CAPITOLO 13
DESCRIZIONE DELLA MACCHINA
DI PROVA A DISCHI
In questo capitolo è realizzata una descrizione tecnica della soluzione generale adottata per la macchina di prova a dischi e dei suoi principali gruppi funzionali.
13.1 SISTEMA COMPLESSIVO GENERALE
La macchina è composta da due alberi porta disco paralleli disposti orizzontalmente, sui quali sono montati a sbalzo i due dischi di prova.
Ciascun albero è sostenuto, per mezzo di due cuscinetti, da due supporti e messo in rotazione da un motore elettrico indipendente mediante un giunto flessibile.
I due supporti di uno di questi alberi sono collegati con sei bulloni ad un basamento fisso mentre i due supporti dell'altro albero sono collegati, sempre per mezzo di sei bulloni, ad una piastra mobile in grado di scorrere orizzontalmente sul basamento tramite una guida a rotolamento a rulli incrociati.
Il compito di comprimere normalmente i due provini è affidato ad un impianto oleodinamico che spinge la piastra mobile portando i due dischi a contatto.
In figura 13-1 è rappresentato il complessivo mentre in tabella 13-1 è riportata la lista dei componenti della macchina di prova a dischi.
10 38 15 13/1 13/2 12 3 4 36 27/2 27/1 22 19 1 5 2 35/2 35/1 24 25 23 37 11 9 31 34 33 32 28 29 30 21 26 8 7 6 20 14 16 18 17
B - B
B BA - A
A A Figura 13-1. Complessivo.UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PISA
FACOLTA' D'INGEGNERIA
COMPLESSIVO DENOMINAZIONE: MACCHINA
DI PROVA A DISCHI PER SIMULAZIONE INGRANAGGI
DATA
GRUPPO DENOMINAZIONE FOGLIO 1 di 2
SOTTOGRUPPO DENOMINAZIONE SCALA
POSIZ. DENOMINAZIONE n°°°°
PEZZI MATER. NOTE
1 PIASTRA MOBILE 1
2 BASAMENTO FISSO 1
3 SUPPORTO ANTERIORE 2
4 SUPPORTO POSTERIORE 2
5 GUIDA A RULLI CILIND. INCROCIATI 2
6 DADO M4 UNI 5587-65 24 7 ROSETTA A 4.3 UNI 1751 28 8 VITE M4××××44 UNI 5737-65 24 9 VITE M4××××16 UNI 5739-65 4 10 SOSTEGNO MOTORE 2 11 MOTORE 2 12 ELEMENTO IN POLIAMMIDE 4 13/1 MOZZO ANTERIORE 2 13/2 MOZZO POSTERIORE 2 14 LINGUETTA A 5××××5××××12 UNI 6604-69 4 15 VITE M3××××22 UNI 5737-65 8 16 VITE M3××××14 UNI 5739-65 14 17 DADO M3 UNI 5587-65 30 18 ROSETTA A 3.2 UNI 1751 54 19 COPERCHIO 2 20 CUSCINETTO NUP 203 EC 2
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PISA
FACOLTA' D'INGEGNERIA
COMPLESSIVO DENOMINAZIONE: MACCHINA
DI PROVA A DISCHI PER SIMULAZIONE INGRANAGGI
DATA
GRUPPO DENOMINAZIONE FOGLIO 2 di 2
SOTTOGRUPPO DENOMINAZIONE SCALA
POSIZ. DENOMINAZIONE n°°°°
PEZZI MATER. NOTE 21 PROTEZIONE A LABIRINTO POSTERI. 2
22 DISTANZIALE 2
23 PROTEZIONE A LABIRINTO ANTERIO. 2
24 CUSCINETTO NA 69/28 2
25 ANELLO 12 UNI 3653 4
26 ALBERO PORTA DISCO 2
27/1 CARTER ANTERIORE PARTE 1 1 27/2 CARTER ANTERIORE PARTE 2 1
28 DISCO DI FERMO 2 29 VITE M3××××9 UNI 5739-65 4 30 LINGUETTA A 4××××4×××8 UNI 6604-69 × 2 31 PROVINO A DISCO 2 32 VITE M1.6××××14 UNI 6107-67 4 33 ROSETTA A 2.2 UNI 1751 4 34 FLANGIA 2
35/1 CARTER POSTERIORE PARTE 1 1 35/2 CARTER POSTERIORE PARTE 2 1 36 FORI M3 ATTACCO ATTUATORE IDR. 4
37 ALBERO MOTORE 2
38 VITE M3××××8 UNI 5739-65 28
13.2 BASAMENTO FISSO
Il basamento fisso della macchina di prova è costituito da una piastra rettangolare in metà della quale sono ricavati due scanalature laterali. In esse vengono inserite, tramite bullonatura o incollaggio, due barre in acciaio temprate e rettificate che insieme ai rulli cilindrici incrociati e alle due barre presenti sulla piastra mobile consentono la traslazione orizzontale di un albero porta disco rispetto all'altro.
