Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica
TESI DI LAUREA
Analisi e progetto di filtropressa meccanica
Candidato:
Relatori:
Filippo Scopes
Prof. Marco Beghini
Prof. Ciro Santus
Tutor aziendali:
Ing. Mario Serrini
Ing. Williams Busdraghi
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica
TESI DI LAUREA
Analisi e progetto di filtropressa meccanica
Candidato:
Relatori:
Filippo Scopes
Prof. Marco Beghini
Prof. Ciro Santus
Tutor aziendali:
Ing. Mario Serrini
Ing. Williams Busdraghi
Il presente lavoro di tesi magistrale è stato svolto in collaborazione con l’azienda Italprogetti SpA con sede a San Romano (PI).
Nella parte iniziale del lavoro è stata analizzata la struttura di una fil-tropressa meccanica attualmente prodotta dall’azienda e utilizzata per la filtrazione di olio di oliva. Nella parte inerente l’analisi strutturale della macchina attuale sono stati utilizzati vari modelli, progressivamente più complessi e dettagliati a livello di geometria. L’analisi ad elementi finiti è stata effettuata con il software Ansys, messo a disposizione dall’università. La struttura è stata prima modellata con elementi trave, successivamente le parti delle testate sono state modellate nel dettaglio con elementi guscio 3D. E’ stato svolto con l’ausilio dell’analisi FEM, un processo di razionalizzazione della disposizione dei rinforzi sulle testate, ottenendo una soluzione più semplice e meno costosa dal punto di vista delle lavorazioni.
Successivamente è stata affrontata la progettazione di una soluzione innovativa in cui il cilindro oleodinamico, normalmente presente su questo tipo di macchine, è sostituito da una serie di elementi gonfiabili. Sono stati reperiti sul mercato dei cuscini di sollevamento considerati idonei allo scopo, prendendo contatto direttamente con le aziende fabbricanti, e definendo le caratteristiche tecniche e i limiti d’impiego e di garanzia dei prodotti esistenti.
Sono state quindi definite nel dettaglio l’attrezzatura e le prove necessarie da condurre sugli elementi gonfiabili per poterne verificare l’utilizzo al di fuori dei limiti di garanzia per cui sono realizzati, in maniera da determi-nare la fattibilità del prototipo proposto, garantendo le corrette prestazioni necessarie al processo di filtrazione.
Ringraziamenti
Ringrazio prima di tutto i relatori Prof. Marco Beghini e Prof. Ciro Santus per i loro insegnamenti durante il percorso universitario e per il prezioso aiu-to nel redarre il presente lavoro di tesi. Desidero ringraziare particolarmente l’Ing. Mario Serrini che mi ha permesso di svolgere la tesi presso l’azienda Italprogetti SpA, consentendomi di affrontare tematiche varie ed interessanti, svolgendo il lavoro nel contesto aziendale. Un sentito ringraziamento va all’Ing. Williams Busdraghi, tutor aziendale, e all’Ing. Alessandro Monta-nelli, per essere stati sempre presenti e disponibili a consigli e suggerimenti. Nell’ultimo ringraziamento, ma non meno importante, desidero ringraziare i miei genitori e la mia famiglia per essermi stati sempre vicini, e avermi sempre supportato durante il percorso universitario.
Indice
1 Introduzione 8
2 La filtropressa 9
2.1 Descrizione generale . . . 9
2.2 Modello e caratteristiche tecniche . . . 10
2.3 Fasi e ciclo di funzionamento della filtropressa . . . 12
2.4 Piastre . . . 15
2.5 Cilindro oleodinamico . . . 16
2.6 Travi e sistema di collegamento . . . 18
2.7 Sistema di movimentazione e lavaggio . . . 20
2.8 Carichi . . . 20
2.9 Vincoli . . . 21
2.10 Materiali . . . 21
3 Risultati dell’analisi strutturale 22 3.1 Modello 0 . . . 22
3.2 Modello 1 con Ansys APDL . . . 24
3.3 Analisi nel dettaglio con elementi guscio 3D . . . 29
3.3.1 Testata fissa lato alimentazione . . . 29
3.3.2 Testata fissa lato cilindro . . . 34
3.3.3 Testata mobile . . . 38
3.4 Razionalizzazione della geometria della testata mobile . . . 40
3.4.1 Materiale risparmiato e instabilità . . . 41
4 Descrizione dei brevetti analizzati 44 4.1 Svantaggi della soluzione classica . . . 44
4.2 Configurazioni possibili utilizzando gli elementi gonfiabili . . . 44
4.3 Vantaggi della nuova soluzione . . . 46
4.4 Considerazioni finali sul brevetto . . . 46
5 Elementi gonfiabili 47 5.1 Cuscini di sollevamento . . . 47
5.2 Contatti con le aziende produttrici . . . 49
5.3 Analisi delle condizioni operative . . . 50
5.4 Cuscini di sollevamento, analisi della deformata e sistema di supporto 53 5.4.1 Cuscini . . . 53
5.4.2 Analisi della deformata . . . 54
Università di Pisa INDICE
6 Definizione delle prove e della macchina di prova 57
6.1 Macchina di prova . . . 57
6.2 Tipi di prove . . . 59
6.2.1 Prove statiche . . . 60
6.2.2 Prove di filtrazione . . . 61
6.2.3 Prove a fatica . . . 61
6.3 Considerazioni sulle prove . . . 64
7 Progetto preliminare della nuova macchina 65 7.1 Analisi strutturale della nuova soluzione . . . 67
7.1.1 Analisi con modello trave . . . 67
7.1.2 Analisi con elementi guscio 3D . . . 69
7.1.3 Verifica delle saldature della testata . . . 72
7.1.4 Verifica delle saldature dell’attacco sulle travi . . . 75
8 Conclusioni 77 8.1 Considerazioni sulle prove . . . 77
8.2 Sviluppi futuri e miglioramenti . . . 78
Elenco delle figure
1 Schema generale della filtropressa . . . 10
2 Parte strutturale della filtropressa . . . 11
3 Schema della filtrazione, da [4] . . . 13
4 Schema della fase di squeezing, da [?] . . . . 14
5 Volume di filtrato in funzione del tempo, da [4] . . . 14
6 Umidità residua in funzione del tempo con l’utilizzo dello squee-zing, da [4] . . . 14
7 Immagine CAD della piastra . . . 15
8 Foto della piastra . . . 15
9 Foto dei fori di collegamento tra la camera e i fori di raccolta del filtrato . . . 16
10 Sezione 3D del cilindro . . . 17
11 Sezione della trave tubolare . . . 18
12 Rappresentazione della giunzione bullonata . . . 19
13 Sede della linguetta . . . 19
14 Sede della linguetta realizzata sulla trave . . . 20
15 Sistema di movimentazione e lavaggio . . . 20
16 Trave con incastro e bipendolo . . . 23
17 Trave con cerniera e appoggio . . . 23
18 Sistema di riferimento della trave laterale . . . 23
19 Sezione della gamba di appoggio . . . 25
20 Struttura della filtropressa con sovrapposti gli elementi trave . . . 26
21 Modello di filtropressa su Ansys . . . 26
22 Carichi e vincoli sul modello con elementi trave della filtropressa . 27 23 Deformata amplificata ottenuta l’analisi FEM . . . 27
24 Grafico del momento flettente . . . 27
25 Grafico della forza normale . . . 28
26 Struttura della testata fissa lato alimentazione . . . 31
27 Testata fissa modellata su Ansys sfruttando la simmetria . . . 31
28 Testata fissa modellata con carichi e vincoli . . . 32
29 Tensione equivalente secondo Von Mises . . . 32
30 Freccia longitudinale . . . 33
31 Testata fissa lato cilindro . . . 34
32 Area di applicazione del carico . . . 35
33 Modello con elementi guscio della testata di coda . . . 35
34 Carichi e vincoli sulla testata lato cilindro . . . 36
35 Grafico della tensione secondo Von Mises nella testata lato cilindro 36 36 Freccia longitudinale della testata . . . 37
37 Testata mobile, proprietà di Italprogetti S.p.A. . . 38
38 Modello con elementi guscio della testata mobile . . . 38
39 Immagine dei carichi e vincoli sulla testata mobile . . . 39
Università di Pisa ELENCO DELLE FIGURE
41 Freccia in direzione ortogonale della testata non ottimizzata . . . . 41
42 Geometria dei rinforzi della soluzione razionalizzata . . . 42
43 Tensione equivalente secondo Von Mises . . . 42
44 Freccia in direzione trasversale della nuova soluzione . . . 42
45 Schema della Configurazione 1 della filtropressa . . . 45
46 Schema della Configurazione 2 della filtropressa . . . 45
47 Grafico qualitativo della capacità di sollevamento in funzione della corsa . . . 48
48 Le due configurazioni del cuscino . . . 51
49 Schema di carichi e vincoli su Ansys . . . 51
50 Grafico della tensione normalizzata in funzione della corsa norma-lizzata . . . 52
