Dispositivo di rimozione di contenitori esausti per un sistema di difesa elettromeccanico automatico

(1)

UNIVERSITA’ DI PISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale

Tesi di Laurea Specialistica

"Dispositivo di rimozione di

contenitori esausti per un sistema di

difesa elettromeccanico automatico"

Relatori:

Prof. Ing. Agostino Lanciotti

Ing. Andrea Chiappini

Candidato:

Manuel D’Eusebio

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RINGRAZIAMENTI

Vorrei ringraziare innanzitutto il Prof. Ing. Agostino Lanciotti per

avermi dato la possibilità di svolgere questa importante esperienza, ai fini

della mia formazione professionale, come stagiaire presso l’azienda Oto

Melara S.p.a (sede di La Spezia).

Un grandissimo e sentito ringraziamento è d’obbligo all’Ing. Andrea

Chiappini e all’Ing. Andrea Bruschi, per tutto il tempo che mi hanno

dedicato sempre con pazienza e cordialità mettendomi a disposizione la loro

grande esperienza.

Ringraziamenti molto sentiti anche a tutta la sala disegno del settore

“Ricerca e Sviluppo” di Oto Melara, a tutti i ragazzi che mi hanno

sopportato e supportato durante tutto il periodo di lavoro, con uno speciale

ringraziamento a Maurizio Del Grosso ed Alessandro Viggiani per l’aiuto

morale e materiale che mi hanno offerto anche nei momenti più difficili.

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SOMMARIO

Storicamente, nei cannoni navali più vecchi (quali quelli utilizzati

nella Prima e Seconda guerra mondiale) l’interfaccia uomo-macchina era

molto più stringente di quello che accade oggi; infatti le fasi di

munizionamento, caricamento dei proiettili in camera polvere e conseguente

espulsione del bossolo, venivano eseguite, in buona parte, manualmente.

Risulta evidente come queste operazioni fossero lunghe, comportando tempi

di fuoco elevati e quindi bassi cicli di sparo.

Inoltre la complessità delle operazioni era accompagnata da una

architettura notevolmente articolata del sistema meccanico.

Ben presto, le esigenze di compattezza, affidabilità e velocità di

esecuzione delle operazioni, hanno modificato notevolmente la fisionomia

dell’intero sistema di difesa, ma soprattutto l’introduzione dei computer di

bordo e dei dispositivi elettronici ha permesso di ridurre notevolmente la

loro complessità.

Al tal fine, anche il

dispositivo di rimozione di contenitori esausti è

stato necessariamente automatizzato, dal momento che rappresenta una

componente fondamentale per il corretto funzionamento dell’intero ciclo di

sparo.

Lo scopo della presente tesi, realizzata presso l’Azienda “Oto

Melara S.p.A.” di La Spezia, è quello di descrivere il principio di

funzionamento del sistema automatico di espulsione del bossolo, del

Complesso 127/64 LC Vulcano, realizzandone una verifica di rigidità e

valutandone il corretto dimensionamento.

Inoltre l’analisi è stata focalizzata su prove sperimentali effettuate

sui componenti del sistema idraulico che rappresentano non solo il “cuore”

della movimentazione del sistema di espulsione ma anche l’aspetto

innovativo rispetto al precedente evacuabossoli.

