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Capitolo 5
Architettura del drop weight tester
5.1
Scelta dell'architettura generale della macchina nel
rispet-to dei vincoli
Dall'osservazione delle macchine di prova esaminate nel capitolo 3 si possono notare diverse soluzioni attinenti all'architettura generale di un drop weight tester. Considerando i vincoli imposti dalla normativa [1] e le particolari esigenze dell'utilizzatore si arriva a definire una possibile archi-tettura per la macchina da progettare. Nel capitolo 6 si confronteranno le architetture illustrate nel capitolo 5 e se ne sceglierà una per ogni parte del-la macchina.
5.1.1 Sistema di guida dell'impattatore
Tutti i drop weight tester esaminati nel capitolo 3 hanno un sistema che guida il movimento verticale dell'impattatore che prevede l'impiego di due colonne lisce disposte ai suoi lati (Figura 5.1). Questa soluzione si ritiene adatta anche per la macchina da progettare. Ogni macchina utilizza una propria particolare soluzione meccanica per lo scorrimento verticale del carrello cercando di ridurre il più possibile l'attrito. In corrispondenza di ciascuno dei quattro vertici del carrello è installato uno dei seguenti mecca-nismi:
• una boccola a strisciamento (Figura 5.1a);
• una coppia di rotelle a sfere a contatto con la colonna di guida di-sposte come in Figura 5.1b;
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• una piastrina di acciaio sagomata con un profilo ad arco gotico (Figura 5.1 c).
La macchina Wance DIT 183E e la Zwick-Roell HIT 230F (Figura 5.1 a) utilizzano meccanismi di guida simili.
Sulla base della soluzione in Figura 5.1 c, è stata scelta, per il carrello da progettare, una configurazione con quattro piastrine di acciaio sagomate a V che strisciano sulle colonne di guida. Questa soluzione (Figura 5.2) è
(a) Zwick-Roell HIT 230F
(b) Imatek IM10R-15 (c) Instron Ceast 9340
Figura 5.1: Particolare dei diversi meccanismi di guida dell'impattatore su tre mac-chine prese in esame.
Figura 5.2: Schema del meccanismo di guida dell'impattatore scelto per la macchina da progettare.
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semplice da realizzare e non necessita di particolare manutenzione.
5.1.2 Meccanismo per il posizionamento dell'impattatore
La soluzione generalmente impiegata per il sollevamento, il posiziona-mento e il rilascio dell'impattatore prevede un componente orizzontale (traversa mobile) dotato di un sistema per guidarne il movimento verticale, sul quale è installato un meccanismo per lo sgancio dell'impattatore. I pro-duttori hanno adottato sistemi diversi per guidare e movimentare la traver-sa (cfr. capitolo 3). Traendo spunto da questi si propongono di seguito tre soluzioni.
5.1.2.1 Meccanismo con viti a ricircolo di sfere
Questo sistema si basa su due viti a ricircolo di sfere sostenute alle e-stremità da cuscinetti. Ai lati della traversa sono montate due chiocciole (madreviti) che convertono il moto rotatorio delle viti in un moto traslato-rio delle chiocciole. In Figura 5.3 è rappresentata una chiocciola con un trat-to di vite estrattrat-to dal catalogo della Officina Meccanica B. B. SRL [8]. Per controllare con precisione la rotazione delle viti si può installare, sul coper-chio della macchina, un servomotore che trasmette il moto mediante una cinghia a due pulegge calettate alle estremità superiori delle viti. Questo è il sistema utilizzato sulla macchina Zwick-Roell e su quella Wance.
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5.1.2.2 Meccanismo con argano manuale
Questa soluzione richiede due colonne di acciaio rettificate, utilizzate come guide per due manicotti a ricircolo di sfere montati alle estremità del-la traversa. Quest'ultima è collegata con un cavo, guidato da pulegge, a un argano manuale a manovella. È necessario provvedere in qualche modo a mantenere la traversa ferma sia dopo il posizionamento, dopo il rilascio dell'impattatore.
Un problema della movimentazione con l'argano è la difficoltà da parte dell'operatore di controllare la corretta posizione della traversa mentre a-ziona la manovella, in particolare quando la traversa si trova nella parte più alta della macchina. Una soluzione può essere quella di far collimare un in-dice solidale alla traversa mobile, con una barra millimetrata verticale, fis-sata accanto a una delle due colonne di guida.
Per controllare l'allineamento dell'indice e al contempo agire sulla ma-novella dell'argano si può installare una piccola videocamera sulla traversa mobile in modo da inquadrare l'indice e la barra millimetrata, riportando l'immagine su un monitor posto vicino all'argano.