51 Grafico delle curve con la medesima resistenza teorica . . . 53
52 Foto dei cuscini di sollevamento acquistati . . . 54
53 Deformata del cuscino vista lateralmente . . . 54
54 Deformata del cuscino vista dall’alto . . . 55
55 Manometro e attacco da 1/4 " . . . 56
56 Sistema di supporto del cuscino . . . 56
57 Macchina di prova vista dal lato del cilindro . . . 58
58 Macchina di prova vista dal lato delle piastre . . . 58
59 Diagramma del sistema di controllo . . . 62
60 Filtropressa dal lato della testata fissa . . . 66
61 Filtropressa dal lato della testata di alimentazione . . . 66
62 Sistema di protezione in caso di eventuale rottura dei cuscini . . . 67
63 Supporto dei cuscini e sistema di guida . . . 68
64 Molla . . . 68
65 Testata modellata con simmetrie ed elementi a guscio . . . 70
66 Schema dei carichi e dei vincoli sulla testata . . . 71
67 Tensione equivalente secondo Von-Mises . . . 71
68 Freccia in direzione longitudinale . . . 72
69 Zone di saldatura più sollecitate . . . 73
70 Elementi più sollecitati della zona 1 . . . 73
71 Cordone più sollecitato nel caso precedente . . . 75
Elenco delle tabelle
1 Caratteristiche tecniche filtropressa 1000/70 . . . 11
2 Caratteristiche tecniche del materiale e delle piastre . . . 16
3 Caratteristiche tecniche S235 . . . 22
4 Risultati analisi preliminare con cerniera-appoggio . . . 24
5 Risultati analisi preliminare con incastro-bipendolo . . . 24
6 Riassunto risultati del modello trave con Ansys . . . 28
7 Caratteristiche tecniche dei cuscini di sollevamento normalmente presenti in commercio . . . 49
8 Caratteristiche tecniche dei cuscini di sollevamento acuistati . . . . 53
9 Risultati sulla nuova trave modello cerniera-appoggio . . . 69
10 Risultati sulla nuova trave con modello incastro-bipendolo . . . 69
11 Forze nodali in corrispondenza della saldatura sull’elemento più sollecitato . . . 74
12 Componenti della tensione trasmesse dalla sezione di gola ribaltata 74 13 Forze nodali in corrispondenza della saldatura sull’elemento più sollecitato nella testata precedente . . . 74
14 Componenti della tensione trasmesse dalla sezione di gola ribaltata nella testata precedente . . . 75
Università di Pisa 1. INTRODUZIONE
1
Introduzione
L’azienda Italprogetti SpA, attiva nel comprensorio del cuoio, si occupa principal-mente della realizzazione di macchinari ed impianti per il settore conciario. In particolare, negli anni, il know-how aziendale si è esteso anche ad altri settori oltre a quello conciario, andando ad includere la produzione di impianti e filtropresse per processi di depurazione e filtrazione. L’azienda produce filtropresse di varie dimensioni e per ciascuna dimensione realizza differenti modelli in base alla pres-sione di utilizzo. Tra le filtropresse prodotte, quelle utilizzate per la filtrazione dell’olio di oliva sono quelle operanti alle pressioni maggiori. In particolare, su queste macchine, risulta particolarmente costoso il lavoro di carpenteria nella realizzazione delle testate, e il cilindro oleodinamico operante ad altissima pres-sione, che non viene realizzato internamente ma acquistato da fornitori esterni, facendo levitare ulteriormente i costi. Negli anni,grazie all’esperienza, si è fatto fronte ad alcuni problemi sorti durante il funzionamento delle filtropresse ad alta pressione, tuttavia non sono mai stati effettuati studi dettagliati nel determinare l’andamento delle tensioni ed evidenziare le zone critiche della struttura. Lo scopo del lavoro svolto in azienda è stato quello di realizzare differenti modelli parametrici, utilizzando l’analisi FEM, della parte strutturale, con lo scopo di fornire un’analisi più sistematica della struttura, evidenziandone le zone critiche e i miglioramenti successivamente realizzabili. I modelli realizzati costituiscono una preziosa risorsa per l’ausilio alla progettazione dei differenti macchinari prodotti, oltre a permettere una comparazione con soluzioni differenti.
Sulla base di un brevetto messo a disposizione si è cercato di ridurre ul-teriormente i costi di produzione della macchina, progettando una soluzione completamente innovativa e più semplice della struttura basato sull’utilizzo di elementi gonfiabili che sono stati reperiti in commercio e testati.
Il lavoro svolto in azienda ha seguito tutte le fasi iniziali dello sviluppo di un prodotto innovativo; partendo da un’idea di base, si sono analizzate le possibili varianti, cercando di approfondire quella più promettente. Parte importante del lavoro svolto risiede anche nel contatto con i vari fornitori, nelle considerazioni economiche necessarie a verificare la fattibilità e la convenienza di un nuovo progetto.
2
La filtropressa
2.1
Descrizione generale
Una filtropressa è una macchina utilizzata per la filtrazione di fluidi caratterizzati dalla presenza in sospensione di particelle solide, che vengono separate dal fluido durante il processo di filtrazione. I fluidi che presentano queste caratteristiche e vengono filtrati con questo tipo di macchine sono in genere olio di oliva, acque reflue urbane, fanghi industriali. Nella parte superiore della macchina può eventualmente essere presente un sistema automatico di movimentazione e lavaggio delle piastre. Alla fine del processo di filtrazione si ha la completa separazione solido-liquido; il fango rimasto tra una piastra e l’altra, con una certa percentuale di umidità residua, è denominato pannello (cake in inglese). In seguito alla separazione e scuotimento delle piastre, il pannello cade per gravità in una apposita vasca di raccolta e può essere eventualmente movimentato tramite un sistema a coclea.
La struttura della macchina in questione è composta da:
• Testata fissa lato alimentazione, attraversata dal sistema di alimentazione e raccolta del filtrato.
• Testata fissa lato cilindro, con alloggio del cilindro oleodinamico. • Testata mobile con sede di appoggio del pistone oleodinamico.
• Cilindro oleodinamico con annessa centralina di controllo e circuito dell’olio. • Sistema automatico di movimentazione, scuotimento e lavaggio.
• Piastre.
• Travi laterali di collegamento.
Le testate fisse sono collegate da due travi laterali, con la funzione principale di reggere il carico normale di trazione (il carico più significativo in questo tipo di processo) durante il funzionamento della macchina, e fungono da supporto per le piastre e per la testata mobile. Il corpo del cilindro oleodinamico è imbullonato su un’apposita testata, mentre sull’altra testata fissa sono presenti le flange dei tubi di alimentazione e uscita del fluido. Le piastre sono semplicemente appoggiate sulle due travi laterali e sono disposte tra la testata mobile e quella fissa. Il sistema di movimentazione e lavaggio non è stato studiato nel dettaglio ma è stato semplicemente considerato un carico applicato alla parte di struttura inferiore su cui è stata svolta l’analisi strutturale.
Università di Pisa 2. LA FILTROPRESSA
2.2
Modello e caratteristiche tecniche
Il modello analizzato è la filtropressa FP1000/70, su cui sono montate 70 piastre quadrate con lato di 1000 mm. Durante il processo di filtrazione vengono rag-giunte elevate pressioni, fino a un massimo di 40 bar, applicata sulla superficie della membrana filtrante. Tale pressione viene esercitata solo durante la fase di squeezing, descritta più avanti, e viene impiegata in processi in cui si ha l’esigenza di filtrare un liquido pregiato, come nel caso dell’olio di oliva. La macchina, con annessi gli accessori, è mostrata in figura 1 . Gli elementi della macchina citati in precedenza sono indicati in figura e descritti in maniera più chiara nei successiva-mente. In figura 2 è mostrata solo la parte strutturale della filtropressa, oggetto principale del presente lavoro di tesi. Il CAD 3D e i disegni tecnici mostrati nelle figure 1 e 2 sono stati forniti e sono di proprietà dall’azienda Italprogetti SpA.
