Calcolo e Progetto - parte 1

PROGETTO e CALCOLO di SISTEMI MECCANICI

Un sistema meccanico è una macchina costituita da un insieme di componenti (meccanici, idraulici, pneumatici, elettronici, elettrici) che messi insieme costituiscono la macchina che deve svolgere una determinata funzione.

Per esempio:

• macchine per la MISURA ed esempio di pesi;
• macchine per la PROPULSIONE;
• macchine per il COLLAUDO (banco prova a fatica).

Che cosa si intende per PROGETTO e CALCOLO??

➔ PROGETTO sono le scelte fondamentali che garantiscono la prestazione. (Progetto Funzionale) → sistema fisico

➔ A valle di questo vi è il problema di CALCOLO: verifiche di DURATA (progetto strutturale)

PRESTAZIONI ➔ parto dalle prestazioni che devo garantire cioè il LAYOUT (o devo scegliere il sistema fisico che garantisca le prestazioni)

• ➔ si scelgono i componenti (motore elettrico, martinetto idr, attuatore)
• ➔ si scelgono i parametri di funzionamento

DURATA ➔ verifiche di RIGIDEZZA

• ➔ verifiche di RESISTENZA ➔ statica, fatica
• ➔ integrità strutturale

Premessa: Schema a blocchi generale di un sistema meccanico

Fonte di energia -> Regolatore energia -> Trasformazione o trasferimento -> Utilizzatore

Penso vi sia una fonte di energia, generalmente elettrica, illimitata. All’ingresso del sistema meccanico, vi è un regolatore di energia, che preleva la necessaria energia per quello che serve.

L’energia prelevata dalla fonti deve arrivare all’utilizzatore (proviamo a comprendere meccanico del banco prova).

Dal 380 trifase al primo, io tutto una serie di componenti che prendono questa energia e la trasformano in alta energia o semplicemente la trasferiscono.

Arrivo quindi all’utilizzatore. Se mi fermo a questo schema, si dice che ho progettato un sistema meccanico in anello aperto in cui cioè la quantità di energia che arriva all’utilizzatore dipende da relazioni input/output dei blocchi che stanno prima dell’utilizzatore.

L’anello aperto non consente di controllare con precisione l’energia che arriva all’utilizzatore (pistone P = F/A -> perdite...).

Devo aggiungere un controllo di reazione per passare da un sistema ad anello aperto ad un sistema ad anello chiuso.

Fonte di energia -> Regolatore energia -> Utilizzatore -> Sensore -> Controllore (errore) -> Valore desiderato - Regolatore

Se ho sovrapressione, grazie all'opportuna taratura della molla, la pressione del canale di pilotaggio vince la forza di contrasto della molla.

FILTRI

Sono componenti che si scelgono dal catalogo dei produttori.

• Filtro con elevato potere filtrante
  • blocca impurità fino a 1 ÷ 3 μm (METALLO SINTERIZZATO)
• Filtro con basso potere filtrante → maglia larga
  • blocca impurità fino a 20 μm (CARTA)

I costruttori danno le caratteristiche dei filtri in termini di:

• perdita di carico attraverso il filtro Δp
• portata Q

A parità di Q, il filtro più aperto produce una minore perdita di carico.La portata dipende dalla taglia del filtro.

Questi grafici vengono fatti a VISCOSITÀ CINEMATICA ν = COST ovvero a TEMPERATURA costante.

VARIABILI DIPENDENTI e INDIPENDENTI di un circuito oleodinamico

Il tempo che ci impiega la pompa a pompare dentro 0,9 litri risulta:

t = ΔV / Q = 0,9 / 10 = 0,09 min = 5,4 s

PERDITE DI CARICO

• localizzate
• distribuite

Perdite di carico distribuite in REGIME LAMINARE

Re = ρ · v · d / μ

ΔH = f · ℓ / d · v² / 2g    DARCY - WEISBACH

il coeff. di perdita risulta    fl = 64 / Re

Δp = ρ · g · ΔH    (perdita di pressione)

= ρ · g · 64 / Re · ℓ / d · v² / 2g

= 32 · μ · v · ℓ / d²

Perdite di carico distribuite in REGIME TURBOLENTO

il coeff. di perdita risulta    f = 0,316 / Re^1/4    → tubi lisci

      → tubi scabri

all'aumentare della scabrezza relativa, il coeff. di perdita lineare si altera

al tamburo portacilindri.

