Progetto costruttivo di un sistema di movimentazione bobine di carta tissue

Università di Pisa

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

PROGETTO COSTRUTTIVO DI UN SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE

BOBINE DI CARTA TISSUE

Relatore universitario:

Candidato:

Prof. Ing. Marco Beghini

Maurizio Tomei

Relatore aziendale:

Ing. Guglielmo Biagiotti

Ai miei Genitori,

ai quali devo molto

Sommario

Il presente studio è stato sviluppato nell’ambito della progettazione meccanica e si è svolto in collaborazione con l’azienda CRC s.r.l. di Marlia (LU).

L’azienda ospitante opera nel settore della progettazione meccanica e dei servizi; studia, progetta, realizza e assembla, anche per conto di terzi, parti di macchinari ed impianti industriali appartenenti a vari settori, principalmente settore cartario.

È inoltre presente sul mercato con una gamma di prodotti propri per cartotecnica e cartiera finalizzati a migliorare l’efficienza del processo produttivo.

Il lavoro svolto in questi mesi riguarda lo studio di un sistema comandato mediante pulsantiera in grado di movimentare bobine tissue all’interno di una cartiera.

Partendo dalla situazione attuale, dalle problematiche esistenti e dalla richieste del cliente, è stato effettuato lo studio di fattibilità, per poi concentrarsi sulla progettazione e sulle verifiche, finalizzate alla successiva realizzazione.

Abstract

This project was developed in the field of mechanical design and it was carried out in collaboration with the company CRC srl Marlia (LU).

The hosting company operates in mechanical design and services; it studies, designs, manufactures and assembles machinery for industrial plants in various sector, mainly for paper industries, on behalf of third parties as well.

The company is also present on the market with a range of it’s own products for paper converting industries to improve the efficiency of the production processes in paper mills.

The work done during last months refers to the study of a transportation system battery powered and controlled by a pushbutton capable of handling paper rolls inside a paper mill.

Based on the present situation with it’s problems of handling and on customer’s requests feasibility study had been done with the subsequent design and the relevant calculation to allow the construction with the needed safety.

Indice

Sommario ... 2

Abstract... 3

Introduzione ... 8

Capitolo 1: Industria cartaria ... 9

Capitolo 2: Presentazione del problema ... 11

Capitolo 3: Sviluppo del progetto ... 14

Capitolo 4: Specifica tecnica ... 16

4.1 Funzionamento ... 16 4.2 Specifiche ... 17 4.3 Sicurezza ... 17 4.4 Interfacce ... 18 4.5 Condizioni ambientali ... 19 4.6 Collaudo e accettazione ... 19 Capitolo 5: Avanprogetto ... 20 5.1 Soluzione preliminare ... 20 5.2 Bozze di soluzione ... 22 5.2.1 Ruote sterzate ... 22 5.2.2 Ruote inseribili a 90° ... 23 5.3 Soluzione definitiva ... 24

Capitolo 6: Requisiti di sicurezza... 29

6.1.1 Introduzione ... 30

6.1.2 Procedura di progettazione SRP/CS ... 32

6.1.3 Performance Level “d” ... 34

6.2 Impianto elettrico e di sicurezza ... 36

6.2.1 Motoruota di trazione e relativo impianto elettrico ... 36

6.2.2 Batteria e carica batteria ... 36

6.2.3 Pulsantiera di comando ... 37

6.2.4 Centralina di comando ... 38

6.2.5 Laser scanner ... 38

6.2.6 Componentistica varia ... 39

Capitolo 7: Progetto costruttivo ... 41

7.1 Motrice ... 43 7.1.1 Motoruota sterzante ... 43 7.1.2 Struttura meccanica ... 43 7.1.3 Ruote fisse ... 45 7.2 Carrello ... 45 7.2.1 Struttura meccanica ... 45 7.2.2 Ruote ... 47 7.2.3 Freno di stazionamento ... 48 7.2.4 Perno di collegamento ... 49

Capitolo 8: Verifiche strutturali ... 51

8.1 Perno di collegamento ... 51

8.2 Staffa bloccaggio perno... 53

8.3 Sostegno di collegamento perno ... 54

8.4 Carrello ... 55

8.5 Carico accidentale ... 58

8.6 Stabilità della macchina ... 59

Capitolo 9: Conclusioni e sviluppi futuri ... 62

Bibliografia ... 64

Indice delle figure

Figura 1.1: Macchina continua per la formazione delle bobine ... 10

Figura 2.1: Movimentazione bobine con carroponte e ganci di afferraggio ... 11

Figura 2.2: Layout d’impianto e area di lavoro non coperta da carroponte ... 12

Figura 3.1: Fasi dello sviluppo della macchina ... 15

Figura 5.1: Trattore industriale a guida in piedi ... 20

Figura 5.2: Rimorchio a sei ruote, due fisse e quattro pivotanti ... 21

Figura 5.3: Particolare dello snodo sul trattore ... 21

Figura 5.4: Movimentazione bobina tissue con ruote sterzate ... 22

Figura 5.5: Movimentazione bobina tissue con ruote inseribili a 90° ... 23

Figura 5.6: Particolare del sistema di inserimento delle ruote a 90° ... 23

Figura 5.7: Progetto definitivo ... 24

Figura 5.8: Comando a pulsantiera radiocomandata ... 25

Figura 5.9: Fase di inserimento motrice nelle guide ... 26

Figura 5.10: Particolare del traino inserito nel carrello ... 27

Figura 5.11: Reazioni sulle ruote ... 28

Figura 6.1: Corrispondenza tra PL e PFHd ... 30

Figura 6.2: PLr ... 32

Figura 6.3: Fasi progettuali di un sistema SRP/CS ... 33

Figura 6.4: Architettura circuitale di un sistema SRP/CS funzionante in categoria 3 .... 35

Figura 6.5: Batteria ... 37

Figura 6.6: Centralina elettrica ... 38

Figura 6.7: Area di azione laser scanner ... 39

Figura 7.1: Motoruota MR415FM ... 43

Figura 7.2: Telaio motrice ... 44

Figura 7.3: Motrice completa con carenature in trasparenza ... 45

Figura 7.5: Schema carichi sulla capretta posteriore vista laterale (sx) e frontale (dx) .. 46

Figura 7.6: Particolare delle guide ... 47

Figura 7.7: Assieme freno ... 49

Figura 7.8: Perno di collegamento ... 50

Figura 8.1: FBD perno di collegamento ... 52

Figura 8.2: FBD perno collegamento ... 52

Figura 8.3: Schema di carico della staffa di bloccaggio ... 53

Figura 8.4: Schema di carico del sostegno di collegamento perno ... 54

Figura 8.5: Trasposizione della forza nel baricentro della saldatura ... 55

Figura 8.6: Carichi agenti sul carrello ... 55

Figura 8.7: Schematizzazione carichi/vincoli agenti sulla capretta anteriore ... 56

Figura 8.8: Sollecitazione equivalente di Von Mises nella capretta anteriore ... 57

Figura 8.9: Spostamento orizzontale nella capretta anteriore ... 58

Figura 8.10: Schema per lo studio di carico accidentale ... 58

Figura 8.11: Vista frontale macchina su rampa di 2.5° ... 59

Figura 8.12: Vista dall’alto macchina durante la sterzatura ... 60

Figura 8.13: Grafico della Frib al variare dell’angolo di sterzo β ... 60

8

Introduzione

La carta è presente nella vita di ciascuno. Basti pensare ai diversi campi in cui viene utilizzata: uso domestico e industriale, per imballaggio ecc.

Intorno ad un prodotto così flessibile, si è sviluppato un ramo industriale in grado di produrre 400 milioni di tonnellate/anno nel mondo fra carta e cartone.

Negli ultimi anni, paesi che hanno registrato un miglioramento delle condizioni economiche, si sono attrezzati con impianti produttivi che soddisfino la domanda interna. Ne è un esempio la Cina, oramai diventato il più grande protagonista in questo senso: consuma 90 milioni di carta l’anno importandone solo il 3%. Seguono poi i paesi nordici a pari passo con gli USA, con un consumo annuo di circa 200 Kg a persona.

Nella realtà italiana vengono consumati circa 10 milioni di tonnellate per un consumo di 170 kg/anno a persona. Grazie soprattutto alla conformazione geografica, l’Italia nel tempo è diventata uno dei massimi produttori mondiali di carta e la Provincia di Lucca ne è un’eccellenza soprattutto nel settore della carta tissue.