Figura 2: Parte strutturale della filtropressa
Nella seguente tabella sono indicate le caratteristiche tecniche fornite dall’a-zienda del modello di filtropressa FTP 1000/70 analizzato.
Tabella 1: Caratteristiche tecniche filtropressa 1000/70
Numero di piastre 70 Spessore della camera [mm] 40 Volume della camera [l] 1824 Superficie filtrante [m2] 113,9
Massa [kg] 8328
Larghezza x Altezza [mm] 1332x3500 Potenza installata [kW] 7,75 Portata filtrata [hml2] 50-250
Durata del ciclo di filtrazione [h] 6-48
Lunghezza [mm] 7465
Le portate filtrate, con annesso il relativo impianto di alimentazione e controllo sono molto variabili in funzione delle caratteristiche dell’olio da filtrare. Anche le effettive durare del ciclo di filtrazione sono molto variabili per le stesse ragioni. In ogni caso ai fini della presente tesi, il lavoro è stato concentrato principal-mente sulla parte strutturale della filtropressa, utilizzando i dati sull’effettivo funzionamento dell’impianto solo laddove siano stati ritenuti necessari nella parte strutturale. La macchina viene fornita al cliente garantita per i primi due anni, la vita della macchina prevista dalla specifica è di 10 anni, ai fini dei calcoli a fatica
Università di Pisa 2. LA FILTROPRESSA
sono stati considerati 3 cicli giornalieri, che corrispondono al massimo numero di cicli effettuato su macchine di questo tipo, per l’intera durata garantita.
2.3
Fasi e ciclo di funzionamento della filtropressa
Le fasi del processo di filtrazione sono le seguenti:
• Prechiusura: Il pistone oleodinamico preme sul pacco di piastre con circa 1/6 della pressione massima, e successivamente rilascia la pressione, questo ha la funzione di compattare ed allineare il pacco di piastre, riducendo i giochi tra una piastra e la successiva, per prepararle alla successiva fase di riempimento.
• Chiusura:Il pistone oleodinamico richiude di nuovo il pacco di piastre facendo aderire i bordi e impedendo successivi trafilamenti di liquido. • Riempimento: Tramite una pompa centrifuga, viene pompato nelle camere il
liquido da filtrare.
• Filtrazione: In seguito al riempimento delle camere inizia la fase di filtrazione vera e propria in cui l’olio attraversa la tela e il filtrato fuoriesce dalla testata fissa lato alimentazione.
• Squeezing: Verso la fine del processo di filtrazione viene aumentata la pressione nelle camere con l’introduzione di aria a pressione maggiore, questo con lo scopo di strizzare il più possibile il pannello.
• Apertura, movimentazione e lavaggio: Alla fine del processo di filtrazione viene aperto il pacco di piastre, il pannello dei residui solidi cade e viene raccolto. Il cilindro oleodinamico è dotato di un pistone che preme sulla testata mobile, con la funzione di movimentarla e reggere la spinta durante il processo di filtra-zione. Nella prima parte del processo la macchina è scarica e il pistone idraulico avvicina le piastre mandandole in contatto tra loro. Questa è la prima parte del processo, detta di chiusura, il cui il pistone idraulico, premendo sulle piastre impedisce la fuoriuscita del fluido che verrà introdotto nella fase successiva.
Il fluido da filtrare viene pompato tramite un tubo di alimentazione che attraversa la testata fissa, e riempie la camera tra le prime due piastre, le camere delle piastre seguenti sono riempite in successione. Non sono presenti tubi di alimentazione che collegano le varie piastre, il passaggio di fluido tra una piastra e l’altra (sia filtrante che filtrato) è consentito grazie ai fori presenti nelle piastre stesse. La tenuta e la non contaminazione del filtrato è garantita dalla pressione con cui le piastre sono premute una sull’altra.
Alla fine della fase di riempimento, la pompa manda in pressione il fluido all’interno delle piastre fino a circa 10-12 bar durante la prima fase di filtrazione. Tale pressione viene mantenuta per la maggior parte del ciclo di filtrazione.
Figura 3: Schema della filtrazione, da [4]
Grazie alla pressione di alimentazione il fluido è in grado attraversare la membrana filtrante, mentre le particelle solide presenti in sospensione rimangono nella camera presente tra le piastre. Il filtrato, dopo aver attraversato la membrana, è convogliato tramite dei fori in 4 canali di raccolta realizzati nelle stesse piastre da dove è in grado di fuoriuscire dalla macchina. Verso la fine del ciclo di filtrazione, mantenuto sempre a circa 10/12 bar, all’interno delle camere delle piastre è ancora presente una discreta quantità di fluido da filtrare. La prima parte del processo di filtrazione è illustrata in figura 3. Nel caso di fluidi pregiati, come l’olio di oliva, è necessario aumentare la pressione presente nella camera per poter filtrare anche gli ultimi residui di olio e arrivare ad ottenere un pannello quasi asciutto. In questa fase, definita squeezing, sulla superficie filtrante si arriva ad esercitare una pressione di 40 bar. Tale pressione non può essere fornita dalla pompa di alimentazione del fluido, ma mandando fluido in pressione tramite ulteriori fori presenti nelle piastre. La fasi descritte sono illustrate nelle seguenti figure semplificate. I grafici e le caratteristiche di funzionamento mostrate nelle figure 4 e 5, sono state fornite e sono di proprietà dell’azienda Italprogetti SpA.
In figura 4 è mostrato in maniera schematica la fase di squeezing, un ulteriore vantaggio di questa fase, è quello di ottenere minori tempi di filtrazione, oltre ad avere pannelli finali più asciutti, alla fine del processo. In particolare, in un generico processo di filtrazione di questo tipo, il 75 % del filtrato è ottenuto nel primo 25 % del ciclo di filtrazione. In figura 5 è mostrata la curva del filtrato in funzione del tempo senza la fase di squeezing, si nota in particolare la bassa efficienza che caratterizza la maggior parte del ciclo di filtrazione. In figura 6 è mostrato l’andamento dell’umidità residua nel pannello in seguito all’introduzione della fase di squeezing.
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Figura 4: Schema della fase di squeezing, da [4]
Figura 5: Volume di filtrato in funzione del tempo, [4]
Figura 6: Umidità residua in funzione del tempo con l’utilizzo dello squeezing, [4]
2.4
Piastre
Le piastre, mostrate nelle figura 7 e in foto nella figura 8 , sono realizzate in polipropilene (PPH), le caratteristiche tecniche del materiale e delle piastre sono riportate nella tabella 2.
Figura 7: Immagine CAD della piastra
Figura 8: Foto della piastra
Sulla macchina analizzata vengono utilizzate due tipi differenti di piastre, montate in maniera alternata. Il primo tipo, denominato companion, corrisponde alla piastra priva di membrana filtrante; il secondo tipo, denominato membrane, è costituito dalla piastra su cui è montata la membrana filtrante su entrambi i lati. Dopo essere state assemblate in sequenza, tra una piastra e l’altra rimane un’intercapedine, detta camera, che durante il processo viene riempita dal fluido da filtrare come descritto. Su ogni piastra è presente un foro di alimentazione
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Figura 9: Foto dei fori di collegamento tra la camera e i fori di raccolta del filtrato Tabella 2: Caratteristiche tecniche del materiale e delle piastre
Tensione di snervamento [MPa] 31,5 Modulo di Young [MPa] 1445 Superficie filtrante [m2] 0,765 Resilienza [kJ/m2] 5,5
Dimensioni [mm] 1000x1000 Spessore cake [mm] 40
Spessore medio piastre[mm] 77
principale del fluido da filtrare, che collega tutte le piastre, e 4 fori laterali da cui fuoriesce il filtrato. Il fluido filtrato, dopo aver attraversato la membrana raggiunge i fori laterali grazie a dei piccoli fori di collegamento mostrati in foto nella figura 9. Per raggiungere la maggiore pressione richiesta nella fase di squeezing viene introdotto alla fine della prima fase di filtrazione aria in pressione tramite ulteriori fori di alimentazione presenti nelle piastre. Due semi-companion costituiscono la prima e l’ultima piastra.
