Efekt stick-slip
Firma Bornemann Gewindetechnik od ponad 25 lat produkuje śruby gwintowane i nakrętki do niemal wszystkich zastosowań we wszystkich gałęziach przemysłu. Jednym z głównych obszarów produkcji jest wytwarzanie gotowych do montażu napędów z gwintem trapezowym, składających się ze śrub i zestawów nakrętek do urządzeń dźwigowych o dużej nośności, stosowanych w dziedzinie urządzeń dźwigowych dla pojazdów szynowych, w budowie teatrów i scen oraz w budowie maszyn specjalnych.
Dla niezawodnego działania urządzeń dźwigowych ogromne znaczenie mają powierzchnie śrub gwintowanych oraz dobór odpowiedniego smaru. Należy unikać znanego efektu stick-slip. Hans Gereke-Bornemann (Bornemann-Gewindetechnik, dyrektor zarządzający): „Kiedy otrzymujemy zgłoszenia dotyczące problemów z systemami podnoszenia śrubowego, można ogólnie założyć, że jedną z przyczyn jest jeden z następujących czynników: jakość powierzchni śrub, zanieczyszczenia, położenie montażowe systemu, a także w szczególnym stopniu dobór smaru. W wielu przypadkach problem jest jednak złożoną kombinacją kilku z tych czynników. Dlatego podczas projektowania należy odpowiednio uwzględnić każdy z tych czynników”.
Efekt stick-slip
Efekt stick-slip (od ang. stick – „przylegać” i slip – „ślizgać się”), zwany również efektem przylegania i ślizgania, 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 zazwyczaj zanika, gdy tylko elementy ocierające się o siebie zostaną oddzielone przez materiał pośredniczący lub smar. Efekt stick-slip jest często niepożądany w zastosowaniach technicznych. Negatywny wpływ efektu stick-slip można zaobserwować m.in. w łożyskach, prowadnicach w technice liniowej lub w wrzecionach gwintowanych w technice podnoszenia.
Ralph Wuertele (Klüber Lubrication, kierownik ds. inżynierii zastosowań): „Szczególnie w urządzeniach do podnoszenia ciężkich ładunków nieodpowiednie smary mogą łatwo prowadzić do niedosmarowania, co powoduje zwiększone zużycie, a tym samym przedwczesną awarię urządzenia”. Bezpośrednim, zauważalnym objawem tego niedosmarowania są zazwyczaj wspomniane odgłosy pisku i skrzypienia.
W najgorszym przypadku takie niedostateczne smarowanie może nawet prowadzić do mikrospawania lub zgrzewania na zimno całych układów podnoszących, czyli do tzw. „zatarcia” nakrętek, co pociąga za sobą poważne szkody, a nawet awarie danych instalacji.
W tym przypadku decydującą rolę odgrywa dobór materiałów w układzie wrzeciona i nakrętki. W przypadku połączenia żeliwa szarego i stali zawartość żelaza w materiałach może sprzyjać zgrzewaniu na zimno. W przypadku połączenia brązu i stali zgrzewanie na zimno można zasadniczo wykluczyć. Na co zatem należy zwrócić uwagę, aby uniknąć tych niepożądanych stanów niedosmarowania lub tzw. efektu stick-slip?
Kompatybilność materiałowa
Należy wykazać, że smar jest kompatybilny z materiałami, z których wykonano mieszek i uszczelki. W przeciwnym razie smar mógłby oddziaływać na te materiały i powodować np. porowatość, pęknięcia lub wybrzuszenia. Skutkiem tego byłyby wycieki powodujące utratę smaru lub przedostawanie się zanieczyszczeń. W obu przypadkach mieszek lub system uszczelniający nie będzie w stanie spełniać swojej funkcji zgodnie z oczekiwaniami. Aby uzyskać pewność, badania kompatybilności między smarem a materiałami, z których wykonane są mieszki i uszczelki, powinny być przeprowadzane w dopuszczalnej górnej temperaturze roboczej przez co najmniej 168 godzin.
Według producenta mieszków MFB-Technik, właściwy dobór materiału mieszka oraz uwzględnienie zewnętrznych czynników środowiskowych to ważne kryteria, które wpływają na żywotność mieszków, ale często są zaniedbywane przez klientów.
Powierzchnia śrub gwintowanych
Szereg czynników sprawia, że smar pozostaje tam, gdzie jest potrzebny. Należy do nich topografia powierzchni śrub gwintowanych i nakrętek, które firma Bornemann-Gewindetechnik wytwarza metodą wirowania. W ten sposób na powierzchni gwintu powstają mikroskopijne zagłębienia smarowe. Kieszenie te sprawiają, że smar nie jest wypychany przy dużym obciążeniu powierzchniowym, lecz pozostaje w „zagłębieniach” powierzchni, ponieważ nie styka się z bokami nośnymi profili gwintowych.