9

Capitolo 1:

Industria cartaria

L’industria cartaria è il settore manifatturiero composto dalle cartiere che si occupano della produzione di carta e cartone. A monte di essa troviamo l’industria della cellulosa, che fornisce la materia prima; mentre a valle troviamo l’industria cartotecnica e l’industria dell’imballaggio, che utilizzano i semilavorati prodotti dalle cartiere per produrre i più svariati prodotti finiti (i.e. carta igienica, fazzoletti, scatole di scarpe, quaderni).

L’industria cartaria, a seconda dell’utilizzo finale del prodotto, può a sua volta essere suddivisa in diverse tipologie.

Nelle cartiere tissue, la preparazione del foglio avviene in tre fasi successive:  Preparazione impasto

 Creazione della bobina tissue, con la macchina continua (fig. 1.1)  Stoccaggio in magazzino

Il ciclo produttivo all’interno di una cartiera potrebbe considerarsi concluso. Tuttavia, per motivi di carattere logistico e/o storico, una volta che la bobina esce dalla macchina continua, può essere sottoposta a ulteriori lavorazioni, tra cui la più comune è la ribobinatura ossia il processo di svolgimento della bobina in uscita dalla continua, per tagliare e riavvolgere bobine multivelo nel formato desiderato per utilizzo finale.

10

11

Capitolo 2:

Presentazione del problema

Nell’industria cartaria, è frequente e fondamentale l’esigenza di movimentare le bobine all’interno dello stabilimento. A causa delle elevate dimensioni e dell’elevato peso, la loro movimentazione è un punto importante nello studio del layout e della sicurezza d’impianto.

Normalmente questa operazione viene effettuata mediante l’utilizzo di carroponte. Il caso in esame, sorto in una cartiera tissue, è nato dall’esigenza di prelevare la bobina in uscita dalla linea continua per sopperire ai frequenti guasti della ribobinatrice a valle, evitando l’accumulo eccessivo di bobine allo scarico della continua.

In caso di normale funzionamento, il carroponte, con appositi ganci di afferraggio (fig.2.1) afferra la bobina alle estremità dell’asse che sostiene la bobina, la solleva e la conduce, passando per la zona tratteggiata blu (fig.2.2), verso la ribobinatrice.

12

13 Può succedere però, che la macchina a valle si guasti e rimanga ferma per un tempo abbastanza lungo, durante il quale, la continua, non potendo assolutamente essere fermata, prosegue il suo compito, con una produttività media di 1 bobina ogni 30/35 minuti.

Nel tempo che i tecnici impiegano a riavviare la ribobinatrice si possono accumulare però solo un numero molto ridotto di bobine; una o due al massimo, dopodiché la bobine prodotte devono essere rimosse per poter proseguire la produzione.

Nasce quindi l’esigenza di progettare una macchina che funga da trasportatore di emergenza per le bobine prodotte in queste condizioni così da permetterne lo spostamento, attraverso un percorso alternativo, in una zona di stoccaggio temporaneo, in attesa del riavvio della ribobinatrice. Il percorso ipotizzato è composto da:

 Primo tratto diagonale svolto dalla nostra macchina.

 Il secondo tratto, eventualmente coperto dal secondo carroponte.

Vedremo nel capitolo 5 come l’intero tratto sarà coperto dalla sola macchina senza l’utilizzo del carroponte.

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Capitolo 3:

Sviluppo del progetto

La CRC da tanti anni opera nel settore cartario e cartotecnico. La conoscenza dei layout generalmente installati, delle procedure utilizzate, dei comportamenti del personale e degli spazi a disposizione, nella maggior parte degli stabilimenti, sono informazioni indispensabili per affrontare la progettazione di una macchina che deve movimentarsi al suo interno.

Per capire a fondo le esigenze del cliente, sono stati fatti diversi sopralluoghi all’interno dello stabilimento in questione. Sono state studiate dettagliatamente tutte le procedure di movimentazione presenti, le attrezzature utilizzate, l’ambiente, gli spazi a disposizioni degli operatori e le caratteristiche geometriche e di peso delle bobine tissue, essenziali nella fase di studio progettuale.

Dopo una prima fase di inquadratura del problema, ha seguito una fase di avanprogetto dove sono stati presi in considerazione alcuni fattori, come la compatibilità della macchina nello stabilimento, piuttosto che la costruzione ottimizzata per il problema in questione. Qui è entrata in gioco la strategia aziendale e un’analisi del problema da un punto di vista realizzativo, cioè se utilizzare, modificandoli, sistemi già presenti, oppure progettare e realizzare una macchina ex-novo.

In questo caso è stato scelto di creare una macchina ad hoc, in grado di svolgere le funzioni richieste.

Successivamente siamo passati alla stesura della specifica dettagliata e, una volta validata dal committente, è stato eseguito lo sviluppo ingegneristico del progetto.

La macchina è stata modellata in 3D con software Solidworks e successivamente sono state disegnate le tavole per la fase di produzione.

CRC, con la sua divisione KMS, si occuperà poi della fase di assemblaggio sia della parte meccanica che di quella elettrica.

15 Seguirà poi la fase di collaudo interno e la spedizione nello stabilimento di destinazione. A corredo, saranno forniti dal nostro ufficio tecnico manuali esplosi dei componenti oltre al manuale di uso e manutenzione e al fascicolo tecnico con la documentazione relativa alla parte elettrica di sicurezza.

Successivamente sarà previsto, dalla nostra azienda, una giornata di formazione per il personale dello stabilimento per lo sviluppo della quale sarà preparato apposito materiale didattico.

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Capitolo 4:

Specifica tecnica

La stesura della specifica definitiva è il risultato di un lavoro durato alcune settimane composto da tre membri dell’ufficio tecnico della CRC e il responsabile dello sviluppo dell’azienda committente.

In questa fase delicata si mescolano aspetti tecnici e conoscenza del contesto in cui operano questi tipi di macchine, appresi dopo una lunga esperienza nel settore. Vengono inoltre definite le performance e i requisiti di sicurezza, ma anche la flessibilità di utilizzo e gli standard ergonomici.

4.1

Funzionamento

Il sistema si compone di due elementi fondamentali entrambi necessari per il corretto uso:

 Elemento di traino (motrice)

 Supporto bobina trainabile (carrello)

La motrice è un elemento semovente che può muoversi sia libero che collegato al rimorchio (eventualmente carico della bobina da trasportare): quando si muove libero poggia su tre ruote di cui una motorizzata e sterzante, quando è collegato rigidamente al rimorchio poggia solo sulla ruota motorizzata in modo da garantire la giusta trazione del carico. Il suo movimento è continuamente controllato, tramite radiocomando, dall’ operatore che cammina al suo fianco, libero di muoversi intorno alla macchina, in modo da poter scegliere i punti con maggiore visibilità per evitare urti e danni indesiderati.

Per il traino l’operatore deve guidare la motrice all’ interno delle apposite guide ricavate nel rimorchio, unendoli rigidamente mediante un perno inseribile manualmente. L’operatore deve inoltre provvedere al collegamento della presa di alimentazione dei

17 dispositivi di sicurezza posti sul carrello, in modo da renderli attivi solo quando la motrice è collegata.

Arrivato a destinazione il rimorchio può essere scollegato e lasciato in attesa, mentre l’elemento di traino viene guidato dall’ operatore nel suo viaggio di ritorno pronto ad effettuare un eventuale nuovo traino.

Quando le batterie non hanno più carica sufficiente, viene portato nel punto di ricarica, e collegato direttamente ad una presa a muro, in quanto la motrice è equipaggiata con caricabatteria a bordo.

4.2

Specifiche

 Diametro bobina trasportabile: 2500 mm.  Larghezza bobina trasportabile: 5055 mm.

 Peso bobina trasportabile completa di asta: 11000 kg.  Peso totale da muovere: 12000 kg.

 Velocità di avanzamento sotto carico: 4 km/h (65 m/min).  Velocità di retromarcia: 0.5 km/h (8.33 m/min).

 Velocità in fase di sterzatura (angolo di sterzo > 5°): 1 km/h (16.7 m/min).  Pendenza massima superabile 2.5° per un tempo massimo di 40 sec.  Ciclo di lavoro: 5 spostamenti a carico e 5 spostamenti a vuoto di 600m.  Autonomia massima percorribile: 6 km.

 Tempo totale continuo di lavoro disponibile: 80/90 min.

 Comando tramite pulsantiera radiocomandata, indossata a marsupio.  Pacco batterie trazione acido libero al piombo smontabile.

 Carica batterie a bordo.