2.5
Cilindro oleodinamico
Il cilindro oleodinamico, componente molto diffuso nell’industria, è costituito principalmente da un pistone, con opportuno collegamento alla testata mobile, e dal corpo del cilindro che contiene l’olio. Il cilindro oleodinamico utilizzato sulla macchina analizzata è collaudato fino a 350 bar, e durante il funzionamento la massima pressione che si raggiunge all’interno è limitata a 300 bar dal sistema di controllo e dalla centralina, tramite l’apertura di una valvola. E’ necessario
l’utilizzo di pressioni così elevate per poter equilibrare la pressione di 40 bar su tutta l’area filtrante della piastra e mantenere in chiusura il pacco di piastre. Il cilindro è corredato dalla centralina di controllo, per regolarne il funzionamento durante il ciclo, con annesso circuito dell’olio. Il pistone ha una sezione interna di 400 mm, mentre La corsa è essenzialmente legata al fatto di dover spacchettare e movimentare le piastre durante l’operazione di pulizia, il valore necessario è di circa 700 mm per la presenza del sistema di movimentazione e lavaggio, può essere molto ridotta se la movimentazione è manuale. In figura 7 è mostrato il modello 3D della sezione del cilindro. Il carico massimo agente sulla struttura è limitato proprio dalla pressione massima agente all’interno del cilindro, questo è stato considerato come il carico massimo agente sulla struttura.
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2.6
Travi e sistema di collegamento
Le due testate fisse sono collegate da due travi tubolari laterali, con lo scopo principale di reggere il carico normale di trazione. Queste travi sono saldate su piastre e collegate alle testate fisse tramite tramite una giunzione bullonata e una linguetta. I carichi a cui sono sottoposte sono quindi la forza normale di trazione, e la flessione dovuta al peso del pacco di piastre e del fluido contenuto all’interno delle camere durante il processo di filtrazione. Inoltre svolgono la funzione di guida per le piastre e per la testata mobile. La sezione della trave ha dimensioni di 150x400 mm e spessore di 16 mm, è mostrata in figura 11 . Il collegamento bullonato é evidenziato in figura 12, e la sede della linguetta è mostrata in figura 13.
Figura 11: Sezione della trave tubolare
In figura 14 è mostrata la sede della linguetta realizzata sulla piastra saldata alla trave.
Figura 12: Rappresentazione della giunzione bullonata
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Figura 14: Sede della linguetta realizzata sulla trave
2.7
Sistema di movimentazione e lavaggio
Nella parte superiore della filtropressa è presente un sistema opzionale di movi-mentazione e lavaggio automatico delle piastre. Tale sistema non è indispensabile al funzionamento della macchina ed inoltre ha un’influenza limitata sulle sol-lecitazioni della parte strutturale. Laddove presente, alla fine del processo di filtrazione, il sistema automatico muove e scuote le piastre facendo cadere i residui della filtrazione presenti nella camera, nel caso in cui rimangano dei residui del pannello aderenti alle pareti delle piastre, è necessaria la rimozione manuale effettuata dall’operatore in maniera da non pregiudicare l’efficienza del successivo ciclo di filtrazione. Nel presente lavoro di tesi, il sistema di lavaggio descritto e mostrato in figura 15 è stato considerato solo come un carico agente sulla parte di struttura inferiore.
Figura 15: Sistema di movimentazione e lavaggio
2.8
Carichi
• Carico dovuto alla pressione massima consentita nella camera del cilindro. • Carico dovuto al peso delle piastre, del fluido della testata mobile.
Il carico massimo è stato calcolato considerando la pressione massima che può essere eventualmente raggiunta all’interno del cilindro oleodinamico. Il diametro del cilindro è pari a D=400mm e la pressione massima interna è elettronicamente limitata a Pmax =300bar. Da cui si ricava una forza F pari a:
F =πD
2
4 Pmax =3, 77 · 10
3
kN
La forza F agisce per mantenere l’equilibrio statico della struttura su tutte e tre le testate, ripartendola su l’area di interesse in ognuno dei tre casi si ottengono le massime pressioni che agiscono sulla struttura.
I carichi secondari sono i seguenti: • Peso proprio della struttura
• Peso proprio della parte di movimentazione e lavaggio piastre
I carichi secondari sono stati inseriti per completezza nell’analisi, benché siano di un ordine di grandezza inferiore rispetto a quelli principali.
2.9
Vincoli
La filtropressa è completamente imbullonata (si può quindi considerare incastrata) dal lato della testata fissa, mentre è lasciato libero l’allungamento in senso assiale dalla parte opposta ( è stato considerato un semplice appoggio nel modello a trave su Ansys). Tale sistema di vincoli è necessario visto l’elevata forza normale a cui sono sottoposte le travi laterali, per cui se non fossero lasciate libere di compensare l’allungamento si avrebbe un aumento delle sollecitazioni sulla struttura dovuta al ripristino della congruenza. Un discorso a parte riguarda invece il collegamento tra la trave laterale e la testata, già descritto in precedenza. Questo collegamento nella pratica risulterà compreso tra una cerniera ideale e un incastro ideale ( o bipendolo ideale considerando il grado di libertà in senso assiale). Naturalmente, riuscire ad ottenere per via numerica o sperimentale, quanto il modello di questo collegamento si avvicini all’una o all’altra condizione, ha un costo notevole in termini di tempo e risorse necessarie, pertanto sono stati considerati entrambi i tipi di vincolo, considerando accettabile la freccia ottenuta nei due casi.
2.10
Materiali
L’intera filtropressa è realizzata in carpenteria utilizzando l’acciaio per strutture S235. Le caratteristiche tecniche di questo acciaio sono riportate nella seguente tabella 3.
Università di Pisa 3. RISULTATI DELL’ANALISI STRUTTURALE
Tabella 3: Caratteristiche tecniche S235
Tensione di snervamento [MPa] 235 Tensione di rottura [MPa] 360 Coefficiente di Poisson 0,3
3
Risultati dell’analisi strutturale
Nei paragrafi successivi sono riportati i risultati dell’analisi strutturale su modelli progressivamente più complessi e dettagliati della struttura.
3.1
Modello 0
Nel modello preliminare, denominato modello 0 è stato scelto di studiare lo stato di tensione agente sulle travi laterali considerando il semplice problema isostatico di trave prima con incastro e bipendolo, successivamente con cerniera e appoggio in maniera da lasciare libera la rotazione della sezione delle estremità. I due casi considerati riguardano gli estremi inferiore e superiore rispettivamente della freccia minima e massima della sezione centrale della trave. In questo caso il contributo delle testate è stato completamente trascurato, così come sono state trascurate le gambe della filtropressa. I carichi applicati sono la forza normale F =1, 88 · 106N calcolata in precedenza (dimezzata per ottenere il contributo sulla singola trave), il peso della testata mobile, delle piastre e del liquido da filtrare, il loro contributo è stato schematizzato come un unico carico distribuito, chiamato p. Il semplice schema di vincoli e carichi descritto è illustrato nelle figure 16 e 17. Il valore di p è stato ottenuto considerando la densità del polipropilene pari a ρ = 930mkg3 e la densità del fluido da filtrare (olio e farina) con ρf = 1200mkg3
considerando anche la massa della testata mobile m=1175kg si ottiene quindi un carico distribuito (sulla singola trave) pari a p =9, 04mmN .Il fatto che ogni piastra appoggia su poco meno di metà della trave laterale genera un momento torcente distribuito sull’intera trave, il cui contributo è stato considerato più avanti.
Con le note formule di scienza delle costruzioni inerenti i sistemi appena descritti, si ottengono i risultati riportati nella tabella seguente. Naturalmente questi semplici calcoli sono stati eseguiti con lo scopo di tenere sempre sotto controllo l’ordine di grandezza di tensioni e deformazioni approfonditi più avanti. La freccia massima e il punto critico si trovano quindi nella parte superiore della sezione centrale della trave.
In figura 18 è mostrato il sistema di riferimento locale della trave tubolare laterale utilizzato per il calcolo dei momenti.
