CAPITOLO 7

CAPITOLO 7

PROGETTO CONCETTUALE

La specifica definita nel precedente capitolo 6 ha fornito lo schema di base per la realizzazione della macchina di prova a dischi, come ad esempio il parallelismo (con un errore accettabile) tra gli alberi porta disco; si deve però decidere se questi alberi paralleli debbano essere disposti orizzontalmente o verticalmente rispetto al suolo. In questo capitolo, quindi, si descrivono le varie soluzioni concettuali che possono essere adottate per i principali gruppi funzionali dei quali è costituita la macchina di prova a dischi.

L' analisi delle soluzioni concettuali è stata condotta tenendo conto dei seguenti principali parametri: carichi sui cuscinetti e momento flettente sull'albero, peso ed ingombro. Si suppone che all'aumentare dei carichi sui cuscinetti e del momento flettente sull'albero aumenti il peso e l'ingombro.

Essendo ancora in una fase concettuale ci si basa su un'analisi qualitativa rimandando alle successive fasi del progetto la verifica dell'adeguatezza delle soluzioni concettuali proposte per la macchina di prova.

7.1 INTRODUZIONE

Di seguito sono elencate le funzioni a cui la macchina di prova a dischi deve assolvere:

Consentire il montaggio/smontaggio dei provini mediante lo scorrimento della piastra mobile (su cui è assicurato un albero porta disco) sopra il basamento fisso (su cui è assicurato l'altro albero porta disco).

Fornire moto ai provini mediante motori elettrici indipendenti.
Comprimere i provini mediante un dispositivo di carico.

Nei paragrafi che seguono, dopo aver scelto la posizione sugli alberi porta disco in cui montare i provini, sono descritte le varie soluzioni concettuali che possono essere adottate per le funzioni sopra elencate; analizzando i pregi e i difetti di ciascuna soluzione, si giungerà alla scelta della soluzione costruttiva più idonea per ogni componente della macchina in funzione della mansione che deve assolvere.

7.2 POSIZIONAMENTO DEI PROVINI

Il posizionamento dei provini sugli alberi delle macchine a dischi reperibili sul mercato, per prove di simulazione del contatto tra i denti delle ruote di un ingranaggio, è generalmente effettuato a sbalzo o all'altezza della mezzeria.

Il posizionamento in mezzeria dei provini, oltre a rendere più rigido il montaggio, fa sì che i due cuscinetti di ciascuno albero siano sollecitati nella stessa direzione e con la stessa intensità, ossia gli sforzi si distribuiscono in parti uguali tra i due cuscinetti. Non avviene la stessa cosa invece con il posizionamento a sbalzo.

L'idea però è quella di effettuare un montaggio a sbalzo dei provini in modo da permettere una facile sostituzione degli stessi anche a fronte della presenza del carter protettivo. Inoltre a parità di lunghezza dell'albero porta disco, il montaggio a sbalzo consente di avere una freccia inferiore, ossia vale a dire una velocità critica di rotazione superiore e quindi la possibilità per l'albero di raggiungere velocità di rotazioni maggiori in tutta sicurezza, cosa molto importante per il tipo di macchina di prova che si vuole progettare caratterizzata da elevate velocità rotazionali.

L'unico problema è quello relativo alla situazione di vincolo che, provocando una disparità nella distribuzione dei carichi, risulta sollecitare il cuscinetto anteriore rispetto a quello posteriore, sia a momento flettente che a taglio, in maniera maggiore di quanto avviene con un posizionamento centrale dei provini; ciò comporterà un aumento del diametro dell'albero in corrispondenza di questo cuscinetto rispetto a quello posteriore.

Infine, per tenere conto del disallineamento degli alberi porta disco in questo tipo di montaggio a sbalzo, si possono impiegare dei provini bombati.

In figura 7-1 è riportata la soluzione per il posizionamento dei provini a disco.

Disco

7.3 GUIDA DELLA PIASTRA MOBILE

La piastra mobile deve potersi muovere sopra il basamento fisso per consentire il movimento relativo degli alberi porta disco in entrambi i versi, sia nella direzione orizzontale di avvicinamento (per permettere l'applicazione del carico normale di compressione tra i provini da parte del dispositivo di carico) che in quella di allontanamento (per permette il montaggio/smontaggio dei provini a disco). Tale movimento è consentito attraverso un opportuno sistema di guida, di cui sono state valutate tre soluzioni: la guida a scorrimento, la guida a rotolamento e la guida idrostatica.