4.3

Sicurezza

Il sistema risponde alle norme vigenti relative a mezzi di trasporto a batteria per la movimentazione all’interno di uno stabilimento (truck):

 IEC 61496-3;

 EN 13849-1 e EN 139849-2;

 E più in generale alla Direttiva Macchine 2006/42/CE.

Deve essere provvisto di sistemi di sicurezza contro eventuali collisioni a cose e/o persone dovute a possibili cause:

 Guasto improvviso del sistema di trasporto;

 Persone e/o cose presenti nella zona non visibile dall’operatore;  Qualsiasi altra causa che possa recare danno a cose e/o persone.

18 Secondo la norma UNI ISO 6292, un sistema di categoria B1 deve avere uno spazio di frenata:

𝑆0≤ 1.08 [𝑚]

Deve essere quindi provvisto di idonei sistemi di sicurezza. La sicurezza deve essere rispettata sia a pieno carico, quindi con elemento trainante che porta il carrello carico di bobina, sia con motrice da sola nello spostamento, prima di collegarsi al carrello.

Per quanto riguarda il carrello singolarmente, sono previsti due freni meccanici da inserire manualmente durante lo stazionamento dello stesso.

Da esplicita richiesta del cliente, è necessario che il sistema di controllo SRP/CS del circuito elettronico garantisca che le funzioni di sicurezza scelta siano in Performance Level “d”.

4.4

Interfacce

Interfacce con impianto elettrico:

Si deve disporre di una presa a muro per il collegamento con il caricabatteria aventi le seguenti caratteristiche:

 Tensione: 380 V +/- 10 %;  Frequenza: 50 Hertz +/- 0.5 %;

 Distribuzione a 5 cavi: 3 conduttori di fase + neutro + cavo di messa a terra. Interfacce con lo stabilimento:

 La macchina sarà portata a muoversi su suolo con pavimentazione industriale prevalentemente bagnata, è quindi necessario che si muova su ruote gommate o simili, in modo che i continui movimenti della macchina non danneggino il suolo garantendo al tempo stesso idonea aderenza

 La pavimentazione è piana e non presenta rampe. Interfacce operatore:

 La macchina è utilizzata da un unico operatore senza competenze specifiche.  L’operatore comanda tramite interfacce analogiche e/o digitali il moto

traslatorio.

 Il movimento di sterzatura della macchina è manuale e comandato direttamente dall’operatore, ed egli deve poterlo eseguire facilmente tramite pulsantiera radiocomandata.

 L’interfaccia per regolare la velocità del carrello e per frenarlo è posta sulla pulsantiera sotto forma di joystick.

19  I comandi sono ad azione mantenuta, il loro rilascio improvviso arresta la

macchina entro gli spazi previsti dalla norma. Interfaccia rimorchio traino:

 I dispositivi di sicurezza posti sul rimorchio si devono attivare solo quando collego la motrice, mediante apposito interruttore elettrico, in modo da garantire PL ”d”

4.5

Condizioni ambientali

La macchina deve essere utilizzata in stabilimento con le seguenti caratteristiche:  Atmosfera non salmastrosa e priva di particolari agenti corrosivi;

 Range di temperatura: +10°C / +50°C;  Ambiente di lavoro al chiuso;

 Possibilità di pavimentazione umida/bagnata.

4.6

Collaudo e accettazione

Il collaudo consisterà in una prova di movimentazione, in particolar modo di frenata di emergenza, a pieno carico. Saranno inoltre testai tutti i dispositivi di sicurezza presenti a bordo.

20

Capitolo 5:

Avanprogetto

5.1

Soluzione preliminare

Inizialmente è stato pensato di utilizzare un sistema di trasporto con rimorchio, già presente in stabilimenti di nonwovens. Il sistema è composto da due elementi:

 Un trattore elettrico a guida in piedi (fig.5.1)

 Un rimorchio a 6 ruote, due fisse e quattro pivotanti (fig.5.2)

Una volta caricata la bobina sul rimorchio, l’operatore manovra il trattore fino al raggiungimento della posizione di aggancio con il carrello quindi, mediante perno, collega il gancio del rimorchio al trattore (fig.5.3)

21

Figura 5.2: Rimorchio a sei ruote, due fisse e quattro pivotanti

Figura 5.3: Particolare dello snodo sul trattore

Questo sistema risulta inadatto allo scopo, data la zona di manovra è molto ristretta come si noterà in seguito nel layout, a causa del raggio di sterzata del sistema troppo grande

22 rispetto agli spazi disponibili. Essi portano a bloccaggio delle ruote centrali del rimorchio e quindi opposizione alla manovra (caratteristica verificata sperimentalmente). Oltre a questo, lo snodo di collegamento rende difficoltoso e pericoloso le operazioni di retromarcia quando il rimorchio è caricato con la bobina.

5.2

Bozze di soluzione

Una volta capito il problema, sono state ideate diverse soluzioni.

5.2.1 R

Un’idea è stata quella di progettare un carrello porta bobina trasportabile con muletto con ruote fisse sterzate col giusto angolo che, collegato con un perno ad muletto, esegue il tragitto, senza possibilità di modificarlo, fino alla zona fucsia (fig.5.4). Lì, il secondo carroponte, carica la bobina e la conduce nella zona di stoccaggio rappresentata in figura 2.2.

Figura 5.4: Movimentazione bobina tissue con ruote sterzate

Questa soluzione è stata scartata in quanto presenta le seguenti difficoltà:  Monodirezionalità del movimento;

 Impossibilità nel correggere errori di traiettoria;

 Uso obbligatorio del secondo carroponte. Quindi aumento del tempo di movimentazione.

23

5.2.2 R

90°

Dato che il percorso potrebbe essere visto come somma di due traiettorie perpendicolari tra loro, è nata l’idea di inserire 4 ruote fisse agli angoli in direzione trasversale all’impianto, e altre 4 a 90° inseribili meccanicamente una volta terminata la prima traslazione (fig.5.5).

Figura 5.5: Movimentazione bobina tissue con ruote inseribili a 90°

Data la massa elevata da trasportare, il sistema che inserisce le 4 ruote deve essere robusto, tanto da garantirne il corretto funzionamento. E’ stato dunque ideato un sistema con ruota fulcrata su una leva, inserita da un martinetto idraulico. Il ritorno è garantito da una molla elicoidale (fig.5.6)

24 Questa soluzione è stata scartata in quanto presentava le seguenti difficoltà:

 Necessità di azionamento dei pistoni da parte dell’operatore manualmente.  Necessità di un mezzo di trazione collegato alternativamente sui due lati per il

traino, quindi aumento del tempo di movimentazione.  Utilizzo del secondo carroponte.

5.3

Soluzione definitiva

Tre sono le motivazioni che ci hanno indotto a scartare le soluzioni precedentemente illustrate:

 Nuova specifica del cliente che imponeva maggior flessibilità di utilizzo della macchina.

 Possibilità di manovra anche in spazi stretti.

 Riduzione al minimo dei tempi di movimentazione evitando possibilmente l’utilizzo del secondo carroponte.

Di seguito è rappresentato il progetto finale (fig.5.7).

Figura 5.7: Progetto definitivo

Il sistema si compone di due elementi fondamentali entrambi necessari per il corretto uso:

 Elemento di traino (motrice)

 Supporto bobina trainabile (carrello)

L’elemento di traino è costituito da un trattore speciale costruito su progetto specifico per accoppiarsi stabilmente con il supporto trainabile al fine di muoverlo, con una

25 autonomia definita, sottoposto alla guida di un operatore che lo controlla tramite pulsantiera radiocomandata (fig.5.8), camminando nelle sue vicinanze durante il suo spostamento.

Figura 5.8: Comando a pulsantiera radiocomandata

Esso è costituito da una struttura portante avente anche funzione di zavorra per generare sulla ruota motorizzata l’aderenza necessaria a garantire il traino del rimorchio carico. Detta struttura è supportata da 3 ruote di cui due fisse, per garantirne l’appoggio a terra durante le fasi di rientro senza carrello da trainare, ed una motorizzata e sterzante per la trazione. Sopra detta struttura vengono ospitati sia un opportuno pacco di batterie, facilmente sostituibile grazie alla presenza di una botola di accesso; che garantisce la funzionalità del sistema per la sua autonomia, sia un quadro metallico portante tutto l’equipaggiamento elettrico e di sicurezza del sistema. Ai lati sono montate delle rotelle speciali che consentono sia di inserirlo nell’ apposito alloggiamento, ricavato nel rimorchio, così da collegarsi strettamente al rimorchio e poterlo facilmente guidare, sia di sollevare le ruote più piccole lasciandolo appoggiato solo sulla ruota motorizzata, che quindi diventa l’elemento trainante di tutto il sistema.

