Тяжелые грузы под контролем — высоконагруженные трапециевидные винтовые передачи для подъемных механизмов
Конструкция высоконагруженных трапециевидных винтовых передач является основой для безопасной и бесперебойной работы подъемных механизмов и предъявляет высокие требования к конструкторам.
Компания Bornemann Gewindetechnik, известная в профессиональных кругах, более 25 лет производит резьбовые шпиндели и гайки для многих отраслей промышленности. Одним из основных направлений производства является изготовление готовых к установке трапециевидных резьбовых приводов, состоящих из шпинделей и гаечных комплектов, для подъемных механизмов тяжелого типа. Вот несколько примеров: подъемные механизмы для рельсовых транспортных средств, оборудование для театров, сценического строительства и специального машиностроения. Проектирование и конструкция этих приводов являются необходимым условием для безопасной и бесперебойной работы оборудования и предъявляют высокие требования к конструкторам.
Но на что следует обратить внимание при выборе резьбовых шпинделей для тяжелых нагрузок? Для винтовых подъемников, которые под нагрузкой достигают давления на поверхность > 20 Н/мм2 и, кроме того, работают с очень низкими окружными скоростями, обязательно требуется постоянная смазка несущих поверхностей резьбовых профилей. Недостаточная смазка может привести к повышенному износу, чрезмерному тепловыделению, а также к известному эффекту «прилипания-скольжения».
Все зависит от смазочного материала
Эффект стик-слип, также известный как эффект прилипания, описывает рывковое скольжение твердых тел, движущихся относительно друг друга. Этот эффект может возникать всегда, когда статическое трение превышает кинетическое трение. В зависимости от трибологической системы это приводит к возбуждению колебаний, которые излучаются резонирующей поверхностью в виде шума (скрипящие и визжащие шпиндели).
Этот эффект обычно исчезает, как только партнеры трения разделяются промежуточным или смазочным материалом. Эффект стик-слип часто является нежелательным в технических приложениях. Негативное влияние эффекта стик-слип можно наблюдать, в частности, в подшипниках, направляющих в линейной технике или в резьбовых шпинделях в подъемной технике. Шумы, такие как скрип двери, визг железнодорожных рельсов при прохождении поворотов, а также дребезжание стеклоочистителей на автомобильных стеклах, являются общеизвестными последствиями этого эффекта.
Если возникает такой эффект, это может быть связано с выбором смазочного материала (смазки). Ральф Вуртле, менеджер по прикладной инженерии в Klüber Lubrication, объясняет: «Именно в установках для подъема тяжелых грузов неподходящие смазочные материалы могут легко привести к недостаточному смазыванию, что вызывает повышенный износ и, как следствие, преждевременный выход оборудования из строя».
Часто это явление обусловлено конструкцией шпинделей. Отсутствие смазочных карманов на несущей поверхности резьбового профиля не позволяет смазке оставаться на месте, когда гайки скользят по шпинделю с высокой нагрузкой на поверхность. Смазка либо выдавливается с поверхности, либо сдвигается перед гайкой. В любом случае происходит разрыв смазочной пленки, что вначале вызывает повышение температуры и стик-слип с частично оглушительным шумом, а впоследствии приводит к разрушению резьбового привода.
При скорости вращения в несколько см/с наличие смазки или смазочных карманов на резьбовых шпинделях абсолютно необходимо для предотвращения эффекта «прилипания-скольжения». Смазочные карманы предотвращают простое выдавливание смазочного материала из-за слишком высокого давления на кромку и в целом высокого удельного давления на площадь. В идеале смазочный материал должен быть смазкой с консистенцией 0 или 00 и должен практически втягиваться в смазочный зазор.
Как же решить эту проблему? Уже на этапе разработки требований к исполнению резьбы конструкторами закладывается основа для предотвращения проблем со смазкой и связанных с ними последствий. Резьбовые приводы могут изготавливаться с помощью различных производственных процессов: резьбонарезка и резьбофрезерование — это процессы, которые по экономическим причинам практически не используются для изготовления вышеупомянутых резьбовых приводов. При накатывании резьбы (или вальцевании) резьбовые шпиндели изготавливаются путем холодной деформации без снятия стружки. Этот метод производства является вполне экономичным, но из-за очень высоких затрат на инструменты и наладку в основном применяется только в крупных сериях.
Мягкий срез с гладкой поверхностью
Кроме того, вал-шпиндели с прокатной резьбой способствуют разрушению смазочной пленки благодаря абсолютно гладкой поверхности боковых сторон резьбы. Трапециевидная резьба, изготовленная прокатным способом, имеет слишком высокое качество поверхности боковых сторон в результате процесса деформации при штамповке/прессовании, в результате чего отсутствуют смазочные карманы. В результате может произойти опасный эффект «заедания» или разрушение смазочной пленки между шпинделем и гайкой. Смазка выдавливается из резьбы из-за слишком высокого давления на кромки и общего высокого удельного давления на поверхность.
Выдавливание становится возможным, если материалы пары подшипников скольжения не имеют смазочных карманов, в которых может накапливаться смазка. Результатом являются серьезные последствия в виде визжащих шпинделей и заклинивающих гаек, вплоть до полной термической сварки целых подъемных систем.
Часто приводимый аргумент о более длительном сроке службы валков с накатанной резьбой не может быть подтвержден без исключений. Компания Wirths-Werres смогла доказать это в ходе испытания на длительную нагрузку. «Валки с накатанной резьбой даже после многих часов эксплуатации показали лишь минимальные следы износа», — подчеркивает конструктор Кристиан Цан. По словам Цана, напряжения в материале, возникающие в результате вальцевания, часто приводят к дорогостоящей доработке. В результате прямого сравнения компания Wirths-Werres сделала выбор в пользу высококачественных шпинделей вальцованного типа, поскольку разница в цене между вальцованными и вальцованными шпинделями для многих диаметров в настоящее время является незначительной.
Компания Bornemann Gewindetechnik производит резьбовые шпиндели методом вихревой обработки. Инструмент для вихревой обработки, используемый для изготовления резьбы шпинделей, состоит из приводного вихревого кольца с набором профильных инструментов и работает по принципу так называемого «обрезного резания», поскольку заготовка во время обработки вращается внутри этого инструментального кольца. Поскольку резка по оболочке начинается на внешнем диаметре с толщиной (и глубиной) стружки 0 и непрерывно увеличивается до рассчитанной толщины (и глубины стружки или резьбы), а затем снова выходит из заготовки с 0, получается очень мягкая резка с очень гладкой поверхностью.
Поскольку набор инструментов состоит из нескольких отдельных режущих кромок, которые работают последовательно в прерывистом режиме, между отдельными резами на поверхности заготовки возникают микроскопические прерывания, которые создают многоугольные вогнутые фаски в диапазоне микрометров (смазочные карманы). Эти смазочные карманы являются секретом хороших смазочных свойств винтовых шпинделей с вихревой обработкой.
Сравнение различных методов изготовления резьбы позволяет сделать следующий вывод: вальцовка и шлифование резьбовых профилей являются современными методами изготовления, рекомендуемыми для многих случаев применения, однако для использования трапециевидных резьбовых приводов в подъемных шпиндельных системах следует отдавать предпочтение методу вихревой обработки, применяемому в компании Bornemann Gewindetechnik.