In figura 7-2 è rappresentata la forma di esecuzione di una guida a scorrimento.

Figura 7-2. Guida a scorrimento.

Dalla figura si distinguono le barre di aggancio sottostanti "c" che evitano il capovolgersi o il sollevarsi della piastra mobile "a" dal basamento fisso "b". Vi sono anche delle barre di adattamento "d" che permettono una regolazione priva di gioco. Questo tipo di guida si differenzia dalle guide idrostatiche e da quelle a rotolamento soprattutto per la semplicità della sua struttura, per la facilità di montaggio, per l'elevato fattore di smorzamento e la grande rigidità.

Il comportamento rispetto all'attrito e all'usura è svantaggioso e peggiora se le velocità di avanzamento sono ridotte poiché in tal caso si presenta quasi sempre attrito limite. Tale attrito, unito all'eventuale mancanza della pellicola di lubrificante, può provocare, a causa del contatto di entrambe le superfici di scorrimento, fenomeni di usura e danneggiamenti delle superfici o, in caso di un accoppiamento non idoneo di materiali o di sollecitazione estrema, una vera e propria corrosione. Inoltre il lavoro di attrito generato dallo spostamento delle superfici striscianti si trasforma in calore che deforma le stesse superfici dando luogo a inesattezze nell'accostamento dei provini.

In figura 7-3 è rappresentata, invece, la forma di esecuzione di una guida a rotolamento.

Il percorso di scorrimento è costituito da barre in acciaio temprate e rettificate presenti sulla piastra mobile e sul basamento fisso. Tra queste barre sono sistemate gabbie di rulli incrociati che rotolando consentono l'avanzamento. Per aumentare la rigidità, questa tipo di guida può essere precaricata mediante viti che si serrano sui cuscinetti a rulli.

Contrariamente alle guide a scorrimento, queste non presentano grandi differenze tra attrito statico ed attrito radente. Il minore attrito statico delle guide a rotolamento corrisponde ad una riduzione degli accostamenti di traiettoria. A parità di masse è possibile impiegare un dispositivo di carico a potenza minore.

D'altronde lo scarso valore di attrito della guida a rotolamento può portare, a causa del limitato smorzamento che ne consegue, a vibrazioni se nella macchina di prova devono essere assorbite delle forze che cambiano periodicamente e se la guida possiede una rigidità troppo limitata.

Figura 7-3. Guida a rotolamento.

Infine in figura 7-4 è rappresentata la forma di esecuzione di una guida idrostatica. Le superfici di contatto della piastra mobile e del basamento sono separate da una pressione idraulica generata dall'esterno e mantenuta durante l'esercizio. Barre di aggancio sottostanti evitano il capovolgersi o il sollevarsi della piastra mobile dal basamento fisso.

Poiché le superfici di contatto risultano completamente separate, una siffatta guida presenta indubbiamente un comportamento ad attrito ed usura molto vantaggioso ed una esigenza abbastanza limitata per quanto riguarda la qualità del materiale e delle superfici.

La rigidità di tale guida dipende dal sistema di adduzione idraulica, risultando elevata nel caso di utilizzo di valvole a membrana. Il costo di realizzazione è maggiore che

nel caso delle due precedenti guide e, a causa della complicata struttura, è conveniente impiegarla solo per le macchine di elevate dimensioni.

Figura 7-4. Guida idrostatica.

Tenendo conto che la piastra mobile deve semplicemente consentire l'allontanamento degli alberi, per il montaggio/smontaggio dei provini, e l'accostamento, per l'applicazione (da parte del dispositivo di carico) della forza normale di compressione tra gli stessi provini, si deduce come risultano adeguate, per una macchina a dischi di dimensioni moderate, le basse velocità di avanzamento e costi contenuti.

La soluzione adottata sarà allora quella della guida a rotolamento. Il comportamento rispetto all'attrito di tale guida è simile a quello dei cuscinetti a rulli sollecitati. Il coefficiente di attrito è inferiore di almeno una potenza di dieci rispetto a quello delle guide a scorrimento. Si considera che f sia compreso fra 0,003 e 0,01.

In relazione all'applicazione del carico, si può aumentare il limitato smorzamento (conseguente allo scarso valore di attrito e causa di indesiderate vibrazioni), maggiorando il precarico della guida a rotolamento.