W przypadku śrub gwintowanych, które zostały wyprodukowane metodą walcowania, brak zagłębień smarnych na boku nośnym profilu gwintu często uniemożliwia zatrzymanie nałożonego smaru, gdy profile nakrętek przesuwają się po śrubie przy dużym obciążeniu powierzchniowym. Smar jest albo wyciskany z boku, albo przesuwany przed nakrętką. W każdym przypadku dochodzi do zerwania warstwy smarnej, co początkowo powoduje wzrost temperatury i zjawisko stick-slip, towarzyszące mu czasami ogłuszające odgłosy, a później prowadzi do zniszczenia przekładni gwintowej. Moritz von Soden (kierownik ds. sprzedaży, Bornemann-Gewindetechnik): „Wielu naszych klientów pochodzi z branży techniki podnoszenia ciężarów. Tutaj konsekwentnie stosuje się wrzeciona gwintowe w wersji wirowanej, aby uniknąć znanych problemów związanych z niedostatecznym smarowaniem”.
Ponadto istotną rolę odgrywa przyczepność samego smaru. Zależy ona od składu smaru, a konkretnie od rodzaju i ilości środka zagęszczającego. Decydujące znaczenie ma również oczyszczenie powierzchni przed nałożeniem smaru. Na przykład pozostałości płynów do obróbki metali nie sprzyjają przyczepności.
Właściwości płynięcia
Odpowiednia geometria gwintu nakrętki sprawia, że nie wypycha ona smaru przed siebie, lecz niejako wciąga go do szczeliny smarowej. Niemniej jednak smar może być szybko wypchnięty lub wyrzucony z miejsca tarcia – powinien jednak jak najszybciej powrócić. Z tego powodu firma Klüber Lubrication zaleca stosowanie smarów płynnych klasy konsystencji NLGI 0, a jeszcze lepiej 00. Systemy wrzecion muszą oczywiście być odpowiednio dobrze uszczelnione. Ilość smaru powinna wypełniać co najmniej 30% objętości między wrzecionem a mieszkiem.
Uwalnianie oleju
Ze względu na stosunkowo niskie prędkości ślizgowe i wysokie naciski powierzchniowe w układzie tribologicznym nakrętka-wrzeciono w urządzeniach z podnośnikiem wrzecionowym nie może powstać hydrodynamiczna warstwa smarna – co mogłoby spowodować niedostateczne smarowanie. W tej sytuacji eksploatacyjnej dodatki mają decydujący wpływ na wydajność smaru. Ponieważ dodatki są rozpuszczone w frakcji olejowej smaru, smar musi uwalniać wystarczającą ilość oleju pod obciążeniem. Dzięki dobrej płynności olej wraz z dodatkami łatwo dociera do właściwego miejsca tarcia, zapewniając w ten sposób niezawodne smarowanie.
Ochrona przed korozją
Kolejny wymóg stawiany smarowi wynika z szczelności systemu: ponieważ mieszek zazwyczaj nie jest całkowicie hermetyczny, nie można zasadniczo wykluczyć tworzenia się kondensatu w jego wnętrzu. Z tego powodu smar musi charakteryzować się wysoką odpornością na wodę i zapewniać bardzo dobrą ochronę przed korozją.
Marc Schillig (dyrektor zarządzający MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG): „My również regularnie borykamy się z problemem „wody kondensacyjnej”. Zasadniczo obowiązuje zasada: „szczelność powietrzna nie działa”. Podczas ruchów musi być zapewniona wymiana powietrza, w przeciwnym razie mieszek z pewnością ulegnie uszkodzeniu. W celu rozwiązania tego problemu stosuje się wysokiej jakości sita lub klapy zaworowe. Woda kondensacyjna jest odprowadzana na zewnątrz przez separator dzięki nadciśnieniu powstającemu podczas ściskania mieszka. Wraz z naszymi klientami wdrożyliśmy już różne rozwiązania”.
Firma Bornemann-Gewindetechnik GmbH z siedzibą w Delligsen koło Hildesheim od 25 lat zatrudnia 40 pracowników na powierzchni 3800 m² i zajmuje się produkcją gwintów we wszystkich nietypowych kształtach, a także elementów toczonych i frezowanych. Jako materiał wyjściowy wykorzystywane są wszystkie materiały nadające się do obróbki skrawaniem. Ponadto firma oferuje naprawę uszkodzonych wrzecion. Standardowe rozmiary wrzecion gwintowanych mieszczą się w zakresie średnic od 10 do 180 milimetrów i sięgają długości do 6 metrów. W nowoczesnych centrach obróbczych można utrzymać tolerancje wymiarowe na poziomie h6. W przypadku wrzeciona o średnicy 100 milimetrów h6 odpowiada tolerancji od 99,978 do 100 milimetrów, co pozwala na prawidłowy montaż łożysk kulkowych. Dzięki procesowi wirówkowania powierzchnie gwintów osiągają jakość szlifowania. Czas dostawy wynosi od 2 do 3 tygodni od otrzymania zamówienia.