Dalla stessa botola sopracitata si accede al carica batterie.

Il rimorchio è costituito da una robusta capretta montata su 4 ruote folli, 2 fisse e 2 pivotanti, ed equipaggiata di supporti speciali progettati per sostenere l’asse su cui è stata avvolta la bobina. Sono inoltre previsti due freni di stazionamento da inserire manualmente quando il traino non è collegato e il carrello è in sosta fermo.

Una volta che la motrice si inserisce nelle apposite guide del carrello (fig.5.9), le rotelle posteriori vanno a contatto con le lamiere d’invito sollevando le ruote fisse del traino.

26

Figura 5.9: Fase di inserimento motrice nelle guide

Una volta arrivata a fine corsa (fig.5.10), l’operatore manualmente inserisce il perno di bloccaggio negli appositi attacchi, in modo da fissare rigidamente il traino al carrello.

27

Figura 5.10: Particolare del traino inserito nel carrello

Ne deriva una struttura unica (fig.5.11) dove:

 Il peso della bobina grava sulle quattro ruote del carrello

 Il traino diventa, con solo la motoruota sterzante a contatto col terreno, la motrice di tutto il sistema. Su di essa grava il peso del solo traino, quello necessario a garantire l’aderenza a terra.

28

Figura 5.11: Reazioni sulle ruote

Grazie agli attacchi oscillanti, la motrice, durante il suo moto collegata al carrello, si adatta benissimo ad eventuali rampe o disconnessioni sul terreno, senza perdere mai aderenza.

29

Capitolo 6:

Requisiti di sicurezza

L’ufficio tecnico CRC si è sempre occupato della progettazione di macchine, sotto commessa dei clienti, da un punto di vista puramente strutturale e meccanico. Solitamente il cablaggio elettrico, il controllo e tutto quello che ne deriva, sono affidati al cliente. L’unico nostro compito è predisporre la macchina per l’alloggiamento della componentistica elettrica (cablaggio, quadri elettrici ecc.)

La novità di questo progetto sta proprio in questo, consegnare al Cliente la macchina completa in tutto.

Essendo quello elettrico, in particolare il controllo, una parte fondamentale di questa macchina, questa fase del progetto ha occupato buona parte della progettazione, includendo difficoltà non trascurabili. In quest’ottica, è stata ritenuta necessaria la collaborazione con un azienda specializzata nell’automazione ed il consulto con esperti del settore in modo da poter maturare una certa dimestichezza e padronanza dell’argomento, per non incorrere in problemi di funzionamento e controllo e quindi di sicurezza della macchina.

Oltre alla “direttiva Macchine 2006/42/CE”, sono state analizzate le norme UNI relative ai carrelli industriali (guidati da operatore a piedi mediante pulsantiera cableless):

 UNI EN ISO 13849-1:2008 “Sicurezza del macchinario – Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza – parte 1: principi generali per la progettazione”  UNI EN 1175-1 “Requisiti elettrici – parte1: requisiti generali per carrelli

alimentati a batteria”

 UNI EN ISO 3691-1 “Requisiti di sicurezza e verifiche – parte1: carrelli industriali motorizzati esclusi quelli senza conducente, i telescopici e i trasportatori per carichi”

 UNI ISO/TR 29944 “capacità di frenatura: determinazione delle procedure di misurazione”

30  UNI ISO 6292 “capacità di frenatura e resistenza degli elementi del freno” La prima fase è stata quindi quella di ricerca, attraverso i libri (come il Grassani [2]) e le norme sopracitate, di tutto ciò che era utile al nostro scopo. Per questo abbiamo trascorso due giorni al CNA di Pistoia, punto provinciale UNI e CEI, dove con l’aiuto del responsabile, dott. Salvi, abbiamo consultato tutte le norme a riguardo.

Vista la complessità di questa operazione, parallelamente, ci siamo avvalsi dell’aiuto dell’Ing. Antonio Martini, un esperto delle norme UNI in ambito dell’automotive industriale, nonché coordinatore del gruppo di revisione e riscrittura delle suddette. Il suo consulto è stato fondamentale; ci ha illustrato e chiarito tutta la normativa a riguardo, focalizzando l’attenzione su quelli che erano i punti cardine da cui non poter prescindere.

Dopodiché mettendo assieme tutti i vari pezzi, unitamente alla richiesta del Cliente di avere un circuito elettrico con funzioni di sicurezza in Performance Level ”d”, è iniziata la ricerca di un fornitore che ci potesse fare da partner nella gestione, studio e produzione dell’intero impianto elettrico e relativi requisiti di sicurezza in PL “d”

L’esigenza è stata quella di costruire un impianto elettrico completo di tutte le sue parti, sicurezza e non, che rispetti un Performance Level “d”.

6.1

Performance Level “d”

6.1.1 I

La norma UNI EN ISO 13849-1 consente di progettare le parti del sistema di comando relative alla sicurezza, vale a dire quelle parti che vengono attivate da segnali in ingresso attinenti la sicurezza (comandi manuali, parametri fisici da mantenere sotto controllo, organi in movimento ecc.) e che, in seguito a ciò, danno in uscita segnali di sicurezza. Ognuna di tali parti viene indicata con l’acronimo SRP/CS (Safety Related Part of Control System)

Secondo la norma l’idoneità di un SRP/CS ad eseguire una funzione di sicurezza in condizioni prevedibili è assegnata a cinque livelli denominati PL (Performance Level) o livelli di prestazione che vengono individuati con le lettere dell’alfabeto a, b, c, d, e. Il livello di prestazione (PL) di un SRP/CS è definito come la probabilità di guasti pericolosi (PFHd) per ora di funzionamento del sistema.

31 La probabilità di guasto pericoloso della funzione di sicurezza dipende da diversi fattori, tra i quali:

 La struttura hardware e software

 La presenza di un sistema di rilevamento avarie (Diagnostic Coverage [DC])  L’affidabilità dei componenti (Mean Time To Dangerous Failure [MTTFd])  Guasti dovuti a cause comuni (Common Cause Failure [CCF])

 Progetto, sollecitazioni operative, condizioni ambientali e procedure operative

Per facilitare il progettista nella valutazione del PL conseguito, la norma implementa una metodologia basata sulla suddivisione in diverse strutture, che differiscono tra loro in base al loro comportamento in condizioni di avaria. Tali strutture vengono definite “categorie”, ed individuate su cinque livelli: B, 1, 2, 3, 4.

I livelli di prestazione PL e le categorie si applicano a sistemi di comando quali:  Dispositivi di protezione (es. Interblocchi dei ripari, comandi a due mani, ecc.)  Unità di comando (es. controllori logici, dispositivi di monitoraggio, ecc.)  Attuatori di potenza (contattori, relè, valvole, ecc.)

In ogni caso la sicurezza non è solo nel circuito di comando, in tal senso dobbiamo procedere, in ordine gerarchico i seguenti principi:

 Eliminazione dei pericoli o riduzione del rischio per progettazione

 Riduzione del rischio tramite l’applicazione di dispositivi e misure di protezione  Riduzione del rischio attraverso informazioni per l’uso ed informazioni sui rischi

residui.

In quest’ottica il contributo alla riduzione dei rischi del sistema di comando è:

 La progettazione di un SRP/CS è parte integrante del processo di valutazione del rischio

 Dal processo di valutazione del rischio, il progettista decide il contributo che deve essere fornito da ogni funzione di sicurezza attuata dall’SRP/CS

 Tale contributo non copre tutti i rischi che presenta la macchina.

L’analisi dei rischi, deve essere fatta a priori per determinare quello che è il Performance Level Richiesto (PLr), la normativa prevede di individuare tre parametri schematizzati in (fig.6.2).

32

Figura 6.2: PLr

6.1.2 P

SRP/CS

Lo schema di flusso di fig.6.3 riassume le varie fasi che caratterizzano la progettazione di un sistema SRP/CS. La procedura è di tipo iterativo; nel senso che, se non si assolve alle esigenze di garantire tecnologicamente una situazione in cui PL non sia inferiore a PLr, oppure se non si ottiene il benestare dalla fase finale di validazione (svolta da una persona diversa dal progettista del sistema) il procedimento va ripreso dal punto in cui si è determinato il valore del PLr occorre pensare ad una più adeguata composizione tecnologica del sistema di sicurezza.