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Indice

1 INDICE

1. INTRODUZIONE ………..………..…………...7

1.1 Funzionamento di un sistema di difesa elettromeccanico…………...………….. 7

2. DESCRIZIONE DISPOSITIVO DI RIMOZIONE DI CONTENITORI ESAUSTI.………...………..10

2.1 Descrizione preliminare e confronto con il sistema precedente………. 10

2.2 Funzionamento del sistema automatico di espulsione del bossolo……… 14

2.3 Principio di funzionamneto.………....16

3. REQUISITI SISTEMA………. 28

3.1 Tempi………...…. 28

3.2 Pesi………...28

3.3 Ingombri……… 29

3.4 Generalità del sistema idraulico..……….…...32

3.5 Condizioni ambientali..………... 32

3.6 Ispezione e manutenzione...………... 33

4. ANALISI E DINAMICA DEL CICLO DEL SISTEMA EVACUABOSSOLI……… 34

4.1 Verifica estrazione del bossolo dalla camera polvere………..…34

4.2 Verifca del sistema di ammortizzamento e ritegno del bossolo.………36

4.3 Sistema idraulico del dispositivo evacuabossoli..………. 42

4.4 Descrizione preliminare impianto idraulico e sistema di sicurezza……… 42

5. LOGICA DEL SISTEMA EVACUABOSSOLI………..……….. 48

5.1 Descrizione logica………..….. 48

6. VALUTAZIONEZE FORZE………...54

6.1 Valutazioni forze movimentazione cucchiaia……….. 54

6.2 Calcolo pesi……….. 56

6.3 Verifica forze ruota conica……….. 59

7. VERIFICA DIMENSIONAMENTO A FATICA………... 61

7.1 Premessa……….………....61

7.2 Caratteristiche di sollecitazione………61

7.3 Calcolo delle sollecitazioni sull’albero………...………....62

7.4 Scelta del materiale………...66

7.5 Verifica di resistenza della sezione critica………...66

7.6 Analisi………..………68

8. CINEMATISMO……….………... 74

8.1 Descrizione sistema……….………. 74

8.2 Verifica coppia conica……….. 76

8.3 Verifica in base alla pressione di contatto………. 77

8.4 Verifica in base alla resistenza a flessione………..78

8.5 Analisi resistenza ad usura………..………. 81

8.6 Analisi a fatica flessionale…………..………. 83

8.7 Ruota dentata a denti dritti..……….. 85

8.8 Analisi resistenza ad usura della ruota a denti dritti………...….…86

8.9 Analisi a fatica flessione della ruota a denti dritti.………..……….88

9. VERIFICA ED ANALISI IMPIANTO IDRAULICO…….………...91

9.1 Introduzione……..……….………...91

9.1.1 Verifica a flessione del pistone atto alla movimentazione della cucchiaia..…..92

9.1.2 Analisi………..………..97

9.1.3 Scelte……….………..………...98

9.1.4 Verifica a carico di punta..………....105

9.1.5 Verifica dimensionamento attuatore………..………...108

9.1.6 Calcolo delle portate necessarie e diametri delle tubazioni..……..………….116

9.1.7 Frenatura………...……..………….121

9.1.8 Realizzazione attuatore idraulico………..……….……….126

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Indice

2

9.2 Verifica attuatore idraulico atto allìespulsione del bossolo....……….……….138

9.2.1 Analisi attuatore per espulsione bossolo………..……….……….143

9.2.2 Realizzazione dell’attuatore di espulsione….………..……….…….….145

9.2.3 Sperimentazione preliminare cilindro idraulico per l’espulsione del bossolo.148 10. DINAMICA DEL SISTEMA DI ESPULSIONE BOSSOLO….………...154

10.1 Descrizione sistema………..……..………154

10.2 Analisi preliminare espulsione bossolo………..………...159

11. SPERIMENTAZIONE SISTEMA EVACUBOSSOLI………...161

11.1 Sperimentazione cilindro idraulico………..……….. 161

11.2 Ulteriori possibili modifiche del sistema..…………..………..183

12. TRAIETTORIA ESPULSIONE BOSSOLO………... 192

12.1 Simulazione di traiettoria……….………..192

13. ATTREZZATURA………... 203

13.1 Progettazione attrezzatura per il sistema evacuabossoli……….…..…… 203

14. VERIFICA ANSYS………... 210 14.1 Schematizzazione……….………... 210 14.2 Analisi……….……….. 211 15. CONCLUSIONI…...………... 222 APPENDICE A………... 223 APPENDICE B………... 225 APPENDICE C………... 226 APPENDICE D………... 228 APPENDICE E………... 234 APPENDICE F………... 235 APPENDICE G………... 236 APPENDICE H………...237 APPENDICE I………... 238 APPENDICE L………... 239 APPENDICE M………... 241 APPENDICE N………...249 APPENDICE O………... 260 APPENDICE P………... 273 BIBLIOGRAFIA………... 281

