La criticità dei cuscini di sollevamento è rappresentata essenzialmente dalla mancanza di informazioni sulla durata, pertanto l’obiettivo è quello di ottenere la maggior quantità di informazioni possibili sulla curva di Wholer della resistenza a fatica dei cuscini effettuando un numero limitato di prove dovuto al fatto di avere solo due campioni di prova a disposizione. Naturalmente i risultati ottenuti saranno ben lontani dall’essere esaustivi sull’effettivo comportamento, ma si cercherà di ottenere più informazioni possibili sulla durata da un punto di vista cautelativo.
I tipi di prove da effettuarsi possono essere suddivise in tre tipi principali: • Prove statiche di misura della forza: in cui fissata la pressione massima si
fa variare la corsa e si vanno a costruire delle curve che legano la forza esercitata dal cuscino in funzione della corsa.
• Prove di filtrazione: in cui fissata la corsa si provano differenti pressioni per determinare l’effettiva pressione minima necessaria al processo, simulando una filtrazione.
• Prove di fatica: in cui fissata una corsa e una pressione, si testato un numero di cicli corrispondenti alla durata della macchina prevista dalla specifica moltiplicato per un fattore di sicurezza.
Per i motivi elencati nei capitoli precedenti, si andrebbe a provare il cuscino al limite della sua resistenza teorica, pertanto non tutte le prove hanno lo stesso grado di rischio di cedimento del cuscino, ed è necessario distinguere tra prove più o meno rischiose, in maniera da effettuare prima le prove meno gravose onde evitare la rottura del cuscino quando è necessario condurre ancora gran parte della campagna di prove. Pertanto si fa riferimento al grafico riportato in figura 51 in cui le curve sono indicative del rischio di rottura. Se si avesse a disposizione un elevato numero di provini per una completa campagna di prove, si potrebbe andare a testare l’effettivo comportamento a fatica dei cuscini, ricavando le curve reali. Ciò non è possibile per ovvie ragioni delle limitate risorse a disposizione, inoltre sarebbe superfluo andare a testare la completa variabilità di pressione e corsa quando il numero di casi di interesse è in realtà piuttosto limitato.
E’ necessario fissare quindi alcuni parametri in maniera da ridurre il numero di prove, la pressione di prova scelta all’interno del cuscino è quindi 32 bar, fissato questo parametro si può quindi ottenere una prima stima della corsa massima che si può ottenere nel funzionamento del cuscino.
Considerando un’area filtrante sulla macchina di prova di 0, 39m2ogni due piastre, l’area sulla singola piastra è pari a S = 0,392 =0, 195m2, da cui si ricava la forza minima necessaria al processo.
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Dove P =40bar rappresenta la massima pressione durante la fase di squee- zing.
Ipotizzando quindi di avere il cuscino in pressione a Pmax =32bar, si ottiene
un’area di contatto tra il cuscino e la piastra pari a :
A = Fmin
Pmax
=0, 243m2
Facendo la proporzione utilizzando la curva del carico in funzione della corsa fornita dal produttore (ipotizzando quindi che la capacità di sollevamento in funzione della corsa sia direttamente proporzionale alla pressione interna), si ottiene che la corsa massima consentita in questo caso è pari a circa 7 cm (oltre allo spessore del cuscino). Con la conoscenza di questi dati preliminari è possibile quindi definire in maniera più precisa le prove.
6.2.1 Prove statiche
Innanzitutto è necessario effettuare una serie di prove statiche volte a determinare con esattezza i parametri ipotizzati in precedenza. In particolare è necessario determinare la precisa corrispondenza tra la corsa del cuscino, la pressione interna, e la forza esercitata, benché ci si aspetti delle curve proporzionali a quella fornita dal produttore, è corretto verificare eventuali comportamenti non previsti del cuscino.
Per effettuare questa prova, e le successive, è stato scelto di utilizzare tre differenti corse del cuscino; rispettivamente 2,4 e 7 cm. Le pressioni di prova scelte sono 8,16,24, e 32 bar.
Per ciascuna prova (12 in totale) è quindi necessario seguire la seguente procedura:
• Aprire il pacco di piastre della filtropressa e inserire il cuscino, montato sul sistema di supporto mostrato in precedenza, tra la testata mobile e la prima piastra.
• Movimentare il pistone oleodinamico in maniera da lasciare libera la corsa prevista (2,4,7,cm), sommata allo spessore del cuscino (2,5 cm).
• Riempire il cuscino con acqua fino alla pressione prevista (8,16,24, o 32 bar). La pressione interna è monitorata da un manometro montato in prossimità dell’attacco di gonfiaggio del cuscino, come mostrato in figura .
• Leggere il valore di pressione presente all’interno del cilindro oleodinamico, moltiplicare la pressione ottenuta per il diametro del pistone, ottenendo così il valore della forza esercitata dal cuscino.
Inserendo i risultati delle prove in un diagramma corsa-forza al variare della pressione è possibile quindi caratterizzare completamente il comportamento del cuscino per l’utilizzo voluto. Avendo a disposizione sia il valore della pressione
interna, che il valore della forza esercitata è possibile ricavare in maniera semplice l’effettiva area di contatto tra il cuscino e la piastra.
6.2.2 Prove di filtrazione
E’ possibile effettuare direttamente una prova di filtrazione ad alta pressione su fanghi, permettendo quindi di verificare la rispondenza del cuscino al reale processo di filtrazione. E’ stato previsto di effettuare quindi 3 prove di filtrazione, una per ciascuna corsa ( 2,4,7 cm). Per ciascuna prova di filtrazione la macchina viene allestita come nel caso precedente, il fango viene pompato tra le piastre seguendo i tempi del processo di filtrazione descritto nel primo capitolo.