In figura 13-2 è rappresentato il basamento fisso.
B - B
B B
n° 2 Fori Filettati per collegamento con sostegno motore
Inserimento Barre Acciaio
n° 12 Fori per collegamento con supporto anteriore e posteriore
A - A
A A
13.3 PIASTRA MOBILE
La piastra mobile della macchina di prova è costituita da una lastra rettangolare nella quale è ricavata una scanalatura centrale attraverso tutta la sua lunghezza. Ai lati di questa scanalatura sono inserite, tramite bullonatura o incollaggio, due barre in acciaio temprate e rettificate uguali a quelle presenti sul basamento. Grazie alla gabbia di rulli cilindrici incrociati presenti tra le due coppie di barre, la piastra mobile può scorrere su quella fissa.
In figura 13-3 è rappresentata la piastra mobile.
N° 4 Fori Filettati per attacco con attuatore idraulico n° 12 Fori per collegamento con supporto anteriore e posteriore n° 2 Fori Filettati per collegamento con sostegno motore Inserimento Barre Acciaio
A - A
A A13.4 SUPPORTI
Ciascuno albero è sorretto da due supporti, uno anteriore vicino al provino e l'altro posteriore vicino all'attacco con il motore. Questi quattro supporti, impiegati nella macchina di prova per reggere e posizionare gli alberi porta disco, sono fissati al basamento o alla piastra mobile per mezzo di sei bulloni.
In figura 13-4 è rappresentato il supporto anteriore della piastra mobile. Sono visibili i quattro fori filettati per il collegamento con la protezione non strisciante da un lato e i due fori filettati per il montaggio del carter posteriore dall'altro.
B - B
A - A
BB
A A
Il supporto anteriore del basamento fisso è identico a quello della piastra mobile ad eccezione della posizione dei fori filettati per il montaggio del carter posteriore che, anziché a destra, si trovano a sinistra del foro d'ingresso dell'albero porta disco.
In figura 13-5 è rappresentato il supporto posteriore della piastra mobile. Sono visibili i quattro fori filettati per il collegamento con la protezione non strisciante da entrambi i lati.
Il supporto posteriore del basamento fisso è identico a quello della piastra mobile.
B - B
A - A
B B A ASi è spiegato nel capitolo 7 che il montaggio a sbalzo dei provini e la situazione di vincolo esistente provoca una disparità nella distribuzione dei carichi sui supporti anteriori e posteriori di ciascuno albero, sollecitando il supporto anteriore rispetto a quello posteriore in maniera maggiore.
E' stata effettuata una verifica di resistenza sui supporti anteriori dei due alberi porta disco in modo da determinare il minimo spessore ammissibile in grado di reggere gli sforzi. Le soluzioni mostrano che anche uno spessore abbastanza piccolo è sufficiente allo scopo; pure per quanto riguarda le deformazioni l'ordine di grandezza degli spostamenti non supera i valori che si ritengono accettabili in questo caso.
E' possibile quindi usare piccoli spessori per limitare il più possibile gli ingombri dei quattro supporti all'interno del confine ideale rappresentato da un parallelogramma di larghezza massima LAmax < 2*2Rmin = 120 mm, assicurando così che i supporti della
13.5 CARTER PROTETTIVO
Il carter protettivo ha il compito di isolare i provini dall'esterno, per evitare contaminazioni, e di impedire la fuoriuscita dell'olio consentendone la raccolta per il suo riutilizzo. Esso è costituito da una parte anteriore ed una posteriore, ciascuna delle quali formate a loro volta da due pezzi che si compenetrano.
