Co to jest krytyczne obciążenie wyboczeniowe i krytyczna prędkość obrotowa oraz jak się je oblicza?

Dwa fundamentalne testy stabilności, które są niezbędne dla bezpieczeństwa i funkcjonalności długich śrub podnoszących w podnośnikach śrubowych.

Przy projektowaniu podnośników śrubowych, zwłaszcza w zastosowaniach z długimi skokami podnoszenia, sama nośność napędu i moc silnika nie wystarczą. Niezbędne jest sprawdzenie dwóch dodatkowych fizycznych ograniczeń samej śruby: krytycznego obciążenia wyboczeniowego przy obciążeniu ściskającym oraz krytycznej prędkości obrotowej przy obracających się śrubach. Nieprzestrzeganie tych granic może prowadzić do odkształceń, drgań/wibracji, a w skrajnych przypadkach do uszkodzenia systemu.

1. Krytyczne obciążenie wyboczeniowe

Długa, smukła śruba, poddana wysokiej sile ściskającej, zachowuje się jak pręt i może nagle wygiąć się – na długo, zanim sam materiał zostałby przeciążony. Efekt ten nazywany jest wyboczeniem. Maksymalna siła ściskająca, jaką śruba może przenieść bez wyboczenia, to krytyczne obciążenie wyboczeniowe.

Kiedy wymagane jest sprawdzenie?

Zawsze, gdy śruba jest obciążona głównie ściskaniem. W przypadku długich śrub, obliczenie obciążenia wyboczeniowego musi być zawsze wykonane przed obliczeniem statycznej nośności.

Obliczenia:

Obciążenie wyboczeniowe oblicza się za pomocą wzorów Eulera lub Tetmajera. Zależy ono zasadniczo od następujących czynników:

• Długość śruby bez podparcia (L): Maksymalna odległość między nakrętką a punktem, w którym śruba jest osadzona. Jest to decydujący czynnik wpływający na stabilność.
• Średnica rdzenia śruby (d_kern): Śruba o większej średnicy rdzenia jest bardziej odporna na wyboczenie.
• Sposób łożyskowania/ podparcia: Sposób podparcia końców śruby (np. zamocowany-luźny, zamocowany-zamocowany) jest uwzględniany przez współczynnik korekcyjny.

Siła robocza nie może przekraczać około 80% dopuszczalnej siły osiowej, a odporność na wyboczenie (stosunek krytycznego obciążenia wyboczeniowego do obciążenia roboczego) powinna wynosić zazwyczaj od 3 do 6. Ponieważ obliczenia są złożone, w podręcznikach technicznych i katalogach zazwyczaj zamieszczane są wykresy, z których można bezpośrednio odczytać dopuszczalną siłę nacisku w zależności od wolnej długości śruby.

2. Krytyczna prędkość obrotowa (n_krit)

W przypadku bardzo długich, obracających się śrub może się zdarzyć, że przy określonych prędkościach obrotowych śruba wpadnie w silne drgania rezonansowe. Śruba zaczyna się mocno uginać i „trzepotać” . Prędkość ta nazywana jest prędkością krytyczną i należy jej unikać za wszelką cenę.

Kiedy wymagane jest sprawdzenie?

Zawsze w przypadku konstrukcji, w których śruba obraca się – zwłaszcza w przypadku konstrukcji z nakrętką jezdną i długimi wrzecionami podnoszącymi o wyższych prędkościach obrotowych.

Obliczenia:

Prędkość krytyczna zależy od tych samych czynników, co obciążenie wyboczeniowe:

• Długość śruby bez podparcia (L): Odległość między punktami łożyskowania/ podparcia śruby.
• Średnica rdzenia śruby (d_kern): Sztywniejsza, grubsza śruba pozwala na wyższe prędkości.
• Sposób łożyskowania/ podparcia: Sposób podparcia śruby jest uwzględniany przez współczynnik korekcyjny.
• Zasada bezpieczeństwa: Maksymalna prędkość robocza nie może przekraczać około 80% teoretycznej prędkości krytycznej, aby zapewnić bezpieczny margines od częstotliwości rezonansowej. Instrukcje techniczne zazwyczaj zawierają diagramy ułatwiające określenie dopuszczalnej prędkości.

Jeśli kontrola wykaże przekroczenie jednej z granic, należy wprowadzić zmiany konstrukcyjne – np. wybrać śrubę o większej średnicy, zmienić położenie łożyska, dodać dodatkowe podpory lub zmniejszyć prędkość obrotową (np. poprzez skok gwintu śruby). Gwarantuje to, że system z podnośnikami śrubowymi pozostanie bezpieczny, stabilny i niezawodny w całym zakresie pracy.