Efeito stick-slip
A empresa Bornemann Gewindetechnik fabrica, há mais de 25 anos, fusos e porcas roscados para praticamente todas as aplicações existentes em todos os setores industriais. Um dos pontos fortes da produção é a fabricação de acionamentos de rosca trapezoidal prontos a instalar, compostos por fusos e conjuntos de porcas para sistemas de elevação de carga pesada, tal como os utilizados na área de sistemas de elevação para veículos ferroviários, na construção de teatros e palcos e na construção de máquinas especiais.
Para o funcionamento fiável dos aparelhos de elevação, as superfícies dos fusos roscados, bem como a seleção do lubrificante adequado, são de grande importância. É necessário evitar o famoso efeito stick-slip. Hans Gereke-Bornemann (Bornemann-Gewindetechnik, Direção): «Quando nos são comunicados problemas em sistemas de elevação por fuso, pode-se geralmente partir do princípio de que um dos seguintes fatores está na origem do problema: qualidade da superfície dos fusos, impurezas, posição de montagem do sistema ou, em especial, a escolha do lubrificante. Em muitos casos, porém, o problema é uma combinação complexa de vários destes fatores. Por isso, é necessário ter em conta cada um dos fatores de forma adequada na conceção.»
O efeito stick-slip
O efeito stick-slip (do inglês «stick», «aderir», e «slip», «deslizar»), também conhecido como efeito de aderência-deslizamento, descreve o deslizamento intermitente de corpos sólidos que se movem um contra o outro. Este efeito pode ocorrer sempre que a fricção de aderência for superior à fricção de deslizamento.
Dependendo do sistema tribológico, isto leva à excitação de vibrações que são emitidas como ruído por uma superfície capaz de entrar em ressonância (eixos que «guincham» e «rangem»). O efeito desaparece geralmente assim que os elementos em atrito são separados por um lubrificante ou material intermédio. O efeito stick-slip é frequentemente indesejável em aplicações técnicas. As influências negativas do efeito stick-slip podem ser observadas, entre outros, em rolamentos, guias na tecnologia linear ou em fusos roscados na tecnologia de elevação.
Ralph Wuertele (Klüber Lubrication, Gestor de Engenharia de Aplicações): «Especialmente em instalações de elevação de cargas pesadas, lubrificantes inadequados podem facilmente conduzir a situações de lubrificação insuficiente, que causam um desgaste acrescido e, consequentemente, levam à avaria prematura da instalação.» Como efeito secundário diretamente percetível desta lubrificação insuficiente, surgem então, regra geral, os ruídos estridentes e guinchantes mencionados.
Na pior das hipóteses, essas condições de lubrificação insuficiente podem mesmo provocar micro-soldaduras ou soldaduras a frio em sistemas de elevação inteiros, o chamado «gripagem» das porcas, com graves consequências que podem ir até à avaria das instalações afetadas.
Aqui, a combinação de materiais do sistema de fuso e porca desempenha um papel decisivo. Em combinações de fundição cinzenta e aço, o teor de ferro nos materiais pode favorecer a soldadura a frio. Numa combinação de bronze e aço, a soldadura a frio pode, em geral, ser excluída. O que deve, então, ser tido em conta para evitar estas temidas situações de lubrificação insuficiente ou o chamado efeito stick-slip?
Compatibilidade dos materiais
Deve estar comprovado que o lubrificante é compatível com os materiais do fole e da vedação. Caso contrário, o lubrificante poderia afetar esses materiais e provocar, por exemplo, porosidade, fissuras ou deformações. A consequência seria fugas com perda de lubrificante ou penetração de sujidade. Em ambos os casos, o fole ou o sistema de vedação deixaria de cumprir a sua função como pretendido. Para garantir a segurança, devem ser realizados ensaios de compatibilidade entre o lubrificante e os materiais do fole e das juntas à temperatura máxima de utilização admissível durante, pelo menos, 168 horas.
Segundo o fabricante de foles MFB-Technik, a escolha correta do material do fole, bem como a consideração das influências ambientais externas, são critérios importantes que influenciam a vida útil dos foles, mas que são frequentemente negligenciados pelos clientes.
Superfície dos fusos roscados
Vários fatores garantem que o lubrificante permaneça onde é necessário. Entre eles está a topografia da superfície dos fusos roscados e das porcas, que a empresa Bornemann-Gewindetechnik fabrica através do processo de turbilhonamento. Desta forma, são criadas cavidades de lubrificação microscópicas na superfície da rosca. Estas cavidades de lubrificação garantem que o lubrificante não seja expulso sob cargas superficiais elevadas, permanecendo nas «depressões» da superfície, uma vez que não entra em contacto com as faces de apoio dos perfis roscados.