La condizione necessaria per il perfetto funzionamento è l'assoluta pulizia; quindi occorre che le guide siano ricoperte per evitare contaminazioni e fabbricate con particolare attenzione.

7.4 MOTORI

Per la scelta dei motori elettrici, nella progettazione della macchina a dischi, è necessario considerare le esigenze della velocità e del carico, ossia occorre stabilire se per le prove da effettuare saranno necessarie una o più velocità costanti oppure una variazione progressiva di velocità, tenendo conto del valore della potenza assorbita alle diverse velocità di prova e del valore della relativa coppia massima calcolati nei capitoli precedenti.

Sono ora esaminate le caratteristiche e le possibilità di regolazione della velocità, per poi valutarne i vantaggi e i limiti, delle seguenti due soluzioni: il motore a corrente alternata (c.a.) ed il motore a corrente continua (c.c.).

Il motore a corrente alternata presenta caratteristiche di notevole semplicità e robustezza, esso è composto da una parte fissa (statore) nella quale è montato l'avvolgimento che viene collegato alla rete di alimentazione ed una parte mobile (rotore) che può essere a gabbia o ad anelli.

La regolazione della velocità avviene in modo molto limitato. Infatti la relazione tra la velocità di rotazione reale del motore nr (in giri al minuto) e le grandezze elettriche (numero delle coppie polari p e frequenza di alimentazione f) è

nr = (60f/p) * (1 - γ)

dove γ = (ns - nr)/ns è lo slittamento percentuale con ns velocità di sincronismo del motore o teorica (in giri al minuto). Tenendo conto della relazione appena scritta le possibilità di regolazione sono le seguenti:

 Variazione del numero delle coppie polari attive. Generalmente si usano motori elettrici a due o quattro poli che provocano, però, uno sbalzo notevole di giri e non sono vantaggiosi dal punto dei vista del rapporto peso/potenza.

 Variazione della frequenza di alimentazione. Ottenuta per mezzo di convertitori rotanti composti da un motore a c.a. alimentato dalla rete e da un alternatore che fornisce la frequenza richiesta.

 Variazione della tensione di alimentazione. Ottenuta per mezzo di un reostato che provoca una caduta di tensione proporzionale alla corrente assorbita.  Inserimento di resistenze. Poco conveniente a causa dell'effetto Joule che si

sviluppa.

Tali possibilità di regolazione consentono, tuttavia, di ottenere ristrette variazioni di velocità discontinue secondo il rapporto 1 a 3 oppure 1 a 4 oppure 1 a 7. In conseguenza di ciò i motori elettrici a c.a. si utilizzano alla loro velocità costante e si dispone a valle un variatore meccanico o un cambio di velocità ad ingranaggi.

Un problema che si presenta quando si impieghino motori a c.a. consiste nella correzione del fattore di potenza poichè tali motori richiedono una notevole potenza reattiva specialmente se non funzionano a pieno carico, vale a dire che operano con un basso fattore di potenza. Per eliminare l'inconveniente che ha importanti ripercussioni sul costo di esercizio, in quanto le società distributrici penalizzano i prelievi effettuati con basso fattore di potenza, è necessario munire i motori di un condensatore di rifasamento adatto (dispositivo che non consuma in pratica energia). Invece, il motore a c.c. è composto da una parte fissa (statore) munita di avvolgimento induttore percorso da una corrente per creare un flusso magnetico e da una parte rotante (rotore) con l'avvolgimento principale (armatura) che sarà attraversato dal flusso magnetico.

I motori elettrici a c.c. offrono la possibilità di poter variare progressivamente il numero di giri dell'albero con una regolazione della velocità effettuabile sia col variare del flusso di eccitazione e sia col variare della tensione di armatura; si ottiene anche l'inversione di marcia del motore variando la direzione del flusso ed invertendo la polarità della dinamo di alimentazione del motore. Di seguito si riportano per lo studio di questa regolazione tre relazioni che legano fra loro le grandezze meccaniche da controllare (coppia, potenza, velocita di rotazione) alle grandezze elettriche e magnetiche del circuito che alimenta il motore a c.c. (tensione, intensità di corrente, flusso):

C = Kφia (1) , n = (60/2π) * [(U - raia)/Kφ] (2) , W = 2πnC/60 = (U - raia)ia (3) dove

C = coppia sull'albero motore;

n = velocità di rotazione in giri al minuto; W = potenza del motore;

φ = flusso induttore;

ia = corrente media di armatura; ra = resistenza di armatura; U = tensione media di armatura;

K = costante dipendente dagli elementi del motore.