La freccia reale sarà ragionevolmente intermedia tra i due casi schematizzati, anche se in realtà la presenza del carico concentrato dovuto al peso della testata
Figura 16: Trave con incastro e bipendolo
Figura 17: Trave con cerniera e appoggio
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Tabella 4: Risultati analisi preliminare con cerniera-appoggio
Momento flettente massimo MX [Nmm] −3, 03 · 107
Forza normale [N] 1, 88 · 106 Tensione dovuta alla forza normale [MPa] 113 Allungamento dovuto alla forza normale [mm] 4 Tensione dovuta alla flessione[MPa] 19 Freccia dovuta al carico flessionale[mm] 2,6
Tensione totale[MPa] 132
Tabella 5: Risultati analisi preliminare con incastro-bipendolo
Momento flettente massimo MX [Nmm] −2, 02 · 107
Forza normale [N] 1, 88 · 106 Tensione dovuta alla forza normale [MPa] 113 Allungamento dovuto alla forza normale [mm] 4 Tensione dovuta alla flessione[MPa] 19 Freccia dovuta al carico flessionale[mm] 0,53
Tensione totale[MPa] 126,7
mobile può avere un peso significativo nel calcolo della freccia. Un’ulteriore sollecitazione presente sulle travi è quella dovuta alla torsione, dovuta al fatto che che le piastre non appoggiano su tutta la larghezza delle travi laterali. Il massimo momento torcente agente sulla sezione critica (quella centrale) è pari a Mz = 1, 2x106Nmm. Si ottiene quindi applicando la teoria di Bredt su una
trave a sezione sottile la tensione tangenziale σλz =2, 32MPa. Il contributo della
torsione sulla sezione tubolare descritta si può quindi considerare trascurabile data l’entità delle altre tensioni.
3.2
Modello 1 con Ansys APDL
Il primo modello ad elementi finiti utilizzato per studiare il sistema è stato realizzato con elementi trave. Questo modello semplificato ha lo scopo principale di calcolare le frecce, gli allungamenti e le caratteristiche di sollecitazione in maniera più accurata rispetto all’analisi preliminare. La parte della struttura delle testate non può essere approssimata con un modello a elementi trave senza andare a commettere errori grossolani, questo è dovuto alla maggiore rigidezza delle testate rispetto al resto della struttura e alla geometria particolarmente tozza non contemplata dal modello di trave. Per poter quindi includere le gambe
nell’analisi preliminare, è stato scelto di modellare la parte delle testate con elementi trave molto più rigidi rispetto al resto della struttura. In figura 20 é mostrata la struttura della filtropressa con sovrapposta la struttura ad elementi trave utilizzata nella modellazione FEM. La trave utilizzata nelle gambe è un tubolare con misure 300x200 mm, spessore 5 mm, mostrato in figura 19. Sul software Ansys è stato utilizzato un elemento trave tridimensionale con 2 nodi. Agli elementi trave più rigidi è stato assegnato un modulo di Young molto più elevato rispetto al resto.
La figura 20 mostra la struttura della filtropressa con sovrapposti gli elementi trave. In particolare, in rosso è indicata la parte della struttura modellata effetti-vamente con il modello di trave, rispettando la geometria e la sezione; in blu è indicata la parte della struttura che è stata modellata con un elemento di trave estremamente grande e di conseguenza estremamente rigido. Naturalmente la parte di risultati e di caratteristiche di sollecitazione presenti sulle parti rigide non hanno significato dal punto di vista reale. Segue nella figura 21 l’immagine del modello su Ansys, e nella figura 22 il modello dei carichi e dei vincoli utilizzato nel software di calcolo. In particolare, per i motivi già descritti in precedenza, le gambe lato dal lato della testata di alimentazione sono completamente incastrate alla base, mentre le altre due gambe dal lato della testata fissa sono completamen-te lasciacompletamen-te libere di scorrere in senso longitudinale alla macchina. In questo caso i carichi sono stati modellati con una maggiore precisione, applicando un carico distribuito nell’effettiva posizione del pacco di piastre, e un carico concentrato nella posizione corrispondente alla posizione della testata mobile quando il pacco di piastre è chiuso.
Figura 19: Sezione della gamba di appoggio
I carichi agenti sulla macchina sono il carico uniformemente distribuito dovuto alla peso delle piastre e del filtrato.
Nell’immagine 23 è mostrato il risultato ottenuto con ANSYS della struttura deformata della macchina, i valori principali delle frecce sono riportati nella tabella inferiore. Nella figura 24 è mostrato l’andamento del momento flettente Mx sulle travi laterali e in figura 25 è mostrato l’andamento della forza normale.
Nella tabella 6, sono mostrati i risultati del modello della struttura della filtropressa modellata su Ansys APDL. Si può notare che i risultati sono piuttosto
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Figura 20: Struttura della filtropressa con sovrapposti gli elementi trave
Figura 22: Carichi e vincoli sul modello con elementi trave della filtropressa
Figura 23: Deformata amplificata ottenuta l’analisi FEM
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Figura 25: Grafico della forza normale
simili all’analisi preliminare con il modello iperstatico di trave con cerniera e appoggio, ciò lascia presupporre la validità dei risultati ottenuti. Il fatto che si sia piuttosto lontani dalla condizione di incastro-bipendolo dipende dal fatto che la rigidezza delle gambe non è molto elevata e pertanto la deformata della gamba incide sulla freccia massima della trave.
Tabella 6: Riassunto risultati del modello trave con Ansys
Momento flettente massimo Mx [Nmm] 3, 31 · 107
Forza normale [N] 1, 89 · 106 Tensione dovuta alla forza normale [MPa] 113,7 Allungamento dovuto alla forza normale [mm] 4,6 Tensione dovuta alla flessione[MPa] 21,34 Freccia dovuta al carico flessionale[mm] 2,97
3.3
Analisi nel dettaglio con elementi guscio 3D
Il passo successivo dell’analisi strutturale è stato quello di modellare le parti escluse dal modello di trave, cioè le due testate fisse e la testata mobile. Per la modellazione di queste parti è stato usato un elemento guscio 3D con 4 nodi, che è stato ritenuto l’elemento più adatto per un’analisi esaustiva, e comunque non eccessivamente gravosa dal punto di vista computazionale, delle testate. Lo scopo di questa analisi di dettaglio è stata principalmente quella di evidenziare le parti della struttura più sollecitate, in maniera da poter razionalizzare, laddove possibile tecnologicamente, la geometria della testata, così da poter risparmiare in termini di costo, non solo dal punto di vista del materiale impiegato ma anche da quello della complessità delle lavorazioni in termini di geometria della carpenteria e delle saldature.
3.3.1 Testata fissa lato alimentazione
Per modellare in maniera esaustiva la testata lato alimentazione, è stata conside-rata anche la porzione iniziale della trave, in maniera da estendere la validità del modello anche allo studio del collegamento tra trave e testata. La scelta di inclu-dere anche parte della trave nella modellazione con elemento guscio, permette inoltre di applicare in maniera corretta i carichi, utilizzando le caratteristiche di sollecitazione ottenute dall’analisi precedente nella sezione di sconnessione della trave. I carichi significativi sono quindi i seguenti:
• Carico sulla trave laterale: L’unica caratteristica di sollecitazione signifi-cativa nella sezione presa in considerazione è la forza normale pari a N =1, 88 · 106N, uniformemente ripartita sulla sezione di trave.
• Carico sulla piastra anteriore della testata: dovuto alla massima pressione raggiunta durante la fase di squeezing, ottenuta dividendo la forza mas-sima (F=3, 77 · 103kN) sull’area d’appoggio delle piastre (1m2), agente in maniera circa uniforme sull’intera area della testata.
Gli elementi guscio sono stati modellati sul piano medio delle piastre usate nella testata. La testata fissa, mostrata in figura 26 , è stata modellata a metà grazie alla simmetria della geometria, dei carichi e dei vincoli. I vincoli imposti alla struttura sono gli stessi utilizzati nel modello a elementi trave e cioè l’incastro completo nella parte in cui la gamba è fissata al terreno. Tale vincolo è stato realizzato bloccando tutti i gradi di libertà ai nodi degli elementi della sezione di appoggio della gamba. La geometria del modello è mostrata in figura 27 . Non sono stati considerati i dettagli geometrici dovuti alla presenza delle tubazioni di alimentazione, delle flange di attacco dei tubi, dei fori dei bulloni, e la sede della linguetta. In figura 28 è mostrato il modello utilizzato su ANSYS con carichi e vincoli.