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5.1.2.3 Meccanismo con contrappesi
Si tratta di una soluzione sostanzialmente simile a quella descritta nel paragrafo 5.1.2.2. Anche in questo caso il movimento della traversa viene guidato con due manicotti che scorrono su due barre verticali rettificate. La traversa è collegata tramite cavi a due contrappesi. La traversa può essere posizionata all'altezza desiderata applicando una forza molto piccola diret-tamente a mano dall'operatore. Riducendo l'attrito del meccanismo di gui-da della traversa (adottando ad esempio manicotti a ricircolo di sfere) e mi-nimizzando grazie ai contrappesi la forza richiesta all'operatore per movi-mentarla, si può ottenere un posizionamento preciso come richiesto dalla
[1].
Questa soluzione architetturale offre la possibilità di ottenere una buona rigidezza della parte superiore della macchina, scegliendo un diametro a-deguato per le colonne di guida della traversa e fissando le loro estremità a una piastra che chiude superiormente la macchina. Così facendo non è ne-cessaria una ulteriore struttura di irrigidimento costruita ad esempio con profilati di acciaio o in lega di alluminio chiaramente identificabili sulle macchine Instron, Wance e Imatek.
Venendo a mancare il peso dell'impattatore subito dopo lo sgancio, la traversa mobile tenderebbe ad essere tirata verso l'alto, in modo incontrol-lato, dai contrappesi. È necessario dunque prevedere un dispositivo per
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mantenere ferma la traversa anche dopo il rilascio dell'impattatore.
5.1.3 Meccanismo per il rilascio dell'impattatore
Questo meccanismo deve fare in modo che la forza verticale impressa all'impattatore durante lo sgancio sia trascurabile rispetto al peso proprio dell'impattatore. Si è pensato alle tre soluzioni architetturali di seguito schematicamente illustrate che verranno analizzate più nel dettaglio nel ca-pitolo 6.
5.1.3.1 Sistema con elettromagnete e piattello
Un elettromagnete permanente, montato sotto la traversa, trattiene un piattello di materiale ferromagnetico posto all'apice dell'impattatore. A-gendo su un interruttore si alimenta una bobina interna all'elettromagnete che ne annulla quasi completamente la forza di ritenzione (Figura 5.6) pro-vocando la caduta sotto l'effetto della sola gravità.
5.1.3.2 Sistema con gancio oscillante e attuatore pneumatico
Un elemento con un'estremità sagomata a gancio, incernierato sotto la traversa, ruota grazie a un attuatore pneumatico a semplice effetto con ri-torno a molla, posto all'interno della traversa mobile.
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La freccia in Figura 5.7 indica il verso di allungamento dello stelo che produce la rotazione del gancio e quindi il rilascio dell'impattatore. Il perno di sospensione è posizionato nella parte più alta del carrello dell'impattato-re.
5.1.3.3 Sistema con gancio oscillante, molla ed elettromagnete
Un elemento sagomato a gancio, simile a quello descritto in 5.1.3.2, in-cernierato sotto la traversa, ruota sotto l'azione di una molla di trazione. Questa viene mantenuta precaricata dalla forza magnetica agente su un
Figura 5.7: Sistema di rilascio con attuatore pneumatico.
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piattello fissato al gancio oscillante (Figura 5.8). L'elettromagnete perma-nente è fissato all'interno della traversa mobile tramite una staffa di lamiera piegata a U.
5.2
Spazio sottostante che ospita l'oggetto da provare
Le zampe del drop weight tester sono fissate a una rigida piastra di base in acciaio di spessore adeguato in modo che la maggior parte dell'energia d'impatto venga assorbita dall'oggetto da testare mentre solo una frazione molto piccola venga dissipata dalla struttura della macchina sotto forma di vibrazioni e di calore. Per fissare l'attrezzatura che vincola il componente da provare, la piastra di base può essere provvista di alcuni fori filettati o di una serie di scanalature parallele con sezione a T rovesciata.
5.2.1 Modularità della macchina
Tra i requisiti richiesti alla configurazione della macchina vi è la modu-larità, intesa come la possibilità di separare la parte superioreda quella infe-riore. La prima comprende l'impattatore con i suoi sistemi di guida e di po-sizionamento, il dispositivo anti-rimbalzo e tutti i sensori presenti sulla macchina; la seconda è costituita dalla struttura che deve sostenere la parte superiore della macchina e che deve inoltre circoscrivere l'area dove avvie-ne l'impatto. La modularità offre quindi la possibilità di sostituire la parte inferiore della macchina a seconda dell'ingombro dei componenti che si vogliono testare. È possibile che inizialmente s'intenda eseguire test solo su provini standard ASTM D7136 o altri provini di piccole dimensioni e solo successivamente oppure occasionalmente possa nascere l'esigenza di testa-re pannelli di dimensioni dell'ordine del metro. Una macchina modulatesta-re permette dunque di ridurre la superficie occupata sul pavimento del labo-ratorio per la maggior parte del suo periodo di utilizzo, senza però preclu-dere la possibilità di lavorare su componenti più ingombranti.
