Uchwyty magnetyczne - poradnik doboru, montażu i eksploatacji

Uchwyt magnetyczny to magnes neodymowy zamknięty w obudowie ze stali konstrukcyjnej. Obudowa nie jest ozdobą - zamyka strumień magnetyczny z jednej strony i kieruje go do powierzchni styku. Ten sam magnes bez obudowy trzyma wyraźnie słabiej, a magnes w obudowie dwustronnej - jeszcze inaczej. Dlatego pierwsze pytanie przy doborze nie brzmi „jak mocny magnes", ale „jak ten magnes jest zabudowany i do czego go przykręcam".

Ten poradnik opisuje, na co patrzeć w karcie katalogowej, jak sami mierzymy udźwig, dlaczego udźwig boczny jest wielokrotnie mniejszy od pionowego i jak policzyć siłę przed zakupem. Nie znajdziesz tu porównań z konkretnymi dostawcami - znajdziesz procedurę, którą możesz powtórzyć u siebie.

Ostrzeżenia i zasady bezpieczeństwa

Uchwyt magnetyczny nie jest zabawką ani elementem konstrukcyjnym w rozumieniu przepisów budowlanych. Poniższe zasady wynikają z fizyki magnesu neodymowego i z tego, jak zachowuje się stalowa obudowa pod obciążeniem.

• Nie używaj uchwytów magnetycznych do podnoszenia ludzi ani nad ludźmi. Magnes trzyma tarciem i przyleganiem - nie ma zabezpieczenia mechanicznego, które zadziała po utracie kontaktu.
• Zawsze zakładaj współczynnik bezpieczeństwa. Do zastosowań statycznych, na czystej i suchej stali, przyjmuj co najmniej trzykrotny zapas względem udźwigu katalogowego. Przy drganiach, obciążeniu zmiennym lub ryzyku uderzenia - większy.
• Zmiażdżenie palców. Uchwyt o udźwigu kilkudziesięciu kilogramów przyciąga się do stali z przyspieszeniem, którego nie zdążysz zatrzymać ręką. Zbliżaj uchwyt do powierzchni krawędzią, nie płasko, i trzymaj palce z boku obudowy.
• Rozruszniki serca, defibrylatory, pompy insulinowe. Zachowaj odległość co najmniej 30 cm od implantów aktywnych. Dotyczy to również osób postronnych w pobliżu miejsca pracy.
• Nośniki magnetyczne, karty płatnicze, sprzęt pomiarowy. Trzymaj z dala od kart z paskiem magnetycznym, czujników Halla i przyrządów z ruchomą cewką.
• Temperatura. Standardowe magnesy neodymowe NdFeB stosowane w uchwytach mają granicę pracy 80 °C. Przekroczenie tej temperatury powoduje trwałą utratę części siły - magnes nie odzyskuje jej po ostygnięciu.
• Kruchość. Materiał magnetyczny jest twardy i kruchy jak ceramika. Uderzenie o kant stalowy może go rozłupać wewnątrz obudowy - uchwyt wygląda wtedy nienaruszony, a trzyma znacznie słabiej.
• Odpadanie przez pył. Opiłki, rdza i zgorzelina zbierają się na powierzchni styku i podnoszą uchwyt na dystans rzędu dziesiątych części milimetra. To wystarczy, żeby stracić kilkadziesiąt procent siły. Powierzchnię styku czyść przed każdym montażem obciążonym.

Jak wybrać uchwyt

W katalogach uchwyty opisuje się zwykle dwoma liczbami: średnicą i udźwigiem. To za mało, żeby porównać dwa produkty. Poniżej cztery rzeczy, które decydują o tym, czy uchwyt sprawdzi się w Twoim zastosowaniu.

Grubość magnesu a wysokość obudowy

Dwa uchwyty o tej samej średnicy zewnętrznej mogą mieć wewnątrz magnes o zupełnie różnej wysokości. Obudowa o wysokości 8 mm może kryć magnes 5 mm albo magnes 3 mm z grubszą podstawą stalową - i to jest różnica w sile, nie w wyglądzie.