Tenendo conto delle tre formule appena scritte, si potrà regolare la velocità nei seguenti modi:

 A coppia costante (per le velocità più basse). Mantenendo il flusso φ e la corrente dell'armatura ia costante e variando la tensione U dell'armatura per mezzo del reostato del voltaggio, dalla formula (1) si ricava che la coppia C rimane costante, dalla formula (2) risulta la possibilità di far variare la velocità di rotazione n proporzionalmente ad U mentre dalla formula (3) si deduce che la potenza W diventa variabile a seguito della variabilità di n.

Al variare, dunque, di U il motore consente di erogare una coppia C costante per velocità basse ed il valore massimo di velocità raggiungibile è quello compatibile con la massima tensione utilizzabile per il motore.

 A potenza costante (per le velocità più alte). Mantenendo la tensione U e la corrente ia dell'armatura costante e variando il flusso φ per mezzo del reostato della bobina eccitatrice, dalla formula (1) si ricava che la coppia C varia proporzionalmente a φ, dalla formula (2) risulta la possibilità di far variare la velocità di rotazione n in modo inversamente proporzionale a φ mentre dalla formula (3) si deduce che la potenza W rimane costante poichè all'aumentare di C diminuisce n e viceversa. Al variare, dunque, di φ il motore consente di erogare una potenza W costante per velocità alte ed il valore massimo di velocità raggiungibile è quello compatibile con il minimo valore assunto dal flusso induttore.

Per chiarire meglio le idee si osservi il diagramma di figura 7-5 dove è definito il campo di funzionamento a coppia ed a potenza costante. Nel campo di funzionamento a coppia costante si vede che la coppia motrice C rimane costante e pari al suo valore massimo col variare del numero n di giri, mentre la potenza W è variabile da zero ad un massimo; nel campo di funzionamento a potenza costante si vede che col variare del numero di giri cambia il valore della coppia motrice C, mentre la potenza W rimane costante e pari al suo valore massimo.

C

C,W

C

W

n° giri base

n

W

Figura 7-5. Diagramma relativo alla regolazione a coppia C costante ed a potenza W costante di un motore a corrente continua.

Le curve della figura 7-5 definiscono per la coppia e per la potenza il campo di funzionamento possibile, nel senso che sono realizzabili tutte le situazioni rappresentate da punti che stanno al di sotto di tali curve. La variazione continua del numero di giri dell'albero motore può oscillare secondo il rapporto 1 a 4 con la regolazione a potenza costante e 1 a 30 con la regolazione a coppia costante.

Però i motori a c.c. presentano il seguente problema: per poterli utilizzare con reti di distribuzione dell'energia elettrica in alternata occorre provvedere alla conversione della corrente da alternata a continua. Tale problema è facilmente risolvibile mediante l'impiego di gruppi di conversione rotanti, tipo Ward-Leonard, oppure statici, come ad esempio i diodi al silicio.

Il gruppo Ward-Leonard è costituito da un motore a c.a. (trasformazione di corrente alternata in energia meccanica) che aziona meccanicamente una dinamo (trasformazione di energia meccanica in corrente continua) la quale alimenta il motore a c.c. (trasformazione di corrente continua in energia meccanica che viene infine trasmessa alla macchina a dischi).

Invece i diodi al silicio sono componenti allo stato solido che permettono, mediante il loro effetto raddrizzatore, la conversione di una tensione da alternata in continua senza che vi sia movimento di parti. Essi sono costituiti dalla giunzione di un metallo semiconduttore come il silicio, il germanio o il selenio (che sono isolanti a basse temperature e conducenti ad elevate temperature) con uno strato di altro metallo. Se questa coppia è sottoposta ad una tensione alternata si manifesta un'azione di bloccaggio elettrico al contatto, vale a dire che gli elettroni fluiscono facilmente dal metallo al semiconduttore e non nel senso opposto.

Il confronto tra i due gruppi di conversione si può esprimere sui seguenti punti: i costi di manutenzione sono a favore dei diodi, l'affidabilità è equivalente mentre i tempi di risposta sono più brevi nei diodi.

La scelta del motore elettrico per la macchina di prova si fa considerando quanto sopra esposto a proposito del motore a corrente alternata e del motore a corrente continua.