In figura 13-6 sono riportati i due pezzi formanti la parte posteriore del carter.
I due pezzi posteriori sono montati per mezzo di viti sui supporti anteriori dell'albero porta disco fisso e mobile. La struttura di questi due pezzi deve essere tale da non ostacolare il movimento della piastra mobile sul basamento fisso, necessario per il montaggio di dischi di diametro diverso, consentendo allo stesso tempo la compenetrazione degli stessi pezzi onde impedire la fuoriuscita di lubrificante.
In figura 13-7 è rappresentata la parte posteriore del carter.
DISCO
PEZZO
POSTERIORE
ALBERO
FISSO
PEZZO
POSTERIORE
ALBERO
MOBILE
Pezzo Posteriore Albero Fisso Pezzo Posteriore Albero Mobile
Fori Uscita Lubrificante
I due pezzi della parte anteriore sono delle piastre che vengono collegate ai rispettivi pezzi della parte posteriore per mezzo di bulloni inseriti attraverso fori; si forma così una scatola all'interno della quale si trovano i due provini. La struttura di ciascun pezzo della parte anteriore presenta inoltre:
Due asole di mandata dell'olio nella zona centrale, entro cui si fissano due ugelli per la lubrificazione dei provini.
Un foro di uscita nella zona inferiore per il reinserimento nel circuito di lubrificazione dell'olio recuperato nella vasca sottostante.
Anche qui la struttura dei pezzi deve essere tale da non ostacolare il movimento della piastra mobile sul basamento fisso e consentire allo stesso tempo la compenetrazione degli stessi pezzi onde impedire la fuoriuscita di lubrificante.
La presenza delle asole garantisce la lubrificazione indipendentemente dal diametro dei provini in uso.
In figura 13-8 sono riportati i due pezzi formanti la parte anteriore del carter protettivo. PEZZO ANTERIORE ALBERO FISSO PEZZO ANTERIORE ALBERO MOBILE D C A B D C B A
Fori Collegamento Foro Uscita Lubrificante Fori Collegamento Asole Mandata
Lubrificante
13.6 DISPOSITIVO DI CARICO
Il martinetto idraulico deve compiere un movimento alternativo rettilineo di avvicinamento degli alberi porta disco, per comprimere normalmente i provini, e di allontanamento, per consentire il montaggio degli stessi.
A tale scopo si adotta un impianto aperto oleodinamico costituito da una pompa ad ingranaggi a portata costante e da un distributore d'inversione. In figura 13-9 è descritto lo schema dell'impianto oleodinamico.
Figura 13-9. Impianto aperto oleodinamico.
La pompa ad ingranaggi PI aspirando l'olio dal serbatoio lo costringe a passare dal filtro U e lo manda, attraverso il tubo A, al distributore B. A seconda della posizione del maschio del distributore, l'olio può dirigersi verso il tubo C od il tubo D per entrare nella camera E o F del cilindro. Nella posizione disegnata in figura 13-9 il
distributore invia l'olio nella camera E del cilindro attraverso il tubo C. Lo stantuffo vince la resistenza R e si muove secondo il senso della freccia obbligando l'olio contenuto nella camera F del cilindro a ripercorrere il tubo D, passando ancora per il distributore B e quindi a scaricarsi nel serbatoio attraverso il tubo G. La valvola di scarico VS regola la pressione dell'olio proveniente dalla pompa PI. Dopo che lo stantuffo ha terminato la sua corsa, il maschio del distributore B si dispone nel senso d'inviare l'olio nella camera F del cilindro attraverso il tubo D, obbligando lo stantuffo a rifare il percorso in senso opposto. L'olio contenuto nella camera E viene espulso passando per il tubo C, il distributore ed il tubo G. E' evidente che il maschio del suddetto distributore deve alternativamente disporsi nel senso di lasciare passare l'olio ora in una camera del cilindro poi nell'altra.
Dunque il cilindro, lo stantuffo e lo stelo costituiscono l'organo motore diretto che permette di realizzare un moto rettilineo alternativo grazie alla pressione del fluido trasformata in energia meccanica sia all'andata che al ritorno (doppio effetto).