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Indice

3 INDICE FIGURE

FIG.1.1- RAPPRESENTAZIONE DELL’AFFUSTO E DELLE PARTI COLLEGATE…….………8

FIG.2.1- COMPLESSO 127/64LCVULCANO. ... 10

FIG.2.2- MUNIZIONE DI TIPO STANDARD CALIBRO 127 MM... 10

FIG.2.3- BRACCIO DI CARICAMENTO. ... 11

FIG.2.4- POSIZIONAMENTO SISTEMA DI ESPULSIONE E DI CARICAMENTO... 12

FIG.2.5 - COMPLESSIVO MODELLO EVACUABOSSOLI. ... 12

FIG.2.6- SCHEMA EVACUABOSSOLI... 13

FIG.2.7- ASSIEME CULLA DEL 127 MM CON EVACUABOSSOLI. ... 14

FIG.2.8- CUCCHIAIA EVACUABOSSOLI E TRASMISSIONE. ... 16

FIG.2.9- SCHEMA DI MOVIMENTAZIONE DELLA CUCCHIAIA EVACUABOSSOLI. ... 17

FIG.2.10- “POSIZIONE 0”, ALLINEAMENTO DELLA CUCCHIAIA CON ASSE CANNA... 18

FIG.2.11-BOSSOLO ALL’INTERNO DELLA CUCCHIAIA... 18

FIG.2.12- DETTAGLIO SISTEMA DI SMORZAMENTO E RITEGNO DEL BOSSOLO... 19

FIG.2.13–DETTAGLIO PISTONE IDRAULICO A DOPPIO EFFETTO... 20

FIG.2.14-“POSIZIONE 1”, CUCCHIAIA ALLINEATA CON IL TUBO FISSO. ... 20

FIG.2.15–SEZIONE STELO DEL CILINDRO IDRAULICO... 21

FIG.2.16- DETTAGLIO CINEMATISMO PER LA MOVIMENTAZIONE CUCCHIAIA... 21

FIG.2.17- DETTAGLIO DITO DI SPINTA PER L’ESPULSIONE DEL BOSSOLO... 22

FIG.2.18- DETTAGLIO DITO DI SPINTA... 22

FIG.2.19- RAPPRESENTAZIONE CILINDRO IDRAULICO PER L’ESPULSIONE ... 23

FIG.2.20- DETTAGLIO SCONTRO. ... 23

FIG.2.21- DIREZIONE DEL BOSSOLO IN ESPULSIONE. ... 24

FIG.2.22- DETTAGLIO CASTAGNA DI “ NO BACK” ... 24

FIG.2.23- PISTONE A FINE CORSA. ... 25

FIG.2.24- DETTAGLIO SPORTELLO DI USCITA... 26

FIG.2.25 -CUCCHIAIA SGOMBERATA DAL DITO DI SPINTA...26

FIG.2.26 -CUCCHIAIA NELLA POSIZIONE DI ATTESA A 60°. ... 27

FIG.3.1-VISTA COMPLESSIVA POSIZIONAMENTO EVACUABOSSOLI. ... 29

FIG.3.2-SPAZIO NECESSARIO PER LA ROTAZIONE DELLA CUCCHIAIA. ... 30

FIG.3.3-INGOMBRI UTILI LATERALI... 31

FIG.3.4-INGOMBRI UTILI IN ALTEZZA. ... 31

FIG.4.1-CONDIZIONE PER L’INGRESSO DEL BOSSOLO NELLA CUCCHIAIA. ... 34

FIG.4.2-SISTEMA DI RITEGNO DEL BOSSOLO ALL’INTERNO DELLA CUCCHIAIA... 37

FIG.4.3- PROFILO DI VELOCITÀ DEL BOSSOLO. ... 38

FIG.4.4-CINEMATISMO DI FRENATURA DEL BOSSOLO... 39

FIG.4.5-MOVIMENTAZIONE MECCANISMO DI SICUREZZA... 43

FIG.4.6-MOVIMENTAZIONE PISTONE ATTUATORE E ROTAZIONE CUCCHIAIA. ... 44

FIG.4.7-SCHEMA SEMPLIFICATO CIRCUITO IDRAULICO... 45

FIG.5.1-POSIZIONAMENTO SENSORI (1),(2)... 51

FIG.5.2-POSIZIONAMENTO SENSORI (6),(3)... 51

FIG.5.3-POSIZIONAMENTI SENSORI (4),(5),(7). ... 51

FIG.6.1-SCHEMA ROTAZIONE CUCCHIAIA... 54

FIG.6.2-DIAGRAMMA VELOCITÀ CUCCHIAIA. ... 55

FIG.6.3-SCHEMA FORZE AGENTI SULL’ALBERO DELLA CUCCHIAIA. ... 56

FIG.6.4-FORZE AGENTI SULLA RUOTA CONICA. ... 59

FIG.7.1-ALBERO... 62

FIG.7.2-SCHEMA ALBERO. ... 62

FIG.7.3-GRAFICO CARATTERISTICHE DELLA SOLLECITAZIONE. ... 65

FIG.7.4-CURVE S-N A FATICA COSTANTE. ... 71

FIG.7.5-DIAGRAMMA DI GOODMANN PER LA FATICA. ... 72

FIG.8.1-SCHEMA CINEMATISMO. ... 74

FIG.8.2-MODELLO CINEMATISMO. ... 75

FIG.8.3-SCHEMA RUOTA CONICA AD ASSI PERPENDICOLARI... 77

FIG.8.4–PIGNONE. ... 83

(8)