Zasada praktyczna: przy tej samej średnicy siła oderwania rośnie z wysokością magnesu, ale nie liniowo. Podwojenie wysokości nie podwaja udźwigu. Za to zmniejszenie wysokości poniżej pewnej granicy załamuje udźwig gwałtownie, bo magnes przestaje być w stanie utrzymać strumień w obwodzie i zaczyna go zamykać sam w sobie. To zjawisko opisuje współczynnik permeancji - piszemy o nim dalej, przy kalkulatorach.

Co z tego wynika przy zakupie: jeśli producent podaje tylko wymiar zewnętrzny obudowy, poproś o wysokość samego magnesu. Bez niej nie da się porównać dwóch uchwytów o tym samym gabarycie.

Strumień magnetyczny obok klasy materiału

Klasa magnesu - N38, N42, N45, N50 - opisuje materiał, a nie gotowy uchwyt. Klasa mówi, w jakim przedziale mieści się remanencja Br. W naszych kalkulatorach obsługujemy klasy od N30 do N50 i przy każdej podajemy zakres Br w kilogausach, bo to jest przedział, a nie jedna liczba.

Wniosek jest niewygodny dla marketingu, ale prawdziwy: wyższa klasa magnesu nie oznacza mocniejszego uchwytu. Uchwyt N38 z magnesem o właściwej geometrii i dobrze zamkniętym obwodem może trzymać lepiej niż uchwyt N50 z magnesem zbyt niskim wobec swojej średnicy. Klasa jest jednym z kilku czynników, a nie rankingiem.

Jakość ucha, gwintu i połączenia z obudową

Uchwyt zawodzi zwykle nie na magnesie, a na mechanice. Trzy miejsca, które warto obejrzeć:

• Ucho zaciskane w obudowie. Sprawdź, czy ucho jest wpuszczone w stal i zawalcowane, czy tylko wklejone. Połączenie klejowe wytrzymuje obciążenie statyczne, ale przy szarpnięciu odchodzi.
• Gwint wewnętrzny. W uchwytach z gwintem M4-M10 liczy się długość czynna gwintu, nie sama średnica. Gwint na trzy zwoje w cienkiej blaszce podstawy urwie się przy dokręcaniu, nie przy pracy.
• Śruba i nakrętka. Elementy złączne ze stali nierdzewnej A2 (AISI 304) są odporne na korozję, ale mają niższą wytrzymałość na rozciąganie niż śruby ze stali klasy 8.8. Przy obciążeniu na granicy udźwigu to śruba jest ogniwem, które puści pierwsze.

Powłoka i odporność na warunki

Sam magnes NdFeB koroduje w wilgotnym powietrzu w ciągu tygodni, dlatego zawsze ma powłokę. W uchwytach standardem jest NiCuNi - trójwarstwowa powłoka nikiel-miedź-nikiel, nanoszona galwanicznie. Jest twarda, dobrze przewodzi strumień i wystarcza do zastosowań wewnętrznych.

Obudowa uchwytu to zwykle stal konstrukcyjna, najczęściej ocynkowana. To wystarcza w warsztacie i w hali produkcyjnej. Do pracy na zewnątrz, przy wodzie i przy zmiennej wilgotności potrzebujesz albo obudowy ze stali nierdzewnej, albo powłoki barierowej - farby epoksydowej czy gumy. Uwaga: każda warstwa między magnesem a stalą, do której się przykleja, odsuwa magnes od powierzchni i obniża udźwig. Powłoka gumowa o grubości 1 mm zabiera znaczną część siły - w zamian daje przyczepność bocznie i nie rysuje lakieru.

Jak mierzymy udźwig

Udźwig katalogowy jest liczbą z pomiaru, nie z obliczenia - i dlatego warunki pomiaru są równie ważne jak sam wynik. Poniżej opisujemy procedurę, którą stosujemy u siebie. Możesz ją powtórzyć i porównać wynik ze swoim.