La lunghezza del cilindro e dell'asta è in funzione della corsa richiesta. Si esegue adesso il dimensionamento dell'impianto oleodinamico.
Dati:
FNmax = 65900 N carico normale massimo di compressione tra i
provini che l'asta dello stantuffo deve fornire; v1 = 0.01 m/s velocità di corsa dello stantuffo;
c = 22 mm corsa dello stantuffo necessaria per il montaggio della coppia di provini avente il valore massimo del diametro;
p = 20 atm = 200 N/cm2 pressione dell'olio sulla faccia libera dello stantuffo, sulla faccia ridotta dallo stelo e nelle tubazioni della rete;
ds = 50 mm diametro dello stelo;
ηt = 0.9 rendimento totale che considera gli attriti dello
stantuffo nel cilindro e le perdite di olio. Si vuole dimensionare:
Il diametro D in millimetri dello stantuffo quando la pressione dell'olio agisce sulla sua faccia libera durante l'avvicinamento dei provini e l'applicazione del carico di compressione.
Il diametro d in millimetri dei tubi d'entrata nel cilindro.
Il tempo t" in secondi occorrente per far percorrere allo stantuffo la corsa c. La potenza in cavalli vapore erogata dal motore elettrico per azionare la
pompa. Risoluzione:
Dimensionamento dello stantuffo .
Per l'impianto oleodinamico è valida la relazione FNmax = (π D
2
p ηt)/(4 * 100) [N]
dalla quale si ricava il diametro dello stantuffo D = 20 [FNmax/(p π ηt)]
1/2
[mm] dove sostituendo i dati si ha D = 210 mm.
Dimensionamento delle tubazioni che trasportano l'olio nel cilindro . Il diametro d del foro dei due tubi di arrivo al cilindro è dato dalla formula d = D (v1/v)
1/2
[mm] dove:
v = ε (2 g h)1/2 [m/s] velocità dell'olio nei due tubi di arrivo al cilindro (s'intende della pompa);
ε = 0.9 coefficiente di riduzione dovuto all'attrito dell'olio nei tubi e alle perdite nelle giunzioni; h = 200 [m] altezza corrispondente alla colonna d'acqua; g = 9.81 [m/s2] accelerazione di gravità.
Sostituendo i valori si ottiene v = 56 m/s
che sostituita a sua volta nella formula del diametro d del foro dà d = 3 mm .
Tempo occorrente alla piastra mobile, collegata allo stelo, per effettuare la corsa di andata e ritorno.
Il tempo in minuti impiegato dallo stantuffo a percorrere una corsa in un solo senso, è dato dalla formula
t = c/(60000 * v1) [min]
sostituendo i dati si ha: t = 0.037 .
Il tempo in secondi è pari a: t" = t * 60 = 2.22 .
Potenza erogata dal motore elettrico necessaria per azionare la pompa PI a portata costante .
Per trovare la potenza effettiva del motore necessaria ad azionare la pompa si applica la formula
NeCV = (Q p)/(100 * 60 * 75 * ηm) [CV]
dove:
Q = [(1000)2 * 60] * [(π d2 v)/4] [cm3/min] portata teorica della pompa nei due tubi di arrivo al cilindro con d espresso in metri;
ηm = 0.85 rendimento meccanico della
pompa. Sostituendo i valori si ottiene
Q = 23730 cm3/min
che sostituita a sua volta nella formula della potenza effettiva del motore dà NeCV = 1.24 CV = 0.92 kW .
La portata effettiva della pompa è Qe = Q * ηv
ηv = 0.90 rendimento volumetrico generale.
La potenza teorica del motore è: NCV = NeCV ηm .
Nell'impianto aperto oleodinamico adottato per la macchina di prova a dischi, si ha p = costante
Q = costante
e quindi dalla formula esprimente la potenza effettiva risulta pure NeCV = costante .
Di conseguenza si deduce che la potenza assorbita dalla pompa (e trasmessa all'olio) si mantiene costante anche quando la macchina richiede una potenza minore o maggiore, ossia lo sforzo utile richiesto dalla macchina non si adegua a quello della pompa.