Individuazione funzioni di sicurezza

La norma prevede quelle che sono le principali funzioni di sicurezza, sta poi a chi fa l’analisi dei rischi decidere quali introdurre nel conteggio del PL d. oltre a queste vanno considerati altri aspetti elencati nella norma, come ad esempio l’uso che si fa della macchina o il tempo di risposta richiesto alla funzione di sicurezza ecc.

Determinazione del PLr

Il livello di resistenza ai guasti che il sistema SRP/CS dovrà garantire (PLr), si ricava applicando lo schema di 6.2.

33

Figura 6.3: Fasi progettuali di un sistema SRP/CS

Progettazione tecnologica del sistema SRP/CS

Una volta individuato l’obbiettivo PLr da conseguire, prende avvio la fase progettuale vera e propria del sistema SRP/CS. Si individuano i componenti e la struttura circuitale di interconnessione che lo costituiranno in concreto. In particolar modo ci sarà una

34 correlazione tra PLr-categoria di sicurezza-architettura circuitale. Quest’ultima ovviamente, aumenta di complessità man a mano che aumentiamo il PLr.

Stima del PL raggiunto

Questa è la fase più complicata perché ogni componente facente parte delle funzioni di sicurezza da controllare deve essere analizzato. I parametri che dobbiamo ottenere sono:

 MTTFd (Mean Time To Dangerous Failure) che è il tempo di guasto medio pericoloso, sia per il singolo componente che per l’intera struttura.

 DC (Diagnostic Coverage) è l’espressione in termini percentuali del rapporto tra il tasso di guasti pericolosi rilevati e il tasso totale di guasti pericolosi. Quindi più è elevata la quantità di guasti pericolosi rilevati e più DC è elevato. La norma prevede 4 livelli di copertura diagnostica

 CCF (Common Cause Failure) sono imputabili a uno stesso evento e coinvolgono più elementi di uno stesso SRP/CS, per porla in essere occorre adottare su tutte le parti che compongono il sistema un pacchetto di misure preventive elencate nella norma.

Questi tre aspetti combinati tra loro danno la probabilità di guasto pericoloso per ora di funzionamento dell’SRP/CS; in base al campo in cui tale probabilità si colloca, la norma prevede il PL (fig.6.1).

Se PL > PLr allora proseguo alla validazione altrimenti procedo a ritroso nella modifica della progettazione del sistema SRP/CS.

6.1.3 P

L

“

”

Come richiesto dal cliente, la macchina deve essere equipaggiato con un impianto elettrico provvisto di funzioni di sicurezza in PL “d”, categoria superiore rispetto a quello previsto dalla norma (UNI 1175 prevede un PL “c”).

Per questo motivo, dopo una ricerca mirata, abbiamo trovato nella Universal Control di Parma il partner ideale. È un azienda che opera nel settore dell’automazione industriale e lavora nei più svariati campi (industriale, agricolo, movimento terra, navale, estrattivo ecc.) specializzati in sistemi di movimentazione a batteria. Forniscono un servizio completo, partendo dalla progettazione e prototipazione di un impianto elettrico (completo in ogni sua parte) fino alla realizzazione, collaudo e montaggio in macchina. Il tutto rispettando i livelli di sicurezza richiesti dal cliente.

Dopo un primo incontro conoscitivo, nel quale è stato presentato il problema in modo da capire se era possibile realizzare un impianto del genere in PL “d”, sono seguiti alcuni incontri, anche in loro sede, per affinare e completare tutte le specifiche del sistema. È stato un vero e proprio lavoro di partnership che ci ha portato a lavorare in diretto contatto con un azienda specializzata in un settore a noi fin ora poco conosciuto.

35 Nello specifico sono state definite le seguenti funzioni di sicurezza:

 Trazione e sterzatura della motoruota.  Frenata della macchina.

 Corretto inserimento del gancio di collegamento motrice carrello.  Visione perimetrale per contrastare l’accesso di cose e/o persone.

La normativa prevede, per un Performance Level “d”, un sistema di controllo SRP/CS funzionante in categoria 3 (fig.6.4).

Figura 6.4: Architettura circuitale di un sistema SRP/CS funzionante in categoria 3

Per questa categoria il sistema deve avere un’impostazione architettonica ridondante, a due canali distinti, l’insieme di più guasti rilevati dal monitoraggio potrebbe causare il venir meno delle funzioni di sicurezza. In sintesi, un sistema SRP/CS di categoria 3 deve rispettare:

 Principi di sicurezza basilari (UNI ISO 13849-2): che si differenziano in base al tipo di circuito (meccanico, elettrico ecc.) i.e. Limitazione della coppia e della forza, corretto dimensionamento

 Principi di sicurezza ben collaudati (UNI ISO 13849-2): anch’essi si differenziano in base al tipo di circuito (meccanico, elettrico ecc.) i.e. sovradimensionamento dei componenti, attenta selezione dei dispositivi di fissaggio, prevenzione dei cortocircuiti nei cavi

 Componenti ben collaudati (per sistemi elettrici) i.e. selettori, pulsanti, funghi d’emergenza e tutti i componenti elettrici purché conformi alle relative norme di prodotto e fabbricati per svolgere funzioni di sicurezza

 Ridondanza

36 Ad eccezione dell’analisi dei rischi, fatta dal Cliente, con richiesto PLr “d”, (fig.6.3) il lavoro svolto dalla Universal Control si può riassumere nei seguenti punti:

 Progettazione, sviluppo e realizzazione sistema software con funzioni di sicurezza PL “d”, completo di schemi elettrici, architettura hardware fascicolo tecnico elettrico distinta base componenti.

 Assemblaggio e realizzazione dell’intero circuito elettrico (per la parte hardware vedi capitolo 6.2). Doppio collaudo sia in azienda sia in loco sulla macchina.

 Sviluppo e realizzazione fascicolo tecnico per dichiarazione di rispondenza delle funzioni di sicurezza suddette, di rispondenza al PL “d”; con analisi del sistema hardware e software applicativo (su centralina certificata PL “d”) nel suo complesso e calcolo dei vari parametri (MTTF, DC, CCF) per la verifica di rispondenza al PL “d” mediante l’ausilio del software “Sistema”. In esso vengono inseriti tutte le specifiche di sicurezza (MTTF, DC, ecc.) necessarie relative ad ogni componente, ed esso calcola il MTTF totale.

6.2

Impianto elettrico e di sicurezza

Alla luce di quanto detto precedentemente, il sistema elettrico risultante è composto da:

 Motoruota di trazione più relativo impianto elettronico di trazione e di sterzatura

 Batteria e relativo caricabatteria (a bordo)  Pulsantiera radiocomando a marsupio  Centralina di comando PL “d”

 5 Laser scanner PL “d”, 2 sulla motrice e 3 sul carrello.  Kit sensori induttivi per gancio e freni di stazionamento

 Circuito elettrico con relativi componenti e cassetta impianto elettrico  Funghi di emergenza e rotoallarme

 Inclinometro biassiale.

6.2.1 M

La scelta della motoruota è ampiamente discussa nel capitolo 7.1.1, a corredo di questa l’Universal Control ha disposto due controlli ZIVAN AC 48V CAN OPEN con relativi teleruttori, per il controllo del motore di sterzo e di trazione. Tale sistema sarò collegato alla centralina di comando PL “d” mediante interfaccia CAN.

6.2.2 B

In base alle richieste dell’impianto elettrico e alle seguenti specifiche di lavoro della macchina:

37  Ciclo di lavoro: 5 spostamenti a carico e 5 spostamenti a vuoto di 60m

 Autonomia massima percorribile: 6 km

 Tempo totale continuo di lavoro disponibile: 80/90 minuti è stato scelto un pacco batterie (fig.6.5) composto da 24 elementi 2V.

Figura 6.5: Batteria

Sono batterie di trazione acido libero al Pb, usate anche nei carrelli elevatori. Di seguito le caratteristiche:  N°24 elementi  320 Ah in C5  Tipo elemento 4SGH320  Dimensioni 827x415x465 mm  Peso 450Kg

Vengono fornite in apposito cassone di lamiera sp.4, con dimensioni e caratteristiche tali da rispettare i requisiti di sicurezza previsti dalle norme.

Il relativo carica batterie, montato a bordo per facilitare la ricarica in ogni punto dell’impianto, è uno ZIVAN NG3 48V 45°.

6.2.3 P

La scelta di avere una pulsantiera radiocomandata ci ha permesso, secondo la norma UNI EN ISO 3691-1, di aumentare il livello di sicurezza generale della macchina. In questo modo infatti l’operatore è libero di girare attorno alla macchina per avere una visone globale del perimetro e dei relativi pericoli.