Warunki pomiaru

• Podłoże: płyta ze stali konstrukcyjnej S235JR o grubości co najmniej 10 mm. Grubość ma znaczenie: przy blasze cienkiej stal wchodzi w nasycenie magnetyczne i nie zamyka całego strumienia, więc wynik jest niższy. Płyta 10 mm jest na tyle gruba, że przestaje być ograniczeniem.
• Powierzchnia: czysta, sucha, bez rdzy, zgorzeliny, oleju i farby. Bez szlifowania - powierzchnia w stanie fabrycznym, odtłuszczona.
• Ułożenie: osiowe. Siła działa prostopadle do powierzchni styku, wzdłuż osi magnesu. Uchwyt przylega całą powierzchnią.
• Pomiar: silomierzem, przez narastanie obciążenia do momentu oderwania. Zapisujemy wartość maksymalną odczytaną tuż przed oderwaniem.
• Temperatura: otoczenia, około 20 °C.

Każdy z tych warunków podnosi wynik względem sytuacji rzeczywistej. Dlatego udźwig katalogowy jest wartością maksymalną, laboratoryjną - a nie wartością, na której należy projektować.

Co obniża wynik w praktyce

Pola oznaczone [POMIAR W TOKU] zostawiamy puste świadomie. Wolimy nie podać liczby, niż podać oszacowanie, którego nie zmierzyliśmy - pusta komórka mówi prawdę, a przybliżenie wpisane „dla porządku" trafia potem do czyichś obliczeń jako fakt.

Udźwig pionowy a boczny

To jest miejsce, w którym najczęściej dochodzi do awarii - i najczęstsze nieporozumienie przy doborze.

Udźwig katalogowy podaje się dla siły osiowej, czyli prostopadłej do powierzchni styku. Tak działa uchwyt przykręcony do sufitu, z ciężarem wiszącym pionowo pod nim. Magnes trzyma wtedy całą swoją siłą przylegania.

Jeśli natomiast uchwyt jest przyłożony do ściany pionowej, a ciężar wisi z boku, sytuacja jest zupełnie inna. Magnes nadal dociska się do stali z tą samą siłą, ale obciążenie działa równolegle do powierzchni i próbuje uchwyt zsunąć. Trzyma go wtedy nie przyleganie, a tarcie - a współczynnik tarcia stali o stal, przy powierzchniach czystych i suchych, jest wielokrotnie mniejszy od jedności.

W praktyce: przy uchu bocznym i obciążeniu ścinającym rzeczywista siła trzymania spada do 15-25% wartości katalogowej.

Praktyczny wniosek: uchwyt o udźwigu katalogowym 50 kg, przyłożony do ściany pionowej, bezpiecznie utrzyma kilka kilogramów, nie kilkadziesiąt. Jeśli projektujesz mocowanie boczne, licz od 15% wartości katalogowej i dopiero na tym nakładaj współczynnik bezpieczeństwa.

Osobno o momencie: ciężar zawieszony na wysięgu nie tylko ścina, ale próbuje uchwyt przewrócić. Wtedy magnes odchodzi od powierzchni krawędzią - a odejście na dziesiąte części milimetra na jednym brzegu wystarcza, żeby lawinowo stracić resztę siły. Dlatego mocowania z wysięgiem projektuje się z zapasem znacznie większym niż mocowania osiowe.

Jak policzyć udźwig przed zakupem

Nie musisz zgadywać. Na dhit.pl są cztery kalkulatory, z których dwa dotyczą bezpośrednio doboru uchwytu.

Kalkulator udźwigu i pole „typ mocowania"

Kalkulator pod adresem /kalkulator-magnesow/ liczy siłę oderwania. Obsługuje kształty: walec, płytkę i pierścień, oraz klasy materiału od N30 do N50 - przy każdej klasie podajemy zakres remanencji Br w kilogausach i granicę pracy do 80 °C.

Najważniejsze dla doboru uchwytu jest jednak pole, którego nie znajdziesz w kalkulatorach konkurencji: typ mocowania. Wybierasz jedną z trzech możliwości:

Magnes goły (bez obudowy)

Sam magnes neodymowy, przyłożony do stali. Strumień zamyka się przez powietrze wokół magnesu, część siły idzie „w boki". To wariant odniesienia - i najniższa siła z trzech.

Uchwyt jednostronny (magnes w obudowie stalowej)

Magnes wpuszczony w kubek ze stali konstrukcyjnej. Obudowa zamyka strumień z jednej strony i kieruje go do powierzchni styku. Ten sam magnes daje wyraźnie większą siłę oderwania niż wariant goły - i to jest cała idea uchwytu.