Inoltre si realizza anche un risparmio sul costo iniziale di costruzione della macchina poiché la base di supporto meno ingombrante è sicuramen-te più leggera ed economica rispetto a quella più larga che può essere co-struita in seguito solo se necessaria.
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5.2.2 Architettura delle zampe
Per l'architettura delle zampe si è pensato a due possibilità:
a. Una struttura costituita da quattro travi da carpenteria con sezione ad H dotate di flange saldate alle estremità in modo da permettono il collegamento con viti, da un lato alla piastra intermedia e dall'altro alla piastra di base della macchina. Completano la struttura due pic-cole travi trasversali. Un supporto di questo tipo è, ad esempio, di-sponibile come componente opzionale per la macchina Instron 9250 (Figura 5.9).
b. Una struttura con quattro tubi di acciaio in parete spessa con due flange circolari saldate alle estremità. Su queste ultime sono praticati dei fori passanti per il fissaggio, mediante elementi filettati, da un la-to alla piastra intermedia e dall'altro a quella di base.
5.3
Dispositivo anti-rimbalzo
I sistemi anti-rimbalzo installati sulle macchine Instron, Imatek e Wance sono azionati con un attuatore pneumatico. Nel catalogo relativo al drop weight tester Zwick-Roell viene menzionato un sistema anrimbalzo di ti-po meccanico senza specificare la modalità di azionamento. Quest'ultimo è necessario per assorbire e dissipare l'energia residua dell'impattatore in ca-so di perforazione del provino. Poiché nella normativa [1]è consigliato di fare una stima preliminare dell'energia d'impatto, si ritiene ragionevole
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pensare che l'energia residua posseduta dall'impattatore, in caso di perfo-razione del provino, non debba essere elevata.
5.3.1 Meccanismo con due bracci basculanti e fine corsa cilindrici
Osservando il sistema installato sulla macchina Instron Ceast 9350 si è pensato di integrare in un unico meccanismo le funzioni di anti-rimbalzo e di fine corsa. Si utilizzano due sbarrette basculanti alle cui estremità sono installate due ruote in gomma. Se il percussore dovesse perforare il provino la traversina inferiore dell'impattatore terminerebbe la corsa dissipando l'e-nergia residua sulle due ruote. In caso di rimbalzo viene invece attivato il meccanismo che fa scattare il sollevamento di ciascuno dei due bracci ba-sculanti tramite una molla. Un elettromagnete permanente provvede a mantenere precaricata la molla fino all'attivazione del dispositivo. In Figura 5.10 è riportato uno schema semplificato del meccanismo.
5.3.2 Meccanismo con due quadrilateri articolati
Si è pensato a un meccanismo simile a quello presente sul drop weight tester Wance evitando però l'azionamento pneumatico. Il meccanismo è co-stituito da due quadrilateri articolati, disposti simmetricamente ai due lati
Figura 5.10: Schema del dispositivo anti-rimbalzo con bracci basculanti e rotelle in gomma.
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rispetto alla punta dell'impattatore e vincolati a muoversi simultaneamente mediante un asse orizzontale.
Due molle di trazione, disposte come in Figura 5.11, provocano il rapido movimento dei quadrilateri dalla posizione rappresentata con linea punti-nata (anti-rimbalzo in configurazione abbassata) alla posizione rappresen-tata con linea continua (anti-rimbalzo in configurazione sollevata). Ciascu-na delle due molle ha un'estremità incernierata alla traversa orizzontale del quadrilatero e l'altra estremità a un perno posto su un apposito supporto fissato sulla piastra dov'è installato il meccanismo anti-rimbalzo. Un tam-pone in gomma dissipa l'energia residua dell'impattatore dopo il rimbalzo o nell'eventualità in cui il percussore dovesse perforare l'oggetto in prova.
5.4
Ingombri delle parti principali della macchina
Gli elementi principali della macchina che ne determinano l'ingombro verticale sono:
• altezza massima di caduta,
• spessore massimo del componente da testare, • ingombro verticale dell'impattatore,
• ingombro verticale della traversa mobile,
• altezza dell'attrezzatura di supporto per il provino,
• ingombro dei morsetti a ginocchiera (in posizione sbloccata),
• spessori della piastra di base, di quella intermedia e di quella di chiusura.
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Trattandosi solo di una stima preliminare dell'ingombro non si è tenuto conto della presenza di altri componenti che si possono installare sulla pia-stra superiore di chiusura che andrebbero ad aumentare l'ingombro vertica-le.
Nella vista frontale in Figura 5.12 si possono notare, rappresentati con semplici riquadri d'ingombro: i morsetti a ginocchiera in posizione aperta, il carrello dell'impattatore e un ipotetico dispositivo di sgancio.
Sempre in Figura 5.13 nella sezione A-A sono rappresentati: con linea tratto lungo e due brevi la piastra di chiusura, nella parte più alta della macchina; con linea tratteggiata le quattro zampe e i piedi di livellamento.
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