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La parte di trave e della testata sono stati modellati con modelli con elementi guscio distinti, tra un guscio e l’altro è stato considerato l’offset tra i piani medi, per collegare quindi i gusci è stato necessario introdurre dei vincoli di dipendenza tra gli elementi guscio di trave e testata. I vincoli di dipendenza nell’analisi ad elementi finiti permettono di vincolare gli spostamenti tra nodi posti anche a distanza, questo tipo di collegamenti, rispetto alla modellazione con elementi di contatto in corrispondenza della giunzione, è molto più leggera dal punto di vista computazionale sul calcolatore. Sulle aree prima della mesh sono stati posizionati dei punti fissi definiti (Hard Points), in corrispondenza delle posizioni dei bulloni e della linguetta. Il programma FEM mantiene la posizione, in termini di coordinate, dei punti fissi, andando a posizionare dei nodi sovrapposti nell’esatta posizione dei punti fissi durante la generazione della mesh. L’utilizzo di questa funzione è stato reso necessario per voler controllare l’esatta posizione di alcuni nodi, in maniera da andare a generare in maniera corretta i vincoli di dipendenza tra i nodi della testata e i nodi dell’attacco della trave laterale. Gestire la posizione dei vincoli di dipendenza tra nodi corrispondenti permette di andare ad estrarre le forze esercitate in corrispondenza dei singoli nodi, e cioè dei singoli bulloni e della linguetta. In particolare questo è uno strumento molto utile, poiché permette oltre alla verifica dei singoli collegamenti bullonati, di evidenziare la distinzione qualitativa tra le zone del collegamento più sollecitate e quelle meno sollecitate, questo permette di poter migliorare di conseguenza il collegamento tra la testata e la trave laterale.
Per poter gestire correttamente il punto di applicazione della forza normale applicata sulla parte di trave, è stato creato un opportuno nodo Master, in cui la forza viene nominalmente applicata. Sono stati quindi selezionati i nodi appartenenti a una porzione di trave e sono stati assegnati come nodi Slave, legati al nodo Master definito in precedenza. Questo procedimento mi fa perdere informazioni sulle sollecitazioni di una parte del modello, cioè quella in cui sono stati creati i nodislave, il vantaggio è quello di suddividere una forza concentrata su più elementi, non andando quindi ad ottenere punti di singolarità dello stato di tensione all’infittire della mesh.
In figura 29 è mostrato l’andamento delle tensioni secondo Von Mises, in particolare si può notare, andando anche a indagare le caratteristiche di sol-lecitazione sui singoli elementi, come il materiale sia diversamente sollecitato seguendo il flusso delle tensioni a partire dalla piastra anteriore della testata che è sottoposta a una pressione uniforme fino alla parte della trave laterale. Si nota come il materiale in molte zone della testata non sia particolarmente sollecitato, quindi si può ottimizzare sostanzialmente la geometria della testata. La funzione principale della testata è in ogni caso quella di consentire un’elevata rigidezza nella zona di appoggio delle piastre. I valori massimi di tensione secondo il criterio di Von Mises sono piuttosto elevati in alcuni punti, questo è dovuto al fatto di utilizzare dei vincoli di dipendenza tra punti differenti, genera nel
Figura 26: Struttura della testata fissa lato alimentazione
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Figura 28: Testata fissa modellata con carichi e vincoli
Figura 30: Freccia longitudinale
modello alcune singolarità nello stato di tensione, dovute dal suddividere dei valori di forza determinati dal posizionamento degli Hard Points su elementi di piccole dimensioni.
Nella figura 30 è mostrata la freccia in direzioni longitudinale della macchina, calcolando la differenza tra la freccia di estremità e quella centrale, si ottiene una flessione al centro della testata pari a δz =0, 36mm, questo dato sarà utilizzato
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3.3.2 Testata fissa lato cilindro
In figura 31 , è mostrata la testata lato cilindro della filtropressa, cioè quella in cui è alloggiato il pistone. Il caso della testata lato cilindro è molto simile alla testata lato alimentazione nello schema dei carichi e dei vincoli, la differenza principale riguarda l’applicazione della pressione, che mentre nel caso precedente era ripar-tita in maniera uniforme sull’intera piastra anteriore, in questo caso è riparripar-tita su un’area minore, cioè quella su cui il cilindro oleodinamico è imbullonato alla testata. Gli stessi ragionamenti sui vincoli di dipendenza tra trave e testata e sull’utilizzo dei nodi Master e Slave sono stati applicati come nel caso nel caso precedente, ottenendo risultati simili. In figura 33 è mostrata la testata modellata con elementi guscio giacenti sul piano medio delle lamiere della testata, come nel caso precedente è stata sfruttata la simmetria modellando metà testata. I carichi e vincoli applicati sono mostrati in figura 34, come nel caso precedente la sezione di base della gamba è stata completamente incastrata, e sul piano di simmetria sono stati bloccati tutti gli spostamenti e le rotazioni uscenti dal piano. I carichi applicati sono quindi le forza normale sulla porzione di trave applicata sul nodo Master, mentre tutto il carico di pressione agente all’interno del cilindro oleodinamico è considerato applicato alla corona circolare che rappresenta la giunzione bullonata tra cilindro e testata. L’area effettiva di applicazione del carico è mostrata in figura 32.
Figura 32: Area di applicazione del carico
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Figura 34: Carichi e vincoli sulla testata lato cilindro
Figura 36: Freccia longitudinale della testata
In figura 35 è mostrato l’andamento della tensione equivalente secondo Von Mises. Anche in questo caso si può notare come il livello di tensione all’interno del materiale asseconda il flusso delle tensioni dalla parte centrale della testata fino al collegamento con le travi laterali. In questo caso un lavoro di razionalizzazione e miglioramento dei rinforzi sulla testata non è effettuabile poiché il materiale e lo spazio su cui si ha la libertà di agire, considerando l’ingombro del cilindro oleodinamico è piuttosto limitato. Come nel caso precedente si hanno alcuni picchi di tensione dovuti al collegamento con vincoli di dipendenza tra i nodi in corrispondenza dei bulloni tra la parte di trave e la parte di testata per le stesse ragioni elencate in precedenza. In figura 36 è mostrato l’andamento della freccia inerente la testata lato cilindro, in questo caso dato il numero ridotto di fazzoletti di rinforzo presenti, la freccia i direzione longitudinale è maggiore e il valore massimo è δz =1, 8mm . Non è un problema in questo caso in quanto dal lato
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3.3.3 Testata mobile
Figura 37: Testata mobile, proprietà di Italprogetti S.p.A.
Figura 38: Modello con elementi guscio della testata mobile
In figura 37 è mostrata la disposizione dei fazzoletti di rinforzo nella testata mobile. In particolare su questa testata, oltre all’analisi delle tensioni come nel caso precedente, è stato svolto un lavoro di razionalizzazione nella disposizione dei rinforzi, con lo scopo di ottenere un sostanziale risparmio di materiale e di costo delle lavorazioni sulla testata. Data la doppia simmetria, escludendo i dettagli geometrici non significativi per l’analisi FEM come le alette di appoggio, è stato possibile modellarne un quarto. Agli elementi guscio lungo i piani di simmetria è stato assegnato la metà dello spessore. La testata così modellata è mostrata in figura 39. I vincoli assegnati in questo caso, sono stati tutti gli
Figura 39: Immagine dei carichi e vincoli sulla testata mobile
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spostamenti e le rotazioni uscenti fuori dai piani di simmetria, trascurando l’appoggio laterale della testata, rimane ancora un grado di labilità alla testata così modellata. E’ stato quindi modellato il vincolo dovuto all’appoggio del pistone vincolando in direzione normale alla testata lo spostamento di tutti i punti corrispondenti, come mostrato in figura 39. Con i vincoli così assegnati, l’unico carico significativo sulla struttura consiste in una pressione uniforme agente sulla piastra anteriore della testata, con uguale intensità del caso precedente. Tra i risultati ottenuti, è stata riportata la tensione equivalente secondo Von Mises, come mostrato in figura 40. Si nota il basso livello di tensione equivalente a cui è sottoposta la maggior parte della testata mobile, questo è dovuto a due contributi:
• Geometria del materiale non ottimizzata.
• Necessità di assicurare un’elevata rigidezza alla testata, in maniera da evitare trafilamenti di filtrato tra una piastra e l’altra.
E’ quindi evidente come si possa effettuare un processo di sostanziale miglio-ramento della testata. In figura in particolare è mostrata la freccia in direzione ortogonale alla piastra. Tale processo di miglioramento è stato affrontato nel successivo paragrafo, tenendo conto degli ovvi limiti tecnologici del processo.