Uchwyt dwustronny (magnesy z obu stron)

Układ z magnesami po obu stronach obudowy, przyciągający dwa elementy do siebie lub trzymający na obu powierzchniach. Zachowuje się inaczej niż jednostronny - obwód magnetyczny jest domknięty przez oba przedmioty.

Wybór typu mocowania zmienia wynik przy niezmienionych pozostałych parametrach. To jest właśnie ta różnica, o której pisaliśmy przy grubości magnesu: ta sama pastylka daje trzy różne udźwigi w zależności od tego, jak jest zabudowana. Bez tego pola porównywanie kalkulatorów prowadzi do wniosków, które nie mają zastosowania do uchwytu.

Kalkulator indukcji w odległości

Kalkulator /kalkulator/sily/ podaje natężenie i indukcję pola w zadanej odległości. Obsługuje płytkę, krążek, pierścień i kulę, klasy N30-N50, a szczelinę wybierasz z listy: 0, 1, 2, 5, 10, 20 lub 50 mm.

Do czego to służy przy uchwytach: pozwala zobaczyć, jak szybko pole spada z dystansem. Jeśli między magnesem a stalą jest warstwa - farba, guma, naklejka, warstwa pyłu - to nie jest kontakt, to jest szczelina. Kalkulator pokazuje, ile z pola zostaje przy 1 mm, a ile przy 2 mm. Odpowiedź bywa zaskakująca dla kogoś, kto pierwszy raz to liczy.

Kalkulator jednostek

Karty katalogowe z różnych źródeł podają parametry w różnych układach: gausy i erstedy w układzie CGS, tesle i kiloampery na metr w SI, energię jako MGOe albo kJ/m³. Kalkulator /kalkulator/jednostek-si/ i /kalkulator/jednostek-si-na-cgs/ przelicza między nimi w obie strony.

Przydaje się przy porównywaniu dokumentacji od dwóch dostawców, którzy podają to samo w dwóch układach - i przy sprawdzaniu, czy „12 kGs" i „1,2 T" to ta sama wartość. (Tak, to ta sama wartość.)

Moment magnetyczny i współczynnik permeancji

Dwa kalkulatory bardziej techniczne, przydatne przy projektowaniu, nie przy zwykłym doborze.

Moment magnetyczny - /kalkulator/moment-magnetyczny/ - liczy wielkość m ze wzoru m = Br · V / μ₀, w amperach razy metr kwadratowy. Obsługuje walec, płytkę, pierścień i kulę. Remanencję Br bierze jako środek zakresu danej klasy i podaje tę wartość jawnie przy wyniku, żeby było widać, skąd się wzięła. Ważne zastrzeżenie: moment magnetyczny nie przewiduje udźwigu. To parametr opisujący magnes jako źródło pola, a nie siłę trzymania - do udźwigu jest osobny kalkulator.

Współczynnik permeancji - /kalkulator/wspolczynnik-permeancji/, obecnie w budowie - opisuje coś, o czym wspominaliśmy przy grubości magnesu. Pc zależy od geometrii, nie od klasy materiału. Najlepiej to widać na przykładzie: dwie płytki o dokładnie tej samej objętości 200 mm³, ale o różnych proporcjach, mają współczynnik permeancji różny jedenastokrotnie - płytka 20 × 10 × 1 mm ma Pc około 0,13, a płytka 10 × 5 × 4 mm ma Pc około 1,49. Ta sama ilość materiału magnetycznego, ten sam gatunek, a zachowanie w obwodzie magnetycznym zupełnie inne.

Uczciwe zastrzeżenie: kalkulator permeancji nie wskazuje kolana krzywej odmagnesowania, bo nie mamy krzywych B-H dla naszych materiałów. Podaje geometryczny współczynnik permeancji i na tym poprzestaje. Miejsce, w którym magnes zaczyna się trwale rozmagnesowywać, wymagałoby pomiaru krzywej - a tego nie zrobiliśmy.