Tenendo conto che per la macchina a dischi la funzione principale che i due motori elettrici indipendenti devono assolvere è quella della regolazione della velocità dei provini a disco durante le prove, si scelgono allora dei motori a corrente continua con l'interposizione tra rete e motore dei diodi al silicio per la conversione della corrente: questa soluzione consente la variazione continua del numero di giri dell'albero motore che viene collegato direttamente all'albero porta dischi mediante un giunto flessibile, senza utilizzare, pertanto, un cambio di velocità con alcune serie di coppie di ingranaggi.

Infine, una volta scelto il motore, al sistema motore-macchina a dischi è necessario garantire una condizione di regime stabile e ciò avviene, per qualsiasi velocità, alla seguente condizione: in ogni istante la coppia motrice deve essere uguale alla coppia resistente e se, per qualunque motivo, una delle due coppie subisce una variazione, anche l'altra deve modificarsi in modo da ristabilire l'equilibrio.

In altri termini per mantenere l'equilibrio occorre che ad ogni rallentamento del motore si verifichi un aumento della coppia motrice ed una corrispondente diminuzione della coppia resistente od almeno permanga una differenza positiva tra la prima e la seconda coppia. Ciò si ottiene impiegando un sistema chiuso di regolazione automatica (figura 7-6) costituito da un comando azionante la macchina a

dischi dalla quale si ricava automaticamente un segnale (misura) che viene confrontato, sempre automaticamente, con il valore normale prestabilito; se i due valori confrontati danno luogo ad una differenza (errore), questa agisce quale segnale di correzione su dispositivi automatici in grado di modificare la grandezza.

COMANDO MACCHINA DI PROVA A DISCHI STRUMENTO DI MISURA REGOLAZIONE AUTOMATICA input valore prestabilito

7.5 SCELTA DEL DISPOSITIVO DI CARICO

Il dispositivo di carico dovrà provvedere ad applicare la forza massima di FNmax = 65900 N sui provini in direzione orizzontale o verticale rispetto al suolo; anche in questo caso, infatti, sono state valutate due soluzioni: la leva di carico e il martinetto idraulico.

Si può utilizzare un sistema a pesi sospesi, come la leva di carico rappresentata in figura 7-7, che si presenta semplice nell'applicazione verticale del carico e nella sua misura. Tuttavia presenta problemi d'ingombro, consente solo incrementi del carico di entità definita e può con ciò generare uno shock di carico negli organi.

Inoltre la soluzione del sistema di pesi a leva non sembrerebbe essere molto funzionale in quanto cambiando il diametro dei provini non si ha la certezza che la distribuzione del carico sia esattamente verticale. Si potrebbe ovviare inserendo una regolazione sulla cerniera in A o sull'asta, ma la cerniera in A risulta essere caricata per cui non appare corretto inserire delle regolazioni. D'altronde si possono trovare soluzioni migliori come il martinetto idraulico.

u2 u1 Attacco Flessibile Getto Olio Carico A Getto Olio

Figura 7-7. Leva di carico.

Il dispositivo di carico più usato nelle macchine di prova a dischi è dato sicuramente dal martinetto idraulico che, per mezzo di un pistone, consente di variare e controllare direttamente il carico applicato, di direzione orizzontale definita, in modo progressivo indipendentemente dal comportamento dell'accoppiamento dei dischi durante la prova. Quest'ultima appare quindi la soluzione più facilmente controllabile in maniera automatica che presenta il vantaggio, inoltre, di poter essere integrata in una certa misura con gli impianti esistenti presso il laboratorio del CTRM.

Si sceglie quindi una soluzione con martinetto idraulico collegato alla piastra mobile tramite il pistone e disposizione orizzontale degli alberi porta disco. In figura 7-8 è riportato lo schema generale.

Martinetto Idraulico

Piastra Mobile

Basamento Fisso

Dischi

Figura 7-8. Martinetto idraulico.

La massima forza di prova utile sui dischi che deve essere applicata dal martinetto idraulico è pari a FNmax = 65900 N , però occorre tenere conto anche della forza dissipata a causa del grosso peso costituito dalla piastra mobile e degli attriti dovuti alle guide. Di conseguenza stimando una forza dissipata intorno al 3% della massima forza utile, si può convenire che il carico massimo necessario che deve essere fornito dal martinetto idraulico scelto è:

FMI = (FNmax + 0.03FNmax) = 67880 N.