3.4
Razionalizzazione della geometria della testata mobile
In questa sezione, tenendo conto dei risultati ottenuti dalle analisi precedenti, è stato svolto un lavoro di razionalizzazione della geometria della testata mobile. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di mostrare le potenzialità e i limiti dell’analisi ad elementi finiti. Questo lavoro non è propriamente connesso alla progettazione della nuova macchina svolto successivamente, ma riguarda co-munque un miglioramento della macchina attuale. Dall’analisi precedentemente svolta, è evidente come nella testata mobile gran parte del materiale utilizzato sia sollecitato con una tensione equivalente secondo Von Mises di un ordine di grandezza inferiore rispetto alle zone più sollecitate; questo deriva dal fatto di avere presenza di materiale dove non è necessario ad assecondare il flusso delle tensioni. Il processo seguito non è una vera e propria ottimizzazione in quanto non è stata definita una funzione obbiettivo, ma è stato svolto un processo iterati-vo in cui sono state provate geometrie diverse, nel rispetto dei limiti tecnologici. Il parametro utilizzato per il confronto tra le varie soluzioni è la freccia massima in direzione ortogonale alla testata, in quanto la funzione dei rinforzi sulla testata mobile è quella di assicurare un’elevata rigidezza alla testata, in maniera da non rischiare di avere trafilamento tra le piastre dovuta ad una freccia eccessiva sul bordo della testata. Pertanto si è cercata una soluzione alternativa con meno materiale e maggior semplicità a parità di rigidezza.
Per poter ottenere una geometria più razionale della testata mobile in par-ticolare è stato seguito il principio di assecondare il flusso delle tensioni dalla
Figura 41: Freccia in direzione ortogonale della testata non ottimizzata
piastra anteriore all’alloggio del pistone, in particolare è stato scelto di utilizza-re una soluzione rastutilizza-remata dall’estutilizza-remità verso il centro, e con una miglioutilizza-re disposizione dei rinforzi radiali, quelli che contribuiscono maggiormente alla rigidezza. La modellazione con la nuova geometria utilizza gli stessi carichi e vincoli mostrati in precedenza. Il valore dello spostamento ortogonale alla testata è mostrato in figura 41 , il valore massimo ottenuto in corrispondenza del vertice di estremità, è pari a δz =0, 27mm. La geometria della razionalizzazione finale
ottenuta è mostrata in figura 42. Lo stato di tensione equivalente secondo Von Mises è invece mostrato in figura 43, si nota come il livello di tensione equivalente a cui è sottoposto il materiale sia comunque relativamente basso, questo è dovuto al fatto di voler ottenere un’elevata rigidezza, in ogni caso il materiale risulta sfruttato in maniera molto più omogenea rispetto al caso precedente.
In figura 44 è mostrato l’andamento della freccia in direzione ortogonale alla testata, si nota che il valore massimo ottenuto è pari a δz = 0, 29mm, quindi
in ogni caso un valore molto simile a quello richiesto, pertanto è stato ritenuto accettabile.
3.4.1 Materiale risparmiato e instabilità
Nell’analisi della nuova geometria sono state considerate lamiere di spessore inferiore rispetto a quelle attualmente utilizzate ( Sp = 25mm invece di Sp =
30mm ), tenendo conto di tutta la nuova geometria è stato ottenuto che il 34, 5% di materiale risparmiato sulla testata rispetto al materiale inizialmente presente, si è ottenuta inoltre una semplificazione della geometria e di conseguente delle lavorazioni di carpenteria necessarie. Naturalmente è possibile ottenere due rinforzi rastremati distinti con un unico taglio partendo dalle lamiere di fornitura, evitando ovviamente di sprecare materiale in seguito al taglio. E’ stata eseguita una stima della resistenza a instabilità dei fazzoletti di rinforzo, i coefficienti di
Università di Pisa 3. RISULTATI DELL’ANALISI STRUTTURALE
Figura 42: Geometria dei rinforzi della soluzione razionalizzata
Figura 43: Tensione equivalente secondo Von Mises
sicurezza ottenuti sono particolarmente elevati, pertanto non sussistono rischi di instabilità e i valori non sono stati riportati.
Università di Pisa 4. DESCRIZIONE DEI BREVETTI ANALIZZATI
4
Descrizione dei brevetti analizzati
Le modifiche e gli studi effettuati nella parte successiva della tesi si basano sull’analisi del brevetto MS2007A000006 [2]. In questo brevetto, denominato "Hydropneumatic Filter Press", viene descritto il funzionamento generale di una classica filtropressa, come effettuato nel primo capitolo della presente tesi, suc-cessivamente vengono elencati i limiti e i problemi della soluzione classica in cui è presente il cilindro oleodinamico. E’ successivamente descritto, a livello concettuale, come si potrebbe migliorare la macchina con una soluzione innovati-va sfruttando degli elementi gonfiabili. Sono state effettuate innovati-varie ricerche sulle principali banche dati internazionali riguardo i brevetti su filtropresse idropneu-matiche, sono stati trovati alcuni brevetti inerenti i sistemi di movimentazione e bloccaggio inerente la testata mobile, tuttavia non sono stati utilizzati perché le scelte progettuali effettuate sono state differenti. Nelle seguenti righe è riassunto il contenuto del brevetto.
4.1
Svantaggi della soluzione classica
Gli svantaggi di una normale filtropressa sono i seguenti, dovuti essenzialmente alla presenza del cilindro:
• Possibile trafilamento di olio durante il funzionamento del cilindro oleodi-namico, problema in particolare nell’utilizzo nell’industria alimentare. • Inquinamento del filtrato dovuto alla presenza di olio.
• Spazio occupato dalla macchina dovuto alla presenza del cilindro. • Elevato numero di componenti dovuto al funzionamento del cilindro. • Costante manutenzione richiesta durante il funzionamento.
• Operazioni lente di carico e scarico. • Pesantezza della struttura.
• Elevato costo del cilindro oleodinamico, dell’olio, e della centralina di controllo.
4.2
Configurazioni possibili utilizzando gli elementi gonfiabili
Nel brevetto viene descritta la possibilità di utilizzare al posto del cilindro oleodinamico degli elementi gonfiabili, denominati anche cuscini, che essendo riempiti con aria o acqua in pressione svolgono la funzione di esercitare la contropressione sulle piastre, che normalmente viene esercitata dal cilindro oleodinamico.
Figura 45: Schema della Configurazione 1 della filtropressa
• Configurazione 1: Uno o più elementi gonfiabili in serie sono solidali alla testata mobile, posti tra la testata e le piastre. La fase di chiusura è svolta da un sistema di movimentazione in grado di spostare la testata mobile avanti e indietro. Una volta raggiunta la posizione di chiusura, la testata mobile viene bloccata da dei perni o da un altro sistema di blocco. Successivamente, il gonfiaggio dei cuscini permette di esercitare la forza richiesta durante la fase di filtrazione. Lo schema della Configurazione 1 è mostrato in figura 45 . • Configurazione 2: Gli elementi gonfiabili sono posti in serie tra il telaio
e la testata mobile, pertanto la fase di movimentazione, chiusura, e svi-luppo della forza richiesta durante la filtrazione è interamente svolta dai cuscini, con una semplificazione notevole della macchina. Lo schema della Configurazione 2 è mostrato in figura 46 .
Università di Pisa 4. DESCRIZIONE DEI BREVETTI ANALIZZATI
4.3
Vantaggi della nuova soluzione
L’utilizzo dei suddetti elementi gonfiabili comporta i seguenti vantaggi:
• Migliore filtrazione dovuta al fatto di avere una forza sulle piastre agente su una superficie uniforme e non in una zona ristretta come nel caso del pistone.
• Necessità di richiedere una pressione minore di gonfiaggio ai cuscini rispetto al cilindro oleodinamico, questo è dovuto sia al fatto di ripartire la forza su un’area più estesa, e sia alla migliore chiusura garantita da una pressione uniforme.
• Miglioramento dal punto di vista ecologico, dovuto all’assenza di olio che potrebbe trafilare dalle guarnizioni.
• Macchina di minori dimensioni, dovuta all’assenza del corpo del cilindro oleodinamico che si estende oltre al telaio.
• Minori costi della macchina, dovuti principalmente all’eliminazione del cilindro, e della centralina di controllo, che da soli rappresentano la parte più costosa della macchina.
• Minori costi di manutenzione, dovuti al cilindro che richiede costanti interventi.
• Operazioni di apertura e chiusura più veloci.
• Macchina più leggera, avendo eliminato alcuni degli elementi più pesanti presenti sulla macchina.
