Эффект «прилипания-скольжения»
Компания Bornemann Gewindetechnik уже более 25 лет производит резьбовые шпиндели и гайки практически для всех возможных областей применения во всех отраслях промышленности. Одним из основных направлений производства является изготовление готовых к установке трапециевидных реечных передач, состоящих из шпинделей и комплектов гаек для подъемных механизмов, рассчитанных на большие нагрузки, которые используются в сфере подъемных механизмов для рельсового транспорта, в театральном и сценическом строительстве, а также в производстве специального оборудования.
Для надежной работы подъемных механизмов большое значение имеют поверхности резьбовых шпинделей, а также выбор подходящей смазки. Необходимо избегать так называемого эффекта «прилипания-скольжения». Ханс Гереке-Борнеманн (Bornemann-Gewindetechnik, руководство): «Когда нам сообщают о проблемах с подъемными системами на шпинделях, обычно можно предположить, что одной из причин является один из следующих факторов: качество поверхности шпинделей, загрязнения, положение установки системы или, в особенности, выбор смазочного материала. Однако во многих случаях проблема представляет собой сложное сочетание нескольких из этих факторов. Поэтому при проектировании необходимо в достаточной мере учитывать каждый из этих факторов».
Эффект «прилипания-скольжения»
Эффект «прилипания-скольжения» (от английских слов «stick» и «slip»), также известный как эффект адгезии-скольжения, описывает рывковое скользящее движение твердых тел, перемещающихся друг относительно друга. Этот эффект возникает всякий раз, когда статическое трение превышает кинетическое.
В зависимости от трибологической системы это приводит к возбуждению колебаний, которые излучаются в виде шума резонирующей поверхностью («визжащие» и «скрипучие» шпиндели). Эффект обычно исчезает, как только партнеры трения разделяются промежуточным веществом или смазкой. Эффект «прилипания-скольжения» часто является нежелательным в технических применениях. Негативные последствия, вызванные эффектом «прилипания-скольжения», можно наблюдать, например, в подшипниках, линейных направляющих или резьбовых шпинделях в подъемной технике.
Ральф Вюртеле (Klüber Lubrication, руководитель отдела прикладной инженерии): «Особенно в подъемных системах, работающих в тяжелых условиях, использование неподходящих смазочных материалов может легко привести к недостаточной смазке, что вызывает повышенный износ и, как следствие, преждевременный выход системы из строя». Упомянутые выше визжащие и скрипящие шумы, как правило, возникают в качестве непосредственно ощутимого побочного эффекта этой недостаточной смазки.
В худшем случае такие условия недостаточной смазки могут даже привести к микро- или холодной сварке целых подъемных систем, т. е. к так называемому «заклиниванию» гаек, что влечет за собой серьезные последствия, вплоть до выхода из строя соответствующих установок.
Здесь решающую роль играет сочетание материалов системы шпиндель-гайка. При сочетании материалов из серого чугуна и стали содержание железа в материалах может способствовать холодной сварке. При сочетании бронзы и стали холодная сварка, как правило, исключается. Что же следует учитывать, чтобы избежать этих опасных состояний недостаточной смазки или так называемого эффекта «прилипания-скольжения»?
1. Совместимость материалов
Должно быть подтверждено, что смазочный материал совместим с материалами сильфона и уплотнений. В противном случае смазочный материал может оказать негативное воздействие на эти материалы и, например, привести к появлению пористости, трещин или вздутий. Результатом этого станут утечки со потерей смазочного материала или проникновение грязи. В обоих случаях сильфон или система уплотнений не сможет больше выполнять свою функцию должным образом. Для обеспечения безопасности необходимо провести испытания на совместимость смазочного материала с материалами сильфона и уплотнений при допустимой максимальной рабочей температуре в течение не менее 168 часов.
По мнению производителя сильфонов MFB-Technik, правильный выбор материала сильфона, а также учет внешних воздействий окружающей среды являются важными критериями, влияющими на срок службы сильфонов, но часто игнорируемыми заказчиками.