Nel prossimo paragrafo si descriverà lo strumento, adottato nella macchina di prova, per misurare la sopraindicata forza sui dischi.

7.6 STRUMENTAZIONE AUSILIARIA PER EFFETTUARE

MISURE, OSSERVAZIONI E RILIEVI

Affinché la macchina di prova a dischi possa eseguire il suo compito svolgendo al meglio le funzioni elencate fin qui, deve essere corredata da un'opportuna strumentazione. La strumentazione ausiliaria necessaria alla macchina di prova può essere suddivisa nelle seguenti tre categorie:

 Strumentazione per la gestione dei parametri (dispositivi di misura, moduli di condizionamento, schede di conversione analogico/digitale, ecc.). Tale strumentazione è necessaria per l'effettuazione della prova nelle opportune condizioni di prova; difatti consente di acquisire in tempo reale una serie di parametri di primaria importanza, alcuni connessi all'esecuzione della prova (parametri operativi di prova) altri necessari per garantire il corretto funzionamento della stessa macchina (parametri d'impianto). Occorre prevedere anche procedure d'arresto della macchina nel caso di superamento dei valori massimi da parte di questi parametri in modo da assicurare l'incolumità degli addetti ai lavori e da non danneggiare la macchina. Per migliorare l'efficienza del sistema si automatizza sia la conduzione della prova sia il funzionamento degli impianti della macchina, permettendo la gestione da Personal Computer mediante appositi programmi e codici digitali in grado di visualizzare, memorizzare, impostare, controllare ed analizzare i principali parametri separatamente per quelli di prova e per quelli di macchina.

 Strumentazione per la gestione delle immagini (telecamera, sorgente di luce, supporti, guide, ecc.). Tale strumentazione è necessaria per quantificare il danneggiamento superficiale al variare delle condizioni di prova e valutare l'avanzamento di siffatto danneggiamento durante la vita del disco stesso. Difatti la strumentazione consente di acquisire in tempo reale le immagini dei provini. Anche qui per migliorare l'efficienza si automatizza il sistema permettendo la gestione da PC mediante appositi programmi e codici digitali in grado di visualizzare, memorizzare, ingrandire ed elaborare le immagini delle zone superficiali d'interesse.

 Strumentazione per l'acquisizione della rugosità superficiale (telecamera, rugosimetro, supporti, guide, ecc.). Tale strumentazione è necessaria per avere indicazioni più precise sul campo di pressioni superficiali, sul film di lubrificante e sulla forma di usura che si manifesta. Difatti consente di acquisire, mediante un rugosimetro, il valore della rugosità superficiale media Ra prima e durante la prova; tale parametro è quello che maggiormente caratterizza la superficie dei dischi esercitando una notevole influenza sui fattori di cui sopra.

L'idea è quella di utilizzare, per quanto possibile, come strumentazione ausiliaria della macchina a dischi le apparecchiature presenti presso il laboratorio del CTRM ed attualmente utilizzate assieme al banco prova ingranaggi per svolgere prove di caratterizzazione di tipici ingranaggi aerospaziali in collaborazione con Avio S.p.A. . Tali apparecchiature, infatti, sono in grado di svolgere le attività descritte nelle tre categorie ed inoltre và da se che grazie all'integrazione con la macchina a dischi si ha una significativa riduzione dei costi di produzione a beneficio di una reale fabbricazione della macchina stessa.

Nei prossimi sottoparagrafi è illustrata la strumentazione ausiliaria della quale si dota la macchina a dischi, strumentazione basata sulle apparecchiature presenti presso il laboratorio del CTRM.

7.6.1 APPARECCHIATURA DI GESTIONE PARAMETRI

 Un sistema per l'acquisizione dei parametri.

 Un sistema per l'impostazione ed il controllo dei parametri.  Un sistema per l'analisi dei parametri.

7.6.1.1 SISTEMA ACQUISIZIONE PARAMETRI

Dispositivi di misura in grado di trasformare in tensioni elettriche i parametri che si desidera misurare (termocoppie, accelerometri, manganina, ecc.).
Moduli di condizionamento in grado di filtrare ed amplificare le tensioni

elettriche provenienti dai dispositivi di misura.

Schede di conversione analogico/digitale in grado di convertire in digitale le tensioni elettriche analogiche provenienti dai moduli di condizionamento. Si passano ora in rassegna i dispositivi di misura presenti sulla macchina a dischi.

ACCELEROMETRI.