Essa, in base alle funzioni necessarie, è una AUTEC Dynamic Series FJS a due joystick a croce, personalizzata per le nostre esigenze e garanzia di PL “d” del costruttore. Ha un

38 display di diagnostica sulla consolle, in modo da facilitare l’utilizzo da parte dell’operatore. L’unità ricevente è montata invece sulla motrice ed è del tipo AUTEC CRS.

6.2.4 C

La centralina di comando è il cuore del sistema e riesce a garantire un PL “d” per le funzioni di sicurezza. È una centralina TTC 94 PL d con le seguenti caratteristiche

 Processore da 80 MHz,  Range di voltaggio 9-32 V  28 inputs e 20 outputs  4 interfacce CAN

 Programmabile in CoDeSys

Figura 6.6: Centralina elettrica

6.2.5 L

I laser scanner sono dispositivi di sicurezza sensibili alla riflessione diffusa. Essi sono in grado di mantenere sotto controllo un’area di forma e dimensioni programmabili. L’area sensibile controllata viene delineata da un raggio laser a luce infrarossa invisibile all’occhio umano; si genera quindi un’area sensibile di 270° gradi e ampiezza variabile a seconda del modello. Se nell’ambito di questa area un ostacolo riflette in parte il raggio verso l’apparecchiatura, questa lo rileva ed è in grado in tempo reale di misurarne la distanza che tale ostacolo ha. A questo punto il laser manda un segnale alla centralina che, precedentemente programmata, esegue il tipo di azione voluto (i.e. blocco macchina, rallentamento, segnale di pericolo ecc.).

Nel nostro caso sono stati scelti dei laser scanner OMRON OC32CBP. Essi hanno un area di allarme fino a 10 m di raggio e una di sicurezza (garantita PL “d”) fino a 3 m. dallo studio fatto sulla nostra macchina, date le specifiche di velocità e le caratteristiche di frenata studiate con l’ausilio di file Excel (fig.6.7), è risultato necessario montarne 5 in modo da visionare l’intero perimetro della macchina: due sulla motrice (uno disattivabile quando si unisce al rimorchio) e 3 sul carrello. Sono quindi stati programmati in modo che se un

39 ostacolo entra nella zona d’allarme (750 mm dalla macchina), il segnale che inviano è quello di rallentare da 4 km/h ad 1 km/h. In caso lo stesso ostacolo entri nella zona di sicurezza PL “d” (150mm dalla macchina) scatta un secondo segnale che fa bloccare la stessa immediatamente, evitando la collisione. Tutto questo compatibilmente con le caratteristiche del freno motore e del freno elettromagnetico.

Figura 6.7: Area di azione laser scanner

I tre laser scanner sul carrello sono collegati mediante cavo ad innesto rapido, alla motrice solo quando essa è collegata al carrello. Sono infatti inattivi quando la motrice non è collegata.

6.2.6 C

I sensori di sicurezza sono posizionati sia sul freno di stazionamento per verificare che sia disinserito in partenza, sia sul carrello per verificare il corretto inserimento del gancio di collegamento. Essi sono inseriti nel circuito elettrico e inviano segnali di blocco qualora non siano attivi.

I funghi di emergenza devono essere posizionati uno sulla pulsantiera e altri due alle estremità del carrello in modo da essere facilmente raggiungibili da chiunque, non solo dall’operatore. Anch’essi devono essere collegati all’impianto elettrico PL “d” in quanto dispositivi di sicurezza.

Il rotoallarme è posizionato sulla motrice ad un’altezza tale che sia visibile anche a pieno carico ed è provvisto di segnalatore acustico a 86 dB.

40 L’inclinometro biassiale XY con uscita CAN BUS, una volta superata la soglia impostata (2.5° nella nostra applicazione), viene inviato un segnale al PLC che fa fermare la macchina nella posizione in cui è. Inoltre è impostato un segnale di allarme che decelera la macchina da 4 a 0.5 km/h quando questa raggiunge un’inclinazione di 0.75°.

È infine presente un quadro elettrico che contiene oltre a parti elettriche minori (fusibili, relè, morsetti) anche il PLC e i chopper di trazione e sterzo. Esso è posizionato sul telaio della motrice a fianco della batteria.

Tutto questo sistema è stato progettato e sviluppato nel dettaglio, in modo da garantire quelle che erano le specifiche del cliente. Alla fine sarà redatto un fascicolo tecnico che dichiara che il sistema risponde ad un PL “d” nelle sue funzioni di sicurezza.

41

Capitolo 7: Progetto costruttivo

A seguito della stesura della specifica e una volta terminata la fase di avanprogetto si è passati alla fase di ingegnerizzazione. La macchina è stata quindi divisa in due sottogruppi:

 Motrice  Carrello

E per ognuno di essi sono stati studiati e dimensionati tutti i vari componenti. Per il dimensionamento sono stati valutati i casi di maggior sollecitazione, compatibilmente con le specifiche, è stato creato un file Excel parametrico dal quale sono stati ricavati i seguenti valori. Dati: 𝑚 = 14000 𝑘𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑜 (𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛𝑜 + 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑙𝑙𝑜 + 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎) 𝑣 = 4 𝑘𝑚 ℎ⁄ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à max 𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑓_𝑠= 0.5 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑟𝑢𝑜𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑓𝑣= 0.02 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑢𝑜𝑡𝑒 𝑀_{𝑟𝑒𝑠1}= 82 𝑁𝑚 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒 𝑀_{𝑟𝑒𝑠2}= 508 𝑁𝑚 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑢𝑜𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑙𝑙𝑜 𝑀𝑟𝑒𝑠𝑇𝑜𝑡 = 590 𝑁𝑚 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒

Fase di accelerazione a pieno carico 𝑀_𝑚𝑜𝑡− 𝑀_{𝑟𝑒𝑠𝑇𝑜𝑡} > 𝑀_𝑎𝑐𝑐

𝑡 = 3 𝑠 𝑠 = 1.7 𝑚

42 𝑎 = 0.37 𝑚/ 𝑠2

𝐹_{𝑖𝑛𝑒𝑟𝑧𝑖𝑎}= 5185 𝑁

Fase di frenata d’emergenza a pieno carico

La tabella 2 della norma UNI ISO 6292 [3] prevede che la distanza di fermata per un veicolo di categoria B” (1 o 2 ruote frenanti) sia:

𝑠₀< 1.083 𝑚

Con le condizioni sopracitate, considerando che il momento resistente delle ruote sia trascurabile in fase di frenata (cautelativo), la distanza in cui riesce a fermarsi è:

𝑠 = 0.75 𝑚 < 𝑠₀ In un tempo pari a: 𝑡 = 1.4 𝑠

𝐹_{𝑑𝑒𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒}= 11525 𝑁

Frenata in rampa a pieno carico

Dato che in stabilimento non sono presenti rampe da percorrere, da specifica il sistema non può superare salite (o discese), con pendenze > 2.5°, oltre a questo un’ulteriore limitazione che abbiamo dato in fase di progettazione è che, qualora debba affrontare una discesa di questo tipo, la velocità massima alla quale deve viaggiare deve essere:

𝑉_{max 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑒𝑠𝑎}= 0.5 𝑘𝑚/ℎ

Questa è garantita dalla presenza dell’inclinometro biassiale X/Y. 𝛼 = 1°

𝑡 = 0.65 𝑠 𝑠 = 0.1 𝑚 𝑎 = 0.43 𝑚/ 𝑠2

𝐹_{𝑖𝑛𝑒𝑟𝑧𝑖𝑎}= 8400 𝑁

Salita in rampa a pieno carico

La fase di salita della rampa è stata valutata ma è risultata meno critica della discesa.

Risulta quindi, come caso peggiore, la frenata di emergenza a pieno carico in piano con velocità di 4 km/h.

43

7.1

Motrice

7.1.1 M

Vista la coppia necessaria in fase di accelerazione e la coppia frenante necessaria in fase di frenata di emergenza, la scelta è ricaduta su la motoruota sterzante MR415FM prodotto dalla società Metalrota (fig.7.1)

Figura 7.1: Motoruota MR415FM

Di seguito le caratteristiche principali:

 Ruota in poliuretano (durezza 75Sha scolpita) 406x180  Rapporto di trasmissione 1:25,6

 Motore di trazione 48V 5kW a 2000rpm, eccitazione separata e termocoppia  Freno elettromagnetico con coppia massima 75Nm (1875Nm alla ruota)  Coppia massima alla ruota=3600Nm (nominale 870Nm)

 Peso massimo 4000kg  Potenza massima 12000W

 Sistema sterzante con motore di sterzo a 800W e 2800rpm.