Indice

4

FIG.8.6-RUOTA A DENTI DRITTI. ... 88

FIG.8.7-CREMAGLIERA. ... 90

FIG.9.1-SCHEMA ATTUATORE OLEODINAMICO... 91

FIG.9.2-SCHEMA DELL’ALBERO DELL’ATTUATORE. ... 93

FIG.9.3-DIAGRAMMI DELLE CARATTERISTICHE DELLA SOLLECITAZIONE... 96

FIG.9.4–CURVA S-N………...99

FIG.9.5-SCHEMA GENERALE PISTONE...102

FIG.9.6-SCHEMA DEL PISTONE CON FLESSIONE. ...103

FIG.9.7-ROTOLINO DI SOSTEGNO. ...104

FIG.9.8-TENSIONI AMMISSIBILI SPERIMENTALI IN FUNZIONE DELLA SNELLEZZA. ...107

FIG.9.9-ANDAMENTO DELLA VELOCITÀ DEL PISTONE. ...109

FIG.9.10-SCHEMA MOVIMENTO CUCCHIAIA. ...114

FIG.9.11- NOMOGRAMMA DELLA PORTATA...118

FIG.9.12-DIAMETRO DEI CONDOTTI PER LA FASE DI SALITA. ...120

FIG.9.13–SCHEMA DEL FRENO IDRAULICO. ...122

FIG.9.14–SCHEMA FRENATURA. ...124

FIG.9.15- ANDAMENTO DELLA VELOCITÀ...125

FIG.9.16-CORSA PISTONE. ...126

FIG.9.17-SCHEMA PISTONE. ...127

FIG.9.18- STELO ATTUATORE. ...127

FIG.9.19-LUCE DI FRENATURA. ...128

FIG.9.20-SEDE TENUTE LATO USCITA. ...129

FIG.9.21-SEZIONE ATTUATORE. ...130

FIG.9.22-COMPLESSIVO ATTUATORE. ...130

FIG.9.23-GHIERA SAGOMATA...131

FIG.9.24-SCHEMA GHIERA A BATTUTA CON IL MARTINETTO...132

FIG.9.25-SCHEMA GHIERA IN FASE DI APERTURA. ...133

FIG.9.26-COMPLESSIVO GHIERA. ...134

FIG.9.27-GRAFICI TEMPI PRIMA FASE. ...136

FIG.9.28-GRAFICI TEMPI SECONDA FASE...136

FIG.9.29-GRAFICI TEMPI CON SPILLO CHIUSO LATO SALITA E LATO DISCESA. ...137

FIG.9.30-SCHEMA GENERALE DELL’ATTUATORE. ...139

FIG.9.31-TRAVE ATTUATORE. ...139

FIG.9.32-GRAFICI SOLLECITAZIONE. ...141

FIG.9.33-SCHEMA ATTUATORE...143

FIG.9.34-STELO ATTUATORE DI ESPULSIONE...146

FIG.9.35-SEZIONE ATTUATORE LATO RITORNO. ...146

FIG.9.36-SEZIONE ATTUATORE LATO MANDATA...147

FIG.9.37-ATTUATORE ESPULSIONE...147

FIG.9.38-GRAFICO TEMPO A 120 BAR ED ELEVAZIONE DI 0° SENZA BOSSOLO...149

FIG.9.39-GRAFICO TEMPO A 120 BAR ED ELEVAZIONE DI 0° CON BOSSOLO. ...150

FIG.9.40-GRAFICO TEMPO A 80 BAR ED ELEVAZIONE DI 0° CON BOSSOLO. ...150

FIG.9.41-GRAFICO TEMPO A 80 BAR ED ELEVAZIONE DI 0° CON DUE BOSSOLI. ...151

FIG.9.42-GRAFICO TEMPO A 120 BAR ED ELEVAZIONE DI 65°. ...151

FIG.10.1–GEOMETRIA DELL’ATTUATORE. ...155

FIG.11.1-DIAGRAMMA TRIANGOLARE DELLA VELOCITÀ...163

FIG.11.2-MODIFICA CILINDRO OLIO-DINAMICO. ...167

FIG.11.3-SEZIONE CILINDRO. ...168

FIG.11.4-BANCO PROVA. ...170

FIG.11.5-GRAFICO CILINDRO ESPULSIONE (1) ...172

FIG.11.6-RILEVAMENTO PORTATA MASSIMA NELLA PRIMA PROVA (1)...173

FIG.11.7-GRAFICO CILINDRO ESPULSIONE (2). ...174

FIG.11.8-RILEVAMENTO PORTATA MASSIMA NELLA SECONDA PROVA (2). ...175

FIG.11.9-SUPPORTO CILINDRO CUCCHIAIA...176

FIG.11.10-SISTEMA DI RILEVAMENTO E ACQUISIZIONE DATI...177

FIG.11.11-GRAFICO CILINDRO MOVIMENTAZIONE CUCCHIAIA. ...177

FIG.11.12-GRAFICO SECONDA SESSIONE DI PROVE CILINDRO ESPULSIONE (1). ...180 FIG.11.13-RILEVAMENTO DELLA PORTATA NELLA SECONDA SESSIONE DI PROVE (1).180