Gli accelerometri servono per rilevare le vibrazioni della macchina in determinati punti d'interesse, poichè l'analisi di tali vibrazioni costituisce uno degli strumenti più affidabili per la diagnostica precoce allo scopo di ricavare eventuali sintomi di un

deterioramento superficiale dei provini a disco o, più in generale, di un danneggiamento riguardante la macchina di prova.

Vi sono quattro accelerometri monoassiali posizionati in corrispondenza dei cuscinetti e due accelerometri triassiali posizionati tra gli alberi motori e gli alberi porta disco della macchina di prova.

In figura 7-9 è rappresentata la disposizione degli accelerometri per la macchina di prova. Dischi Giunti Flessibili Motori Aberi Porta Disco A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1

Figura 7-9. Posizionamento degli accelerometri sulla macchina di prova a dischi.

TERMOCOPPIE.

Le termocoppie servono per rilevare, nota la conducibilità termica dei materiali, la temperatura in determinati punti d'interesse della macchina.

Vi sono termocoppie posizionate in corrispondenza delle piste esterne dei cuscinetti della macchina di prova, nei condotti di mandata e recupero del lubrificante dell'impianto di lubrificazione relativo ai dischi in prova e nei condotti di mandata dell'impianto di lubrificazione relativo ai cuscinetti. Le temperature rilevate da tali termocoppie sono inviate al programma Controllo Banco Prova (CBP) che ha il compito di assicurare il corretto funzionamento della macchina a dischi e l'arresto della stessa nel caso di superamento dei valori massimi in modo da non danneggiare la macchina.

Per quanto riguarda la misura della temperatura del campione in prova viene depositata una termocoppia, mediante vaporizzazione, sulla sua superficie sotto forma di strati sottili (2 µm di spessore) isolati e protetti fra due strati di materiale

ceramico (Al2O3) con due linee di connessione per il collegamento elettrico fra il giunto caldo della termocoppia ed il misuratore di f.e.m. così come riportato in figura 7-10. elemento A della termocoppia elemento B della termocoppia strato di protezione strato di isolamento disco linea di connessione

Figura 7-10. Misura della temperatura per mezzo di termocoppie depositate in strati sottili.

La disposizione delle termocoppie per la macchina di prova a dischi è rappresentata in figura 7-11. T 8 Dischi Giunti Flessibili Motori Alberi Porta Disco Impianto Lubrificazione Cuscinetti

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MANGANINA

La manganina serve per rilevare la pressione nella zona del contatto lubrificato poichè è una sostanza piezoresistiva che ha la peculiarità di variare la propria resistenza elettrica al variare della pressione.

Per consentire la misura viene depositata sulla superficie del disco una sottile striscia di manganina (larga 0.05 mm e spessa 0.1 µm) isolata e protetta fra due strati di allumina (di spessore pari a 1 µm) con due "gambe" per il collegamento elettrico così come riportato in figura 7-12.

strato di protezione

striscia di

manganina

strato di

isolamento

disco

"gamba" per il

collegamento

elettrico

Figura 7-12. Misura della pressione con manganina depositata sulla superficie del campione.

FLUSSOMETRO.

I flussometri, posizionati nel circuito di mandata dell'impianto di lubrificazione relativo ai dischi in prova, servono per rilevare la portata di lubrificante in ingresso nei provini.

TRASDUTTORI DI PRESSIONE.

I trasduttori di pressione, posizionati nel circuito di mandata sia dell'impianto di lubrificazione relativo ai dischi in prova sia dell'impianto di lubrificazione relativo ai cuscinetti, servono per rilevare la pressione del lubrificante in ingresso nei provini e nei cuscinetti.

7.6.1.2 SISTEMA IMPOSTAZIONE E CONTROLLO

PARAMETRI

E' un codice digitale sviluppato presso il laboratorio del CRTM e composto dai due seguenti programmi implementati in ambiente LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) [35]:

 Impostazioni Parametri (PI). Un programma che consente di impostare preliminarmente i parametri operativi di prova e di rodaggio (temperatura, velocità, portata di lubrificante, ecc.). Tali parametri vengono quindi memorizzati in files di testo archiviati in una cartella path.