7.1.2 S

La struttura meccanica della motrice deve avere la duplice funzione di:

 Zavorra per mantenere l’aderenza della motoruota nella condizione sia di trazione che di frenata.

44  Resistenza meccanica durante la movimentazione con carrello carico

agganciato.

La base è un telaio ricavato da un laminato di 60mm (fig.7.2). Su di esso sono saldati i due sostegni che servono per l’accoppiamento con il carrello, altri due sostegni per l’alloggiamento delle rotelle alza ruote e due fiancate che sorreggono il piatto sul quale si avvitano le ruote fisse.

I sostegni di collegamento, essendo gli elementi più critici, sono stati verificati nel capitolo 8.

Figura 7.2: Telaio motrice

Nel telaio è ricavato un foro nel quale alloggia la motoruota. Sulla superfice superiore un angolare perimetrale fa da alloggio per la batteria, accanto alla quale vi è il quadro elettrico. Il tutto è protetto mediante carteratura di lamiera (nella parte superiore) e nella parte inferiore per l’anti schiacciamento. Secondo la norma UNI 45322 l’altezza da terra massima deve essere inferiore a 30 mm. Sulla carteratura superiore è presente una botola per accedere direttamente al pacco batteria e relativo caricatore(fig.7.3).

45

Figura 7.3: Motrice completa con carenature in trasparenza

7.1.3 R

La scelta delle ruote fisse è data dal carico normale che devono sopportare durante la marcia della motrice senza carrello. Da un semplice bilancio di forze risulta che sulla singola ruota ci scarica una forza:

𝐹_{𝑟𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑓𝑖𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒} = 2500 𝑁

Ecco che la scelta ricade su ruote in polietilene della “Casa delle ruote” di seguito le caratteristiche:

 Dimensioni 150x40

 Materiale vulkollan Sha90 serie pesante  Capacità di carico massima 5000N.

7.2

Carrello

7.2.1 S

La struttura meccanica (fig.7.4) è un assemblato composto da due caprette, anteriore e posteriore, collegate da due travi HEB 140x140x12 da 6000 mm.

46

Figura 7.4: Assieme carrello

Le due caprette sono due saldati molto simili eccetto per alcuni particolari: l’anteriore ha due piastre saldate sulle quali si avvitano due staffe di bloccaggio (per il collegamento mediante perno con la motrice). Hanno una struttura formata da due tubolari quadrati 150x150x8 con saldata all’estremità una piastra opportunamente sagomata per alloggiare l’asse pope della bobina. Il carico passa quindi attraverso i tubolari e va a scaricarsi sulla trave HEB 140x140x12, alle cui estremità sono posizionate le ruote (sulle quali grava quindi tutto il carico di compressione) fig.7.5.

47 Sui due tubolari sono inoltre saldate due piastre sagomate che riducono la deformazione flessionale durante la frenata d’emergenza e ne aumentano la stabilità. Schematizzando l’appoggio anteriore come cerniera mentre il posteriore come carrello, la parte anteriore sarà quella più caricata. Vedi verifica capitolo 8.4.

Nella parte inferiore della capretta anteriore sono avvitate le due guide d’invito delle rotelline della motrice formate da piastre di sp. 10mm opportunamente sagomate e saldate assieme (fig.7.6).

Figura 7.6: Particolare delle guide

Sono infine presenti i 3 sostegni per i laser scanner, discussi nel capitolo 6, progettati in modo da limitare al massimo le vibrazioni che andrebbero a muovere nocivamente l’area di scansione, distorcendone la dimensione.

Le lamiere anti schiacciamento sulle 4 ruote sono necessarie ai fini della sicurezza e sono avvitate alle piastre delle caprette.

Per cautelarsi da eventuali carichi accidentali sulle ruote, è stata predisposta una controventatura sulle travi doppio T di collegamento. Essa è composta da 2 cavi incrociati messi in tensione da un tenditore (vedi capitolo 8.5 per la verifica).

7.2.2 R

Ruote fisse

Considerando la fig.7.5, il carico che si va a scaricare sulle ruote posteriori è: 𝐹_{𝑟𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑓𝑖𝑠𝑠𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑙𝑙𝑜}= 30000 𝑁

48 Ecco che la scelta ricade su ruote in polietilene della “casa della ruota”; di seguito le caratteristiche:

 Dimensioni 400x100mm fisse

 Materiale vulkollan Sha90 serie pesante  Capacità di carico massima 40000N. Ruote pivotanti

Considerando sempre la fig.7.5, il carico che si va a scaricare sulle ruote anteriori è:

𝐹_{𝑟𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑓𝑖𝑠𝑠𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑙𝑙𝑜}= 33000 𝑁

La scelta ricade sulle medesime ruote precedenti, solo che in questo caso devono essere pivotanti, per permettere la manovrabilità della macchina.

7.2.3 F

Su ciascuna ruota fissa del carrello è stato posizionato un freno di stazionamento (fig.7.7). L’operatore, manualmente va a ruotare la manovella spinata su un perno filettato che a sua volta è bloccato sulla piattabanda della HEB da una flangia. Così facendo la piastra porta steli frenanti, trasla, facendo toccare le estremità degli stessi con la superficie della ruota. I due steli scorrono all’interno di boccole a flangia GLY-PBG353926F, alloggiate nella piastra porta ruota.

49

Figura 7.7: Assieme freno

L’operatore deve azionarli solo quando il carrello rimane fermo in sosta (sia a pieno carico che senza bobina). Un apposito sensore induttivo ne rileva il serraggio in fase di partenza della macchina, mandando un segnale di avviso luminoso direttamente sul display del radiocomando.

7.2.4 P

Il perno di collegamento è un tondo di acciaio rettificato (Ø=40mm) di lunghezza 1270 mm alla cui estremità è saldato un collarino di battuta e un’impugnatura di presa. Esso viene inserito una volta che la motrice arriva a fine corsa delle guide. L’operatore manualmente lo inserisce. Un perno a molla ne evita lo sfilamento. Inoltre è presente un lamierino di blocco sul sostegno, in modo da obbligare l’inserimento in un solo verso.

50

Figura 7.8: Perno di collegamento

Sono presenti alle due estremità, due sensori di sicurezza che ne rilevano la presenza quando inserito totalmente e mandano un feedback positivo al PLC di comando per poter partire. Essendo una funzione di sicurezza è obbligatorio metterne due, in modo da garantire il PL “d”.

51

Capitolo 8: Verifiche strutturali

Sono stati analizzati i componenti maggiormente sollecitati nella condizione più critica ovvero in fase di frenata di emergenza con carico massimo (vedi capitolo 7).

Riassumendo:  ∆𝑣 = 4 𝑘𝑚/ℎ  𝑠 = 0.75 𝑚  𝑡 = 1.4 𝑠  𝐹_{𝑑𝑒𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒}= 9200 𝑁  𝐶𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒= 1875 𝑁𝑚

Per quanto riguarda la componentistica commerciale, i vari costruttori ci hanno garantito il buon funzionamento per tempi ben maggiori di quelli di utilizzo.

Di seguito sono esplicitati i componenti analizzati.

8.1

Perno di collegamento

Vista la prevalente lunghezza rispetto al diametro esso può essere studiato come elemento traviforme 2D, secondo la teoria delle travi [4]. Esso può essere schematizzato (fig.8.1) come trave appoggiata caricata simmetricamente.

52

Figura 8.1: FBD perno di collegamento

Il materiale è un acciaio C45 avente le seguenti caratteristiche:  𝜎𝑠𝑛= 440 𝑁/𝑚𝑚2

 𝐸 = 207000 𝑁/𝑚𝑚2

Le caratteristiche di sollecitazioni di momento flettente e di taglio possono essere schematizzate come in fig.8.2.

Figura 8.2: FBD perno collegamento

∅ = 40 𝑚𝑚 𝜎𝑧𝑧= 37 𝑀𝑃𝑎

53 𝐶𝑆 = 12

Per quanto riguarda lo spostamento del punto centrale, dall’integrale di Mohr, risulta 𝛿_𝑦𝐸 = 1.2 𝑚𝑚

Il perno risulta quindi ampiamente verificato, considerando inoltre che questo tipo di sollecitazione è data da un carico occasionale, che avviene solo in fase di emergenza.

