Capitolo 6
Descrizione del sistema di sperimentazione
6.1 Introduzione
In questo capitolo verrà descritto il sistema di sperimentazione in funzione presso il CTRM (vedi Figura 6.1), ed attualmente in uso per lo svolgimento di prove in collaborazione con AVIO S.p.a per la caratterizzazione della resistenza di ingranaggi utilizzati in applicazioni motoristiche in ambito aeronautico ed aerospaziale. L’attrezzatura sperimentale è suddivisa nei seguenti componenti:
banco prova ingranaggi; impianti e quadri di comando;
Impianto di lubrificazione
Banco prova
cuscinetti Carichi diprova Azionamenti
elettrici
Controllo prova & Acquisizione dati
Banco prova ingranaggi Strumenti di misura Strumenti di misura
Figura 6.1 - Schema funzionale degli impianti del CRTM
Le prove, eseguite con ruote dentate campione, “Test Articles”, Fig. 6.2, di opportuna geometria (vedi Appendice A) e realizzate con materiali innovativi (vedi Appendice B), verranno condotte riproducendo le condizioni di funzionamento di una gearbox di un motore aeronautico.
6.2 Banco prova ingranaggi “ Test rig for aircraft
gears”
Il banco ingranaggi Renk a disposizione presso il CRTM, fig.6.3, è un banco a ricircolo di potenza dalle prestazioni elevate riportate in tabella 6.1.
Caratteristiche Prestazioni Unità di misura
Rendimento meccanico ~95 %
Rapporto di riduzione 1:1
Interasse tra le ruote in prova 140 mm
Velocità periferica massima 135 m/s
Velocità periferica minima 40 m/s
Forza massima su denti in prova ~7000 N
Coppia massima ruote in prova 500 N·m
Coppia alla minima velocità ruote in
prova 200 N·m
Tipo di lubrificazione
A getto dedicato “into mesh” o “out of mesh”
Olio MIL-L-23699(tipo II)
Temperatura massima olio ausiliari 60 °C
Temperatura massima olio ruote
prova 180 °C
Temperatura minima olio ruote prova 40 °C
Classe di precisione delle dentature
del banco 12 Indice AGMA
Vita operativa servizio continuo Minimo di 10000 h
Vita operativa transitori Minimo di 10000 cicli Vita operativa ruote di azionamento Vita infinita
L’attrezzatura di prova è costituita fondamentalmente da una catena cinematica chiusa come mostrato in figura 6.4:
Figura 6.4 – Schema dell’azionamento
Quest’ultima si può scomporre in tre parti principali: una sezione di attuazione del carico e della velocità, la sezione dei meccanismi del banco (moltiplicatore o “slave gearbox”), fig.6.5; infine la scatola dove sono alloggiati gli ingranaggi campione “ test gearbox”, come mostrato in fig.6.6.
Figura 6.6 – Scatola di alloggiamento dei “test articles”
Il collegamento tra il moltiplicatore di banco e la scatola contenente i “ test articles “ è realizzato tramite degli alberi di connessione, fig.6.7, con giunti a lamelle che consentono di compensare gli spostamenti angolari, radiali e assiali che possono verificarsi durante tutto il corso del funzionamento.
Figura 6.7– Alberi di connessione
Ad uno degli alberi di connessione è stato integrato un albero torsiometrico, fig.6.8, che consente di rilevare in telemetria, le coppie statiche e dinamiche in prossimità dell’albero rotante.
Figura 6.8 – Albero torsiometrico Figura 6.9 – Inverter
vettoriale ad orientamento di campo
Il sistema di attuazione della velocità è costituito da un motore AC asincrono, azionato da un inverter vettoriale ad orientamento di campo, fig.6.9, che consente di trasmettere il moto al moltiplicatore di banco attraverso un giunto cardanico, fig.6.10, dotato di un compensatore di lunghezza.
Da notare, sempre in Fig.6.10, la presenza di una rondella elastica integrata all’albero, che consente di assorbire le vibrazioni prodotte dal motore, impedendone così la trasmissione alla sezione slave gearbox ed alla scatola di alloggiamento degli ingranaggi test. I carichi ,necessari per la sollecitazione richiesta dalle ruote campione, vengono applicati tramite l’unità di attuazione elettromeccanica.