 Controllo Banco Prova (CBP). Un programma che acquisisce e controlla in tempo reale i segnali provenienti dai dispositivi di misura sia in termini di parametri operativi di prova connessi all'esecuzione della prova sia in termini di parametri d'impianto necessari per garantire il corretto funzionamento della stessa macchina (temperatura dei cuscinetti e della sala, temperature e portate di lubrificante in determinati punti dell'impianto di lubrificazione relativo ai cuscinetti, ecc.). Il programma utilizza il sopra citato file di testo archiviato nella cartella pathper portare automaticamente la macchina di prova nelle condizioni specificate dai parametri operativi di prova impostati nel programma PI; ma non solo, difatti è anche in grado con opportuni aggiustamenti di gestire autonomamente il motore degli alberi e l'attuatore idraulico consentendo in ogni momento della prova la modifica delle velocità e del carico di compressione a valori diversi da quelli precedentemente impostati col programma PI. Il programma garantisce inoltre l'arresto della macchina nel caso di superamento dei valori massimi da parte di questi parametri durante la prova in modo da assicurare l'incolumità degli addetti ai lavori e da non danneggiare la macchina, ciò consente l'effettuazione di prove che possono durare dei giorni senza la presenza dell'operatore.

7.6.1.3 SISTEMA ANALISI PARAMETRI

E' un programma implementato in ambiente Matlab presso il laboratorio del CRTM che acquisisce ed analizza in tempo reale le vibrazioni provenienti dagli accelerometri.

L'analisi delle caratteristiche di vibrazione consente di rilevare i sintomi di una eventuale rottura dei dischi per fatica prima che ciò avvenga, e più in generale di monitorare lo stato complessivo della macchina prevedendo la comparsa di danni che ne potrebbero compromettere la funzionalità.

Il programma apre i canali della scheda di conversione analogico/digitale, stabilisce la frequenza di campionamento e l'acquisizione dei segnali vibrazionali, visualizza e memorizza i segnali.

Inoltre permette l'impostazione dei valori di allarme per ciascuno canale; il superamento di tali limiti di allarme da parte dei parametri vibrazionali fa scattare la procedura di arresto d'emergenza della macchina per salvaguardare sia i provini che il banco prova.

7.6.2 APPARECCHIATURA DI GESTIONE IMMAGINI

 Un sistema per l'acquisizione delle immagini.  Un sistema per il controllo delle immagini.  Un sistema per l'elaborazione delle immagini.

Tale apparecchiatura consente una valutazione quantitativa del danneggiamento superficiale ad un dato istante della vita del provino (interruzione o fine prova) mediante l'acquisizione e la successiva elaborazione delle immagini della superficie dei dischi. Invece per il rilievo del danno durante la prova (valutazione dell'avanzamento del danneggiamento) si utilizzano dei trasduttori di spostamento che misurano in continuo la profondità dell'impronta d'usura dei dischi dando l'evoluzione dell'usura nel tempo.

7.6.2.1 SISTEMA ACQUISIZIONE IMMAGINI

 Un supporto provvisto di cuscinetti dove montare un appropriato albero porta provino su cui è inserito il disco da esaminare.

 Una sorgente di luce puntata sul disco da esaminare col compito di produrre un contrasto cromatico tra la parte di superficie danneggiata e la parte non danneggiata.

 Una telecamera digitale posta frontalmente al provino in grado di inviare le immagini della superficie del disco direttamente ad un Personal Computer.  Una serie di guide che permettono lo spostamento della sorgente di luce e

7.6.2.2 SISTEMA CONTROLLO IMMAGINI

E' un programma implementato in ambiente LabView [35] presso il laboratorio del CRTM che acquisisce e controlla in tempo reale le immagini della superficie del disco inviate dalla telecamera digitale.

Serve per consentire l'acquisizione automatica delle immagini e per ingrandire e memorizzare le immagini relative ad una specifica zona d'interesse.

7.6.2.3 SISTEMA ELABORAZIONE IMMAGINI

E' un programma implementato in ambiente Matlab presso il laboratorio del CRTM che elabora le immagini acquisite con l'obbiettivo di quantificare il danneggiamento superficiale del provino ad un dato istante della vita del provino (interruzione della prova) o alla fine della prova.

La telecamera digitale cattura l'immagine come se si trattasse di una griglia di pixel. Ad ognuno di questi pixel è associata una particolare tonalità di grigio che diviene più intensa sui bordi delle zone danneggiate. Il programma leggendo queste immagini le elabora basandosi sui gradienti di intensità di grigio e riesce così a localizzare le zone danneggiate presenti sull'immagine; inoltre il programma consente di ricavare anche la dimensione della zona danneggiata.