Użytkowanie i konserwacja

Montaż

• Odtłuść powierzchnię styku. Olej, smar i płyn obróbkowy tworzą warstwę, która działa jak szczelina. Wystarczy szmatka i odtłuszczacz.
• Usuń opiłki i rdzę. Magnes sam ściąga opiłki z otoczenia i gromadzi je na obwodzie styku - to naturalny proces, ale trzeba go kontrolować.
• Zbliżaj krawędzią. Przy uchwytach o większym udźwigu przyłożenie płasko kończy się szarpnięciem i zmiażdżeniem palców. Postaw uchwyt krawędzią i „połóż" go.
• Dokręcaj z wyczuciem. Gwint w cienkiej podstawie stalowej urwiesz łatwiej, niż się wydaje. Nakrętka dokręcona kluczem oczkowym na całej długości ramienia to zwykle za dużo.
• Sprawdź prostopadłość. Uchwyt przykręcony krzywo nie przylega całą powierzchnią - a niepełny styk to niepełny udźwig.

Demontaż

Uchwytu o udźwigu kilkudziesięciu kilogramów nie oderwiesz na wprost. Zsuń go bokiem po powierzchni - w kierunku ścinającym siła jest wielokrotnie mniejsza, dokładnie z tego samego powodu, dla którego udźwig boczny wynosi 15-25% katalogowego. Przy większych uchwytach używaj dźwigni: klina, płaskiego wkrętaka pod krawędź obudowy.

Nie podważaj magnesu, tylko obudowę. Materiał magnetyczny jest kruchy i wykruszy się na krawędzi.

Przechowywanie

• Z kotwicą lub w parze. Uchwyt przechowywany na płytce stalowej ma domknięty obwód magnetyczny i nie zbiera pyłu ani opiłków. Przy dwóch uchwytach - przechowuj je złożone przeciwnymi biegunami.
• Osobno od elektroniki i nośników. Zwłaszcza od kart z paskiem magnetycznym, przyrządów pomiarowych i dysków twardych.
• Sucho. Powłoka NiCuNi chroni magnes, ale nie jest hermetyczna - a obudowa ocynkowana koroduje w kontakcie z wodą, jak każda stal ocynkowana.
• Nie w temperaturze powyżej 80 °C. To dotyczy też magazynowania w samochodzie latem i w pobliżu urządzeń grzewczych.

Przegląd okresowy

Uchwyt pracujący w mocowaniu stałym warto obejrzeć co jakiś czas. Na co patrzeć:

• Czy powierzchnia styku jest czysta, czy nie narosła warstwa pyłu i opiłków.
• Czy ucho nie ma luzu w obudowie i czy nie widać śladów wyrwania.
• Czy gwint nie jest rozciągnięty, a nakrętka nie odkręcona przez drgania.
• Czy powłoka obudowy nie skorodowała w miejscu styku - korozja podnosi uchwyt i obniża udźwig.
• Czy uchwyt nie był narażony na uderzenie - pęknięcie magnesu wewnątrz obudowy jest niewidoczne z zewnątrz, ale objawia się nagłym spadkiem siły.

Jak zdjąć uchwyt, który się nie chce oderwać?

Nie ciągnij na wprost - zsuń bokiem po powierzchni. W kierunku ścinającym siła trzymania jest wielokrotnie mniejsza niż w osiowym, dokładnie dlatego, że wtedy trzyma tarcie, nie przyleganie. Przy większych uchwytach podważ obudowę klinem albo płaskim wkrętakiem, wprowadzając narzędzie pod stalowy kubek. Nie podważaj samego magnesu - jest kruchy i wykruszy się na krawędzi.

Źródła i opisy materiałów

NdFeB (neodym-żelazo-bor)

Materiał magnetycznie twardy na bazie związku międzymetalicznego Nd₂Fe₁₄B. Najsilniejsze dostępne komercyjnie magnesy trwałe. Wytwarzany metodą metalurgii proszków: spiekanie sprasowanego proszku w polu magnetycznym, następnie obróbka na wymiar i namagnesowanie. Twardy i kruchy jak ceramika - nie poddaje się obróbce wiórowej, tnie się tylko ściernie. Silnie koroduje w wilgotnym powietrzu, dlatego zawsze pokrywany powłoką ochronną. Standardowa granica pracy dla gatunków bez dodatków wysokotemperaturowych: 80 °C. Klasy oznaczane literą N i liczbą (N30-N50 w naszych kalkulatorach), gdzie liczba odpowiada w przybliżeniu maksymalnej gęstości energii w MGOe.

