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Capitolo 5
5 Verifica sperimentale
La convalida dei risultati ottenuti per mezzo delle simulazioni descritte nei capitoli precedenti è avvenuta tramite la raccolta di dati sperimentali relativi le vibrazioni generate dal danneggiamento dei cuscinetti tipologia SKF 22240 CCK/W33, su cui i modelli di studio erano stati basati. Come anticipato all’interno del capitolo introduttivo, la presenza di un banco prova sperimentale nei laboratori del Politecnico di Torino, appositamente progettato per la realizzazione di test su cuscinetti di grandi dimensioni, è stata decisiva nella scelta della tipologia di componenti da simulare. Infatti, tale sistema è stato utilizzato per valutare il comportamento di una coppia di cuscinetti appositamente danneggiati, rispettivamente, uno sulla pista dell’anello interno ed uno su quella dell’anello esterno.
È stato, inoltre fornito, successivamente, anche un cuscinetto recante due difetti sulla pista interna distanziati esattamente di 180° l’uno dall’altro, si ribadisce, tuttavia, che per la seguente tesi, solamente il caso del danneggiamento sull’anello esterno è stato valutato. I difetti in questione sono stati realizzati su esplicita richiesta direttamente dalla ditta produttrice (SKF), e sono sati posti in corrispondenza dei punti in cui i modelli SKF 22240 CCK/W33 avevano mostrato segni di cedimenti ed usura in applicazioni precedenti.
I cuscinetti presentanti difetto sono, quindi, stati inseriti all’interno del banco prova per essere monitorati ed i dati ottenuti, sono stati successivamente rielaborati per il confronto con i valori della simulazione. Pertanto, nelle seguenti pagine vengono descritte, brevemente, le caratteristiche del banco prova utilizzato e delle sue componenti, nonché i calcoli utili all’elaborazione dei dati empirici reperiti.
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battuta con gli attuatori idraulici e le pareti della scatola in modo da trasmettere le forze ai cuscinetti.
Questi ultimi sono calettati su di un albero rotante passante all’interno della scatola, e sono disposti in una configurazione costituita da due coppie di elementi che interagiscono indipendentemente, per un totale di quattro componenti testati. Questo è anche il limite principale della soluzione proposta in quanto, affinché il banco prova possa funzionare correttamente, all’interno del box devono essere presenti quattro cuscinetti tutti sottoposti a carico, in modo che il sistema risulta equilibrato e, quindi, in sicurezza.
La realizzazione della condizione di equilibrio è subordinata alla sollecitazione di tutti gli elementi, in quanto il gruppo di attuatori radiali, presentii all’interno del banco, preme esclusivamente sugli anelli esterni dei cuscinetti posti più internamente nell’assieme. La spinta di tali cuscinetti si scarica sull’albero, in quale inizierebbe a traslare verso il basso se non fosse per la presenza dei cuscinetti posti più esternamente, i quali vanno in battuta con la base della scatola trasferendo ad essa il carico.
Tale carico va, quindi a scaricarsi all’interno delle pareti laterali della “self-conatined box”, le quali sono anche coinvolte nel sorreggere la spinta di reazione generata dagli attuatori. In questo modo, il sistema risulta isolato, e le forze non vengono trasmesse verso l’esterno né per mezzo dell’albero né attraverso il telaio di sostegno. Un simile meccanismo è associato anche al gruppo di spingitori assiali, i quali applicano un carico sugli anelli esterni di una coppia di cuscinetti per andare a separarli.
Tuttavia, poiché i cuscinetti interni vanno in battuta su uno spallamento e quelli esterni sono bloccati per mezzo di una spessa ghiera dotata di sistema anti-svitamento, la forza viene interamente scaricata e compensata all’interno dell’albero. Per tale ragione, le sezioni dell’albero rotante presenti nelle sedi di calettamento sono molto estese se paragonate con quelle in uscita dalla scatola. Si precisa, infine, che, per mezzo degli attuatori, si rende possibile applicare fino a 200kN di forza sia in direzione radiale, sia in direzione assiale, per ciascun cuscinetto. Pertanto, è possibile sviluppare delle condizioni di carico compatibili con i limiti di sollecitazione a fatica per i modelli SKF 22240 CCK/W33 testati. La Figura 5.1 esplicita quanto affermato nelle righe precedenti, riportando uno schema di funzionamento della “self-contained box” presente nel banco prova.
Figura 5.1, schema di funzionamento della “self-contained box” presente nel banco prova [32]
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Si riporta, inoltre, un’immagine relativa il contenuto della “self-contained box” che risulta accoppiato all’albero (Figura 5.2), ovvero, l’albero rotante stesso e gli adattatori serrati intorno ai cuscinetti.