8.2

Staffa bloccaggio perno

Essa è un saldato di acciaio S 275. Per questo componente andiamo ad analizzare non più la fase di frenata d’emergenza, compressione (trave tozza), ma la fase di accelerazione che si traduce in sollecitazione di trazione sul pezzo e quindi sulla saldatura. La verifica è stata fatta seguendo la teoria delle saldature [5] (fig.8.3)

Figura 8.3: Schema di carico della staffa di bloccaggio

Considerando una saldatura a cordone d’angolo z=7 mm per tutto il perimetro e carico perpendicolare al cordone, essa risulta caricata da sole tensioni 𝜎⊥.

𝑎 = 𝑧 ∙ cos 45 = 5 𝑚𝑚 𝑙 = 280 𝑚𝑚 𝜎_⊥= 𝑁

𝑎 ∙ 𝑙= 2.8 𝑁/𝑚𝑚2 𝐶𝑆 = 84 La saldatura risulta verificata.

54

8.3

Sostegno di collegamento perno

Anche nel caso del sostegno di collegamento, è stata verificata la saldatura che lo collega al telaio (fig.8.4). In questo caso, la condizione peggiore è quella di frenata di emergenza a pieno carico.

Figura 8.4: Schema di carico del sostegno di collegamento perno

Il carico eccentrico fa sì che nella saldatura si creino delle tensioni τ//. Esse sono

generate da due contributi:

 Momento torcente indotto dall’eccentricità del carico rispetto al baricentro della saldatura;

55

Figura 8.5: Trasposizione della forza nel baricentro della saldatura

τ_{// 𝑀} 𝑡 = 𝑀𝑡 2 ∗ 𝑡 ∗ 𝐴= 10.4 𝑁/𝑚𝑚2 τ_{// 𝑇𝑦}= 𝑇𝑦 𝐴_𝑟𝑒𝑠= 0.3 𝑁/𝑚𝑚2 𝐶𝑆 = 23

La saldatura risulta verificata.

8.4

Carrello

Per quanto riguarda i carichi agenti sul carrello in fase di frenata di emergenza, possiamo schematizzarlo come (fig.8.6). In questo caso il carico parallelo alla direzione di marcia sarà dato dall’inerzia di bobina più asta.

56 Data la complessità delle caprette la verifica è stata fatta con l’ausilio di Simulation un programma di simulazione della suite di Solidworks).

È stata quindi eseguita una verifica della capretta anteriore (più caricata) (fig.8.7) ipotizzando:

 I carichi agenti sull’appoggio bobina;

 La reazione vincolare dovuta alla frenata equamente divisa tra i due piatti;  Le due basi della capretta come incastro

Figura 8.7: Schematizzazione carichi/vincoli agenti sulla capretta anteriore

In fig.8.8 e 8.9 sono mostrati i grafici relativi a spostamento e sollecitazione massima. Come plausibile lo spostamento massimo è allocato nella parte superiore della capretta è il suo valore è circa 1 mm, quindi accettabile. È stato fatto uno studio, non riportato in questo elaborato, dello spostamento del medesimo punto senza le controventature. Esso risulta di 3 volte superiore, un ulteriore dimostrazione dell’importanza di quelle piastre saldate. Per quanto riguarda invece la sollecitazione, essa è massima nella saldatura tra i tubolari e la sagoma di appoggio bobina, ma raggiunge valori 4 volte inferiori al carico di snervamento.

57

58

Figura 8.9: Spostamento orizzontale nella capretta anteriore

Per quanto riguarda le travi HEB 140 di collegamento tra le due caprette, essendo disassate il peso rispetto all’asse della ruota (fig.7.5), esse sono sollecitate da un momento costante su tutta la trave che fa assumere la forma classica di “banana rovesciata”. Esso provoca una freccia massima di 18 mm, spostamento accettabile rispetto ai 6000mm della lunghezza.

8.5

Carico accidentale

Come detto nel paragrafo 7.2.1, nella parte inferiore del carrello è stata inserita una controventatura per soccombere a carichi accidentali sulle ruote. È stato studiato il carico massimo al quale il cavo d’acciaio può resistere seguendo lo schema di fig.8.10.

Figura 8.10: Schema per lo studio di carico accidentale

Considerando

𝜙𝑐𝑎𝑣𝑜= 16 𝑚𝑚

𝑅_𝑚𝑎𝑥= 133 𝑘𝑁 Risulta che:

59

8.6

Stabilità della macchina

La norma UNI ISO 22915-1 “Verifica della stabilità dei carrelli industriali”, è stata verificata la stabilità del carrello nella condizione peggiore: curva in rampa di 2.5° alla velocità di 4km/h, al variare dell’angolo di sterzo β.

𝑃 = 140000 𝑁 𝑃_𝑥 = 6100 𝑁 𝑃𝑦= 139870 𝑁

60

Figura 8.12: Vista dall’alto macchina durante la sterzatura

Il calcolo dell’angolo di sterzo più gravoso è stato fatto con l’ausilio di un foglio Excel (fig.8.12), dove:

𝐹_𝑟𝑖𝑏 = 𝐹_𝑐𝑥+ 𝑃_𝑥

61 Risulta quindi che la forza di ribaltamento massima si ha per:

𝛽 = 67.5° 𝐹_{𝑟𝑖𝑏𝑚𝑎𝑥}= 9200 𝑁 La stabilità della macchina è quindi verificata, infatti

𝐹𝑟𝑖𝑏𝑚𝑎𝑥∗ 1550 ≪ 𝑃𝑦∗ 1088

Figura 8.14: Foglio di calcolo della forza di ribaltamento parametrizzata

R

Fc

Fcx

Fcy

Frib

deg rad deg rad m N N N N

0,0 0,000 0,000 0,0 39726114,650 0 0 0 6104 2,5 0,044 0,018 1,0 158,830 109 109 2 6212 5,0 0,087 0,036 2,1 79,303 218 218 8 6321 7,5 0,131 0,054 3,1 52,744 328 327 18 6431 10,0 0,174 0,073 4,2 39,427 438 437 32 6541 12,5 0,218 0,091 5,2 31,407 550 548 50 6652 15,0 0,262 0,110 6,3 26,035 664 660 73 6763 17,5 0,305 0,130 7,4 22,177 779 773 101 6876 20,0 0,349 0,149 8,6 19,265 897 887 134 6991 22,5 0,393 0,170 9,7 16,984 1018 1003 172 7107 25,0 0,436 0,191 10,9 15,144 1141 1121 216 7224 27,5 0,480 0,212 12,2 13,626 1268 1240 267 7344 30,0 0,523 0,234 13,4 12,348 1400 1361 325 7465 32,5 0,567 0,258 14,8 11,256 1535 1485 391 7588 35,0 0,611 0,282 16,2 10,311 1676 1610 466 7714 37,5 0,654 0,307 17,6 9,482 1823 1737 551 7841 40,0 0,698 0,334 19,1 8,748 1976 1867 648 7970 42,5 0,741 0,362 20,8 8,094 2135 1997 757 8101 45,0 0,785 0,392 22,5 7,505 2303 2128 880 8232 47,5 0,829 0,424 24,3 6,973 2479 2259 1020 8363 50,0 0,872 0,458 26,2 6,488 2664 2389 1177 8493 52,5 0,916 0,494 28,3 6,046 2859 2517 1356 8620 55,0 0,959 0,533 30,6 5,641 3064 2638 1558 8742 57,5 1,003 0,576 33,0 5,269 3280 2752 1786 8855 60,0 1,047 0,621 35,6 4,927 3508 2852 2042 8956 62,5 1,090 0,671 38,5 4,612 3747 2935 2330 9038 65,0 1,134 0,725 41,6 4,324 3997 2991 2651 9095 67,5 1,178 0,784 44,9 4,061 4256 3013 3006 9117 70,0 1,221 0,848 48,6 3,823 4522 2989 3392 9093 72,5 1,265 0,919 52,7 3,608 4790 2907 3807 9010 75,0 1,308 0,995 57,0 3,419 5055 2752 4240 8856 77,5 1,352 1,078 61,8 3,256 5308 2513 4676 8617 80,0 1,396 1,167 66,9 3,119 5541 2179 5094 8283 82,5 1,439 1,261 72,3 3,011 5740 1749 5467 7853 85,0 1,483 1,361 78,0 2,932 5894 1229 5764 7333 87,5 1,526 1,464 83,9 2,884 5992 640 5958 6743 90,0 1,570 1,569 89,9 2,868 6026 12 6026 6115

angolo sterzo (β)

δ