NiCuNi (nikiel-miedź-nikiel)

Standardowa powłoka ochronna magnesów neodymowych, nanoszona galwanicznie w trzech warstwach: nikiel, miedź, nikiel. Całkowita grubość rzędu kilkunastu mikrometrów. Twarda, srebrzysta, o dobrej odporności na ścieranie i wystarczającej odporności na korozję w warunkach wewnętrznych. Nie jest hermetyczna - przy długotrwałym zanurzeniu w wodzie i przy uszkodzeniu mechanicznym magnes może zacząć korodować pod powłoką. Do zastosowań zewnętrznych i mokrych stosuje się dodatkowe warstwy barierowe: epoksyd, gumę lub obudowę ze stali nierdzewnej.

Stal nierdzewna A2 (AISI 304, X5CrNi18-10)

Austenityczna stal chromowo-niklowa o zawartości około 18% chromu i 8-10% niklu. Oznaczenie A2 dotyczy elementów złącznych - śrub, nakrętek, podkładek. Dobra odporność na korozję atmosferyczną i w środowiskach o umiarkowanej agresywności. W stanie dostawy praktycznie niemagnetyczna, co ma dwie konsekwencje: uchwyt magnetyczny nie trzyma na powierzchni z tej stali, a elementy złączne z A2 nie zaburzają obwodu magnetycznego uchwytu. Ma niższą wytrzymałość na rozciąganie niż śruby ze stali węglowej klasy 8.8 - przy obciążeniu na granicy udźwigu to śruba A2 może być ogniwem, które puści pierwsze.

S235JR (dawniej St3S)

Niskowęglowa stal konstrukcyjna niestopowa, jedna z najpowszechniej stosowanych w budownictwie i konstrukcjach stalowych. Minimalna granica plastyczności 235 MPa, oznaczenie JR dotyczy udarności w temperaturze pokojowej. Ferromagnetyczna, o wysokiej przenikalności magnetycznej i wysokiej indukcji nasycenia - dzięki temu jest dobrym materiałem odniesienia do pomiaru udźwigu magnesów. Stosujemy płytę S235JR o grubości co najmniej 10 mm jako standardowe podłoże w naszych pomiarach udźwigu, ponieważ przy tej grubości stal domyka cały strumień magnetyczny i nie ogranicza wyniku. Wyniki uzyskane na tym podłożu są wartościami maksymalnymi - każde odstępstwo (cieńsza blacha, inny gatunek, warstwa na powierzchni) obniża udźwig.

Stal ocynkowana

Stal konstrukcyjna z powłoką cynkową, nanoszoną ogniowo lub galwanicznie. Standardowe wykonanie obudów uchwytów magnetycznych. Cynk chroni stal katodowo - koroduje w miejsce stali, także przy lokalnym uszkodzeniu powłoki. Wystarcza do zastosowań wewnętrznych, w warsztacie i hali produkcyjnej. Przy stałym kontakcie z wodą i w atmosferze agresywnej powłoka zużywa się i obudowa zaczyna rdzewieć - korozja w miejscu styku podnosi uchwyt nad powierzchnię i obniża udźwig.

Kalkulatory, do których odsyła ten poradnik

• Kalkulator udźwigu - siła oderwania dla walca, płytki i pierścienia, klasy N30-N50, z polem wyboru typu mocowania: magnes goły, uchwyt jednostronny, uchwyt dwustronny.
• Kalkulator indukcji w odległości - natężenie i indukcja pola dla płytki, krążka, pierścienia i kuli, przy szczelinie od 0 do 50 mm.
• Kalkulator jednostek SI i SI na CGS - przeliczanie gausów, tesli, erstedów, kA/m, MGOe i kJ/m³.
• Kalkulator momentu magnetycznego - wartość m w A·m² dla walca, płytki, pierścienia i kuli. Nie przewiduje udźwigu.
• Kalkulator współczynnika permeancji - w budowie. Pc zależy od geometrii, nie od klasy materiału. Nie wskazuje kolana krzywej odmagnesowania.