczce smaru z punktu styku i zmniejszenia strat tarcia i zużycia spowodowanych ścieraniem mechanicznym. Wgłębienia zapewniają również równoważne korzyści na powierzchni podparcia gwintu wrzecion z gwintem Bornemanna. W szczególności ich orientacja, która jest prostopadła do ruchu ciernego, pomaga utrzymać smar na miejscu podczas kontaktu ciernego i zapewnić odpowiedni efekt smarowania.

„Oczywiście, inne procesy produkcyjne również oferują określone korzyści”, wyjaśnia Moritz von Soden, ”ale nasze gwinty sprawdziły się w ciężkich konstrukcjach, zwłaszcza w bardzo obciążonych napędach śrub trapezowych. Wyciskane jest znacznie mniej smaru. Wprowadzone przez nas kieszenie smarowe działają jak zbiorniki smaru”.

Powszechnie panująca opinia, że walcowane wrzeciona gwintowane mają dłuższą żywotność, nie jest czymś, co prezes Bornemann potwierdził w praktyce. „Twardsza powierzchnia walcowanych wrzecion nie prowadzi do dłuższej żywotności. W technologii podnoszenia nakrętki z brązu są zwykle używane jako części zużywające się. Twardość wrzecion nie jest zatem technicznie istotnym czynnikiem pod względem zużycia. Co więcej, poprzednie testy wytrzymałościowe wykazały, że nasze gwintowane wrzeciona wykazują jedynie minimalne oznaki zużycia nawet po wielu latach eksploatacji”.

Oprócz jakości nici, kluczowy jest cały system

Tylko optymalne połączenie gwintu, środka smarnego i konserwacji instalacji może przeciwdziałać zjawisku poślizgu. Czyszczenie powierzchni przed nałożeniem smaru jest jednym z najważniejszych zadań przygotowawczych. Zdecydowanie zalecamy również stosowanie smarów płynnych o klasie konsystencji NLGI 00. Ilość smaru powinna wynosić co najmniej 30% objętości między wrzecionem a mieszkiem. Kolejny wymóg dotyczący smaru wynika ze szczelności systemu: Ponieważ mieszki zwykle nie są hermetycznie zamknięte, generalnie nie można wykluczyć powstawania w nich kondensacji. Smar musi zatem charakteryzować się wysokim poziomem wodoodporności i zapewniać bardzo skuteczną ochronę przed korozją.

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 nad 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 obejmują średnice od 10 do 180 mm i długości do 10 m. Zoptymalizowany proces produkcyjny firmy Bornemann pozwala na uzyskanie powierzchni gwintu o jakości odpowiadającej gwintom szlifowanym.

Poślizg i jego konsekwencje: Okropne odgłosy i zwiększone zużycie

Zjawisko stick-slip jest również powszechne w życiu codziennym. Gdy skrzypią drzwi, gdy koła piszczą na szynach lub gdy wycieraczki piszczą na przedniej szybie, tarcie statyczne jest większe niż tarcie ślizgowe. Jednak w zastosowaniach technicznych, zwłaszcza w środowisku przemysłowym, zjawisko stick-slip szybko staje się problemem: wskazuje na zwiększone zużycie i brak smarowania profili gwintów (rysunek 3). W skrajnych przypadkach może nawet powodować spawanie na zimno w całym układzie wrzeciono/nakrętka.