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Indice

5

FIG.11.14-GRAFICO SECONDA SESSIONE DI PROVE CILINDRO ESPULSIONE (2). ...181

FIG.11.15-RILEVAMENTO PORTATA MASSIMA SECONDA SESSIONE DI PROVE (2)...182

FIG.11.16-SEZIONE FRENATURA DEL CILINDRO OLIO-DINAMICO. ...186

FIG.11.17-VARIAZIONE AREA IN FUNZIONE DELLA POSIZIONE DEL PISTONE. ...186

FIG.11.18-AREA TRAPEZOIDALE. ...187

FIG.11.19-SEZIONE CILINDRO VARIATA. ...188

FIG.11.20-CONFRONTO TRA VARIE TIPOLOGIE DI AREE. ...189

FIG.11.21-SPILLO DI REGOLAZIONE LUCE DI FRENATURA. ...190

FIG.11.22-SPILLO DI REGOLAZIONE LUCE DI FRENATURA MODIFICATO. ...191

FIG.12.1-SCHEMA DI ESPULSIONE. ...192

FIG.12.2-GRAFICO TRAIETTORIE BOSSOLO. ...196

FIG.12.3-GRAFICO MODIFICATO TRAIETTORIA CON



PARI A -12°. ...199

FIG.12.4-GRAFICO TRAIETTORIE MODIFICATE. ...200

FIG.12.5-TRAIETTORIA CRITICA A 20°. ...201

FIG.13.1-CULLA. ...203

FIG.13.2-PROTOTIPO ATTREZZATURA...204

FIG.13.3-VISTE DEL COMPLESSIVO PROTOTIPO CON SISTEMA EVACUAZIONE. ...205

FIG.13.4-“PARTE A” ATTREZZATURA...206

FIG.13.5-“PARTE A” CON ATTUATORE INSTALLATO...206

FIG.13.6- “PARTE B”. ...207

FIG.13.7-“PARTE B” CON ASSIEME CUCCHIAIA INSTALLATA. ...207

FIG.13.8-VISTA FRONTALE COMPLESSIVO ATTREZZATURA...208

FIG.13.9-VISTA POSTERIORE COMPLESSIVO ATTREZZATURA...208

FIG.14.1 -RAPPRESENTAZIONE SEMPLIFICATA CUCCHIAIA...211

FIG.14.2-MESH CUCCHIAIA. ...212

FIG.14.3- VINCOLO CUCCHIAIA. ...212

FIG.14.4-DETTAGLIO VINCOLI CUCCHIAIA...213

FIG.14.5-RAPPRESENTAZIONE CARICO CUCCHIAIA...213

FIG.14.6-SOLLECITAZIONE EQUIVALENTE...214

FIG.14.7-DETTAGLIO SOLLECITAZIONE...214

FIG.14.8-DEFORMAZIONE EQUIVALENTE...215

FIG.14.9-DEFORMATA EQUIVALENTE CUCCHIAIA. ...215

FIG.14.10-RAPPRESENTAZIONE SEMPLIFICATA ALBERO CUCCHIAIA...216

FIG.14.11-MESH ALBERO. ...217

FIG.14.12-SECONDA VISTA MESH ALBERO. ...217

FIG.14.13-VINCOLO COMPRESSIONE ALBERO. ...218

FIG.14.14-VINCOLO ASSIALE ALBERO. ...218

FIG.14.15-MOMENTO TORSIONALE ALBERO. ...219

FIG.14.16-SISTEMA FORZE ALBERO...219

FIG.14.17-SOLLECITAZIONE EQUIVALENTE. ...220

FIG.14.18-DETTAGLIO SOLLECITAZIONE EQUIVALENTE. ...220

(10)

Indice

6 INDICE TABELLE

TAB. 8.1–RUOTA CONICA. ... 84

TAB. 8.2–RUOTA A DENTI DRITTI... 89

TAB.11.1-DATI FOGLIO DI CALCOLO. ...170

TAB.12.1-COORDINATE DI PARTENZA BOSSOLO. ...194