Nos fusos roscados fabricados pelo processo de laminação, a ausência de cavidades de lubrificação na flanco de apoio do perfil roscado impede frequentemente que o lubrificante aplicado permaneça no local quando os perfis das porcas deslizam sobre o fuso sob elevada carga superficial. Ou o lubrificante é expulso da flanco, ou é empurrado para a frente da porca. Em qualquer dos casos, ocorre uma ruptura da película lubrificante, o que inicialmente provoca um aumento da temperatura e deslizamento intermitente, acompanhado por ruídos por vezes ensurdecedores, e mais tarde conduz à destruição do mecanismo roscado. Moritz von Soden (Diretor de Vendas, Bornemann-Gewindetechnik): «Muitos dos nossos clientes provêm do setor da tecnologia de elevação de cargas pesadas. Aqui, são sistematicamente utilizados fusos roscados com acabamento giratório para evitar os problemas conhecidos associados à lubrificação insuficiente».
Além disso, a aderência do próprio lubrificante desempenha um papel importante. Esta é determinada pela composição do lubrificante, mais concretamente pelo tipo e quantidade de espessante. Além disso, a limpeza da superfície antes da aplicação do lubrificante é fundamental. Os resíduos de fluidos para usinagem de metais, por exemplo, não favorecem a aderência.
Comportamento de escoamento
A geometria adequada da rosca da porca garante que esta não empurre o lubrificante para a frente, mas sim o puxe, por assim dizer, para a fenda de lubrificação. No entanto, o lubrificante pode ser rapidamente afastado ou ejetado do ponto de atrito – devendo, contudo, voltar a escoar o mais rapidamente possível. Por este motivo, a Klüber Lubrication recomenda aqui a utilização de massas lubrificantes fluidas da classe de consistência NLGI 0, ou melhor ainda, 00. Os sistemas de fuso devem, naturalmente, estar devidamente vedados. A quantidade de massa lubrificante deve preencher, pelo menos, 30% do volume entre o fuso e o fole.
Liberação de óleo
Devido às velocidades de deslizamento relativamente baixas e às elevadas pressões superficiais no sistema tribológico da porca do fuso em sistemas de elevação por fuso, não é possível formar uma película lubrificante hidrodinâmica – o que poderia causar uma lubrificação insuficiente. Nesta situação de funcionamento, os aditivos determinam de forma decisiva o desempenho do lubrificante. Uma vez que os aditivos estão dissolvidos na fração oleosa da massa lubrificante, esta deve libertar óleo suficiente sob carga. Graças à sua boa fluidez, o óleo, incluindo os aditivos, chega facilmente ao ponto de atrito propriamente dito, garantindo assim uma lubrificação fiável.
Proteção contra a corrosão
Outro requisito para o lubrificante decorre da estanqueidade do sistema: uma vez que o fole, em regra, não é hermeticamente fechado, não se pode, em princípio, excluir a formação de condensação no seu interior. Por este motivo, o lubrificante deve apresentar uma elevada resistência à água e oferecer uma excelente proteção contra a corrosão.
Marc Schillig (Diretor Geral da MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG): «Nós também somos regularmente confrontados com o problema da “água de condensação”. Em princípio, “hermético não funciona”. A renovação do ar deve ser garantida durante os movimentos, caso contrário, o fole sofrerá danos. Para resolver este problema, são utilizados filtros de alta qualidade ou válvulas de retenção. A água de condensação é transportada para o exterior através de um separador, graças à sobrepressão gerada quando o fole se comprime. Já implementámos várias soluções com os nossos clientes».
A empresa Bornemann-Gewindetechnik GmbH, situada em Delligsen, perto de Hildesheim, fabrica há 25 anos, com 40 colaboradores e numa área de 3800 m², roscas em todas as formas especiais, bem como peças torneadas e fresadas. Como matéria-prima, são utilizados todos os materiais usináveis. Além disso, a empresa oferece serviços de reparação de fusos defeituosos. Os tamanhos padrão para fusos roscados situam-se na gama de diâmetros de 10 a 180 milímetros e atingem um comprimento de até 6 metros. Em centros de usinagem modernos, é possível manter tolerâncias dimensionais de h6. h6 corresponderia, para um diâmetro de fuso de 100 milímetros, a uma tolerância de 99,978 a 100 milímetros, de modo a que os rolamentos de esferas pudessem ser montados corretamente. Com a ajuda do processo de torneamento, obtêm-se superfícies roscadas com qualidade de retificação. O prazo de entrega é de 2 a 3 semanas após a receção da encomenda.