Figura 5.2, immagine del contenuto della “self-contained box”: albero rotante e quattro gruppi di adattatori – cuscinetti [32]
È opportuno, infine, specificare che la “self-contained box” viene opportunamente riempita di olio per garantire la lubrificazione dei componenti durante l’utilizzo. Una volta definita la geometria della scatola ed il suo funzionamento, è bene proseguire la trattazione andando a presentare i principali organi di funzionamento presenti all’interno del banco, ma posti al di fuori della scatola.
Innanzitutto, per quanto concerne l’albero rotante, esso è azionato da un motore elettrico alternato trifase della potenza di 30kW, in grado di raggiungere velocità massime di circa 2500 rpm, e comandato per mezzo di un inverter. La trasmissione del moto dal sistema di propulsione alla scatola contenente gli elementi testati avviene per mezzo di un giunto elastico del tipo Periflex, il cui scopo è quello di ridurre le sollecitazioni generate durante le fasi di accelerazione, nonché di minimizzare il disturbo derivante dalle inevitabili oscillazioni di coppia legate all’alimentazione alternata tramite inverter del motore. Quest’ultimo obiettivo è molto importante da perseguire in quanto la presenza di oscillazioni di coppia tende a generare fenomeni di vibrazione molto marcati che potrebbero interferire con la raccolta dei dati provenienti dai cuscinetti effettivamente legati alla presenza dei difetti. Si anticipa, tuttavia, che il disturbo proveniente dal motore sarà comunque presente e dovrà essere appositamente filtrato nell’analisi dei risultati. Il sostegno dell’albero, invece, è affidato ad una coppia di cuscinetti di piccola taglia (se confrontati a quelli testati) i quali sorreggono l’albero ai suoi estremi, in corrispondenza dell’uscita dalla scatola. Per meglio comprendere l’ubicazione dei cuscinetti secondari adibiti a vincoli dell’albero, si faccia riferimento alla Figura 5.3.
Figura 5.3, immagine del contenuto della “self-contained box”: dettaglio del sistema idraulico di messa in pressione degli attuatori assiali e dei cuscinetti secondari a supporto dell’albero [32]
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L’intero assieme è, infine, sostenuto per mezzo di un telaio rinforzato appositamente progettato (l’intera struttura pesa intorno ai 3000kg) su cui i vari elementi sono saldamente ancorati.
L’alimentazione degli attuatori avviene per mezzo di una pompa in grado di convertire la bassa pressione proveniente dall’impianto pneumatico del laboratorio negli elevati valori di pressione idraulica richiesta. Si anticipa, tuttavia, che l’utilizzo di un simile un sistema di moltiplicazione della pressione ha limitato il range di sollecitazioni realizzabili ad una selezione discreta e limitata di condizioni di carico.
Si riporta, di seguito, una rappresentazione dell’intero banco prova corredato di “self-contained box”, motore, telaio, giunto, pompe ed un dettaglio del gruppo di attuatori radiali (Figura 5.4).
Figura 5.4, immagine esterna del banco prova utilizzato per la verifica sperimentale del modello [32]
5.1.1 L’assieme cuscinetto-adattatore radiale
Una volta descritto il banco utilizzato per eseguire le prove, è opportuno spostare l’attenzione verso l’elemento di maggiore interesse della struttura, ovvero, quello specificamente coinvolto nella raccolta dei dati delle vibrazioni. Più precisamente, come era stato precedentemente descritto all’interno del capitolo 4 relativo la simulazione delle vibrazioni, tale elemento è costituito dal binomio cuscinetto-adattatore radiale. Questa coppia di elementi è particolarmente interessante dal momento che, essendo l’adattatore serrato attorno all’anello esterno del cuscinetto, esso ne trasmette, ed influenza, le vibrazioni generate per effetto della presenza di difetti sulle piste. Tali oscillazioni, vengono quindi percepite e registrate mediante un accelerometro ancorato in corrispondenza della superficie inclinata della porzione superiore dell’adattatore, come era già stato evidenziato nel capitolo precedente. I sensori in questione, nello specifico, hanno permesso di percepire le accelerazioni dell’adattatore radiale nella direzione perpendicolare alla superficie su cui essi sono montati, ovvero, nella direzione Y del sistema di riferimento “accelerometro” descritto all’interno del
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capitolo 4. Si rimanda alla Figura 4.1, precedentemente esaminata, per il riconoscimento del binomio cuscinetto-adattatore sottoposto a test, nonché per evidenziare la posizione del sensore.
SI consideri, infine che, all’interno del banco prova sono presenti in totale quattro di questi assiemi e ciascuno di essi ha registrato gli andamenti delle accelerazioni per l’intera durata del test, sebbene il difetto fosse presente su solamente uno dei cuscinetti. Inoltre, si anticipa che, attraverso la raccolta dei dati per mezzo di tutti i componenti, è stato possibile verificare che il sistema è in grado di percepire gli effetti del danneggiamento anche dai risultati registrati dai cuscinetti sani. Questa è una considerazione molto importante in quanto evidenzia la possibilità di individuare le tracce della presenza di un difetto, senza monitorare direttamente il componente interessato.