6.2.3 Prove a fatica
La criticità maggiore nell’utilizzo dei cuscini è chiaramente rappresentata dalla durata a fatica. I materiali polimerici inoltre tendono naturalmente a una de- gradazione delle proprietà meccaniche e strutturali con il passare del tempo e con l’esposizione a raggi solari e/o sostanze aggressive. Per l’utilizzo previsto in ambito alimentare viene escluso in sede di test e di progetto il contatto con sostanze chimiche aggressive.
La macchina è realizzata con una durata prevista dalla specifica tecnica di 10 anni. Una filtropressa per il filtraggio dell’olio al massimo esegue 3 cicli giornalieri, si ottiene un numero di cicli a fatica pari a Nf = 8100 per l’intera
vita utile. Testare il cuscino per il numero di cicli ottenuto, in caso non si avesse nessun cedimento, non sarebbe un’informazione indicativa, in quanto si sta cercando di ottenere informazioni su un comportamento statistico (cioè la fatica) utilizzando un numero limitato di provini (2). Pertanto, per tenere conto della varianza nella durata a fatica, è necessario definire un coefficiente di sicurezza per il numero di cicli da eseguire in fase di prova. Il coefficiente scelto è ηf =1.3,
la pressione massima è fissata a 32 bar, le corse da testare sono quelle provate in precedenza di 2,4, e 7 cm. Per ogni prova verranno quindi testati 9800 cicli. Dato l’elevato numero di cicli da eseguire in tempi rapidi, ma comunque piuttosto lenti in maniera da non avere l’influenza delle condizione transitorie sui risultati finali, è necessario predisporre un sistema automatico di esecuzione delle prove che non preveda la presenza fissa di un operatore per monitorarle. Lo schema dei componenti e del sistema necessario è mostrato in figura 59.
I componenti necessari sono indicati nello schema d’impianto con la simbolo- gia corrente:
• Serbatoio: avente una capacità di 20 l, sufficiente per tutte le prove necessarie. • Cuscino: montato sul sistema di supporto descritto in precedenza.
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• Valvole elettropneumatiche:indicate con V01 e V02, azionate da un quadro elettropneumatico a sua volta comandato da un quadro elettrico.
• (Valvola di sicurezza:) indicata con V04, per permettere lo scarico automati- co in caso di sovrapressione, settata a 35 bar.
• Pompa a pistone:indicata con G02, con portata di 2 l/min, pressione di mandata 40 bar, funzionante a 1400 rpm.
• Quadro elettropneumautico: per il controllo delle valvole.
• Quadro elettrico: rilevando il valore di pressione dal trasduttore, coman- da il quadro elettropneumetico per la regolazione on/off delle valvole nominalmente chiuse.
• Manometro: indicato con PI02, permette la lettura manuale del valore della pressione presente nel cuscino.
• Trasduttore di pressione: Valore di pressione che viene monitorato e registrato durante le prove.
• PLC: per memorizzare i valori della pressione ottenuti dalle prove, collegato al quadro elettrico in maniera da poter sospendere la prova in caso di rilevazione di anomalie.
Tenendo conto della portata della pompa a pistone (2 l/min con pressione di mandata a 32 bar, 40 l/min con pressione di mandata fino a 5 bar) e che per il 90 % del tempo di riempimento la pressione all’interno del cuscino è inferiore a 5 bar, e solo nell’ultimo 10 % la pressione interna sale fino ad arrivare a 32 bar. Lo sgonfiaggio del cuscino si ipotizza essere uniforme in un tempo pari a 0,1 min. Tenendo quindi conto del numero di cicli da effettuare, è possibile calcolare la durata delle prove per ciascuna corsa. Naturalmente non essendo possibile memorizzare manualmente i dati ricavati è necessario prevedere l’utilizzo di un PLC per poter acquisire i dati del ciclo, in particolare è necessario memorizzare la pressione in funzione del tempo, rilevata dal trasduttore di pressione. In caso venissero rilevate anomalie il PLC interrompe l’esecuzione della prova, registrando tutti i dati ottenuti in maniera da non perdere informazioni in caso di guasti o situazioni non previste. E’ previsto il controllo dell’esecuzione delle prove due volte al giorno, rispettivamente all’inizio e alla fine del turno lavorativo.
Sulla base delle considerazioni effettuate in precedenza, si definiscono quindi le prove con sollecitazioni crescenti, in maniera da essere sempre dalla parte della sicurezza. Viene definita quindi l’esecuzione di 3 prove a fatica.
• Prova 1: Il cuscino viene montato sulla macchina di prova con le modalità descritte nei precedenti paragrafi, la pressione massima di esercizio è fissata a 32 bar, vengono lasciati 2 cm di corsa (da sommare ai 2,5 cm di spessore
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del cuscino), si eseguono 8100 cicli descritti. In questo caso il ciclo descritto ha la durata di δt =0, 46min si ottiene una durata totale della prova di 2.5
giorni.
• Prova 2: Segue le stesse modalità e lo stesso numero di cicli della prova 1, vengono consentiti 4 cm di corsa massima al cuscino (da sommare ai 2.5 cm di spessore), il tempo totale stimato di prova è pari a 4 giorni.
• Prova 3: Segue le stesse modalità e lo stesso numero di cicli della prova 1, vengono consentiti 7 cm di corsa al cuscino (da sommare ai 2.5 cm di spessore), Il tempo totale stimato di prova è pari a 7 giorni.