Quest’ultima è costituita da un cilindro elettromeccanico a vite senza fine, comandato da un servomotore AC, mostrato in fig.6.11, regolato a sua volta da un servoamplificatore, fig.6.12; tutto questo viene realizzato attraverso lo spostamento degli ingranaggi a dentatura elicoidale presenti nello “slave gearbox” .
Figura 6.12 – Servoamplificatore
Infine prendendo in considerazione i cuscinetti degli ingranaggi del banco ( “slave”) , sono a rulli più reggispinta a sfere, di durata relativamente elevata rispetto a quella delle prove, mentre le ruote campione sono montate su cuscinetti a rulli, come nella maggior parte degli attuali riduttori aeronautici.
6.2.1 Dispositivi di monitoraggio per il banco
I dispositivi di monitoraggio del banco vengono elencati di seguito:
Un pressostato che misura la pressione dell’olio d’alimentazione dei cuscinetti della zona test.
Un pressostato cui è demandata la misurazione della pressione dell’olio d’alimentazione degli ingranaggi campione.
Un pressostato per la misurazione della pressione dell’olio di alimentazione della sezione dei meccanismi di banco “slave gearbox”.
Un interruttore di livello ed un termostato per il monitoraggio del livello e della temperatura dell’olio contenuto nel serbatoio.
Un flussometro per il controllo della portata d’olio d’alimentazione dei “test
articles”.
Un torsiometro per la misurazione del valore di coppia torcente applicata dal servoattuatore agli ingranaggi in prova.
Due termocoppie per la misura della temperatura d’ingresso e d’uscita dell’olio d’alimentazione degli ingranaggi campione.
Una termocoppia per la misurazione della temperatura dell’olio d’alimentazione della sezione “slave”.
Una termocoppia per il controllo della temperatura della scatola contenente il torsiometro.
Una termocoppia per il controllo della temperatura del motore.
Sedici termocoppie per il monitoraggio delle temperature sui cuscinetti del banco.
Un encoder per il conteggio dei cicli compiuti dalle ruote campione.
Quattro accelerometri monassiali, ad alta frequenza, collocati in corrispondenza dei cuscinetti della sezione test.
Un accelerometro triassiale nella sezione slave, (ingresso albero motore nella “slave gearbox”).
Un accelerometro mobile. Un microfono mobile.
Due pick-up posizionati nella zona slave lato motore in corrispondenza dei cuscinetti degli alberi veloci.
6.3 Impianto di lubrificazione
L’impianti oleodinamico dell’intero sistema di prova deve provvedere all’alimentazione di due impianti lubrificanti indipendenti, ossia quello relativo agli ingranaggi campione “ test
articles “, e quello della sezione “ slave “ del banco di prova; il lubrificante utilizzato ha la sigla MIL-L-23699.
6.3.1 Specifiche impianto di lubrificazione “test articles“
L’impianto oleodinamico ,durante la prova , è in grado di variare la portata tra 0 e 18 l/min, mentre la temperatura dell’olio varia tra 20 e 180 °C.
I principali componenti dell’impianto sono:
Due filtri dell’olio di capacità filtrante iniziale di 3 ÷ 5 µm. By-pass e allarme automatico sul pannello di controllo.
Un “chip detector” magnetico, con allarme automatico sul pannello di controllo, posto sul circuito di recupero dell’olio.
Un sistema di termoregolazione dell’olio lubrificante.
Trasduttori di pressione e temperatura sulla tubazione di mandata e di ritorno collegati con il pannello di controllo e con il sistema di controllo e acquisizione del PC.
Il valore della portata di alimentazione può variare fra 0 e 18 l/min, con relativi valori di pressione fino a 16 bar.
Due flussometri, uno per le basse portate (0,453 ÷ 4,99 l/min) ed uno per le alte portate (2,2 ÷ 20 l/min).
6.3.2 Specifiche impianto di lubrificazione “ slave “
L’impianto oleodinamico degli ausiliari può far variare la portata tra 0 e 120 l/min, la temperatura dell’olio ha un range di 20-60°C e la pressione massima ottenibile è di 3 bar. L’impianto è diviso in due rami: uno che porta l’olio sugli ingranaggi della sezione “slave” e l’altro di ritorno al serbatoio del banco.