2. Поверхность резьбовых шпинделей
Существует ряд факторов, обеспечивающих удержание смазочного материала там, где он необходим. К ним относится рельеф поверхности резьбовых шпинделей и гаек, которые компания Bornemann-Gewindetechnik изготавливает с помощью технологии вихревой обработки. Это создает микроскопически малые смазочные карманы на резьбовой поверхности. Эти смазочные карманы гарантируют, что смазка не вытесняется при высоких поверхностных нагрузках, а остается в «впадинах» поверхности, так как к ней не прикасаются несущие нагрузку боковые поверхности резьбовых профилей.
В случае резьбовых шпинделей, изготовленных методом прокатки, отсутствие смазочных карманов на несущем боковом склоне профиля резьбы часто приводит к тому, что нанесенная смазка не удерживается на месте, когда профили гайки скользят по шпинделю при высоких поверхностных нагрузках. Смазка либо выдавливается с боковой поверхности, либо выталкивается впереди гайки. В любом случае смазочная пленка разрушается, что сначала вызывает повышение температуры и явление «прилипания-скольжения» с иногда оглушительными шумами, а впоследствии приводит к разрушению резьбового привода. Мориц фон Зоден (менеджер по продажам, Bornemann-Gewindetechnik): «Многие из наших клиентов работают в секторе тяжелой подъемной техники. Здесь для предотвращения хорошо известных проблем, связанных с недостаточной смазкой, повсеместно используются резьбовые шпиндели с вихревой обработкой поверхности».
Кроме того, важную роль играет сама адгезионная способность смазочного материала. Она определяется составом смазочного материала, а именно типом и количеством загустителя. Помимо этого, решающее значение имеет очистка поверхности перед нанесением смазки. Например, остатки жидкостей для обработки металлов не способствуют адгезии.
3. Creep Behavior
The appropriate thread geometry of the nut ensures that it does not push the lubricant forward but rather draws it into the lubrication gap. Nevertheless, the lubricant can be quickly carried away or flung from the friction point—but it should flow back as quickly as possible. For this reason, Klüber Lubrication recommends using grease with an NLGI consistency class of 0, or better yet 00. The spindle systems must, of course, be properly sealed. The amount of grease should fill at least 30% of the volume between the spindle and the bellows.
4. Oil Release
Due to the relatively low sliding speeds and high contact pressures in the spindle-nut tribological system of screw jacks, a hydrodynamic lubricating film cannot form—which could lead to insufficient lubrication. In this operating situation, the additives play a decisive role in determining the lubricant’s performance. Since the additives are dissolved in the oil component of the grease, the grease must release sufficient oil under load. Due to its good fluidity, the oil—including the additives—easily reaches the actual friction point, thereby ensuring reliable lubrication.
5. Corrosion Protection
Another requirement for the lubricant stems from the system’s sealing properties: Since the bellows is generally not airtight, the formation of condensation inside cannot be completely ruled out. For this reason, the lubricant must have high water resistance and provide excellent corrosion protection.
Marc Schillig (Managing Director of MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG): “We, too, are regularly confronted with the issue of ‘condensate.’ In principle, ‘airtight does not work.’ Air exchange must be ensured during movement, as the bellows will otherwise certainly be damaged. High-quality screens or valve flaps are used to address this problem. Condensation is transported to the outside via a separator by the overpressure generated when the bellows closes. We have already implemented various solutions with our customers.”
For 25 years, Bornemann-Gewindetechnik GmbH, located in Delligsen near Hildesheim, has been manufacturing threads in all special shapes as well as turned and milled parts with a staff of 40 employees working in a 3,800-square-meter facility. The company uses all machinable materials as raw materials. In addition, the company offers repair services for defective spindles. The standard sizes for threaded spindles range in diameter from 10 to 180 millimeters and extend up to a length of 6 meters. In modern machining centers, dimensional tolerances of h6 can be maintained. For a spindle diameter of 100 millimeters, h6 corresponds to a tolerance of 99.978 to 100 millimeters, ensuring that ball bearings can be properly mounted on it. Using the whirling process, thread surfaces achieve a grinding finish. Delivery time is 2 to 3 weeks after receipt of the order.