4.4
Considerazioni finali sul brevetto
Il brevetto è interamente riassunto nei paragrafi precedenti, e non è incluso nessun ulteriore dettaglio o disegno tecnico riguardante gli elementi gonfiabili, il sistema di movimentazione o quello di blocco. Il contenuto del brevetto è essenzialmente quello di fornire l’idea di base su come si potrebbe partire a progettare un nuovo tipo di filtropressa, rimane pertanto al progettista l’intero compito di concepire e realizzare questo nuovo tipo di macchina, reperendo e dimensionando i componenti necessari. Nel brevetto si afferma che gli elementi gonfiabili possono essere riempiti con aria, acqua o altri fluidi generici, nel presente lavoro di tesi è stato preso in considerazione il solo riempimento con acqua, per ovvie ragioni di sicurezza nei confronti dell’operatore. La filtropressa è rimane per la maggior parte del tempo di funzionamento e inoltre richiede la costante presenza dell’operatore anche quando dotata di sistema automatico di movimentazione e lavaggio, pertanto i requisiti di sicurezza non possono essere trascurati, e a maggior ragione deve essere considerato ogni possibile rischio.
5
Elementi gonfiabili
Parte importante del lavoro di tesi è stata dedicata alla definizione delle carat-teristiche e al reperimento di idonei elementi gonfiabili, denominati in seguito anche cuscini gonfiabili, idonei all’utilizzo sulla macchina. In particolare si sotto-linea che l’aspetto principale dell’uso dei cuscini è quello di una riduzione dei costi, il cilindro ad alta pressione, l’olio, il circuito dell’olio e la centralina di controllo sono elementi molto costosi. La filtropressa è normalmente prodotta su commessa, pertanto nella ricerca degli elementi gonfiabili, con lo scopo di mantenere sempre ragionevoli costi di sviluppo del prodotto e del prototipo, si è cercato di identificare prodotti già industrializzati e presenti sul mercato da poter adattare allo scopo. A suddetti elementi gonfiabili sono inoltre richieste performance notevoli in termini di pressione massima, cicli di lavoro, tenuta, e tempo di utilizzo continuativo in pressione. Dopo numerose ricerche sono stati identificati due tipi di cuscini esistenti con le caratteristiche il più possibile simili a quanto richiesto.
• Cuscini divaricatori per cava: presenti di varie forme e dimensioni (anche particolarmente grandi), normalmente gonfiati con aria fino a pochi bar (massimo 8 bar solo per alcuni modelli e per corse estremamente limitate), vengono utilizzati per l’operazione di sbanco dei blocchi.
• Cuscini di sollevamento: sono principalmente utilizzati in situazioni di emer-genza per il sollevamento di autoveicoli, detriti, movimentazioni eccezionali e sono normalmente in dotazione ai vigili del fuoco. Data la robustezza e la semplicità di utilizzo, in alcuni casi sono utilizzati in applicazioni industriali.
Sono state contattate aziende di entrambi i settori, spiegando le caratteristiche tecniche richieste dal problema, e cercando di ottenere valutazioni inerenti l’uti-lizzo dei prodotti esistenti, oppure soluzioni personalizzate realizzate su misura. I cuscini divaricatori per cava sono utilizzati fino ad una pressione massima di 8 bar, la corsa che si ottiene con questi cuscini è elevata, a scapito però della pressione massima di esercizio, che al massimo della corsa risulta essere pari a 2-3 bar , anche considerando soluzioni personalizzate le caratteristiche tecniche di questi cuscini sono largamente insufficienti. Le caratteristiche tecniche più promettenti sono quelle dei cuscini di sollevamento ad aria. Il motivo riguarda i maggiori coefficienti di sicurezza e i materiali con cui sono realizzati, anche in termini di usura e durabilità. Nei paragrafi successivi sono descritte più nel dettaglio le caratteristiche tecniche e l’impiego di tali cuscini di sollevamento.
5.1
Cuscini di sollevamento
Come già accennato sono normalmente utilizzati in situazioni eccezionali o di emergenza, in genere vengono gonfiati con aria e il gonfiaggio viene normalmente
Università di Pisa 5. ELEMENTI GONFIABILI
gestito da un opportuno controller. Sono alimentati da una bombola di aria in pressione a 200 bar, collegata al controller con un riduttore di pressione a 8 bar (la pressione nominale di esercizio). Il controller è dotato di uscite multiple per l’eventuale controllo di più cuscini in serie, fino ad un massimo di tre senza ulteriore supporti. I cuscini di sollevamento sono costruiti secondo la norma EN 13731, la quale prevede per tali cuscini una pressione di scoppio minima garantita pari a 4 volte quella di utilizzo, quindi un cuscino normalmente utilizzato a 8 bar ha una pressione minima di scoppio garantita di 32 bar. I cuscini sono testati quindi a pressioni molto maggiori di quella di utilizzo, e in fase di test, per ragioni di sicurezza vengono gonfiati con acqua. Il fatto che possano essere gonfiati indipendentemente con aria o acqua è un requisito molto importante perché nell’utilizzo previsto sulla filtropressa è imprescindibile il gonfiaggio con acqua per motivi di sicurezza. I cuscini sono realizzati con materiale composito costituito da gomma SBR rinforzata con fibre aramidiche. Le caratteristiche tecniche dei cuscini di sollevamento sono riassunte nella tabella 7, naturalmente gli intervalli indicati fanno riferimento ai differenti modelli reperibili in commercio.
Per ogni modello di cuscino è possibile costruire una curva che riporta la capacità di sollevamento massima del cuscino in funzione della corsa. Questo è dovuto al fatto che fissata la pressione massima all’interno del cuscino, la forza di sollevamento che è in grado di esercitare dipende dall’area di contatto del cuscino con la superficie sollevata; ipotizzando le superfici di appoggio perfet-tamente piane, l’area è funzione della corsa del cuscino. Un grafico qualitativo dell’andamento della capacità di sollevamento in funzione della corsa è riportato in figura 47. In particolare si nota che quando viene raggiunto il massimo della corsa del cuscino la capacità di sollevamento è ridotta a zero, perché in questa condizione l’area di contatto del cuscino con la superficie da sollevare è nulla.
Figura 47: Grafico qualitativo della capacità di sollevamento in funzione della corsa
Tabella 7: Caratteristiche tecniche dei cuscini di sollevamento normalmente presenti in commercio
Pressione nominale di esercizio [bar] 8-10 Pressione di test [bar] 12-16 Pressione di scoppio minima[bar] 32-40 Dimensione del lato (forma quadrata) [mm] 150-1000 Coefficiente di sicurezza [] 4
Massima corsa [mm] 90-550
Capacità di sollevamento [t] 1-70
5.2
Contatti con le aziende produttrici
Sono state contattate le principali aziende europee costruttrici di cuscini di sollevamento, spiegando il problema in questione e le caratteristiche tecniche richieste nel caso di utilizzo su di una filtropressa, descrivendo la forza massima richiesta e il ciclo di lavoro che sarebbe richiesto al cuscino durante il processo di filtrazione. Sono state spiegate le potenzialità dello sviluppo di questa tecnologia, che in caso di successo sarebbe implementata sull’intera produzione di filtropresse. Le risposte ottenute sono state di vario genere, alcuni produttori non hanno ritenuto possibile un impiego del genere, per altri la soluzione scelta può risultare fattibile, anche se con alcune limitazioni. In alcuni casi, cuscini di questo tipo sono già stati impiegati e montati su macchine industriali con risultati promettenti, in particolare in operazioni di pressatura ed espulsione o movimentazione di pezzi. Tuttavia, date le poche aziende produttrici, e i limitati studi a riguardo, rimane un settore piuttosto di nicchia.
Il limite maggiore riguarda la pressione massima richiesta, durante la fase di squeezing i cuscini dovrebbero raggiungere una pressione interna molto elevata, compresa tra i 30 e i 40 bar. Inoltre per il processo di filtrazione i cuscini sono sottoposti ad un utilizzo continuativo in pressione, tranne le brevi fasi di scarico e lavaggio. Il numero di cicli richiesto invece è relativamente limitato, in quanto difficilmente vengono superati 2 o 3 cicli di filtrazione giornalieri, rendendo quindi nell’ordine delle migliaia i cicli effettuati dalla macchina, e quindi dal cuscino, durante la vita utile. Un ulteriore limite è costituito dalla corsa massima effettuabile dal cuscino, poiché all’aumentare della corsa, segue un rapido decremento dell’area di contatto, andando a ridurre notevolmente la forza esercitabile.
I produttori si sono quindi limitati ad assicurare una resistenza statica con 32 bar di pressione interna, senza fornire garanzie specifiche dal punto di vista della durata. Ottenere garanzie di pressioni maggiori e o durate specifiche avrebbe richiesto il lancio di opportuni programmi di ricerca e sviluppo presso