Si divide nei seguenti componenti:
Due filtri dell’olio di capacità filtrante iniziale di 5 µm. Una pompa di mandata capace di una portata di 100 l/min.
Uno scambiatore di calore per la regolazione della temperatura dell’olio in ingresso agli ingranaggi del moltiplicatore di banco.
Una valvola di regolazione della portata
Trasduttori di pressione e temperatura sulla tubazione del circuito collegati con il pannello di controllo e con il sistema di controllo e acquisizione del PC.
6.4 Sistema di controllo e acquisizione dati
Il controllo del Banco Prova Ingranaggi viene gestito tramite PC, grazie al sistema di controllo realizzato in ambiente di programmazione Labview®, che permette di acquisire:
temperature dei cuscinetti e della sala prova;
pressioni, temperature e portate dell’olio in diversi punti dei due circuiti di alimentazione; corrente e velocità di rotazione del motore elettrico;
valore di coppia, letta dal torsiometro presente sul Banco, e alcuni segnali digitali di allarme. Oil out TA T11 T12 T9 T10 T16 T15 T17 T1 T2 T3 T4 T7 T6 T8 T5 T14 T13 T T19 T18 Oil inSLAVE T T11 T12 T9 T10 T16 T15 T17 T1 T2 T3 T4 T7 T6 T8 T5 T14 T13 T T19 T18 Oil inSLAVE T
Inoltre permette di eseguire rampe di carico e di velocità in modalità automatica o impostando le modifiche desiderate in ogni momento della prova da PC, agendo sul motore elettrico e sul servo-attuatore.
Tutti i valori sono monitorabili sul pannello di controllo rappresentato in fig. 6.14, e vengono registrati su file.
Figura 6.14 – Pannello frontale per il controllo del banco prova ingranaggi.
Il sistema è retro-azionato e permette di impostare un valore di coppia desiderata e di mantenere la coppia nell’intorno del valore desiderato con uno scostamento non superiore al 2% del valore previsto. I transitori di carico e di velocità sono di regola realizzati automaticamente e l’operatore ha prevalentemente il compito di supervisionare
l’esecuzione della prova stessa. I dati acquisiti e salvati nelle diverse prove sostenute durante l’attività sperimentale sono archiviati e disponibili presso il CRTM.
6.5 Monitoraggio e diagnostica delle vibrazioni e
del rumore
Durante lo svolgimento delle prove, allo scopo di rilevare il manifestarsi di rotture o di deterioramento superficiale e per monitorare la salute del banco stesso, si effettua la registrazione delle vibrazioni. Esse vengono rilevate grazie ad un opportuno posizionamento di accelerometri sul banco. Vi sono quattro accelerometri monoassiali collocati in corrispondenza di opposti cuscinetti della sezione test, un accelerometro triassiale posizionato nella zona slave, ingresso albero motore (vedi Fig. 6.15), un accelerometro mobile, due pick-up montati nella zona slave in corrispondenza degli alberi veloci, un microfono mobile; inoltre sono rilevati il segnale del torsiometro e la velocità angolare. X Vista da X 8 5 1 2 3 4 6 torsiometro Asse x Asse y 11 Asse z 7 encoder + _ X Vista da X 8 5 1 2 3 4 6 torsiometro Asse x Asse y 11 Asse z 7 encoder + _
I segnali analogici vengono digitalizzati da una scheda di acquisizione a 16 canali, e gestiti successivamente sul PC da un programma in ambiente MatlabTM che controlla l’apertura dei canali da acquisire, la frequenza di campionamento e la durata dell’acquisizione, la memorizzazione su disco e la visualizzazione in tempo reale delle grandezze di interesse. Lo scopo di tale acquisizione è quello di rilevare eventuali sintomi di una incipiente rottura della ruota per fenomeni di fatica prima che la rottura avvenga.
Il programma prevede registrazioni di due tipi di file: uno con durata di 1 minuto, che resta in archivio, e l’altro di 10 minuti che invece viene cancellato (sovrascritto) dopo mezz’ora. In questo modo è possibile caratterizzare il comportamento del sistema su lunghe durate ed avere a disposizione un numero maggiore di dati di prova relativi ad un eventuale anomalia che porta all’arresto del banco durante una prova.
