Cargas pesadas sob controlo – Parafusos trapezoidais para elevadores sujeitos a cargas elevadas
A conceção de roscas trapezoidais para cargas elevadas é a base para o funcionamento seguro e sem problemas dos sistemas de elevação – e impõe elevados requisitos aos projetistas.
A empresa Bornemann Gewindetechnik, conhecida nos círculos especializados, fabrica há mais de 25 anos fusos e porcas roscadas para muitos setores industriais. Um dos pontos fortes da produção é a fabricação de transmissões trapezoidais prontas para instalação, compostas por fusos e conjuntos de porcas, para sistemas de elevação de cargas pesadas. Para citar alguns exemplos: sistemas de elevação para veículos ferroviários, instalações em teatros, construção de palcos e construção de máquinas especiais. O dimensionamento e a construção desses acionamentos são pré-requisitos para o funcionamento seguro e sem problemas das instalações e impõem elevadas exigências aos projetistas.
Mas o que é preciso ter em conta nas colunas roscadas para cargas pesadas? Para acionamentos de fuso que atingem uma pressão superficial > 20 N/mm2 sob carga e que, além disso, funcionam com velocidades periféricas muito baixas, é absolutamente necessária uma lubrificação constante das faces de apoio dos perfis roscados. Isto porque uma lubrificação inadequada pode levar a um aumento do desgaste, a um desenvolvimento excessivo de calor e também ao famoso efeito stick-slip.
O lubrificante é fundamental
O efeito stick-slip, também conhecido como efeito de deslizamento por aderência, descreve o deslizamento brusco de corpos sólidos movidos uns contra os outros. O efeito pode ocorrer sempre que o atrito estático é maior do que o atrito dinâmico. Dependendo do sistema tribológico, isso leva à excitação de vibrações que são emitidas como ruído por uma superfície ressonante (fusos que rangem e guincham).
O efeito desaparece na maioria das vezes assim que os parceiros de atrito são separados por um lubrificante ou um material intermediário. O efeito stick-slip é frequentemente indesejável em aplicações técnicas. 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. Ruídos como o rangido de uma porta, o guincho de comboios em curvas e o barulho dos limpa-para-brisas nos vidros dos automóveis são consequências geralmente conhecidas deste efeito.
Quando esse efeito ocorre, pode ser devido à escolha do lubrificante (graxa). Ralph Wuertele, gerente de engenharia de aplicações da Klüber Lubrication, explica: «Especialmente em equipamentos de elevação de cargas pesadas, lubrificantes inadequados podem facilmente levar a condições de lubrificação insuficiente, causando maior desgaste e, consequentemente, falhas prematuras do equipamento.»
Muitas vezes, esse fenómeno também se deve ao design dos eixos. A falta de bolsas de lubrificação na face de apoio do perfil roscado impede que o lubrificante aplicado permaneça no local quando os perfis das porcas deslizam sobre o eixo com alta carga superficial. O lubrificante é pressionado para fora da face ou empurrado para a frente da porca. Em qualquer dos casos, ocorre uma ruptura da película lubrificante, que inicialmente provoca um aumento da temperatura e um efeito stick-slip com ruídos por vezes ensurdecedores e, posteriormente, leva à destruição do mecanismo de rosca.
Com velocidades periféricas de poucos cm/s, a presença de lubrificante ou de bolsas de lubrificação nos fusos roscados é absolutamente necessária para evitar esse efeito stick-slip. Os bolsões de lubrificação impedem que o lubrificante seja simplesmente empurrado para fora devido à pressão excessiva nas bordas e à pressão superficial específica geralmente elevada. O lubrificante deve ser, idealmente, uma graxa com consistência 0 ou 00 e deve ser praticamente puxado para dentro da fenda de lubrificação.
Como é que se pode resolver este problema? As exigências dos projetistas em relação à execução da fabricação de roscas já estabelecem as bases para a prevenção de problemas de lubrificação e, consequentemente, dos problemas decorrentes. As roscas podem ser fabricadas através de diferentes processos de fabricação: o torneamento e a fresagem de roscas são processos que, por razões económicas, quase não são mais utilizados para as roscas acima mencionadas. Na roscagem por rolagem (ou laminação), os fusos roscados são fabricados por deformação a frio sem corte. Este processo de fabrico é bastante económico, mas, devido aos custos muito elevados de ferramentas e configuração, é geralmente aplicável apenas em grandes séries.
Corte suave com superfície lisa
Além disso, os fusos roscados laminados favorecem a ruptura da película lubrificante devido à superfície absolutamente lisa dos flancos da rosca. A rosca trapezoidal laminada apresenta, devido ao processo de deformação no polimento por estampagem/polimento por prensagem, uma qualidade superficial dos flancos demasiado elevada, na qual faltam as bolsas de lubrificação. Consequentemente, pode ocorrer o temido efeito stick-slip ou a ruptura da película lubrificante entre o fuso e a porca. O lubrificante é expelido das roscas devido à pressão excessiva nas arestas e à pressão superficial específica geralmente elevada.
Essa pressão é possível quando os materiais do par de mancais deslizantes não têm bolsas de lubrificação nas quais o lubrificante possa ser armazenado. O resultado são danos graves nas instalações afetadas, na forma de fusos guinchantes e porcas emperradas, até soldagens térmicas completas de sistemas de elevação inteiros.
O argumento frequentemente citado da maior durabilidade dos fusos roscados laminados não pode ser confirmado sem exceções. A empresa Wirths-Werres conseguiu comprovar isso num teste de resistência contínua. «Os fusos roscados laminados apresentaram apenas sinais mínimos de desgaste, mesmo após muitas horas de funcionamento», salienta o engenheiro Christian Zahn. Segundo Zahn, as tensões no material resultantes do processo de laminação também levam frequentemente a retrabalhos dispendiosos. Numa comparação direta, a Wirths-Werres optou por fusos de alta qualidade em versão laminada, uma vez que a diferença de preço entre fusos laminados e laminados é agora insignificante para muitos diâmetros.
A Bornemann Gewindetechnik fabrica fusos roscados através do processo de torção. A ferramenta de torção para a produção de roscas de fuso consiste num anel de torção acionado com um conjunto de ferramentas perfiladas e funciona no chamado corte envolvente, uma vez que a peça gira dentro deste anel de ferramenta durante o processamento. Como o corte envolvente começa no diâmetro externo com espessura de cavaco (e profundidade de cavaco) 0 e aumenta continuamente até a espessura de cavaco calculada (e profundidade de cavaco ou profundidade de rosca), para então sair da peça novamente com 0, é produzido um corte muito suave com uma superfície muito lisa.
Como um conjunto de ferramentas é composto por várias lâminas individuais que trabalham sucessivamente em cortes intermitentes, surgem pequenas interrupções microscópicas na superfície da peça entre os cortes individuais, que criam facetas côncavas poligonais na faixa de μ (bolsões de lubrificação). Essas bolsas de lubrificação são o segredo das boas propriedades do filme lubrificante dos fusos roscados torneados.
A comparação entre os diferentes processos de fabrico de roscas permite chegar à seguinte conclusão: o laminado e o esmerilado de perfis roscados são processos de fabrico modernos e recomendáveis para muitas aplicações, mas para a utilização de parafusos trapezoidais em sistemas de fusos de elevação deve ser preferido o processo de torneamento praticado pela Bornemann Gewindetechnik.