Ho una TESTA FISSA che divide superiormente il TAMBURO, fra due camere onulari: in mezza circonferenza in mi raccolgo l'olio alla mandata, e l'altra mezza circonferenza ho aspirazione di olio al serbatoio. Ho ruotato la TESTA di 90° per rappresentare la camera di aspirazione e di mandata.

Z = n° di cilindri D = diametro centri delle biellette

Vp = _{A ⋅ Z ⋅ C}

= _{Z ⋅ A ⋅ D sin α}

Cilindrata Variabile

Più aumenta (cioè inclino di) α , più aumenta la corsa utile di ciascun pistone all’interno del cilindro → aumenta quindi la portata.

Elevate pressioni in gioco                          100 ≤ p ≤ 900 bar

SERBATOI:

• vasca contenente olio
• grazie alle sue ampie superfici laterali bagnate dall'olio caldo che c’è dentro, è un mezzo per dissipare potenza termica accumulata dall'olio (T _olio ≤ 70/80°C)

P_d ⇒ perdite localizzate e distribuite che producono una certa dissipazione di potenza P_d.

Nota la dissipazione di potenza P_d penso di scrivere la potenza da dissipare come somma di due contributi:

• potenza Q₁
• potenza Q₂

DISEGNO COSTRUTTIVO di una VALVOLA 4/3

La valvola è fatta per alimentare l'utenza attraverso due uscite che vanno nelle due camere del cilindro.

La valvola ha due luci (A e B) che vengono chiuse da una spola o cilindretto nella posizione centrale.

Da P entra la portata data dalla pompa che riempie la camera centrale.

• Prendo il manottino e lo sposto verso destra → • --▹
• Metto in comunicazione P con B e A con il serbatoio T
• Prendo il manottino e lo sposto verso sinistra ← • ◃--
• Metto in comunicazione P con A e B con il serbatoio T

Scelta di una valvola oleodinamica:

• costi (bassi)
• velocità di lavoro (elevata)
• pressione bar (elevata)

Il CORPO VALVOLA tipicamente è realizzato in:

• GHISA lamellare GJL-300 _{σR = 300 MPa}

Le SPOLE sono tipicamente realizzate in:

• ACCIAIO AUTOMATICO (S.M)

In condizioni normali di chiusura, l'impianto sarà regolato da una normale

a pressione inferiore a quella di intervento della valvola

P < Po la valvola è nella posizione principale

Faccio salire progressivamente la pressione nell'impianto

↑ sale la pressione agente sull'attuatore pilota.

Quando:

P > Po → Po= P₁ + K · X (kg_cede) l'attuatore pilota è appoggiato.

Comincia un rigolo di olio che viene riversato nel serbatoio T.

Questo trasferimento viene alimentato dall'olio contenuto nel serbatoio.

Analizzo il tratto L dell'attuatore principale:

Si instaura un Regime Laminare

Devo introdurre un salto di pressione per far fluire la piccola portata di olio:

P - P₁ = 8 μ V · L

k²

A fronte onde di un trasferimento, non appena c'è P - P₁ l'attuatore inizia a muoversi.

Per una differenza onde piccola di pressione tra monte e valle, l'attuatore

principale si spalanca la via e spadisce la portata Q al serbatoio

CURVE CARATTERISTICHE

• Azione Pilotata 2 Stadi
• Azione Diretta 1 Stadio
• P_o: pressione d'inizio intervento della valvola
• VI STADIO: Quando raggiungo P_o, le prime gocce di olio scaricati al serbatoio